飛輪電池提高離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性研究

飛輪儲能系統(tǒng)是一種機電能量轉(zhuǎn)換與儲能裝置，它突破了化學(xué)電池的局限，用物理方法實現(xiàn)儲能，其基本原理是在儲能時，電能通過電力轉(zhuǎn)換器變換后驅(qū)動電機運行，電機帶動飛輪加速轉(zhuǎn)動，飛輪以動能的形式把能量儲存起來，從而完成電能到機械能轉(zhuǎn)換的儲存能量的過程，能量儲存在高速旋轉(zhuǎn)的飛輪體中；之后，電機維持一個恒定的轉(zhuǎn)速，直到接收到一個能量釋放的控制信號；在釋能時，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪帶動電機發(fā)電，從而完成機械能到電能轉(zhuǎn)換的釋放能量過程。由此，整個飛輪儲能系統(tǒng)實現(xiàn)了電能的輸入、儲存和輸出過程[4]。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理
采用飛輪儲能系統(tǒng)作為調(diào)節(jié)單元的離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，風(fēng)電機組主要由風(fēng)輪機、永磁同步發(fā)電機等部分組成。儲能單元為飛輪儲能系統(tǒng)，它利用感應(yīng)電機帶動金屬飛輪，將電能轉(zhuǎn)化為機械能，實現(xiàn)能量的存儲。

由于風(fēng)力發(fā)電機發(fā)出的能量隨風(fēng)速的變化而變化，并且實際的負載也是隨時變化的，所以直流總線上的電壓會出現(xiàn)波動，從而造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。
在這個系統(tǒng)里，當(dāng)風(fēng)能不足或負載較大時，直流總線電壓EDC將減小，飛輪儲能系統(tǒng)里的感應(yīng)電機作為發(fā)電機，將儲存于飛輪中的機械能轉(zhuǎn)換成電能補償給整個系統(tǒng)；當(dāng)風(fēng)能充足或負載較小時，直流總線電壓EDC將增大，飛輪儲能系統(tǒng)里的感應(yīng)電機作為電動機，將電網(wǎng)上多余的能量存儲到飛輪儲能系統(tǒng)里。這樣,通過飛輪的不斷釋放和吸收能量達到維持直流側(cè)電壓EDC在預(yù)定范圍內(nèi)的目的[5]。
3 飛輪電池的充電控制
配備有飛輪儲能電池的獨立運行式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，當(dāng)風(fēng)速變大或者負載減小時，系統(tǒng)直流側(cè)電壓EDC將上升，飛輪儲能電池的電機運行于電動狀態(tài)，將電能轉(zhuǎn)換成機械能儲存于飛輪中。此時PWM雙向逆變器工作在逆變狀態(tài)。為了滿足飛輪電池充電的快速性、穩(wěn)定性等要求，這里采用了電機轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制策略[6-7]。為此，建立永磁同步電動機的d-q軸數(shù)學(xué)模型如下：


飛輪電池充電時，采用d-q軸的前饋解耦和id=0的矢量控制，如圖3所示。該控制框圖采用轉(zhuǎn)速外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制。當(dāng)系統(tǒng)直流側(cè)電壓EDC上升時，飛輪電池充電，PWM變流器工作在逆變狀態(tài)。直流電經(jīng)過逆變器的變壓變頻后給飛輪電池的電動機供電，并且通過調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速來控制飛輪電池的充電電流大小。將電動機轉(zhuǎn)速的給定信號與反饋信號進行比較，之后經(jīng)過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出為電流調(diào)節(jié)器的輸入。定子相電流的d-q軸分量和它們的反饋量進行比較，經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器的校正，電壓解耦，得到d-q軸的電壓控制量，再運用矢量反變換獲得需加在電動機上的輸出電壓，然后再用SPWM調(diào)制技術(shù)得出對逆變器的驅(qū)動脈沖。id、iq的反饋量由電動機定子得到。通過電機轉(zhuǎn)速也可知道飛輪電池的能量狀態(tài)。abc三相電流經(jīng)過坐標變換得到。坐標變換中的θ和電機轉(zhuǎn)速可由轉(zhuǎn)子位置檢測單元得到。

4 飛輪電池的放電控制
在配備有飛輪儲能電池的離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，當(dāng)風(fēng)速變小或者突加負載時，系統(tǒng)直流側(cè)電壓EDC將下降，飛輪儲能電池的電機運行于發(fā)電狀態(tài)，將儲存于飛輪中的機械能轉(zhuǎn)換成電能補償給系統(tǒng)。此時PWM雙向逆變器工作在整流狀態(tài)。永磁同步發(fā)電機發(fā)出的三相正弦交流電經(jīng)過PWM整流之后得到穩(wěn)定的直流電。根據(jù)是否選取瞬態(tài)輸入交流電流作為反饋控制量，PWM 整流器控制分為間接電流控制和直接電流控制兩種。間接電流控制基于系統(tǒng)的靜態(tài)模型設(shè)計，其動態(tài)特性較差；直接電流控制由于動態(tài)響應(yīng)快、控制精度高的優(yōu)點，成為 PWM 整流器控制策略的主流。所以本系統(tǒng)采用直接電流控制，圖4所示是本系統(tǒng)所采用的電流滯環(huán)比較方式的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

5 系統(tǒng)的仿真結(jié)果及分析
采用Matlab/Simulink對系統(tǒng)進行仿真，其中風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的參數(shù)參照參考文獻[8]和參考文獻[9]。飛輪儲能系統(tǒng)的仿真參數(shù)如下：電機參數(shù)R1=2.875 ?贅；L-M=8.5 mH；p=4；J=0.8×10-3 kg/m2。分別對風(fēng)速突然增大和突然減小兩種情況進行了仿真分析，給定直流母線電壓為400 V，仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。

仿真的風(fēng)速模型采用陣風(fēng)，圖5顯示了在t=0.3 s時風(fēng)速從7.55 m/s增加到8.55 m/s，在1.0 s時風(fēng)速又減小為7.55 m/s時，在不加入飛輪電池和加入飛輪電池兩種情況下系統(tǒng)直流母線電壓的瞬時響應(yīng)。圖6顯示了在t=0.3 s時風(fēng)速從7.55 m/s減小到6.55 m/s，在1.0 s時風(fēng)速又增加為7.55 m/s時，在不加入飛輪電池和加入飛輪電池兩種情況下系統(tǒng)直流母線電壓的瞬時響應(yīng)。由圖5和圖6可以看出，采用飛輪儲能單元的離網(wǎng)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，直流母線電壓在風(fēng)速增大或減小的過程中一直穩(wěn)定在400 V左右，通過仿真驗證了系統(tǒng)模型及控制策略的正確性。
飛輪儲能系統(tǒng)儲能密度大、能量轉(zhuǎn)化效率高、充放電速度快且沒有環(huán)境污染，是非常理想的儲能元件。本文研究了采用飛輪儲能單元作為離網(wǎng)式風(fēng)電場的能量緩沖裝置，以穩(wěn)定離網(wǎng)式風(fēng)電場的直流母線電壓。通過對控制系統(tǒng)的仿真，得出仿真曲線，結(jié)果表明在風(fēng)速小范圍波動的情況下，飛輪電池對改善系統(tǒng)直流側(cè)電壓的穩(wěn)定性有顯著效果。
參考文獻
[1] 齊志遠，王生鐵.協(xié)調(diào)控制框架下的離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能量管理[J].太陽能學(xué)報，2009，30（4）：504-508.
[2] 戴興建，于涵，李奕良.飛輪儲能系統(tǒng)充放電效率實驗研究[J].電工技術(shù)學(xué)報，2009，24（3）：20-24.
[3] 陳星鶯，單淵達．超導(dǎo)儲能單元在并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用[J]．中國電機工程學(xué)報，2001，21(12)：63-69.
[4] 張崇巍，張興.PWM整流器及其控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.
[5] AKAGI H，SATO H.Advanced high-speed flywheel energy storage systems for pulsed power application[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2008，17(1)：109-116.
[6] BILLINTON R，BAGE，CUI Y．Reliability evaluation of small stand-alone wind energy conversions systems using a time
series simulation model[J]．IEEE Proceedings：Generation，Transmission and Dsitribution，2003，150(1)：96-100．
[7] 張建成，黃立培，陳志業(yè)．飛輪儲能系統(tǒng)及其運行控制技術(shù)研究[J]．中國電機工程學(xué)報，2003，16(3)：108-111．
[8] CARDENAS R，PENA R，ASHER G M，et al.Control strategies for power smoothing using a flywheel driven by a sensorless vector-controlled induction machine operating in a wide speed range[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2004,51（3）：603-614.
[9] 葛海濤．基于MATLAB的風(fēng)力發(fā)電系