飛輪電池提高離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統穩定性研究

飛輪儲能系統是一種機電能量轉換與儲能裝置，它突破了化學(xué)電池的局限，用物理方法實(shí)現儲能，其基本原理是在儲能時(shí)，電能通過(guò)電力轉換器變換后驅動(dòng)電機運行，電機帶動(dòng)飛輪加速轉動(dòng)，飛輪以動(dòng)能的形式把能量?jì)Υ嫫饋?lái)，從而完成電能到機械能轉換的儲存能量的過(guò)程，能量?jì)Υ嬖诟咚傩D的飛輪體中；之后，電機維持一個(gè)恒定的轉速，直到接收到一個(gè)能量釋放的控制信號；在釋能時(shí)，高速旋轉的飛輪帶動(dòng)電機發(fā)電，從而完成機械能到電能轉換的釋放能量過(guò)程。由此，整個(gè)飛輪儲能系統實(shí)現了電能的輸入、儲存和輸出過(guò)程[4]。
2 系統結構和工作原理
采用飛輪儲能系統作為調節單元的離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統的結構如圖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，它利用感應電機帶動(dòng)金屬飛輪，將電能轉化為機械能，實(shí)現能量的存儲。

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(shí)際的負載也是隨時(shí)變化的，所以直流總線(xiàn)上的電壓會(huì )出現波動(dòng)，從而造成系統不穩定。
在這個(gè)系統里，當風(fēng)能不足或負載較大時(shí)，直流總線(xiàn)電壓EDC將減小，飛輪儲能系統里的感應電機作為發(fā)電機，將儲存于飛輪中的機械能轉換成電能補償給整個(gè)系統；當風(fēng)能充足或負載較小時(shí)，直流總線(xiàn)電壓EDC將增大，飛輪儲能系統里的感應電機作為電動(dòng)機，將電網(wǎng)上多余的能量存儲到飛輪儲能系統里。這樣,通過(guò)飛輪的不斷釋放和吸收能量達到維持直流側電壓EDC在預定范圍內的目的[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，當風(fēng)速變大或者負載減小時(shí)，系統直流側電壓EDC將上升，飛輪儲能電池的電機運行于電動(dòng)狀態(tài)，將電能轉換成機械能儲存于飛輪中。此時(shí)PWM雙向逆變器工作在逆變狀態(tài)。為了滿(mǎn)足飛輪電池充電的快速性、穩定性等要求，這里采用了電機轉子磁鏈定向的矢量控制策略[6-7]。為此，建立永磁同步電動(dòng)機的d-q軸數學(xué)模型如下：


飛輪電池充電時(shí)，采用d-q軸的前饋解耦和id=0的矢量控制，如圖3所示。該控制框圖采用轉速外環(huán)、電流內環(huán)的雙閉環(huán)控制。當系統直流側電壓EDC上升時(shí)，飛輪電池充電，PWM變流器工作在逆變狀態(tài)。直流電經(jīng)過(guò)逆變器的變壓變頻后給飛輪電池的電動(dòng)機供電，并且通過(guò)調節電動(dòng)機轉速來(lái)控制飛輪電池的充電電流大小。將電動(dòng)機轉速的給定信號與反饋信號進(jìn)行比較，之后經(jīng)過(guò)轉速調節器，轉速調節器的輸出為電流調節器的輸入。定子相電流的d-q軸分量和它們的反饋量進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)電流調節器的校正，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(dòng)機上的輸出電壓，然后再用SPWM調制技術(shù)得出對逆變器的驅動(dòng)脈沖。id、iq的反饋量由電動(dòng)機定子得到。通過(guò)電機轉速也可知道飛輪電池的能量狀態(tài)。abc三相電流經(jīng)過(guò)坐標變換得到。坐標變換中的θ和電機轉速可由轉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)電系統中，當風(fēng)速變小或者突加負載時(shí)，系統直流側電壓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換成電能補償給系統。此時(shí)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(guò)PWM整流之后得到穩定的直流電。根據是否選取瞬態(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的靜態(tài)模型設計，其動(dòng)態(tài)特性較差；直接電流控制由于動(dòng)態(tài)響應快、控制精度高的優(yōu)點(diǎn)，成為 PWM 整流器控制策略的主流。所以本系統采用直接電流控制，圖4所示是本系統所采用的電流滯環(huán)比較方式的控制系統結構圖。

5 系統的仿真結果及分析
采用Matlab/Simulink對系統進(jìn)行仿真，其中風(fēng)力發(fā)電系統的參數參照參考文獻[8]和參考文獻[9]。飛輪儲能系統的仿真參數如下：電機參數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(jìn)行了仿真分析，給定直流母線(xiàn)電壓為400 V，仿真結果如圖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(shí)風(fēng)速從7.55 m/s增加到8.55 m/s，在1.0 s時(shí)風(fēng)速又減小為7.55 m/s時(shí)，在不加入飛輪電池和加入飛輪電池兩種情況下系統直流母線(xiàn)電壓的瞬時(shí)響應。圖6顯示了在t=0.3 s時(shí)風(fēng)速從7.55 m/s減小到6.55 m/s，在1.0 s時(shí)風(fēng)速又增加為7.55 m/s時(shí)，在不加入飛輪電池和加入飛輪電池兩種情況下系統直流母線(xiàn)電壓的瞬時(shí)響應。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，直流母線(xiàn)電壓在風(fēng)速增大或減小的過(guò)程中一直穩定在400 V左右，通過(guò)仿真驗證了系統模型及控制策略的正確性。
飛輪儲能系統儲能密度大、能量轉化效率高、充放電速度快且沒(méi)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(chǎng)的能量緩沖裝置，以穩定離網(wǎng)式風(fēng)電場(chǎng)的直流母線(xiàn)電壓。通過(guò)對控制系統的仿真，得出仿真曲線(xiàn)，結果表明在風(fēng)速小范圍波動(dòng)的情況下，飛輪電池對改善系統直流側電壓的穩定性有顯著(zhù)效果。
參考文獻
[1] 齊志遠，王生鐵.協(xié)調控制框架下的離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統能量管理[J].太陽(yáng)能學(xué)報，2009，30（4）：504-508.
[2] 戴興建，于涵，李奕良.飛輪儲能系統充放電效率實(shí)驗研究[J].電工技術(shù)學(xué)報，2009，24（3）：20-24.
[3] 陳星鶯，單淵達．超導儲能單元在并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統的應用[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