基于飛輪儲(chǔ)能的新型動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的研究

朱俊星，王同勛

（中國(guó)電力科學(xué)研究院 北 京 1 00192）

隨著工業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，接入電力系統(tǒng)的沖擊性負(fù)荷急劇增加，電能質(zhì)量問(wèn)題變得越來(lái)越嚴(yán)重，從而造成產(chǎn)品質(zhì)量下降甚至生產(chǎn)過(guò)程中斷。根據(jù)各國(guó)學(xué)者和電力部門統(tǒng)計(jì)，在電力系統(tǒng)的各種電能質(zhì)量問(wèn)題中，電壓暫降的危害最大[1]。目前，最有效的補(bǔ)償裝置是動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）[2]。

傳統(tǒng)的DVR在補(bǔ)償電壓暫降時(shí)，其所需能量由并聯(lián)于所補(bǔ)償電網(wǎng)的整流器提供，缺點(diǎn)是不能補(bǔ)償深度電壓暫降[3]。因此有學(xué)者提出由儲(chǔ)能裝置來(lái)提供能量。常見(jiàn)的儲(chǔ)能裝置有：蓄電池、超級(jí)電容、超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置以及飛輪儲(chǔ)能裝置[4]。與其他幾種儲(chǔ)能方式相比，飛輪儲(chǔ)能具有高儲(chǔ)能量、長(zhǎng)壽命、高效率、無(wú)污染等特性。因此在飛輪電池以及工業(yè)用UPS電源等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。飛輪儲(chǔ)能是一高速旋轉(zhuǎn)的飛輪質(zhì)體作為機(jī)械能量?jī)?chǔ)存的介質(zhì)，利用電機(jī)和能量轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)來(lái)控制能量的輸入（儲(chǔ)存能）和輸出（釋放能）。目前，產(chǎn)品化的飛輪儲(chǔ)能單元最高指標(biāo)通常為儲(chǔ)能量2～5 kWh，功率250 kW，若要求更高功率、更大儲(chǔ)能量則需采用飛輪儲(chǔ)能單元并聯(lián)運(yùn)行來(lái)實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[5]對(duì)多臺(tái)飛輪并聯(lián)運(yùn)行的控制策略進(jìn)行了研究，提出了一種以飛輪可釋放能量為比例分配各臺(tái)飛輪儲(chǔ)能裝置輸出功率的控制策略，此控制策略會(huì)導(dǎo)致各臺(tái)并聯(lián)飛輪的充放電次數(shù)不均勻。

針對(duì)以上不足，本文提出了一種基于飛輪儲(chǔ)能的新型動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器；詳細(xì)分析了該系統(tǒng)的工作原理和各部分的控制策略；針對(duì)飛輪并聯(lián)運(yùn)行提出了一種新的放電控制策略；最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 電路拓?fù)?/h2>

基于飛輪儲(chǔ)能的DVR的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要由DVR變換器、濾波器、旁路開(kāi)關(guān)、串聯(lián)變壓器、變換器A、電感L和飛輪儲(chǔ)能陣列（FESA）組成。

DVR變換器、濾波器、旁路開(kāi)關(guān)和串聯(lián)變壓器一起組成串聯(lián)型電壓恢復(fù)器，變換器A和電感L構(gòu)成PWM整流器，飛輪儲(chǔ)能陣列由多臺(tái)飛輪儲(chǔ)能單元（FESU）并聯(lián)組成，飛輪儲(chǔ)能單元由飛輪變換器、永磁無(wú)刷直流電機(jī)和飛輪3部分組成。電網(wǎng)電壓正常時(shí)，飛輪處于充電狀態(tài)；在電網(wǎng)電壓發(fā)生暫降時(shí)，DVR變換器經(jīng)串聯(lián)變壓器向電網(wǎng)注入補(bǔ)償電壓，從而保證負(fù)載電壓是額定電壓。淺度電壓暫降時(shí)能量由電網(wǎng)提供；深度電壓暫降時(shí)能量由飛輪提供。

圖1 系統(tǒng)主電路

驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用三相永磁無(wú)刷直流電機(jī)，因其具有運(yùn)行可靠、免維護(hù)、高效率以及調(diào)速性能好的特點(diǎn)[6]，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 永磁無(wú)刷直流電機(jī)的主要參數(shù)

2 系統(tǒng)的控制策略

2.1 飛輪充電控制

飛輪的充電控制采用雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，外環(huán)是轉(zhuǎn)速環(huán)，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)。其中，速度調(diào)節(jié)器采用復(fù)合控制。在啟動(dòng)階段，希望轉(zhuǎn)速快速上升，而對(duì)控制精度要求相對(duì)較低，采用恒轉(zhuǎn)矩限流啟動(dòng)；在調(diào)速階段，采用恒功率充電模式，隨著轉(zhuǎn)速的升高，輸入電流反比減小，可以減小不平衡磁拉力對(duì)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性的影響，恒功率充電以系統(tǒng)能承受的最大功率P*為加速度功率；當(dāng)速度達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，希望有較高的穩(wěn)態(tài)精度，采用PI控制。

2.2 飛輪放電控制

在飛輪放電過(guò)程中，電機(jī)運(yùn)行于制動(dòng)狀態(tài)，隨著轉(zhuǎn)速的降低，電壓也隨之降低。為了得到恒定的直流母線電壓，采用電機(jī)回饋制動(dòng)的半橋調(diào)制方式。

各臺(tái)并聯(lián)飛輪屬于同一規(guī)格，電氣參數(shù)基本一致；前后兩次電壓暫降間隔足以讓所有飛輪轉(zhuǎn)速都上升到額定轉(zhuǎn)速，故功率和儲(chǔ)能量相等；為了減少系統(tǒng)損耗，每次放電時(shí)投入運(yùn)行的飛輪個(gè)數(shù)應(yīng)盡可能少。飛輪放電控制的關(guān)鍵點(diǎn)是如何計(jì)算放電的飛輪臺(tái)數(shù)以及每臺(tái)飛輪的輸出電流指令值。

各臺(tái)飛輪的充放電次數(shù)為：T1≥T2≥…，≥TN，則放電控制策略如下：

1）按照充放電次數(shù)由少到多依次給各臺(tái)飛輪排序，如充放電次數(shù)相同，則轉(zhuǎn)速高者序列號(hào)小。

2）根據(jù)式（1）確定進(jìn)入放電狀態(tài)的飛輪臺(tái)數(shù)m。

式中，Pmaxi為i臺(tái)飛輪的最大輸出功率；P*是需要輸出的功率指令值。

3）當(dāng)P*＜Pmax1，F(xiàn)ESU1進(jìn)入放電狀態(tài)，其輸出電流指令值為：，其中E1為BLDCM1的反電動(dòng)勢(shì)；當(dāng)P*＞Pmax1，輸出功率指令值超出任意一臺(tái)飛輪儲(chǔ)能單元的最大輸出功率。因此，需多臺(tái)飛輪進(jìn)入放電狀態(tài)，F(xiàn)ESU1至FESUm-1的輸出電流指令值為，F(xiàn)ESUm的輸出電流指令值為

隨著能量的釋放，飛輪轉(zhuǎn)速下降，故儲(chǔ)能量和輸出功率隨之減小，當(dāng)原有投入放電的飛輪不能滿足負(fù)載需求時(shí)，投入放電的飛輪臺(tái)數(shù)以及各臺(tái)飛輪的輸出電流指令值需重新計(jì)算。將之前進(jìn)入放電狀態(tài)的飛輪的序列號(hào)都增加1，然后返回1）重新計(jì)算。當(dāng)電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常時(shí)，投入放電狀態(tài)的飛輪的充放電次數(shù)都增加1。由上述分析可得飛輪放電的控制框圖如圖2所示。

圖2 飛輪放電的控制框圖

2.3 DVR變換器的控制

補(bǔ)償電壓的輸出需同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目標(biāo)：高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和高穩(wěn)定精度。前饋控制可以顯著提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，縮短補(bǔ)償電壓發(fā)出的時(shí)間。反饋控制可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度。因此，采用由前饋控制、電壓瞬時(shí)值和濾波電容電流瞬時(shí)值反饋控制構(gòu)成的復(fù)合控制策略。

2.4 變換器A的控制

變換器A 的控制目的是控制直流母線電壓恒定的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)交流側(cè)輸入電流的正弦化且與電網(wǎng)電壓同相位。

變換器在abc三相靜止坐標(biāo)系下的方程為：

式中，L為與電網(wǎng)相連的濾波電感的電感值，將功率開(kāi)關(guān)管損耗等效電阻同濾波電感等效電阻合并為R，uSa、uSb、uSc為電網(wǎng)三相電壓，ia、ib、ic為變換器交流側(cè)三相電流，ea、eb、ec為變換器輸出的三相電壓。

通過(guò)坐標(biāo)變換將該數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換至同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，變換器在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為：

式中，ud、uq為三相電網(wǎng)電壓在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的投影；id、iq為變換器交流側(cè)三相電流在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的投影。

選取同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸與電網(wǎng)a相電壓矢量重合，則uq=0，式（3）可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：

這說(shuō)明當(dāng)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定時(shí)，控制了變換器d軸電流即控制了輸入的有功功率；控制了變換器q軸電流即控制了輸入的無(wú)功功率。若要實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)控制，即輸入的無(wú)功功率為零，只要令變換器q軸電流設(shè)定值i*q=0即可。

由式（4）可知，該數(shù)學(xué)模型存在交叉耦合項(xiàng)，因而給控制器設(shè)計(jì)造成一定難度。為此，采用前饋解耦控制策略，當(dāng)電流調(diào)節(jié)器采用PI控制器時(shí)，則uid和uiq的控制方程如下：

式中，Kp、Ki為電流內(nèi)環(huán)比例系數(shù)和積分系數(shù)為電流指令值。

將式（5）代入式（4），并化簡(jiǎn)得：

式（6）實(shí)現(xiàn)了電流內(nèi)環(huán)的解耦控制。由上述分析可得變換器A的控制框圖如圖3所示。

圖3變換器A的控制框圖

3 仿真結(jié)果

針對(duì)提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略，利用Matlab/Simulink進(jìn)行仿真研究。系統(tǒng)主要參數(shù)如表2所示。其中，F(xiàn)ESA由2臺(tái)FESU并聯(lián)組成。

表2系統(tǒng)主要參數(shù)

3.1 飛輪充電狀態(tài)

圖4是飛輪充電時(shí)變換器A交流側(cè)的電壓和電流波形，由圖4中可以看出電流與電壓同相，實(shí)現(xiàn)了電流對(duì)電壓功率因數(shù)控制。圖5是飛輪充電過(guò)程中，電機(jī)A相電流波形，相電流波形為方波，在換相過(guò)程中，相電流有一定的波動(dòng)。

圖4充電時(shí)變換器A交流側(cè)的電壓和電流波形

圖5 充電時(shí)BLDCM1A相電流波形

3.2 淺度電壓暫降補(bǔ)償狀態(tài)

在淺度電壓暫降補(bǔ)償狀態(tài)時(shí)，能量由變換器A提供。圖6給出了電壓暫降時(shí)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償波形，由圖6可以看出系統(tǒng)補(bǔ)償動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，同時(shí)具有良好的穩(wěn)定性和跟蹤性能。

圖6 補(bǔ)償淺度電壓暫降時(shí)電壓波形

3.3 深度電壓暫降補(bǔ)償狀態(tài)

在深度電壓暫降補(bǔ)償狀態(tài)時(shí)，能量由飛輪提供。圖7給出了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償波形。圖8和圖9是飛輪放電過(guò)程中，電機(jī)的相電流波形。在0.15～0.25 s之間，BLDCM1處于放電狀態(tài)；在0.25 s時(shí)負(fù)載突增，兩臺(tái)飛輪都進(jìn)入放電狀態(tài)。

圖7 補(bǔ)償深度電壓暫降時(shí)電壓波形

圖8 BLDCM1A相電流波形

圖9 BLDCM2A相電流波形

4 結(jié)論

為了克服傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器和飛輪儲(chǔ)能單元的缺點(diǎn)，提出了一種基于飛輪儲(chǔ)能陣列的新型DVR，其可對(duì)深度電壓暫降進(jìn)行補(bǔ)償；對(duì)飛輪儲(chǔ)能陣列運(yùn)行于放電狀態(tài)的控制策略進(jìn)行了研究，提出了一種新型的放電控制策略。利用Matlab/Simulink對(duì)所提出系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果表明所提出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略的正確性和有效性。

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