微網(wǎng)中的儲能設備及飛輪儲能特性的研究

胡海松，張保會，張 嵩，張偉剛

（西安交通大學電氣工程學院，西安 710049）

微網(wǎng)中的儲能設備及飛輪儲能特性的研究

胡海松，張保會，張 嵩，張偉剛

（西安交通大學電氣工程學院，西安 710049）

0 引言

近年來，以風能、太陽能等可再生能源的分布式發(fā)電（DG）得到了廣泛的研究和應用[1]，實現(xiàn)了“綠色電力”和節(jié)能減排，緩解了大電網(wǎng)的壓力。在此基礎上，將分布式發(fā)電系統(tǒng)與儲能設備[2]、相關負荷、保護控制裝置共同構成微網(wǎng)，作為一個可控單元，與大電網(wǎng)相互支撐[3]，充分發(fā)揮了分布式能源的效能，也提高大電網(wǎng)遭受災難性故障時關鍵負荷的供電可靠性[4]。圖1顯示的是典型的微網(wǎng)結構圖。

圖1 典型的微網(wǎng)結結構圖

從圖1可以看出，微網(wǎng)及其內(nèi)部的分布式電源一般采用就地電源，如風力發(fā)電、光伏發(fā)電[5]和微型燃汽輪機，可實現(xiàn)分區(qū)分片靈活供電，通過合理的規(guī)劃設計，來滿足微網(wǎng)的穩(wěn)定和負荷需求。當微網(wǎng)處于并網(wǎng)運行狀態(tài)，功率可雙向流動，微網(wǎng)內(nèi)的負荷根據(jù)用戶情況從電網(wǎng)內(nèi)部及外部吸收能量，這樣有效降低了負荷對大電網(wǎng)的依賴，減小了遠距離輸電的損耗。此外，多余的能量可儲存于儲能設備中，便于在故障檢修或特殊情況下應用（如黑啟動等）。當配電系統(tǒng)工作不穩(wěn)定或出現(xiàn)故障的情況下，微網(wǎng)與主網(wǎng)連接中斷，在控制器的作用下解列形成孤島，獨立向其所轄重要負荷供電。多個分布式電源聯(lián)網(wǎng)的微網(wǎng)增加了系統(tǒng)容量，而分布式儲能設備的存在使系統(tǒng)慣性增大，可以提高微網(wǎng)的動態(tài)響應速度，改善電能質(zhì)量，保證微網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行[6]。

本文主要對微網(wǎng)中的分布式儲能設備進行了闡述，重點研究了飛輪儲能設備的特性，并在DIgSILENT/Power Factory中進行了仿真，分析了其儲釋能的過程。

1 微網(wǎng)中的儲能設備

由于微網(wǎng)概念的提出，大電網(wǎng)發(fā)生故障時，即微網(wǎng)與主網(wǎng)的連接通道因故障切除，就不需要強制將分布式電源切除，而是可以通過合理控制，讓分布式電源繼續(xù)向負荷供電。在這暫短的備用通道切換時間內(nèi)，或者分布式電源的投入與退出過程中，其功率不平衡的時間短（一般為毫秒級），可以采用分布式儲能設備，進行快速儲放能控制，從而對有功進行緊急平衡控制，并保證重要負荷的電壓穩(wěn)定。

儲能技術[7]目前在電力系統(tǒng)中的應用主要包括電力調(diào)峰（需要較大的儲能容量）、提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和提高供電質(zhì)量，主要應用方式有抽水儲能、蓄電池、飛輪儲能、超導儲能、超級電容器儲能、壓縮空氣儲能等。微網(wǎng)的運行，為滿足其特殊要求，可采用小容量的儲能設備，通過快速的儲放能，實現(xiàn)較大的功率調(diào)節(jié)，從而維持微網(wǎng)的安全穩(wěn)定。由于微網(wǎng)中光伏電池、風力發(fā)電等產(chǎn)生的電能具有顯著的不確定性特征，各類負荷的變化也存在一定的隨機性，因此需要對儲能設備進行合理控制，使它們起到抑制系統(tǒng)擾動、維持系統(tǒng)動態(tài)平衡、保持電壓和頻率穩(wěn)定的重要作用?；谏鲜鲆螅蓱糜谖⒕W(wǎng)的分布式儲能設備主要有蓄電池、超級電容器儲能和飛輪儲能。

1.1 蓄電池

蓄電池是一種短時儲能設備[8-9]，電能是以化學能的形式進行存儲，且存儲過程不會發(fā)生化學反應（通過重組電解液中化學元素的電力來存儲電能），又因為其結構簡單，使用方便，價格相對便宜，易分散安裝，因此被廣泛應用于電力系統(tǒng)中。隨著科技的進步，蓄電池正朝著體積小、污染小、儲能密度高、循環(huán)壽命長的方向發(fā)展，主要應用的有鉛酸蓄電池、鎘鎳蓄電池、氫化物-鎳蓄電池以及鈉硫蓄電池。與分布式發(fā)電相結合的蓄電池儲能系統(tǒng)，由蓄電池、逆變器、控制裝置和輔助設備等組成，能夠快速的儲放能，提供功率支持，在維持微網(wǎng)穩(wěn)定運行中將會發(fā)揮重要作用。

1.2 超級電容器

超級電容器[10-11]是一種新型能源器件，它將活性炭材料作為極板，通過電荷在電極和電解質(zhì)的界面吸附，自發(fā)分配形成陰陽離子層，從而將能量儲存起來。實際應用中的超級電容器儲能設備，都是由多個超級電容器陣列構成，將能量以電場能的形式存儲。超級電容器具有功率密度很高、充放電時間短、壽命特別長等優(yōu)異特性，相對于飛輪儲能，由于它沒有運動部件，維護工作少，因而可靠性高。為了充分發(fā)揮超級電容器的作用，可以將其與在市場上占有主要份額的蓄電池儲能相聯(lián)合。在微網(wǎng)中，該儲能設備與分布式電源相結合，可以在短時內(nèi)，完成儲釋能，抑制電壓波動，提高電能質(zhì)量，保證負荷的需求。

1.3 飛輪儲能

飛輪儲能系統(tǒng)主要由高速飛輪、電機、電力電子設備、軸承系統(tǒng)、控制設備以及真空泵等組成。飛輪儲能突破了化學電池的局限，用物理方法實現(xiàn)能量的輸入、儲存和釋放：電能經(jīng)變換器驅(qū)動電機帶動飛輪高速旋轉，將能量儲存起來，實現(xiàn)電能向機械能的轉換；在接受能量釋放的控制信號之前，電機會維持一個恒定的轉速 （因此對轉子的要求較高）；飛輪在給負載供電時會作為原動機拖動電機發(fā)電，轉速逐漸下降，釋放儲存的能量，從而實現(xiàn)機械能向電能轉換[13]。圖2是飛輪儲能系統(tǒng)工作的原理圖。

圖2 飛輪儲能系統(tǒng)工作原理圖

為了滿足飛輪的需要[14]，要求選擇的電機具有可逆性，除了經(jīng)濟方面的考慮外，電機的選取還應該考慮飛輪儲能裝置的運行特點：在電動機狀態(tài)時能有較大的轉矩和輸出功率；轉子能承受高轉速，可適應較大范圍的速度變化；能量轉換效率高；具有結構簡單、運行可靠等優(yōu)點?？晒┻x擇的電機有永磁電機（無刷直流）、感應電機、開關磁阻電機、同步電機等。由于飛輪與電機的連接方式、集成方式或者控制目的不同，選擇的電機也有所區(qū)別，常用的有永磁電機和雙饋發(fā)電機[15]。

在實際中應用的飛輪儲能主要有高速飛輪裝置和低速飛輪裝置。飛輪儲能響應快，易安裝，壽命長且環(huán)保。例如應用于商品化移動式UPS中3.6MV·A的低速飛輪裝置，其效率可達98%，壽命為20a。

2 仿真分析

2.1 仿真模型

根據(jù)原理圖2，飛輪儲能系統(tǒng)的仿真模型如圖3所示。由飛輪和電機輸出的電壓是3kV，以直流母線DC Node為中心，右側是整流器，目的是將工頻交流電整流為恒定電壓（6kV）的直流電；左側是逆變器（4MV·A），將直流電經(jīng)過脈寬調(diào)制變?yōu)轭l率和電壓都符合要求的交流電。

圖3 飛輪儲能系統(tǒng)模型

其中，為了便于仿真，采用了永磁同步電機（PMSM），并進行了相關的控制。從工作原理上說，PMSM與普通同步電機相同，不同的是PMSM輸入定子的是三相正弦波電流，諧波含量較少，可降低鐵磁損耗。與感應電機相比，PMSM不需要無功勵磁電流，因此可以顯著提高功率因數(shù)；另外PMSM減少了定子電阻損耗，其效率比同規(guī)格感應電動機高。

2.2 仿真方案和結果分析

圖4所示為電網(wǎng)側變換器的控制框圖。其中左側3個slot所需要的電氣值都是直接測量得到的,分別是直流母線電壓、逆變器交流側電流、鎖相環(huán)PLL。測得的直流電壓udc與參考電壓udc_ref相比較，得到的誤差經(jīng)一個PI控制器輸出作為電流給定值id_ref,（簡便起見，實現(xiàn)單位功率因數(shù)控制，設定iq_ref=0，使輸入的無功功率為0），再與已測得電流id，iq進行比較,得到的誤差經(jīng)電流控制器輸出PWM的脈沖寬度,即經(jīng)過控制變換得到電網(wǎng)側逆變器的控制信號。

圖4 電網(wǎng)側變換器的控制框圖

為驗證飛輪儲能系統(tǒng)模型的正確性，簡化起見，設定了對于飛輪充放電進行控制的信號S，當S=1,飛輪加速充電；S=0，飛輪減速放電。圖5是根據(jù)要求得到的控制信號波形。

圖5 控制信號S波形圖

圖6顯示了在控制信號S作用下，飛輪轉速的波形。我們可以看出，在充電階段（0～60s），飛輪的轉速不斷上升，直到達到設定的3pu；此后，飛輪將維持在這一轉速，直到接受放電信號；在120s時刻，控制信號為0，飛輪轉速逐漸降低，將儲存的能量釋放出來。這樣就模擬了飛輪儲能設備完整的輸入、儲存和輸出的過程。

在仿真過程中，以維持直流母線恒定為目的，制定了變換器的相關控制策略。

如圖7所示，直流母線的電壓很好地維持在額定值6kV，這也說明了飛輪儲能對于保證電能質(zhì)量起到重要作用。

圖6 飛輪轉速

圖7 直流母線電壓

3 結論

隨著分布式供電系統(tǒng)的大規(guī)模應用，將其以微網(wǎng)的形式接入電網(wǎng)，有助于提高電力系統(tǒng)的安全性和可靠性，優(yōu)化能源結構，增強電網(wǎng)抵御自然災害的能力，對于電網(wǎng)乃至國家安全都有重大現(xiàn)實意義。微網(wǎng)中的儲能裝置與分布式電源相結合，通過合理的設置和儲放能控制，可以平抑系統(tǒng)擾動，對微網(wǎng)電壓、頻率進行調(diào)節(jié)，保證負荷的需求，穩(wěn)定微網(wǎng)的安全運行。

微網(wǎng)技術作為國際電力系統(tǒng)一個前沿研究領域，具備靈活、環(huán)保、高可靠性的特點，今后必將在我國得到廣泛應用。微網(wǎng)的發(fā)展，依賴于分布式供電系統(tǒng)的成熟和相關儲能設備的優(yōu)良特性。分布式儲能設備對微網(wǎng)安全穩(wěn)定的綜合作用，以及針對微網(wǎng)的運行，對其進行合理的優(yōu)化配置，是今后研究的重點。

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Studies on the Characteristics of Energy Storage Devices and Flywheel Energy Storage in the MicroGrid

HU Hai-song,ZHANG Bao-hui,ZHANG Song,ZHANG Wei-gang
（School of Electrical Engineering,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,Shaanxi Province，China）

This paper an alyzes the energy storage devicesin the microgrid，focusing on the characteristics of the flywheel energy storage device.The findings are simulated in DIg SILENT/Power Factory,andprove to be correct.

microgrid;distributed energy storage;flywheel energystorage;DIgSILENT/PowerFactory

分析了在微網(wǎng)中的儲能設備，重點研究了飛輪儲能設備的特性，并在電力系統(tǒng)仿真軟件DIgSILENT/Power Factory中進行了仿真，驗證了其正確性。

微網(wǎng)；分布式儲能；飛輪儲能；DIgSILENT/Power Factory

國家重點基礎研究發(fā)展計劃（“973計劃”）資助項目(2009CB219700)。

1674-3814（2010）04-0021-04

TM313；TM743

A

2009-11-02。

胡海松（1986—），女，碩士研究生，主要研究方向為儲能設備及其在微網(wǎng)中的應用；

張保會（1953—），男，教授，博士生導師，主要研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護、安全穩(wěn)定控制和電力系統(tǒng)通信等；

張 嵩（1986—），男，碩士研究生，主要研究方向為分布式電源系統(tǒng)中的保護原理；

張偉剛（1984—），男，碩士研究生，主要研究方向為小電流接地系統(tǒng)故障選線原理與裝置開發(fā)。

（編輯 馮 露）