飛輪儲(chǔ)能抑制艦船綜合電力系統(tǒng)直流母線電壓波動(dòng)的研究

王瑞田 付立軍 紀(jì)鋒 方明 胡亮燈

(海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430033)

1 引言

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代艦船的電氣化程度越來(lái)越高，對(duì)電力供給的依賴也越來(lái)越強(qiáng)。為了實(shí)現(xiàn)電能的統(tǒng)一調(diào)度和集中控制，人們?cè)陔娏ν七M(jìn)的基礎(chǔ)上提出了艦船綜合電力系統(tǒng)（IPS）[1]。綜合電力系統(tǒng)主要包括發(fā)電、變配電、能量管理、電力推進(jìn)等部分，而儲(chǔ)能模塊被認(rèn)為是未來(lái)綜合電力系統(tǒng)的重要組成部分之一[2]。在現(xiàn)有的機(jī)械儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能等儲(chǔ)能技術(shù)中，飛輪儲(chǔ)能(Flywheel Energy Storage，F(xiàn)ES)具有工作溫度范圍廣、可靠性高、使用壽命長(zhǎng)、維護(hù)費(fèi)用低、環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)在陸地電力系統(tǒng)、航空航天、新能源分布式發(fā)電等方面取得了日益廣泛的應(yīng)用[3,4]。

飛輪儲(chǔ)能在綜合電力系統(tǒng)中的主要應(yīng)用：快速而準(zhǔn)確的潮流調(diào)控；重要負(fù)載的UPS；充當(dāng)高能量密度武器的脈沖電源，提供短時(shí)強(qiáng)脈沖電流。

在飛輪儲(chǔ)能的控制策略方面，文獻(xiàn)[5]根據(jù)負(fù)載功率調(diào)節(jié)儲(chǔ)能電機(jī)的有功功率，大大減少了20 kHz高頻交流配電網(wǎng)的電壓波動(dòng)；文獻(xiàn)[6]針對(duì)新能源分布式發(fā)電系統(tǒng)提出了基于感應(yīng)電機(jī)矢量控制的能量互補(bǔ)控制策略，采用模糊控制算法實(shí)現(xiàn)直流母線電壓的自動(dòng)調(diào)整，并通過(guò)模擬風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)驗(yàn)證了其方案；文獻(xiàn)[7]中，飛輪儲(chǔ)能裝置通過(guò)變壓器串聯(lián)在交流電網(wǎng)中，起到了動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（Dynamic Voltage Restorer，DVR）的作用；文獻(xiàn)[8]采用儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)為脈沖負(fù)載供電，將脈沖負(fù)載與艦船電力系統(tǒng)電氣隔離，消除了脈沖負(fù)載對(duì)電力系統(tǒng)的不利影響。

與陸用電力系統(tǒng)相比，艦船電力系統(tǒng)的送電距離較短，總?cè)萘啃?，推進(jìn)模塊的容量比重大。艦船綜合電力系統(tǒng)直流網(wǎng)絡(luò)中，具有恒功率工作特性的推進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)與調(diào)速時(shí)會(huì)對(duì)直流母線電壓產(chǎn)生很大影響。本文分析了飛輪儲(chǔ)能電機(jī)的運(yùn)行方式，根據(jù)儲(chǔ)能電機(jī)的三種工作模式設(shè)計(jì)了儲(chǔ)能電機(jī)的綜合控制策略，并針對(duì)突加恒功率負(fù)載時(shí)艦船電力系統(tǒng)直流網(wǎng)絡(luò)的電壓波動(dòng)問(wèn)題，進(jìn)行了仿真研究。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及飛輪儲(chǔ)能裝置的工作原理

飛輪儲(chǔ)能裝置通過(guò)能量的存儲(chǔ)和釋放，可以起到平滑母線電壓的作用。在起用大容量的用電設(shè)備時(shí)，儲(chǔ)能裝置可以為艦船電站提供一定的功率儲(chǔ)備，將存儲(chǔ)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能釋放到直流電網(wǎng)中去。在突卸大容量用電設(shè)備時(shí)，儲(chǔ)能裝置從電網(wǎng)吸收能量，轉(zhuǎn)化為飛輪的動(dòng)能。因此，飛輪儲(chǔ)能裝置可以有效減少艦船綜合電力系統(tǒng)電壓波動(dòng)，滿足艦船電力系統(tǒng)在各種工況下對(duì)電力品質(zhì)的要求。圖1為具有飛輪儲(chǔ)能裝置的典型直流網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。

3 儲(chǔ)能裝置的控制策略

3.1 儲(chǔ)能裝置運(yùn)行特性分析

本系統(tǒng)中儲(chǔ)能電機(jī)選取三相異步感應(yīng)電機(jī)。

根據(jù)機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，儲(chǔ)能電機(jī)有三種工作狀態(tài)：儲(chǔ)能、釋能、保持。儲(chǔ)能狀態(tài)下，電機(jī)作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，拖動(dòng)飛輪加速，電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從電網(wǎng)吸收能量；釋能狀態(tài)下，電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，隨著飛輪轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，向電網(wǎng)饋送能量；保持狀態(tài)下，電機(jī)作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，飛輪轉(zhuǎn)速保持不變，從電網(wǎng)吸收能量補(bǔ)充定轉(zhuǎn)子銅耗、鐵耗、以及雜散損耗，使得飛輪長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)額定設(shè)計(jì)的機(jī)械能。

圖1 典型直流網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

飛輪儲(chǔ)能裝置應(yīng)用于艦船綜合電力系統(tǒng)中，為減少直流母線的電壓波動(dòng)，需要有三種工作模式：?jiǎn)?dòng)、保持、調(diào)節(jié)。啟動(dòng)模式時(shí)，電機(jī)由靜止拖動(dòng)飛輪加速，直到飛輪達(dá)到額定設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速為止，電機(jī)工作在儲(chǔ)能狀態(tài)；保持模式時(shí)，飛輪轉(zhuǎn)速保持不變，存儲(chǔ)額定設(shè)計(jì)的能量持續(xù)運(yùn)行，電機(jī)工作在保持狀態(tài)；當(dāng)電網(wǎng)功率流動(dòng)不平衡以致電壓波動(dòng)較大時(shí)，儲(chǔ)能電機(jī)由保持模式進(jìn)入調(diào)節(jié)模式，通過(guò)快速控制感應(yīng)電機(jī)的功率，從而控制飛輪與電網(wǎng)間能量的流動(dòng)，調(diào)節(jié)母線電壓，此時(shí)需要在儲(chǔ)能、釋能兩種工作狀態(tài)下動(dòng)態(tài)切換。圖 2為儲(chǔ)能電機(jī)工作狀態(tài)與工作模式切換示意圖。其中，啟動(dòng)模式和保持模式需要對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，而調(diào)節(jié)模式需要控制儲(chǔ)能電機(jī)功率。

圖2 儲(chǔ)能電機(jī)工作狀態(tài)與工作模式切換示意圖

3.2 儲(chǔ)能電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制

系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制技術(shù)來(lái)控制轉(zhuǎn)速。儲(chǔ)能電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)框圖如圖3所示[9]。

3.走技術(shù)進(jìn)步之路。“科學(xué)發(fā)展觀”的第一要義是發(fā)展，而技術(shù)進(jìn)步是采油礦實(shí)現(xiàn)又好又快發(fā)展的堅(jiān)定基石。為此，我們需要堅(jiān)持在繼承中發(fā)揚(yáng)、在積累中提升的工作思路，大力實(shí)施科技興油戰(zhàn)略，始終以技術(shù)進(jìn)步為重點(diǎn)，完善科技管理體系，加大科技投入，建立科技人才和特殊貢獻(xiàn)激勵(lì)機(jī)制，不斷提高技術(shù)創(chuàng)新創(chuàng)效能力。同時(shí)，在自主開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)上，廣泛應(yīng)用新工藝、新技術(shù)，在滾動(dòng)勘探、三次采油、稠油熱采等方面力求實(shí)現(xiàn)新的突破，走出一條依靠科技進(jìn)步提高開(kāi)發(fā)水平的新路子。

圖中轉(zhuǎn)速控制器的觀測(cè)量為飛輪轉(zhuǎn)速，輸出量為轉(zhuǎn)矩指令T*e。采用PI控制。

圖3 儲(chǔ)能電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)框圖

3.3 儲(chǔ)能電機(jī)的功率控制

圖1中，直流電網(wǎng)輸送的功率為

電網(wǎng)間的功率平衡關(guān)系為[5]

式中：PNet：直流電網(wǎng)輸送功率；PFESS：儲(chǔ)能電機(jī)的功率；PLOAD：負(fù)載功率；PLOSS：系統(tǒng)總損耗。

直流母線電壓Udc會(huì)隨著系統(tǒng)功率流動(dòng)的變化而波動(dòng)。當(dāng)Udc降低至一定程度時(shí)，儲(chǔ)能電機(jī)應(yīng)作發(fā)電機(jī)減速運(yùn)行，向電網(wǎng)饋送能量，此時(shí)PFESS＜0；當(dāng)Udc升高至一定程度時(shí)，儲(chǔ)能電機(jī)應(yīng)作電動(dòng)機(jī)加速運(yùn)行，從電網(wǎng)吸收能量，此時(shí)PFESS＞0。通過(guò)控制儲(chǔ)能電機(jī)的功率PFESS，實(shí)現(xiàn)艦船電網(wǎng)與飛輪儲(chǔ)能裝置間功率的雙向流動(dòng)，可以補(bǔ)償發(fā)電和用電功率之間的不平衡，增大系統(tǒng)阻尼，從而抑制系統(tǒng)電壓的波動(dòng)。

根據(jù)

儲(chǔ)能電機(jī)的轉(zhuǎn)速ωm可以測(cè)量得到，通過(guò)控制儲(chǔ)能電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te可以控制PFESS。

圖4 儲(chǔ)能電機(jī)的功率控制系統(tǒng)框圖

4 仿真模型及結(jié)果分析

為驗(yàn)證儲(chǔ)能裝置控制策略的正確性，在PSCAD/EMTDC中分別對(duì)轉(zhuǎn)速控制、功率控制進(jìn)行仿真研究。簡(jiǎn)化直流網(wǎng)絡(luò)仿真模型如圖5所示，其中恒功率負(fù)載采用受控電流源實(shí)現(xiàn)。

4.1 儲(chǔ)能裝置的轉(zhuǎn)速控制

轉(zhuǎn)速給定值如式(4)所示

仿真波形如圖6所示。圖中Ngive為轉(zhuǎn)速給定值；Nm為儲(chǔ)能電機(jī)轉(zhuǎn)速；Teref為轉(zhuǎn)矩給定值；Te為儲(chǔ)能電機(jī)轉(zhuǎn)矩。

(1) 啟動(dòng)工作模式(4～12 s)

儲(chǔ)能電機(jī)從4 s開(kāi)始加速儲(chǔ)能，儲(chǔ)能電機(jī)從電網(wǎng)中吸收有功功率和無(wú)功功率。

(2) 保持工作模式(12～30 s)

當(dāng)儲(chǔ)能電機(jī)到達(dá)額定轉(zhuǎn)速后，由啟動(dòng)切換至保持工作模式，儲(chǔ)能電機(jī)處于空載運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)電機(jī)只需從電網(wǎng)中吸收少量的有功功率維持恒定轉(zhuǎn)速。

4.2 儲(chǔ)能裝置的功率控制

為了對(duì)比說(shuō)明儲(chǔ)能裝置對(duì)艦船電力系統(tǒng)電壓波動(dòng)的影響，設(shè)置以下兩種情況：

A）儲(chǔ)能裝置不投入工作。系統(tǒng)在t=17 s時(shí)，突加6.0 kW恒功率負(fù)載，而后t=17.3 s時(shí)將此負(fù)載切除。直流母線的電壓波形如圖7示，圖中可以看到，母線電壓上下波動(dòng)，幅值達(dá)到±14.8%。

B）儲(chǔ)能裝置投入工作。t=17 s時(shí)，在直流母線上突加6.0 kW恒功率負(fù)載，并在t=17.3 s時(shí)卸載。仿真結(jié)果如圖8所示，Pmotor、Qmotor分別為儲(chǔ)能電機(jī)入口側(cè)的有功功率和無(wú)功功率。在此過(guò)程中，儲(chǔ)能裝置由保持工作模式進(jìn)入調(diào)節(jié)工作模式，在儲(chǔ)能裝置的調(diào)節(jié)作用下，直流母線電壓波動(dòng)范圍被控制在±3.7%以內(nèi)；儲(chǔ)能電機(jī)的轉(zhuǎn)速由穩(wěn)態(tài)時(shí)的1314 rpm降到1254 rpm。儲(chǔ)能裝置向直流母線回饋有功功率的峰值達(dá)到3.7 kW，瞬態(tài)過(guò)程結(jié)束后，儲(chǔ)能裝置從電網(wǎng)吸收能量，由調(diào)節(jié)工作模式過(guò)渡至保持工作模式。

由仿真結(jié)果對(duì)比可知，儲(chǔ)能裝置投入工作后，突加突卸恒功率負(fù)載所引起的直流母線電壓波動(dòng)大大減小。

圖5 簡(jiǎn)化綜合電力系統(tǒng)直流網(wǎng)絡(luò)的PSCAD仿真模型

圖6 儲(chǔ)能電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制仿真波形

圖7 儲(chǔ)能裝置不投入工作時(shí)直流母線電壓波形

圖8 儲(chǔ)能裝置投入工作時(shí)仿真波形

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在分析儲(chǔ)能電機(jī)運(yùn)行方式的基礎(chǔ)上，根據(jù)儲(chǔ)能電機(jī)的三種工作模式設(shè)計(jì)了飛輪儲(chǔ)能裝置的綜合控制策略，并針對(duì)突加恒功率負(fù)載時(shí)艦船綜合電力系統(tǒng)直流網(wǎng)絡(luò)的電壓波動(dòng)問(wèn)題，在PSCAD/EMTDC中進(jìn)行了仿真研究。研究表明，基于矢量控制的儲(chǔ)能裝置在三種工作模式下可以平滑快速切換，有效減小了直流母線電壓暫態(tài)過(guò)程時(shí)的波動(dòng)，提高了電能質(zhì)量。

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