飛輪儲能系統(tǒng)建模與仿真研究

楊鋒 于飛 張曉鋒 賀慧英

（海軍工程大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院， 武漢 430033）

1 引言

飛輪儲能系統(tǒng)是一種以動能方式存儲能量的機(jī)械電池，它由高速飛輪、電動/發(fā)電機(jī)、軸承支承系統(tǒng)、功率電子變換器、電子控制設(shè)備以及附加設(shè)備（如真空泵、緊急備用軸承）等組成[1]。飛輪電池在“充電”時，利用現(xiàn)代功率電子技術(shù)，由工頻電網(wǎng)提供的電能，經(jīng)功率電子變換器，驅(qū)動電機(jī)帶動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，飛輪以動能的形式把能量儲存起來，從而完成電能—機(jī)械能轉(zhuǎn)換的儲存能量過程。當(dāng)需要給負(fù)載供電，即“放電”時，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪作為原動機(jī)拖動電機(jī)發(fā)電，經(jīng)功率變換器輸出適用于負(fù)載的電流與電壓，從而完成機(jī)械能—電能轉(zhuǎn)換的釋放能量過程。

整個飛輪儲能系統(tǒng)實現(xiàn)了電能的輸入、儲存和輸出的全過程。正因為這個技術(shù)特點，目前國外將飛輪儲能用于不間斷電源[2]、電力系統(tǒng)調(diào)峰[3]、風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電、電動汽車[4]、低軌道衛(wèi)星、大功率調(diào)峰等方面[5]。在艦船上，飛輪儲能系統(tǒng)同樣可以作為不間斷電源使用，即當(dāng)艦艇發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，由飛輪儲能系統(tǒng)釋放能量，為重要負(fù)載提供持續(xù)電源。

在艦船等獨立電力系統(tǒng)為高能武備大功率脈沖負(fù)載供電時，為避免對電源瞬時沖擊過大，必須采用儲能系統(tǒng)，采用飛輪儲能系統(tǒng)是一種有效途徑。但是，根據(jù)獨立電力系統(tǒng)容量小，負(fù)載大小與系統(tǒng)容量具有可比性等特點，需要根據(jù)不同負(fù)載大小來選擇飛輪儲能系統(tǒng)匹配，并且分析飛輪儲能系統(tǒng)在儲能狀態(tài)、放能狀態(tài)及兩者之間的轉(zhuǎn)換過渡時刻，對負(fù)載的影響和帶來的供電電能品質(zhì)問題。為此，必須建立合適的飛輪儲能系統(tǒng)的全系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真分析。

2 飛輪儲能系統(tǒng)

典型的飛輪儲能系統(tǒng)的工作原理圖如圖1所示。當(dāng)飛輪系統(tǒng)處于充電狀態(tài)時，PWM變流器1起整流作用，主要將工頻交流電整流為恒定電壓的直流電；PWM變流器 2起逆變作用，將直流電源經(jīng)過脈寬調(diào)制變?yōu)轭l率可變及電壓大小也可變的交流電，驅(qū)動電機(jī)帶動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，電機(jī)工作在電動狀態(tài)，把電能轉(zhuǎn)化為飛輪動能存儲起來。

圖1 飛輪儲能系統(tǒng)的工作原理圖

當(dāng)需要飛輪提供能量時，飛輪電池工作于放電狀態(tài)，飛輪充當(dāng)原動機(jī)，電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，PWM變流器 2起整流作用，將發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電整流為直流電，PWM變流器1起逆變作用，將直流電源經(jīng)過脈寬調(diào)制變?yōu)轭l率及電壓大小恒定的工頻交流電供給用電設(shè)備。

儲能/放能控制器的作用是在儲能或放能時，采用不同的控制方法，控制主電路半導(dǎo)體元件的開通和關(guān)斷，完成脈寬調(diào)制，使逆變器輸出電壓符合需要的頻率大小和波形，滿足飛輪加速（儲能）或減速（放能）的需要。

3 飛輪儲能系統(tǒng)的仿真模型

由于數(shù)值計算技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，基于圖形的模塊化仿真方法已經(jīng)成為電力系統(tǒng)仿真的主導(dǎo)方向，為電力系統(tǒng)數(shù)字仿真提供了非常強(qiáng)大的工具。PSCAD/EMTDC計算軟件是其中比較典型的代表。

圖2 三相PWM變流器仿真模型

PSCAD/EMTDC是專業(yè)用于電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)計算的圖形化仿真工具，其中集成了包括發(fā)電機(jī)、電動機(jī)負(fù)荷、輸電線路、變壓器以及電力電子器件與裝置在內(nèi)的電力系統(tǒng)絕大多數(shù)元件的詳細(xì)時域模型，并提供用戶自定義模型接口?？捎糜谶M(jìn)行一定規(guī)模的交直流電力系統(tǒng)詳細(xì)時域電磁暫態(tài)仿真。由于考慮本飛輪儲能系統(tǒng)應(yīng)用于獨立電力系統(tǒng)中，需充分考慮其儲能和放能的動態(tài)過程，故采用了PSCAD/EMTDC軟件搭建其仿真模型。

飛輪儲能系統(tǒng)仿真模型按照圖1的工作原理框圖而建立，其中兩個PWM變流器建立的模型如下：

三相逆變器是由六個全控型器件構(gòu)成。另外為了給負(fù)載能量回饋提供通路，每個全控器件都要反并聯(lián)一個二極管，模型中的全控器件采用IGBT，由軟件自帶。該模型可以對器件的吸收電路進(jìn)行設(shè)置。建立的仿真模型主電路如圖2所示。

為減小輸出電壓的諧波，逆變器一般采用PWM 控制方式，本模型采用的是正弦 PWM（SPWM）控制方式，即逆變器的觸發(fā)信號由正弦參考波與三角載波相比較獲得，逆變器輸出電壓的幅值與頻率由參考波確定，逆變器的開關(guān)頻率由三角波確定，觸發(fā)控制電路的仿真模型由圖3所示。

圖3 三相PWM變流器觸發(fā)控制信號仿真模型

飛輪儲能系統(tǒng)中永磁電機(jī)采用軟件自帶模型，由于飛輪與電機(jī)同軸，且一般采用磁懸浮技術(shù)減小其摩擦阻力，因此飛輪轉(zhuǎn)子可以采用具有大轉(zhuǎn)動慣量、小摩擦系數(shù)和小阻力轉(zhuǎn)矩的負(fù)載模擬。

永磁電機(jī)在儲能階段作為電動機(jī)運行，采用矢量控制技術(shù)，其中在電機(jī)額定轉(zhuǎn)速以下，采用恒轉(zhuǎn)矩加速模式，在額定轉(zhuǎn)速以上采用恒功率加速模式。為此需要斷開變流器1的控制信號使其由反并聯(lián)二極管工作在整流狀態(tài)，變流器2工作在逆變狀態(tài)，控制信號按照電機(jī)的加速控制要求給定。

永磁電機(jī)在放能階段作為發(fā)電機(jī)由飛輪作為原動機(jī)帶動其運行，變流器2的控制信號封鎖，由其反并聯(lián)二極管工作在整流狀態(tài)；變流器1工作在逆變狀態(tài)，采用負(fù)反饋方式根據(jù)負(fù)載要求提供三相交流電源。

4 仿真結(jié)果及驗證

設(shè)置交流電源電壓為50 Hz、3300 V；電機(jī)轉(zhuǎn)速給定為4000 r/min；飛輪負(fù)載轉(zhuǎn)矩為2 N·m，轉(zhuǎn)動慣量為50 kg·m2；系統(tǒng)在t=100 s時由儲能狀態(tài)轉(zhuǎn)換到放能狀態(tài)，釋放的電能提供給50 kW的恒功率負(fù)載，要求輸出給負(fù)載的電壓為400 V，為降低輸出電壓諧波，在PWM變流器1的交流輸出側(cè)側(cè)接三相 LC濾波器，直流輸出側(cè)接大電容濾波。

（注：實際系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動慣量要大很多，因此系統(tǒng)加速時間將非常長，為縮短仿真時間，這里轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動慣量設(shè)置較小，但是并不影響對仿真模型的驗證。）

得到的仿真結(jié)果如圖4所示。

從仿真結(jié)果可以看出：

（1） 永磁電機(jī)在0～5 s工作在電動機(jī)狀態(tài)，電機(jī)轉(zhuǎn)速按控制要求加速；

（2） 在t=0～1.2 s之間，在矢量控制技術(shù)下，電機(jī)采用恒轉(zhuǎn)矩加速方式，電機(jī)始終控制在最大轉(zhuǎn)矩下，電機(jī)電流也一直保持在最大值，因此轉(zhuǎn)速加速度較快；

（3） 在t=1.2 s時，電機(jī)轉(zhuǎn)速和反電勢達(dá)到額定值，不能再提供最大輸出電流，因此控制電機(jī)工作在恒功率加速方式下，在該方式下，隨電機(jī)的轉(zhuǎn)速不斷升高，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和電樞電流不斷減小，保持輸出功率在額定功率不變，由于電磁轉(zhuǎn)矩和電樞電流不斷減小，因此在該階段電機(jī)的加速度不斷減?。?/p>

圖4 飛輪電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電流及母線直流電壓響應(yīng)曲線

（4） 在t=3.4 s時，電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定值4000 r/min，電機(jī)電流和轉(zhuǎn)矩迅速減小，只以較小的值和飛輪阻力轉(zhuǎn)矩平衡，維持飛輪穩(wěn)定運行，因此穩(wěn)態(tài)情況下，飛輪系統(tǒng)消耗的能量非常?。?/p>

（5） 在t=5 s時，電網(wǎng)電源與PWM變流器1斷開，停止給電機(jī)供電，此時電機(jī)立刻轉(zhuǎn)為發(fā)電機(jī)，由飛輪作為原動機(jī)拖動其運行，變流器2由逆變狀態(tài)轉(zhuǎn)為整流狀態(tài)，把發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，變流?由整流狀態(tài)轉(zhuǎn)為逆變狀態(tài)，把直流電調(diào)制為負(fù)載需要的電能提供給負(fù)載。

如仿真結(jié)果圖5所示，在放能過程中，飛輪（與電機(jī)同軸）轉(zhuǎn)速是不斷下降的，提供的能量逐漸減少，因此直流母線電壓也逐漸降低，只不過由于飛輪的轉(zhuǎn)動慣量非常大，轉(zhuǎn)速和能量的減小非常慢。

雖然直流母線電壓逐漸降低，但是變流器 1采用負(fù)反饋控制方式，因此其輸出電壓（見圖 6和圖7）按設(shè)置要求維持不變。

圖5 飛輪轉(zhuǎn)速與直流母線電壓變化曲線

圖6 飛輪儲能系統(tǒng)工作在放電狀態(tài)時的輸出電壓

圖7 飛輪儲能系統(tǒng)工作在放電狀態(tài)時的輸出電壓（局部放大圖）

本例要求輸出線電壓為400 V（峰值為565 V），由圖6和圖7可見，雖然轉(zhuǎn)速不斷降低，直流電壓不斷下降，但是變流器1輸出的電壓維持在400 V不變。

4 結(jié)束語

本文按照飛輪儲能系統(tǒng)實際組成搭建了飛輪儲能系統(tǒng)的全系統(tǒng)模型。仿真模型中變流器采用SPWM控制，飛輪轉(zhuǎn)子利用具有大轉(zhuǎn)動慣量、小摩擦系數(shù)和小阻力轉(zhuǎn)矩的負(fù)載模擬。為分析飛輪儲能系統(tǒng)在獨立電力系統(tǒng)中對于大功率負(fù)載的影響，仿真給出了系統(tǒng)在儲能狀態(tài)、放能狀態(tài)及兩者之間的轉(zhuǎn)換過渡時刻的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電流及母線直流電壓響應(yīng)曲線，經(jīng)過對仿真結(jié)果進(jìn)行分析表明，轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電流及母線直流電壓的匹配關(guān)系與理論情況完全一致，證明了本文利用特殊負(fù)載模擬飛輪轉(zhuǎn)子的方法是可行的，建立的飛輪儲能負(fù)載仿真模型是正確有效的。利用該仿真模型可用于應(yīng)用飛輪儲能系統(tǒng)的電力系統(tǒng)計算與設(shè)計。

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