用于風電機組并網(wǎng)功率控制的飛輪儲能系統(tǒng)研究與仿真

張 海，梅柏杉，崔 韜，魏春雪，陳志華

(1.上海電力學院電力與自動化工程學院，上海 200090;2.山東省陽信電力供電公司電力調度控制中心，山東濱州 251800)

風速的隨機性使得風電機組的并網(wǎng)輸出功率具有波動性，會影響風電機組輸出的電能質量，引起電網(wǎng)頻率波動，甚至帶來電網(wǎng)不穩(wěn)定性問題［1－2］，因此風電場輸出功率控制成為風電技術的研究重點。

文獻［3］提出了結合槳距控制和速度控制的風電場有功功率平滑控制策略，但由于變槳距機構慣性大，反應慢，很難達到理想的效果;文獻［4－6］采用增加儲能設備的方法，分別利用化學電池、超級電容儲能、飛輪儲能系統(tǒng)來實現(xiàn)風電能量的緩存，調節(jié)并網(wǎng)功率。其中飛輪儲能系統(tǒng)因儲能密度高，瞬時功率較大，生命周期長，能量轉換效率高，對環(huán)境友好等特點具有很好的應用前景［7］。

本文選用無刷直流電機作為飛輪的驅動電機，研究了飛輪系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，并設計了飛輪儲能系統(tǒng)的功率平滑方案，使飛輪儲能系統(tǒng)能隨著風力發(fā)電機功率輸出的變化來調整緩存功率，以起到平穩(wěn)風電場輸出功率的目的。

1 引入飛輪儲能系統(tǒng)的永磁直驅風電機組基本結構

以永磁直驅風電機組為例，在其直流側引入飛輪儲能系統(tǒng)后，基本電路結構如圖1所示。

增加飛輪儲能裝置后，原雙PWM變流器的控制策略維持不變［8］。利用飛輪儲能系統(tǒng)的能量緩存作用，可實時調節(jié)風電機組向電網(wǎng)輸出的功率值。當風電場功率處于波峰時，飛輪加速旋轉，將波峰能量以機械能的形式儲存在飛輪轉盤中;當風電場功率處于波谷時，飛輪轉速降低，飛輪轉盤儲存的能量通過驅動電機和電力轉換器回饋電網(wǎng)。由能量守恒關系，發(fā)電機輸出的有功功率等于機組的并網(wǎng)有功功率加上流入飛輪儲能裝置的有功功率。設風力發(fā)電機組輸出的有功功率為Ps，網(wǎng)側變流器向電網(wǎng)輸出的有功功率為Pg，飛輪儲能系統(tǒng)從直流側吸收的有功功率為Pf(若為負值則表示飛輪儲能系統(tǒng)回饋能量到機組直流側)，則有

只需按式(2)求得飛輪儲能系統(tǒng)的參考功率值即可對飛輪儲能系統(tǒng)進行功率控制。

圖1 采用飛輪儲能系統(tǒng)的永磁直驅風電系統(tǒng)基本結構

2 飛輪儲能系統(tǒng)

2.1 飛輪儲能系統(tǒng)的基本結構及電機的選用

典型的飛輪儲能系統(tǒng)一般包括飛輪、軸承、電機、電力電子變換器和真空容器等［9］。飛輪轉盤與驅動電機轉子連接，共同旋轉，作為飛輪系統(tǒng)的儲能主體。能量轉換時，電力轉換器通過控制電機轉子轉速變化來控制飛輪轉盤儲能變化。軸承用來支撐飛輪轉盤的質量，目前多用永磁懸浮結構來減少摩擦損耗。真空容器可以減少飛輪轉盤高速旋轉時的風磨損耗。

飛輪儲能系統(tǒng)對電機的要求非常高:要求驅動電機具有可逆性，能根據(jù)需要靈活地進行能量儲存與釋放;速度變化范圍大;空載損耗小;調速性能好，運行效率高［10－11］。永磁無刷直流電機因具有結構簡單，調速方便，易于控制，功能密度大，維護方便，并且無勵磁損耗，功率調速范圍寬，易于實現(xiàn)功率雙向流動等特點，在飛輪儲能系統(tǒng)應用中有很大優(yōu)勢。因此，本文所構建的系統(tǒng)中采用永磁無刷直流電機作為能量轉換電機。

假設磁路不飽和，不計渦流和磁滯損耗，三相繞組完全對稱，則永磁無刷直流電機三相繞組的電壓平衡方程［12－13］可表示為

式中:Ua、Ub、Uc為定子相繞組電壓;Ia、Ib、Ic為定子相繞組電流;Ea、Eb、Ec為定子相繞組反電勢;L為每相繞組的自感;M為每兩相繞組間的互感。

對于三相無刷直流電機，其定子繞組產(chǎn)生的電磁轉矩Te表達式為

2.2 飛輪儲能系統(tǒng)能量調節(jié)控制框圖

儲能系統(tǒng)的電機驅動模塊采用速度電流雙閉環(huán)控制策略，基本控制結構如圖2所示。

圖2 飛輪儲能系統(tǒng)功率控制策略基本控制結構

Ps為風電機組發(fā)出的瞬時有功功率，由發(fā)電機側實時測得。為參考功率給定值，由式(2)可以得到飛輪系統(tǒng)的功率參考值Pref曲線，參考轉速n*由Pref經(jīng)功率控制模塊得出。當Pref為正值時，風電場功率處于波峰，控制飛輪轉盤加速旋轉，驅動電機作為電動機，進行儲能;反之，系釋放能量。

飛輪系統(tǒng)驅動電機控制采用速度電流雙閉環(huán)控制。速度控制模塊取參考轉速與實際轉速的差值，經(jīng)轉速調節(jié)器計算求取相應參考電流幅值Is。參考電流方向模塊則由霍爾元件測量無刷直流電機信號確定三相繞組電流的參考方向DIabc。由參考電流幅值和參考電流方向相乘可得定子三相參考電流。電流閉環(huán)根據(jù)定子三相參考電流和實際反饋電流Iabc值的比較，輸出逆變器的PWM觸發(fā)信號，控制定子實際電流Iabc跟蹤定子三相參考電流可實現(xiàn)實際電流對參考電流的跟蹤，進而控制實際轉速跟隨參考轉速變化。通過控制電機的轉速變化，可以使飛輪裝置靈活地實現(xiàn)能量緩存，平滑風電機組中能量的波動。

3 風電場的并網(wǎng)有功功率平滑仿真

在Matlab/Simulink環(huán)境中建立圖1所示的系統(tǒng)仿真模型，風電機組為永磁直驅風力發(fā)電機。機組額定容量為1.2 MW，4對極，定子電阻0.97 Ω，額定線電壓690 V。風力機保持槳距角為0°。永磁無刷直流電機的參數(shù)為:2P=8，Rs=2.875 Ω，Ld=Lq=0.5 mH，J=6.23 kg/m2;電機初始轉速3 000 r/min，最高轉速6 000 r/min;給定風電機組參考功率=1.2×106W。

設置由基本風、陣風和隨機風組成的自然風模型，如圖3所示，其中基本風速為12 m/s，2～5 s內只有基本風速和噪風，平均風速為12 m/s;在5～9 s內疊加正陣風，使風速增大，最高風速為13.5 m/s，11～14 s內疊加負陣風，使風速減小，最低風速為10.7 m/s。在此自然風過程中，分別對未并聯(lián)飛輪儲能系統(tǒng)和并聯(lián)飛輪儲能系統(tǒng)的2個模型進行仿真，驗證控制策略的有效性。

未安裝儲能裝置時，永磁直驅風電機組并網(wǎng)有功功率仿真結果如圖4所示，可看出當風速發(fā)生變化時，機側輸出的有功功率隨風速的3次方有較大的波動，風電機組向電網(wǎng)輸出的有功功率波動比較明顯。

圖3 自然風速變化曲線

圖4 未采用飛輪儲能時風電機組并網(wǎng)功率曲線

當采用飛輪儲能系統(tǒng)后，并網(wǎng)有功功率仿真結果如圖5所示，可以看到利用飛輪儲能的能量緩存作用，很好地改善了機組的并網(wǎng)有功功率輸出，不僅可以平滑陣風對并網(wǎng)功率造成的波動影響，并且大大減少了噪風對功率波動的影響，使風電場輸出的功率接近機組參考功率值。

圖5 采用飛輪儲能系統(tǒng)的風電機組并網(wǎng)功率曲線

圖6所示為飛輪儲能系統(tǒng)功率參考值變化曲線和飛輪轉盤轉速變化曲線。飛輪轉盤轉速很好地跟隨飛輪儲能系統(tǒng)的功率給定值變化，在Pref為正，即發(fā)電機組發(fā)出的功率大于并網(wǎng)功率參考值時，飛輪轉盤轉速增大，飛輪裝置儲存能量，將多余的能量以機械能的形式儲存下來;在Pref為負，即發(fā)電機組發(fā)出的功率低于并網(wǎng)功率參考值時，飛輪轉盤轉速減小，飛輪裝置釋放能量，將儲存的能量反饋給電網(wǎng)。通過不斷地能量交換，平滑機組并網(wǎng)功率，驗證了飛輪儲能控制系統(tǒng)的可行性。

圖6 飛輪儲能系統(tǒng)的功率曲線和飛輪轉盤轉速變化曲線

以上仿真證明了本文采用的飛輪儲能系統(tǒng)及其控制策略可以在高效利用風能的同時，很好地平滑機組輸出有功功率，特別是對陣風變化引起的機組并網(wǎng)功率波動有很好的平滑效果，提高了機組的并網(wǎng)電能質量。

4 結束語

本文采用飛輪儲能系統(tǒng)來解決風速隨機性引起的風電機組并網(wǎng)功率波動問題。在分析飛輪儲能系統(tǒng)運行原理及數(shù)學模型的基礎上，提出在永磁直驅風電機組的直流側并聯(lián)飛輪儲能系統(tǒng)的方案，以平滑風速變化引起的風電機組并網(wǎng)功率，并在Matlab/Simulink中搭建了飛輪儲能系統(tǒng)應用于永磁風電機組功率平滑的整體模型，驗證了方案的可行性和正確性。因此，采用了飛輪儲能系統(tǒng)的永磁直驅風電機組，其并網(wǎng)有功功率比較平滑，大大提高了風電機組的并網(wǎng)電能質量，提高了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

［1］丁宇，陳永華，李雪明，等.大規(guī)模風電并網(wǎng)控制技術現(xiàn)狀與展望［J］.廣東電力，2011，24(5):24 －28.

［2］何東升，劉永強，王亞.并網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)的研究［J］.高電壓技術，2008，34(1):142 －146.

［3］徐大平，肖運啟，秦濤，等.變槳距型雙饋風電機組并網(wǎng)控制及建模仿真［J］.電網(wǎng)技術，2008，32(6):100－105.

［4］劉勝永，張興.新能源分布式發(fā)電系統(tǒng)儲能電池綜述［J］.電源技術，2012，136(4):601 －605.

［5］張步涵，曾杰，毛承雄，等.串并聯(lián)型超級電容器儲能系統(tǒng)在風力發(fā)電中的應用［J］.電力自動化設備，2008，28(4):1 －4.

［6］胡雪松，孫才新，劉刃，等.采用飛輪儲能的永磁直驅風電機組有功平滑控制策略［J］.電力系統(tǒng)自動化，2010，34(13):79 －83.

［7］張建成，黃立培，陳志業(yè).飛輪儲能系統(tǒng)及其運行控制研究［J］.中國電機工程學報，2003，23(3):108 －111.

［8］胡家兵，賀益康，劉其輝.基于最佳功率給定的最大風能追蹤控制策略［J］.電力系統(tǒng)自動化，2005，29(24):32－38.

［9］張維煜，朱秋.飛輪儲能關鍵技術及其發(fā)展現(xiàn)狀［J］.電工技術學報，2011，26(7):141 －146.

［10］張邦力，胡漢春，何青，等.飛輪儲能裝置儲能狀態(tài)控制研究［J］.機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2010，23(6):100－102.

［11］李保軍，王志新，吳定國.飛輪儲能系統(tǒng)充放電過程建模與仿真研究［J］.工業(yè)控制計算機，2011，24(12):107－109.

［12］湯凡，劉天琪，李興源.用于風電場功率控制的飛輪儲能系統(tǒng)仿真研究［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2010，26(2):63－68.

［13］楊鋒，于飛，張曉鋒，等.飛輪儲能系統(tǒng)建模與仿真研究［J］.船電技術，2011，31(4):3 －7.