非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)飛輪儲(chǔ)能控制策略

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（1.中國(guó)電力科學(xué)研究院 新能源所，江蘇 南京 210003；2.南京航空航天大學(xué) 江蘇新能源發(fā)電與電能變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210016）

1 引言

風(fēng)力發(fā)電與傳統(tǒng)發(fā)電相比，最大特點(diǎn)是波動(dòng)性大、無法直接儲(chǔ)存，不能像傳統(tǒng)的水力、火力發(fā)電那樣對(duì)原動(dòng)機(jī)輸出功率進(jìn)行控制[1-3]。非并網(wǎng)風(fēng)電[4-6]即風(fēng)電系統(tǒng)的終端負(fù)載不再是單一的電網(wǎng)，主要負(fù)載是一系列能適應(yīng)風(fēng)電特性的高能耗產(chǎn)業(yè)及其他特殊領(lǐng)域，如以電解鋁為重點(diǎn)的有色冶金工業(yè)、氯堿工業(yè)、大規(guī)模海水淡化、制氫等。在這些高能耗產(chǎn)業(yè)就地建造風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，既能充分利用風(fēng)能資源，減少對(duì)常規(guī)能源的消耗，又能避免采用并網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)帶來的沖擊。

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)[7-10]是一種新興的儲(chǔ)能方式，通過飛輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)能與電能的轉(zhuǎn)換。相比傳統(tǒng)的蓄電池儲(chǔ)能，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)有較快的充放電速度、使用壽命長(zhǎng)、儲(chǔ)能過程干凈、清潔、對(duì)環(huán)境無任何不良影響且性能穩(wěn)定[11-13]，總體效率達(dá)到90%以上。由于非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的終端負(fù)荷，對(duì)電能質(zhì)量有一定的要求，因此，本文提出一種基于非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)控制方案，通過飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的充/放電控制，維持風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率的穩(wěn)定。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制策略

本文所提出的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)輔助的非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，該系統(tǒng)由變槳距直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)、電力電子變換器、負(fù)載等構(gòu)成，其中，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)并聯(lián)在直流母線上。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure

圖2為飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略示意圖[14]。圖2 中，Pf為

式中：Pref為非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)共同輸出的功率給定值，即終端負(fù)荷所需的功率值；Pw為非并網(wǎng)風(fēng)力機(jī)組所發(fā)出的功率；Pv為維持直流母線電壓在給定值所消耗的功率；Pf為飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出/吸收的功率。

在理想情況下，Pref與Pw相等。

圖2 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略示意圖Fig.2 Graphic representation of the flywheel energy-storage system control strategy

當(dāng)Pf＞0時(shí)，飛輪轉(zhuǎn)子角速度下降，儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)出功率，彌補(bǔ)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組自身所發(fā)出功率的缺額，以滿足負(fù)荷在給定功率下正常運(yùn)行。當(dāng)Pf＜0時(shí)，飛輪轉(zhuǎn)子角速度上升，儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)出的額外功率，防止用電負(fù)荷在超出給定的功率下運(yùn)行。

3 直流母線電壓與功率的綜合控制策略

3.1 綜合控制策略

本文主要目的是提出并驗(yàn)證利用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)于穩(wěn)定非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率和參與直流母線電壓控制這種方法的有效性，所以為了簡(jiǎn)化分析起見，在給定風(fēng)況下，假設(shè)風(fēng)輪機(jī)按恒定槳距角運(yùn)行。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組根據(jù)當(dāng)前風(fēng)速以及最大風(fēng)能捕獲原則進(jìn)行變速運(yùn)行，以獲得最大的輸出功率；風(fēng)力發(fā)電-飛輪系統(tǒng)總輸出功率參考值的設(shè)定，根據(jù)該非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)所接負(fù)荷的需求決定。

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)于非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)直流母線電壓與功率的綜合控制框圖如圖3所示。

圖3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)直流母線電壓與功率控制框圖Fig.3 Block diagram of the synthesized DC-link voltage and power control of wind power

圖3表明，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率Pw以及電壓控制器輸出的維持直流母線電壓在給定值所消耗功率的參考值Pv，結(jié)合為了提供非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所接負(fù)載穩(wěn)定工作所需的功率參考值Pref，從而獲得飛輪系統(tǒng)的功率參考值Pf。飛輪系統(tǒng)根據(jù)Pf的正負(fù)方向，來決定飛輪轉(zhuǎn)子加速或減速，輸出或吸收功率來維持負(fù)載正常工作。

3.2 風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的氣動(dòng)特性及最大功率捕獲實(shí)現(xiàn)

風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)。風(fēng)輪的氣動(dòng)特性可以用風(fēng)能利用系數(shù)Cp(λ，β)來表示，Cp為葉片槳距角β和葉尖速比λ的函數(shù)。葉尖速比λ的定義如下：

式中：ω為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的角速度，rad/s；R為風(fēng)輪掃風(fēng)半徑，m；vw為風(fēng)速，m/s。

風(fēng)能利用系數(shù)Cp(λ，β)的近似計(jì)算公式[18]為

由式（3）獲得的功率利用系數(shù)Cp(λ，β)曲線如圖4所示。

圖 4 Cp(λ，β)曲線Fig.4 Curves of Cp(λ，β)

由圖4可以看出，對(duì)應(yīng)不同槳距角，風(fēng)能利用系數(shù)Cp(λ，β)總有一個(gè)最大值，相應(yīng)的也存在一個(gè)最優(yōu)葉尖速比。根據(jù)風(fēng)能最大功率捕獲原則，在給定槳距角的情形下，風(fēng)力機(jī)根據(jù)風(fēng)速的變化，不斷調(diào)整風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，以期運(yùn)行在最優(yōu)葉尖速比上，從而獲得最大功率。

風(fēng)力機(jī)所受到的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩為

式中：Tm為作用在風(fēng)力機(jī)上的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩，N·m；ρ為空氣密度，kg/m3。

3.3 傳動(dòng)鏈與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性

忽略傳動(dòng)鏈內(nèi)部和發(fā)電機(jī)及其電力電子變換器的動(dòng)態(tài)過程，將其簡(jiǎn)化為單質(zhì)量塊[19]。作用于單質(zhì)量塊傳動(dòng)鏈上的轉(zhuǎn)矩有風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。由于風(fēng)力機(jī)組采用直驅(qū)式，故發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與風(fēng)輪機(jī)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速一致，得到如下傳動(dòng)鏈運(yùn)動(dòng)方程：

式中：Te為發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，N·m；J為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(包括風(fēng)輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量)，kg·m2。

3.4 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中飛輪的動(dòng)態(tài)特性

忽略飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中電動(dòng)/發(fā)電機(jī)及其電力電子變換器的動(dòng)態(tài)過程，也可以將飛輪系統(tǒng)簡(jiǎn)化為單質(zhì)量塊[16]。作用在該單質(zhì)量塊飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)上的轉(zhuǎn)矩只有電動(dòng)/發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，其運(yùn)動(dòng)方程為

式中：Tf為作用在飛輪轉(zhuǎn)子軸上的電磁轉(zhuǎn)矩，N·m；Jf為飛輪系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；ωf為飛輪的角速度，rad/s。

4 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)于非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制的仿真模型

由式(2)～式(6)可分別得到風(fēng)力機(jī)Simulink模型，傳動(dòng)鏈Simulink模型和飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)Simulink模型，如圖5～圖7所示。

圖5 風(fēng)輪機(jī)Simulink模型Fig.5 Simulink model for wind turbine

圖6 傳動(dòng)鏈Simulink模型Fig.6 Simulink model for drive train

圖7 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)Simulink模型Fig.7 Simulink model for flywheel energy-storage system

聯(lián)合式（1）并分別將上述3個(gè)Simulink模型合并，可獲得完整的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)于非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制的Simulink仿真模型，如圖8所示。

圖8 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)控制的Simulink模型Fig.8 Simulink model of the control of flywheel energy-storage system

5 仿真結(jié)果與分析

5.1 仿真原始數(shù)據(jù)及參數(shù)

仿真用的原始數(shù)據(jù)包括：模擬實(shí)際風(fēng)速、預(yù)測(cè)風(fēng)速、風(fēng)力發(fā)電-飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)總輸出功率參考值、直流母線電壓設(shè)定值和直流母線電壓運(yùn)行實(shí)際值。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組參數(shù)為：風(fēng)力機(jī)掃風(fēng)半徑40 m，額定功率2 MW，切入風(fēng)速5 m/s，切出風(fēng)速25 m/s，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量15×107kg·m2。 鋼制低速飛輪參數(shù)為：飛輪半徑2m，額定功率300 kW，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 2×105kg·m2，最快轉(zhuǎn)速 4 000 r/min，最慢轉(zhuǎn)速1 500 r/min。

5.2 仿真結(jié)果及分析

根據(jù)圖9給定的模擬實(shí)際風(fēng)速曲線及風(fēng)力發(fā)電-飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)總輸出功率給定值等數(shù)據(jù)，運(yùn)行飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)輔助的非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組Simulink仿真模型，即可得仿真結(jié)果。

圖9 模擬實(shí)際風(fēng)速曲線Fig.9 Curve of simulation actual wind speed

對(duì)模型采用時(shí)間長(zhǎng)度為100 s的仿真。圖10為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率曲線（1）；圖11為飛輪角速度變化曲線（1）。由圖10可見，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)為了滿足非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組終端負(fù)荷的功率要求，跟蹤風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率情況，自身的輸出功率時(shí)正時(shí)負(fù)上下波動(dòng)，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)不停的充放電，以維持風(fēng)力發(fā)電機(jī)-飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率在給定參考值的水平上。圖11所示的飛輪轉(zhuǎn)子角速度也跟隨飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出/吸收功率的情況，相應(yīng)的下降/上升。

圖10 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率曲線（1）Fig.10 Curves of the wind generation and flywheel energy-storage system output power（1）

圖11 飛輪角速度變化曲線（1）Fig.11 Curve of the flywheel angular speed（1）

假設(shè)仿真時(shí)間t=75 s時(shí)，直流母線發(fā)生嚴(yán)重故障，電壓瞬時(shí)跌落，t=85 s，母線電壓恢復(fù)正常，如圖12所示。

圖12 假定直流母線電壓跌落曲線Fig.12 Curve of supposed DC-link voltage

重新對(duì)原模型進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖13、圖14所示。

圖13 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率曲線（2）Fig.13 Curves of the wind generation and flywheel energy-storage system output power（2）

圖14 飛輪角速度變化曲線（2）Fig.14 Curve of the flywheel angular speed（2）

圖13、圖14中仍然按照?qǐng)D9給定的模擬實(shí)際風(fēng)速曲線及圖10所示的風(fēng)力發(fā)電 -飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)總輸出功率值不變。

由圖13可見，當(dāng)直流母線在t=75 s電壓跌落時(shí)，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)瞬間加快輸出自身所儲(chǔ)存的能量，參與到由直流母線電壓跌落而引起的功率控制中來，此時(shí)飛輪儲(chǔ)能輸出功率恒為正。圖14中所示的飛輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也隨著飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)快速的輸出功率而急速下降。當(dāng)母線電壓在t=85 s恢復(fù)正常時(shí)，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率迅速減少，飛輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也隨之停止急速下降。

另外，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)用于因直流母線電壓跌落而引起的功率控制所輸出的功率(1 MW)要高于用于正常情況下功率控制所輸出的功率(0.3 MW)。所以，在本文給定的風(fēng)況下，將飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)用于因直流母線電壓跌落而引起的功率控制更難，要求飛輪有更大的輸出功率和儲(chǔ)能。

6 結(jié)論

1）對(duì)于非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)輔助其工作，可以很好地穩(wěn)定輸出功率，滿足終端負(fù)荷對(duì)功率平穩(wěn)性的要求。

2）當(dāng)直流母線發(fā)生故障，母線電壓出現(xiàn)跌落時(shí)，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)能利用自身的儲(chǔ)能向系統(tǒng)輸出功率，以穩(wěn)定終端負(fù)荷運(yùn)行工況。

3）在文章給定的風(fēng)況下，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)參與因直流母線電壓跌落而引起的功率控制比正常情況下的功率控制所消耗的功率要大。

4）其他風(fēng)況下，用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)輔助非并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的必要性和有效性值得進(jìn)一步研究。

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