基于背靠背雙PWM變流器的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)控制方法研究

劉文軍 唐西勝 周 龍 齊智平

（中國(guó)科學(xué)院電工研究所 北京 100190）

0 引言

飛輪儲(chǔ)能由于具有無(wú)環(huán)境污染、使用壽命長(zhǎng)、充放電次數(shù)無(wú)限制等特點(diǎn)，且與傳統(tǒng)化學(xué)電池相比優(yōu)勢(shì)明顯，已得到了國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-5]。采用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行，可以主動(dòng)調(diào)節(jié)電網(wǎng)有功功率，確保系統(tǒng)供需平衡，減少有功負(fù)荷變化、間歇性可再生能源接入電網(wǎng)等對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性的影響，在電力系統(tǒng)調(diào)頻、間歇式可再生能源發(fā)電等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[6-11]。飛輪儲(chǔ)能并網(wǎng)控制方法作為飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，是飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)成功參與電網(wǎng)功率調(diào)節(jié)的關(guān)鍵，具有重要意義。

背靠背雙PWM變流器目前在具有再生能量反饋的交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[12,13]。文獻(xiàn)[13]采用背靠背變流器將電機(jī)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量回饋給電網(wǎng)，其直流母線電壓由電網(wǎng)側(cè)變流器控制，電機(jī)側(cè)變流器采用速度外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)，但由于該控制方法以電機(jī)轉(zhuǎn)速為控制目標(biāo)，其從電網(wǎng)吸收和回饋給電網(wǎng)的功率不可控。近來(lái)，背靠背雙PWM 變流器在飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行中被廣泛采用，其控制方法得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究[14-19]。文獻(xiàn)[14]采用經(jīng)背靠背變流器并網(wǎng)的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)助風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行有功和頻率控制，其直流母線電壓由電網(wǎng)側(cè)變流器控制，但并網(wǎng)功率由電機(jī)側(cè)變流器間接控制，響應(yīng)速度慢，且電機(jī)轉(zhuǎn)矩參考指令值由并網(wǎng)功率與轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度之比求得，實(shí)際并網(wǎng)功率值易受轉(zhuǎn)速測(cè)量誤差的影響。文獻(xiàn)[15]對(duì)用于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的背靠背變流器進(jìn)行了仿真研究，但當(dāng)系統(tǒng)在放電與充電之間切換時(shí)，其直流母線電壓的控制需由電機(jī)側(cè)變流器控制切換到由電網(wǎng)側(cè)變流器控制，控制較為復(fù)雜。文獻(xiàn)[16-19]采用基于背靠背變流器的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)平抑風(fēng)力發(fā)電輸出功率的波動(dòng)并進(jìn)行了仿真研究，其直流母線電壓由電網(wǎng)側(cè)變流器控制，并網(wǎng)功率由電機(jī)側(cè)與電網(wǎng)側(cè)變流器共同控制，控制較為復(fù)雜。此外，上述文獻(xiàn)中背靠背變流器均經(jīng)過(guò)L濾波器或LC濾波器與電網(wǎng)相連，與這兩種濾波器相比，LCL濾波器可以在較小電感的情況下獲得較理想的諧波抑制效果，已在風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源并網(wǎng)發(fā)電中被廣泛采用[20-24]。

為抑制飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)注入電網(wǎng)電流的諧波，本文在背靠背變流器與電網(wǎng)之間串入LCL濾波器。為避免直流母線電壓在由電網(wǎng)側(cè)變流器控制與由電機(jī)側(cè)變流器控制之間來(lái)回切換，以及為解決并網(wǎng)功率易受轉(zhuǎn)速測(cè)量誤差影響的問(wèn)題，本文提出了一種飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)控制方法。該控制方法由電網(wǎng)側(cè)變流器控制和電機(jī)側(cè)變流器控制兩部分組成，并先后經(jīng)過(guò)充電、預(yù)并網(wǎng)和并網(wǎng)運(yùn)行三個(gè)階段。在充電、預(yù)并網(wǎng)階段，電網(wǎng)側(cè)變流器均采用不控整流方式；電機(jī)側(cè)變流器在充電階段采用速度外環(huán)控制方式，在預(yù)并網(wǎng)階段采用電壓外環(huán)控制方式。在并網(wǎng)運(yùn)行階段，電網(wǎng)側(cè)變流器控制采用基于電網(wǎng)側(cè)電流外環(huán)、變流器側(cè)電流內(nèi)環(huán)的直接功率控制策略，控制并網(wǎng)有功功率；電機(jī)側(cè)變流器控制采用直流母線電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，控制直流母線電壓。首先建立了永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，接著給出了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)控制方法的工作原理，然后給出了電機(jī)側(cè)內(nèi)外環(huán)控制器參數(shù)的設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，并給出了設(shè)計(jì)實(shí)例。最后進(jìn)行了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)充電、預(yù)并網(wǎng)和并網(wǎng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。

1 主電路拓?fù)渑cPMSM數(shù)學(xué)模型

圖1給出了基于背靠背雙PWM變流器的并網(wǎng)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的主電路拓?fù)?。由圖1可見(jiàn)，并網(wǎng)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)由LCL濾波器、背靠背雙PWM變流器、永磁同步電機(jī)（PMSM）和飛輪等組成。LCL濾波器由電網(wǎng)側(cè)電感Lg、變流器側(cè)電感Lconv、濾波電容C組成；背靠背雙 PWM變流器由電網(wǎng)側(cè)變流器、電機(jī)側(cè)變流器、直流母線電容Cdc等組成。

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中永磁同步電機(jī)采用直軸電樞電流imd=0的控制策略時(shí)，交軸電壓、電流關(guān)系可表示為

式中，umq為定子電壓交軸分量；Rs為定子電阻；imq為交軸電樞電流；Lq為交軸電感；ωe為電機(jī)電氣角速度；ψf為轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁鏈。

電機(jī)轉(zhuǎn)矩平衡方程可寫(xiě)為

式中，Kt=3p2ψf/2；J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；B為粘滯摩擦系數(shù)；p為極對(duì)數(shù)；Te為電磁轉(zhuǎn)矩。

2 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)控制方法

2.1 充電

在充電階段，電網(wǎng)側(cè)變流器采用不控整流方式；電機(jī)側(cè)變流器采用速度外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的控制方式將飛輪電機(jī)充電至設(shè)定的轉(zhuǎn)速。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)充電階段的控制方法如圖1中開(kāi)關(guān)S位于a時(shí)所示。

圖1 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)充電與預(yù)并網(wǎng)階段控制方法Fig.1 Control method of FESS at charge and pre-grid-connected stages

2.2 預(yù)并網(wǎng)

當(dāng)飛輪電機(jī)充電至設(shè)定的轉(zhuǎn)速后，電網(wǎng)側(cè)變流器控制方式不變，仍采用不控整流的方式；但電機(jī)側(cè)變流器由速度外環(huán)切換到電壓外環(huán)的控制方式，此時(shí)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)入預(yù)并網(wǎng)階段。

由于電網(wǎng)不控整流得到的直流母線電壓等級(jí)低于并網(wǎng)所需的直流母線電壓等級(jí)，因此電機(jī)側(cè)變流器電壓外環(huán)控制中的直流母線電壓指令值需大于電網(wǎng)不控整流所得的直流母線電壓值。這樣，由于電網(wǎng)線電壓峰值低于飛輪電機(jī)所穩(wěn)定的電壓值，電網(wǎng)線電壓被不控整流橋上的二極管反向阻斷，可以將電網(wǎng)變流器等效為開(kāi)路，這樣預(yù)并網(wǎng)階段的飛輪電機(jī)可以看作是以電壓外環(huán)空載放電。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)預(yù)并網(wǎng)階段的控制方法如圖1中開(kāi)關(guān)S位于b時(shí)所示。

2.3 并網(wǎng)運(yùn)行

在進(jìn)入預(yù)并網(wǎng)階段后，只要啟用電網(wǎng)側(cè)變流器的PWM控制，而電機(jī)側(cè)變流器以電壓外環(huán)的控制方式不變，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)即進(jìn)入并網(wǎng)運(yùn)行階段。

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行控制方法如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，電網(wǎng)側(cè)變流器采用基于電網(wǎng)側(cè)電流外環(huán)、變流器側(cè)電流內(nèi)環(huán)的直接功率控制策略，控制直流母線與電網(wǎng)之間的功率交換。電機(jī)側(cè)變流器采用直流母線電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，維持直流母線電壓恒定，并間接控制直流母線與飛輪電機(jī)之間的功率交換以滿足電網(wǎng)側(cè)變流器對(duì)直流母線的功率需求。

圖2 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行階段控制方法Fig.2 Control method of FESS at grid-connected stage

當(dāng)并網(wǎng)有功功率指令值P*為正時(shí)，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)放電；當(dāng)P*為負(fù)且絕對(duì)值大于系統(tǒng)損耗時(shí)，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)充電。當(dāng)不需要飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)與電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功功率交換時(shí)，可令并網(wǎng)無(wú)功功率指令值Q*=0。

當(dāng)P*為負(fù)時(shí)，電網(wǎng)向飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)輸入的有功功率大小為|P*|，而系統(tǒng)的總損耗Ploss(|P*|，ωm)與|P*|及飛輪電機(jī)轉(zhuǎn)速ωm有關(guān)（具體證明過(guò)程因篇幅限制從略）。這樣當(dāng)|P*|=Ploss(|P*|，ωm)時(shí)，電網(wǎng)向飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)輸入的有功功率與飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)總損耗相等，飛輪電機(jī)轉(zhuǎn)速將穩(wěn)定在ωm。因此，當(dāng)P*為|P*|=Ploss(|P*|，ωm)的解P*(ωm)時(shí)，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)待機(jī)運(yùn)行，所對(duì)應(yīng)的待機(jī)轉(zhuǎn)速為ωm。

匯總后的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)各個(gè)階段的控制方法見(jiàn)表 1。

表1 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)各階段控制方法Tab.1 Control method of FESS at three stages

3 電機(jī)側(cè)控制器參數(shù)設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析

電網(wǎng)側(cè)的控制器參數(shù)設(shè)計(jì)可參考文獻(xiàn)[20,25]先進(jìn)行變流器側(cè)電流內(nèi)環(huán)設(shè)計(jì)，再進(jìn)行電網(wǎng)側(cè)電流外環(huán)設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)過(guò)程限于篇幅從略。

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)側(cè)的控制器包括電流內(nèi)環(huán)控制器、直流母線電壓外環(huán)控制器。

3.1 電流內(nèi)環(huán)控制器參數(shù)設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性分析

根據(jù)式（1）、式（2）可推出電機(jī)側(cè)交軸電流控制器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電機(jī)側(cè)交軸電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Block diagram of motor-side current loop in q-axis

根據(jù)圖3可推出交軸電流環(huán)精確閉環(huán)傳遞函數(shù)為

式中

在帶寬頻率處，下列近似條件成立：(1+sTr)≈1；(1+sTm)≈sTm；(1+sTa)(1+sTr)≈1+sTar。 其中，Tar=Ta+Tr。

根據(jù)上述近似條件，式（3）可化簡(jiǎn)為

式中

令

從而式（5）經(jīng)過(guò)零極點(diǎn)對(duì)消可進(jìn)一步化簡(jiǎn)為

式中

根據(jù)式（12）可得

可見(jiàn)經(jīng)過(guò)化簡(jiǎn)，交軸電流環(huán)可從式（3）表示的四階系統(tǒng)降為式（10）所示的一階系統(tǒng)。由于一階系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間

故可根據(jù)系統(tǒng)所要求的電流環(huán)調(diào)節(jié)時(shí)間ts按式（14）確定Ti，再根據(jù)Ti按式（13）確定Kci，然后根據(jù)式（9）將Kci乘以T1即可確定Kcp。

由一階簡(jiǎn)化電流閉環(huán)傳遞函數(shù)（見(jiàn)式（10））可得，電流內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)特征方程為1+sTi=0，其根為負(fù)數(shù)，因此可知電流內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定。

3.2 電壓外環(huán)控制器參數(shù)設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性分析

電壓外環(huán)控制器參數(shù)可先按預(yù)并網(wǎng)階段設(shè)計(jì)，然后在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行微調(diào)。在預(yù)并網(wǎng)階段，電壓環(huán)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，其中KTe=3pψf/2，由此可推出電壓開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為

圖4 電機(jī)側(cè)電壓環(huán)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Block diagram of motor side voltage loop

電壓閉環(huán)傳遞函數(shù)為

式中

將電壓閉環(huán)傳遞函數(shù)（見(jiàn)式（16））等效為如式（18）所示的阻尼比為0.707的對(duì)稱(chēng)優(yōu)化函數(shù)，即

比較式（16）及式（18）可得

由式（18）可得電機(jī)側(cè)變流器控制系統(tǒng)的特征方程為

3.3 設(shè)計(jì)實(shí)例

永磁同步電機(jī)及飛輪參數(shù)見(jiàn)表2。將表2中的數(shù)據(jù)代入式（4），并結(jié)合Kr、Tr、Kmq、Cdc、Hc和Hu等已知參數(shù)可列得電機(jī)側(cè)變流器控制系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)表3。

表2 永磁同步電機(jī)及飛輪參數(shù)Tab.2 Parameters of PMSM and flywheel

表3 電機(jī)側(cè)變流器控制系統(tǒng)參數(shù)Tab.3 Parameters of motor-side converter control system

假定電流內(nèi)環(huán)要求的調(diào)節(jié)時(shí)間ts=2ms，根據(jù)式（14）可得Ti=0.000 667s。將表3中的數(shù)據(jù)分別代入式（7）、式（8）可得T1=0.021 8，T2=1.994 9。將Ti、T2及表3中的數(shù)據(jù)代入式（13）可得Kci=2 226。將Kci、T1代入式（9）可得Kcp=48.5。

將Kcp=48.5、Kci=2 226及表3中的數(shù)據(jù)分別代入式（3）、式（10），可以分別畫(huà)出四階準(zhǔn)確電流閉環(huán)伯德圖、一階簡(jiǎn)化電流閉環(huán)伯德圖，如圖5所示。

圖5 準(zhǔn)確與簡(jiǎn)化電機(jī)側(cè)電流環(huán)伯德圖Fig.5 Bode diagram of motor-side exact and simplified current loop

從圖5可見(jiàn)，一階簡(jiǎn)化模型在幅頻特性與相頻特性上與四階準(zhǔn)確模型很接近，采用一階簡(jiǎn)化模型（見(jiàn)式（10））可以較好地替代四階準(zhǔn)確模型（見(jiàn)式（3））。

確定電流內(nèi)環(huán)控制器的參數(shù)后，再進(jìn)行直流母線電壓外環(huán)控制器的參數(shù)設(shè)計(jì)。由式（11）可得Ki=0.999 7，將Ki代入式（17）可得Kug=793.86。然后將Kug、Ti代入式（19）可得Kup=0.8、Kui=210。圖6所示為電壓外環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖。

圖6 電機(jī)側(cè)電壓開(kāi)環(huán)伯德圖Fig.6 Bode diagram of motor-side voltage open-loop

從圖6可見(jiàn)，幅頻曲線高頻段衰減較快，系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗高頻噪聲干擾的能力。此外，相頻曲線始終在?180°線以上，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證所提飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)控制方法的正確性，搭建了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，完成了充電、預(yù)并網(wǎng)和并網(wǎng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)研究。

實(shí)驗(yàn)所用的并網(wǎng)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)如圖7所示。圖7a所示為飛輪儲(chǔ)能控制器，圖 7b所示為飛輪能量存儲(chǔ)模塊（包括永磁同步電機(jī)及飛輪轉(zhuǎn)子）。

圖7 并網(wǎng)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)Fig.7 Grid-connected FESS

系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)表4，控制器參數(shù)見(jiàn)表5。永磁同步電機(jī)及飛輪參數(shù)見(jiàn)表2。

表4 系統(tǒng)參數(shù)Tab.4 System parameters

表5 控制器參數(shù)Tab.5 Controller parameters

4.1 充電與預(yù)并網(wǎng)

充電與預(yù)并網(wǎng)階段的電網(wǎng)電壓ua、并網(wǎng)電流iga、直流母線電壓Udc和飛輪電機(jī)轉(zhuǎn)速n的波形如圖8所示。

圖8 充電與預(yù)并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)波形Fig.8 Experimental waveforms at charge and pre-grid-connected stage

由圖8可見(jiàn)，在充電階段，飛輪電機(jī)以速度外環(huán)加速充電至預(yù)先設(shè)定的轉(zhuǎn)速 4 200r/min；在由充電進(jìn)入預(yù)并網(wǎng)瞬間，直流母線電壓值由充電階段的381V（電網(wǎng)不控整流所得）躍變?yōu)轱w輪電機(jī)以電壓外環(huán)所穩(wěn)定的500V。此外還可以看出，在預(yù)并網(wǎng)階段，雖然電網(wǎng)側(cè)變流器相當(dāng)于開(kāi)路，但由于LCL濾波器中濾波電容C的存在，并網(wǎng)電流iga電流并不為零。

4.2 并網(wǎng)運(yùn)行

在預(yù)并網(wǎng)階段將并網(wǎng)功率指令值設(shè)為P*=1.6kW，此時(shí)使能電網(wǎng)側(cè)變流器 PWM控制，系統(tǒng)即由預(yù)并網(wǎng)進(jìn)入并網(wǎng)放電階段。系統(tǒng)由預(yù)并網(wǎng)進(jìn)入并網(wǎng)放電瞬間，電網(wǎng)電壓ua、并網(wǎng)電流iga、直流母線電壓Udc和飛輪電機(jī)轉(zhuǎn)速n的波形如圖9所示。

圖9 預(yù)并網(wǎng)到并網(wǎng)放電過(guò)渡Fig.9 Transition from pre-grid-connected to grid-connected discharge mode

從圖 9可以看出，打開(kāi)電網(wǎng)側(cè)變流器 PWM脈沖后，并網(wǎng)電流iga很快就變得與電網(wǎng)電壓ua同相位，系統(tǒng)立即由預(yù)并網(wǎng)模式轉(zhuǎn)入并網(wǎng)放電模式，響應(yīng)速度快。過(guò)渡過(guò)程中直流母線電壓雖然會(huì)出現(xiàn)短暫下降，但能在較短時(shí)間內(nèi)回升并維持在500V。

系統(tǒng)進(jìn)入并網(wǎng)放電后的實(shí)驗(yàn)波形如圖10所示。從圖 10可以看出，在并網(wǎng)放電時(shí)，電網(wǎng)電壓ua與并網(wǎng)電流iga相位相差0°，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)向電網(wǎng)提供恒定的有功功率；直流母線電壓始終保持在500V，飛輪轉(zhuǎn)速由4 200r/min下降至3 400r/min。

圖10 并網(wǎng)放電實(shí)驗(yàn)波形Fig.10 Experimental waveforms in grid-connected discharge mode

飛輪轉(zhuǎn)速下降至3 400r/min時(shí)，將P*=1.6kW變?yōu)镻*=?2kW，系統(tǒng)即由并網(wǎng)放電轉(zhuǎn)為并網(wǎng)充電，并網(wǎng)充電實(shí)驗(yàn)波形如圖11所示。

從圖11可以看出，在并網(wǎng)充電時(shí)，電網(wǎng)電壓ua與并網(wǎng)電流iga相位相差 180°，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)從電網(wǎng)吸收恒定的有功功率；直流母線電壓保持在500V，飛輪轉(zhuǎn)速由 3 400r/min又上升至 4 200r/min，完成了一個(gè)并網(wǎng)充放電循環(huán)周期。

圖11 并網(wǎng)充電實(shí)驗(yàn)波形Fig.11 Experimental waveforms in grid-connected charge mode

并網(wǎng)放電到并網(wǎng)充電切換瞬間的實(shí)驗(yàn)波形如圖12所示。從圖12可以看出，系統(tǒng)能在半個(gè)工頻周波（即 10ms）內(nèi)由并網(wǎng)放電切換到并網(wǎng)充電，響應(yīng)速度快；過(guò)渡過(guò)程中直流母線電壓雖然會(huì)出現(xiàn)短暫上升，但能在較短時(shí)間內(nèi)回落并保持在500V。

圖12 并網(wǎng)放電到并網(wǎng)充電過(guò)渡Fig.12 Transition from grid-connected discharge to charge mode

在飛輪轉(zhuǎn)速經(jīng)并網(wǎng)充電上升至4 200r/min時(shí)，將P*=?2kW 又變回P*=1.6kW，系統(tǒng)即由并網(wǎng)充電又轉(zhuǎn)為并網(wǎng)放電。并網(wǎng)充電到并網(wǎng)放電切換瞬間的實(shí)驗(yàn)波形如圖13所示。

圖13 并網(wǎng)充電到并網(wǎng)放電過(guò)渡Fig.13 Transition from grid-connected charge to discharge mode

從圖13可以看出，系統(tǒng)能在半個(gè)工頻周波（即10ms）內(nèi)由并網(wǎng)充電切換到并網(wǎng)放電，響應(yīng)速度快；過(guò)渡過(guò)程中直流母線電壓雖然會(huì)出現(xiàn)短暫下降，但能在較短時(shí)間內(nèi)回升并維持在500V。

此外，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析還可以發(fā)現(xiàn)，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)功率控制的穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)確度和動(dòng)態(tài)性能與電網(wǎng)側(cè)的控制器參數(shù)相關(guān)；直流母線電壓控制的穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)確度及動(dòng)態(tài)性能與電機(jī)側(cè)的控制器參數(shù)相關(guān)。為了達(dá)到較好的控制效果，控制器參數(shù)可以先按本文第 3節(jié)所述的控制器參數(shù)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，然后在實(shí)驗(yàn)中做進(jìn)一步的微調(diào)。

5 結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行，本文提出了一種飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)控制方法。該方法由電網(wǎng)側(cè)變流器控制和電機(jī)側(cè)變流器控制組成。整個(gè)控制過(guò)程先后經(jīng)過(guò)充電、預(yù)并網(wǎng)和并網(wǎng)運(yùn)行三個(gè)階段。在充電和預(yù)并網(wǎng)階段，電網(wǎng)側(cè)變流器均采用不控整流的方式；電機(jī)側(cè)變流器分別采用速度外環(huán)和電壓外環(huán)的控制方式。在并網(wǎng)運(yùn)行階段，電網(wǎng)側(cè)變流器控制采用基于電網(wǎng)側(cè)電流外環(huán)、變流器側(cè)電流內(nèi)環(huán)的直接功率控制策略，控制并網(wǎng)有功功率；電機(jī)側(cè)變流器控制采用直流母線電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，控制直流母線電壓。給出了電機(jī)側(cè)內(nèi)外環(huán)控制器參數(shù)的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)實(shí)例。進(jìn)行了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)充電、預(yù)并網(wǎng)和并網(wǎng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)控制方法的可行性。

[1] Kenny B H,Kascak P E,Jansen R,et al.Control of a high-speed flywheel system for energy storage in space applications[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2005,41(4):1029-1038.

[2] 程時(shí)杰,余文輝,文勁宇,等.儲(chǔ)能技術(shù)及其在電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù),2007,31(20):97-108.

Cheng Shijie,Yu Wenhui,Wen Jinyu,et al.Energy storage and its application in power system stability enhancement[J].Power System Technology,2007,31(20):97-108.

[3] 戴興建,鄧占峰,劉剛,等.大容量先進(jìn)飛輪儲(chǔ)能電源技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2011,26(7):133-140.

Dai Xingjian,Deng Zhanfeng,Liu Gang,et al.Review on advanced flywheel energy storage system with large scale[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2011,26(7):133-140.

[4] 鄧自剛,王家素,王素玉,等.高溫超導(dǎo)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2008,23(12):1-10.

Deng Zigang,Wang Jiasu,Wang Suyu,et al.Status of high Tc superconducting flywheel energy storage system[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2008,23(12):1-10.

[5] 張維煜,朱熀秋.飛輪儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2011,26(7):141-146.

Zhang Weiyu,Zhu Huangqiu.Key technologies and development status of flywheel energy storage system[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2011,26(7):141-146.

[6] 孫春順,王耀南,李欣然.飛輪輔助的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率和頻率綜合控制[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008,28(29):111-116.

Sun Chunshun,Wang Yaonan,Li Xinran.Synthesized power and frequency control of wind power generation system assisted through flywheels[J].Proceedings of the CSEE,2008,28(29):111-116.

[7] 姬聯(lián)濤,張建成.基于飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)廣義動(dòng)量補(bǔ)償控制研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2010,30(24):101-106.

Ji Liantao,Zhang Jiancheng.Research on generalized momentum compensation method of flywheel energy storage in renewable energy power system[J].Proceedings of the CSEE,2010,30(24):101-106.

[8] Wang L,Yu J Y,Chen Y T.Dynamic stability improvement of an integrated offshore wind and marine-current farm using a flywheel energy-storage system[J].IET Renewable Power Generation,2011,5(5):387-396.

[9] Lazarewicz M L,Rojas A.Grid frequency regulation by recycling electrical energy in flywheels[C].Proceedings of the IEEE Power Engineering Society General Meeting,2004.

[10] Cimuca G,Breban S,Radulescu M M,et al.Design and control strategies of an induction-machine-based flywheel energy storage system associated to a variablespeed wind generator[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2010,25(2):526-534.

[11] Cimuca G O,Saudemont C,Robyns B,et al.Control and performance evaluation of a flywheel energystorage system associated to a variable-speed wind generator[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2006,53(4):1074-1085.

[12] 戴鵬,朱方田,朱榮伍,等.電容電流直接控制的雙 PWM 協(xié)調(diào)控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2011,26(S1):136-141.

Dai Peng,Zhu Fangtian,Zhu Rongwu,et al.Direct control of capacitor current for AC-DC-AC PWM converter[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2011,26(S1):136-141.

[13] 李時(shí)杰,李耀華,陳睿.背靠背變流系統(tǒng)中優(yōu)化前饋控制策略的研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2006,26(22):74-79.

Li Shijie,Li Yaohua,Chen Rui.Study of the optimum feed-forward control strategy in back-to-back converter system[J].Proceedings of the CSEE,2006,26(22):74-79.

[14] 向榮,王曉茹,譚謹(jǐn).基于飛輪儲(chǔ)能的并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)有功功率及頻率控制方法研究[J].系統(tǒng)科學(xué)與數(shù)學(xué),2012,32(4):438-449.

Xiang Rong,Wang Xiaoru,Tan Jin.Operation control of flywheel energy storage system applying to wind farm[J].Journal of Systems Science and Mathematical Sciences,2012,32(4):438-449.

[15] Xu Song,Wang Haifeng.Simulation and analysis of back- to-back PWM converter for flywheel energy storage system[C].Proceedings of 2012 15th International Conference on the Electrical Machines and Systems(ICEMS),2012:1-5.

[16] Suvire G,Mercado P.Dstatcom with flywheel energy storage system for wind energy applications:control design and simulation[J].Electric Power Systems Research,2010,80(3):345-353.

[17] Suvire G O,Mercado P E.Active power control of a flywheel energy storage system for wind energy applications[J].IET Renewable Power Generation,2012,6(1):9-16.

[18] Suvire G O,Molina M G,Mercado P E.Improving the integration of wind power generation into AC microgrids using flywheel energy storage[J].IEEE Transactions on Smart Grid,2012,3(4):1945-1954.

[19] Suvire G O,Mercado P E.Combined control of a distribution static synchronous compensator/flywheel energy storage system for wind energy applications[J].IET Generation,Transmission & Distribution,2012,6(6):483-492.

[20] Yi T,Poh Chiang L,Peng W,et al.Exploring inherent damping characteristic of LCL-filters for three-phase grid-connected voltage source inverters[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2012,27(3):1433-1443.

[21] Teodorescu R,Blaabjerg F,Liserre M,et al.Proportional-resonant controllers and filters for grid-connected voltage-source converters[J].IEE Proceedings of Electric Power Applications,2006,153(5):750-762.

[22] Bolsens B,DE Brabandere K,Van Den Keybus J,et al.Model-based generation of low distortion currents in grid-coupled PWM-inverters using an LCL output filter[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2006,21(4):1032-1040.

[23] 徐志英,許愛(ài)國(guó),謝少軍.采用 LCL濾波器的并網(wǎng)逆變器雙閉環(huán)入網(wǎng)電流控制技術(shù)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2009,29(27):36-41.

Xu Zhiying,Xu Aiguo,Xie Shaojun.Dual-loop grid current control technique for grid-connected inverter using an LCL filter[J].Proceedings of the CSEE,2009,29(27):36-41.

[24] 白志紅,阮新波,徐林.基于 LCL濾波器的并網(wǎng)逆變器的控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2011,26(S1):118-124.

Bai Zhihong,Ruan Xinbo,Xu Lin,et al.Control strategies for the grid-connected inverter with LCL filter[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2011,26(S1):118-124.

[25] 胡雪峰,韋徵,陳軼涵,等.LCL濾波并網(wǎng)逆變器的控制策略[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2012,32(27):142-148.

Hu Xuefeng,Wei Zheng,Chen Yihan,et al.A control strategy for grid-connected inverters with LCL filters[J].Proceedings of the CSEE,2012,32(27):142-148.