飛輪儲(chǔ)能在風(fēng)電輸出功率中的柔性控制研究

黃宇程，張廣明，歐陽慧珉，梅 磊

(南京工業(yè)大學(xué)，江蘇南京211816)

飛輪儲(chǔ)能在風(fēng)電輸出功率中的柔性控制研究

黃宇程，張廣明，歐陽慧珉，梅 磊

(南京工業(yè)大學(xué)，江蘇南京211816)

闡述了飛輪儲(chǔ)能的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，介紹了含有飛輪儲(chǔ)能裝置的風(fēng)電系統(tǒng)有功功率柔性控制策略，研究了飛輪參考功率指令值的五種獲取方法，比較了其優(yōu)缺點(diǎn)，得出功率平滑控制跟蹤效果的差異。

飛輪儲(chǔ)能；風(fēng)力發(fā)電；功率控制；參考功率

飛輪儲(chǔ)能是可以將電能、風(fēng)能、太陽能等能源轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)動(dòng)能加以儲(chǔ)存的一種新型、高效的機(jī)械儲(chǔ)能技術(shù)[1]。這種新型的電池和化學(xué)電池相比具有突出優(yōu)點(diǎn)：(1)具有較高的儲(chǔ)能密度、功率密度；(2)能量轉(zhuǎn)換效率高，結(jié)合現(xiàn)代先進(jìn)的電力電子技術(shù)一般可達(dá)90%左右；(3)溫度要求低，相比化學(xué)電池其性能更加穩(wěn)定；(4)使用壽命和儲(chǔ)能密度不受過充電或過放電影響，只取決于系統(tǒng)中電子元器件的壽命，一般能達(dá)20年左右；(5)易于測(cè)量放電深度和剩余“電量”；(6)充電時(shí)間在幾分鐘之內(nèi)完成，屬于分鐘級(jí)別；(7)應(yīng)用范圍廣，可以結(jié)合傳統(tǒng)動(dòng)力裝置用于混合動(dòng)力汽車上，用于航天領(lǐng)域衛(wèi)星姿態(tài)的調(diào)整，電網(wǎng)的調(diào)頻，不間斷電源等。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的不足是儲(chǔ)能容量、自放電率、待機(jī)損耗等技術(shù)指標(biāo)有待進(jìn)一步提高[2]。本文闡述了飛輪儲(chǔ)能的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，介紹了含有飛輪儲(chǔ)能裝置的風(fēng)電系統(tǒng)有功功率柔性控制策略，研究了飛輪參考功率指令值的五種獲取方法，比較了其優(yōu)缺點(diǎn)。

1 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和基本原理

1.1 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的構(gòu)成

傳統(tǒng)的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)由飛輪本體、軸承、電動(dòng)/發(fā)電機(jī)、電力電子裝置和真空室構(gòu)成。圖1是一種飛輪與電機(jī)合為一個(gè)整體的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)[3]。

飛輪轉(zhuǎn)速的高低決定儲(chǔ)能容量的大小，目前采用較多的是碳素纖維材料。軸承系統(tǒng)的摩擦損耗決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和使用壽命。目前支撐方式主要有：超導(dǎo)磁懸浮、電磁懸浮、永磁懸浮和機(jī)械支撐，以及它們的組合。飛輪儲(chǔ)能的機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)換是以電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)及其控制為核心實(shí)現(xiàn)的，電力轉(zhuǎn)換器是系統(tǒng)的控制元件，將交直流相互轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)。真空室主要作用有兩方面：一是提供真空環(huán)境，降低電機(jī)運(yùn)行時(shí)的風(fēng)阻損耗；二是屏蔽事故，提高安全性。真空環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的效率影響較大，目前國際上真空度一般可達(dá)10－5Pa量級(jí)。

圖1 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的基本原理

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)是通過飛輪本體的高速旋轉(zhuǎn)來儲(chǔ)存能量的，其儲(chǔ)存的動(dòng)能和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、角速度成比例，可以表示為：

飛輪儲(chǔ)能是一種機(jī)-電能量轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)能裝置，其工作原理為：充電時(shí)，電力電子裝置將輸入的直流電轉(zhuǎn)化成交流電，驅(qū)動(dòng)電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，此時(shí)電機(jī)作電動(dòng)機(jī)使用；放電時(shí)，用飛輪帶動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，飛輪轉(zhuǎn)速不斷減小，變換器將飛輪電機(jī)輸入的交流電變?yōu)橹绷麟?，將?dòng)能轉(zhuǎn)換成負(fù)載需要的電能，此時(shí)電機(jī)作發(fā)電機(jī)使用，電力轉(zhuǎn)換裝置起著對(duì)電力變頻、恒壓、整流等作用。

2 飛輪在風(fēng)電系統(tǒng)有功功率平滑的應(yīng)用研究

2.1 有功功率的柔性控制策略

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率受風(fēng)能的隨機(jī)性、波動(dòng)性和不確定性影響，使得大規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不能直接進(jìn)行并網(wǎng)，嚴(yán)重影響了風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的發(fā)展。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)通過雙PWM變流器連接到風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的母線上，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率不能滿足電網(wǎng)的需要時(shí)，通過雙PWM變流器控制儲(chǔ)能系統(tǒng)向風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)供電；反之，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出的功率多于電網(wǎng)所需功率時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收多余的電能，從而平抑系統(tǒng)的輸出功率，保證輸入電網(wǎng)的電能質(zhì)量。當(dāng)直流母線電壓保持恒定時(shí)，根據(jù)能量守恒關(guān)系得：風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的有功功率等于機(jī)組的并網(wǎng)有功功率與被飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收的有功功率之和。設(shè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出的有功功率為，網(wǎng)側(cè)變流器向電網(wǎng)輸出的有功功率為，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)從直流側(cè)吸收的有功功率為(當(dāng)負(fù)值時(shí)則表示飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)釋放能量到機(jī)組直流側(cè))，則有：

2.2 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)平滑功率值的研究

2.2.1 基于平均值功率法

風(fēng)力發(fā)電機(jī)在最大功率點(diǎn)閉環(huán)跟蹤控制(MPPT)下，其輸出功率隨風(fēng)速的變化波動(dòng)幅度較大。相比平滑了許多，能作為平滑功率指令值，但多位于曲線的上部，多位于曲線的下部。在不考慮飛輪儲(chǔ)能容量的情況下，采用作平滑功率指令值，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)主要向直流側(cè)供電以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)有功平滑；采用σ1作平滑功率指令值，大部分時(shí)間段飛輪系統(tǒng)儲(chǔ)存剩余的能量，以保證輸出比較平滑的功率?？紤]到系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，飛輪容量往往是有限的，采用上述功率作為平滑指令值，飛輪系統(tǒng)基本處于連續(xù)充電或放電狀態(tài)且會(huì)較快達(dá)到額定功率，并網(wǎng)功率相當(dāng)于在原功率曲線的基礎(chǔ)上近于直線的提升或降低飛輪的額定功率，達(dá)不到平滑功率的目的。在實(shí)際應(yīng)用中，在網(wǎng)側(cè)有功波動(dòng)情況下，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)需不斷切換充放電狀態(tài)以達(dá)到一定程度的平滑，取的平均值作為指令值，和相比較平滑且處于波動(dòng)曲線的中部，可作為容量有限的儲(chǔ)能系統(tǒng)平滑功率指令值。

2.2.2 網(wǎng)側(cè)功率濾波法

利用風(fēng)速平均算法是求取功率平滑指令最傳統(tǒng)的方法，但由于風(fēng)速測(cè)量有誤差且隨機(jī)波動(dòng)性強(qiáng)，非常不穩(wěn)定，由此所獲得的功率平滑指令并不非常準(zhǔn)確，可能系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性也受影響，甚至造成整個(gè)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。為了避免直接估算或測(cè)量風(fēng)速，提高永磁同步發(fā)電系統(tǒng)功率平滑控制的可靠性和準(zhǔn)確性，介紹了另外一種功率平滑指令計(jì)算方法，即網(wǎng)側(cè)功率濾波法。

飛輪電機(jī)所需平滑的功率指令應(yīng)反映出對(duì)網(wǎng)側(cè)輸出波動(dòng)功率的吸收或釋放，采用具有不同截止頻率的低通濾波環(huán)節(jié)構(gòu)造有功功率平滑指令，將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)輸出的有功功率先后經(jīng)兩個(gè)一階低通濾波器求差作為飛輪電機(jī)的功率給定[5]，即：

式中：ω1、ω2分別為采用兩個(gè)一階低通濾波器的截止角頻率。當(dāng)截止角頻率ω1較低時(shí)，網(wǎng)側(cè)有功功率將變得較為平滑，這正好滿足網(wǎng)側(cè)輸出功率波動(dòng)小的運(yùn)行目標(biāo)，當(dāng)截止角頻率ω2較高時(shí)，網(wǎng)側(cè)有功功率能夠迅速反應(yīng)輸入功率的變化，因此在經(jīng)過具有不同截止頻率的低通濾波環(huán)節(jié)之后，網(wǎng)側(cè)有功功率經(jīng)兩個(gè)低通濾波器輸出的功率偏差可以正確及時(shí)地反映電網(wǎng)側(cè)輸出功率的波動(dòng)，該波動(dòng)功率可以作為飛輪電機(jī)釋放或者吸收功率的參考值，經(jīng)過功率、電流雙閉環(huán)控制后，可使飛輪電機(jī)產(chǎn)生滿足功率平滑所需的有功功率，從而平滑網(wǎng)側(cè)輸出的有功功率。由式(8)可知，當(dāng)網(wǎng)側(cè)輸出功率穩(wěn)定時(shí)，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的參考功率趨近于零，這時(shí)無需飛輪系統(tǒng)參與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能量交換。因此，無論在何種風(fēng)況下，由式(8)均可得到穩(wěn)定的飛輪電機(jī)功率參考，且系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)較為簡單，可靠性強(qiáng)。

2.2.3 采用模糊控制系統(tǒng)

模糊控制系統(tǒng)是一種在被控對(duì)象的模型很難建立或者控制系統(tǒng)復(fù)雜的情況下采用的智能控制方法，可以將自然語言轉(zhuǎn)換為模糊控制規(guī)則，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互功能，具有控制速度快、魯棒性能好等優(yōu)點(diǎn)。將飛輪轉(zhuǎn)速Ω與經(jīng)LC低通濾波器得到的功率作為模糊控制輸入量，通過模糊規(guī)則和解模糊，可得到較為理想的功率輸出，有利于削峰填谷、平衡負(fù)荷。在原矢量控制策略的基礎(chǔ)上，將控制器替換為模糊控制器獲取網(wǎng)側(cè)功率指令值，從而獲得飛輪的參考功率，實(shí)現(xiàn)輸出功率的平滑控制。功率流動(dòng)觀測(cè)器如圖2所示。風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的功率為，經(jīng)低通濾波器濾波后的信號(hào)為與飛輪轉(zhuǎn)速Ω作為模糊邏輯觀測(cè)器的輸入產(chǎn)生網(wǎng)側(cè)功率指令值信號(hào)。

圖2 模糊控制器結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)風(fēng)力發(fā)電的變化決定低通濾波器角頻率的選取，這樣可以避免模糊觀測(cè)器輸入的快速波動(dòng)，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。從風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的功率中減去網(wǎng)側(cè)功率指令值信號(hào)得到飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)需要儲(chǔ)存或者釋放的能量。模糊邏輯觀測(cè)器的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足要求：當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)速非常低時(shí)，網(wǎng)側(cè)功率指令值信號(hào)為失效狀態(tài)，大部分風(fēng)電能量用來給飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)充電；當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)速非常高時(shí)，網(wǎng)側(cè)功率指令值信號(hào)被最大化，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)僅儲(chǔ)存少量的能量；當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)速為中等速度時(shí)，網(wǎng)側(cè)功率指令值和濾波后的信號(hào)相對(duì)應(yīng)[6]。

平滑功率值獲取的其它方法有：(1)利用濾波器將實(shí)際風(fēng)機(jī)側(cè)輸出功率曲線通過濾波后，過濾掉曲線中快速波動(dòng)的部分，得到一條相對(duì)平滑的曲線，可作為風(fēng)電場(chǎng)期望輸出功率值[7]；(2)通過采樣求平均值，將實(shí)際輸出功率曲線某時(shí)刻之前的個(gè)采樣點(diǎn)的平均值作為該時(shí)刻的期望值，通過這種方法獲得的功率曲線即為期望輸出功率曲線。

2.3 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)能量調(diào)節(jié)控制框圖

在確定飛輪的參考功率值基礎(chǔ)上，采用速度電流雙閉環(huán)控制策略對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)中的永磁同步電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，基本控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)功率控制框圖

飛輪系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制采用速度電流雙閉環(huán)控制。取參考轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值作為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入，經(jīng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器計(jì)算求得相應(yīng)參考電流幅值。參考電流方向模塊則由霍爾元件測(cè)量永磁直驅(qū)同步電機(jī)信號(hào)確定三相繞組電流的參考方向。電流閉環(huán)根據(jù)定子三相參考電流和實(shí)際反饋電流值的比較，輸出逆變器的PWM觸發(fā)信號(hào)，控制定子實(shí)際電流值隨定子三相參考電流的變化而變化，實(shí)現(xiàn)實(shí)際電流對(duì)參考電流的跟蹤，進(jìn)而控制實(shí)際轉(zhuǎn)速跟隨參考轉(zhuǎn)速變化。通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化，可以使飛輪裝置快速實(shí)現(xiàn)能量緩存，平滑風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中輸出功率的波動(dòng)[8]。

基于風(fēng)速測(cè)量的平均值法，優(yōu)點(diǎn)在于算法設(shè)定后無需更改，適用各種容量的儲(chǔ)能系統(tǒng)，在全風(fēng)況條件下系統(tǒng)整體的穩(wěn)態(tài)性能好，但由于風(fēng)速波動(dòng)性強(qiáng)、隨機(jī)性大，測(cè)量都有一定的誤差，對(duì)大規(guī)模發(fā)電的風(fēng)電場(chǎng)，這樣的誤差不容忽視。利用濾波器和對(duì)采樣求平均值法都是在實(shí)際輸出功率曲線的基礎(chǔ)上進(jìn)行平滑處理。前者通過調(diào)節(jié)濾波器的帶寬，后者改變采樣點(diǎn)的數(shù)量，但只能使曲線盡可能平滑，無法達(dá)到恒定，且功率平滑度以增加采樣點(diǎn)計(jì)算量為代價(jià)。基于網(wǎng)側(cè)功率濾波法避免了直接估算和測(cè)量風(fēng)速造成的誤差，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)比較簡單，運(yùn)行速度快，功率平滑控制能力較高，缺點(diǎn)在于截止頻率的選取至關(guān)重要，濾波器頻率的選取對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響較大。模糊控制系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率波動(dòng)具有很好的魯棒性效果，響應(yīng)速度快，可靠性強(qiáng)。在平滑指令值獲取中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際運(yùn)行條件和要求，合理選取平滑控制策略，實(shí)現(xiàn)功率柔性控制。

3 總結(jié)

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)具有高儲(chǔ)能密度、瞬時(shí)功率大、壽命長、環(huán)境友好、適用范圍廣等諸多優(yōu)點(diǎn)。本文在介紹了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理的基礎(chǔ)上，對(duì)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電輸出功率平滑方面進(jìn)行了詳細(xì)闡述。采用平均值法、網(wǎng)側(cè)功率濾波法以及模糊控制系統(tǒng)等五種方法獲取飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)參考功率指令值，對(duì)比其優(yōu)缺點(diǎn)，得出了不同跟蹤效果的差異。通過轉(zhuǎn)速/電流雙閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)電能/機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換，為電網(wǎng)削峰填谷，提高了風(fēng)電并網(wǎng)的電能質(zhì)量，進(jìn)而提高了電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

[1]黃宇淇，姜新建，邱阿瑞.飛輪儲(chǔ)能能量回饋控制方法[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，48(7)：1085-1088.

[2]張維煜，朱煜秋.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.

[3]阮軍鵬，余利斌.飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)電運(yùn)行控制研究[J].東北電力技術(shù)，2007(11)：13-16.

[4]胡雪松，孫才新，劉刃，等.采用飛輪儲(chǔ)能的永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組有功平滑控制策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34(13)：79-83.

[5]熊倩.含飛輪儲(chǔ)能永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率平滑控制策略研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2012.

[6]ABDEL-KHALIK A，ELSEROUGI A.A power control strategy for flywheel doubly-fed induction machine storage system using artificial neural network[J].Electric Power Systems Research，2013(96): 267-276.

[7]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].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28(29)：111-116.

[8]張海，梅柏杉.用于風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)功率控制的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)研究與仿真[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，26(11)：104-108.

Study on smooth control of wind output power with flywheel energy storage system

The basic structure and working principle of FESS were described，and the strategy of smoothing active power with FESS was introduced.Five methods of obtaining the reference power value were studied， and their advantages and disadvantages were compared to understand the different effect of tracking control for power.

flywheel energy storage;wind power;power control;reference power

TM 614

A

1002-087 X(2016)04-0833-03

2015-09-06

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51277092)；江蘇省基礎(chǔ)研究計(jì)劃(自然科學(xué)基金）項(xiàng)目(BK20130938)；2012江蘇省“青藍(lán)工程”中青年學(xué)術(shù)帶頭人項(xiàng)目

黃宇程(1990—)，男，江蘇省人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)轱w輪儲(chǔ)能技術(shù)及其應(yīng)用。