基于雙向功率變流器的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)研究

楊 焰，苗 虹，曾成碧，韓民曉，蒲 勇

(四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川成都610065)

基于雙向功率變流器的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)研究

楊 焰，苗 虹，曾成碧，韓民曉，蒲 勇

(四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川成都610065)

針對(duì)孤島運(yùn)行的直流微電網(wǎng)中負(fù)荷波動(dòng)性，建立了基于異步電機(jī)的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)裝置，并在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于雙向功率變流器頻率控制的飛輪儲(chǔ)能方法。利用李雅普洛夫穩(wěn)定判據(jù)判斷了該頻率控制器的穩(wěn)定性，同時(shí)Matlab/Simulink仿真結(jié)果顯示，在周期性急劇變化的負(fù)荷作用下，雙向變流器能按控制要求工作在整流或者逆變器模式，使含有異步電機(jī)的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)跟蹤負(fù)荷變化完成充放電過程，從而提高獨(dú)立電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性和過載能力。

直流微電網(wǎng)；孤島運(yùn)行；飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)；雙向功率變流器；頻率控制

飛輪儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中有巨大的應(yīng)用價(jià)值，特別是作為微電網(wǎng)的儲(chǔ)能單元，當(dāng)與其他儲(chǔ)能技術(shù)相配合，對(duì)獨(dú)立微電網(wǎng)電壓的波動(dòng)有著較好的抑制作用，可以較好地穩(wěn)定微電源出力和保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中主要靠飛輪電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和電能之間的切換。為滿足飛輪高速旋轉(zhuǎn)的要求，目前有四種電機(jī)可供選擇：永磁無刷直流電機(jī)、永磁同步電機(jī)、異步電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)。以上四種電機(jī)在飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)際研究中都有應(yīng)用，其中以永磁無刷直流電機(jī)和永磁同步電機(jī)居多，而對(duì)于應(yīng)用異步電機(jī)的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究較少。文獻(xiàn)[1-2]研究的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)采用的是永磁同步電機(jī)，文獻(xiàn)[1]討論了永磁同步電機(jī)的矢量控制方法；文獻(xiàn)[2]建立了基于永磁同步電機(jī)的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，將充放電過程分開進(jìn)行建模與仿真。文獻(xiàn)[3-4]的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)采用的是永磁無刷直流電機(jī)，文獻(xiàn)[3]針對(duì)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)所用永磁無刷直流電機(jī)的控制和能量轉(zhuǎn)換問題，采用雙向DC-DC電能變換電路，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能和釋能的雙向控制。文獻(xiàn)[5-6]對(duì)基于異步電機(jī)的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行了討論和研究。目前對(duì)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行的研究主要集中在兩個(gè)方面：一是應(yīng)用于電源穩(wěn)定方面，如在微電網(wǎng)中風(fēng)力發(fā)電或光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用；二是應(yīng)用于負(fù)荷變化方面，如獨(dú)立微電網(wǎng)中出現(xiàn)階躍負(fù)荷或高波動(dòng)負(fù)荷，本文所做研究是關(guān)于負(fù)荷變化方面的應(yīng)用。

針對(duì)孤島運(yùn)行的直流微電網(wǎng)中負(fù)荷波動(dòng)性，建立了基于異步電機(jī)的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)裝置，并在此基礎(chǔ)上提出了一種基于雙向變流器頻率控制的飛輪儲(chǔ)能方法。Matlab/Simulink仿真結(jié)果顯示，在周期性急劇變化的負(fù)荷作用下，雙向變流器能按控制要求工作在整流與逆變器模式，使含有飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)跟蹤負(fù)荷變化完成充放電過程，從而提高獨(dú)立電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性和過載能力。

1 含飛輪儲(chǔ)能的直流微電網(wǎng)與雙向變流器

選用異步電機(jī)作為拖動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)的電機(jī)，所建立的直流微電網(wǎng)運(yùn)行于孤島模式，整個(gè)系統(tǒng)主要由直流微電源(燃料電池)、直流母線、直流側(cè)電容、直流負(fù)荷、雙向變流器、LC濾波器、異步電機(jī)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)組成，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 含有飛輪儲(chǔ)能的直流微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 雙向功率變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

根據(jù)負(fù)荷變化情況，雙向功率變流器可工作在整流和逆變兩種模式。逆變模式：直流電能經(jīng)過空間矢量脈寬調(diào)制后逆變?yōu)榻涣麟姡?jīng)過LC濾波器濾除高次諧波后給異步電機(jī)供電，拖動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)進(jìn)行儲(chǔ)能。選擇電機(jī)定子電壓和電感電流為狀態(tài)變量，其狀態(tài)方程[7]為：

整流模式：雙向變流器輸出電壓頻率降低，異步電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，在飛輪的拖動(dòng)下放電，其發(fā)出的交流電經(jīng)變流器整流成直流電供給負(fù)荷。選擇電感電流和直流側(cè)電壓為狀態(tài)變量，其狀態(tài)方程[8]為：

2 雙向功率變流器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文微電網(wǎng)運(yùn)行在孤島模式，為了使雙向變流器的工作模式轉(zhuǎn)換跟隨負(fù)荷變化，本文采用頻率控制以及電壓電流雙環(huán)控制的策略。

根據(jù)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)特點(diǎn)，本文提出的頻率控制方法的基本思想是：當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷小于額定負(fù)荷時(shí)，用頻率控制方法使雙向變流器輸出電壓頻率高于異步電機(jī)和飛輪轉(zhuǎn)速，異步電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)拖動(dòng)飛輪儲(chǔ)能；當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷大于額定負(fù)荷時(shí)，用控制方法改變雙向變流器的輸出電壓頻率低于異步電機(jī)和飛輪轉(zhuǎn)速，異步電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，此時(shí)異步電機(jī)可在飛輪的拖動(dòng)下發(fā)電；當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷等于額定負(fù)載時(shí)，異步電機(jī)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)處于保持狀態(tài)。假定系統(tǒng)負(fù)荷功率與額定負(fù)荷的功率偏差大小為，持續(xù)時(shí)間Δ，則在這段時(shí)間內(nèi)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)需要釋放(或者存儲(chǔ))能量的計(jì)算公式為：

頻率控制方法框圖如圖3。對(duì)于雙向變流器的電壓電流的控制，采用直流電壓外環(huán)交流電流內(nèi)環(huán)的電壓電流雙閉環(huán)控制方法，將三相交流量變換到同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系時(shí)，變換用到的由頻率控制輸出提供。電壓電流都采用傳統(tǒng)PI控制方法。

圖3 頻率控制方法框圖

得到電流內(nèi)環(huán)參考電流。利用d-q解耦的思想，可將電流內(nèi)環(huán)設(shè)計(jì)為：

對(duì)李雅普洛夫函數(shù)作全微分：

代入式(3)、式(7)化簡(jiǎn)：

因?yàn)檎髂Ｊ綍r(shí)雙向變流器會(huì)對(duì)直流母線充電，直流側(cè)電壓將升高，因此，又因?yàn)?，所以，系統(tǒng)是穩(wěn)定的。

3 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)仿真

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的控制策略，在Matlab/Simulink環(huán)境下建立了與圖1所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等效的直流微電網(wǎng)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)。其中燃料電池額定直流電壓400 V，電源串聯(lián)電阻=1 Ω，直流側(cè)電容=5 mF，LC濾波器電感電容分別為5 mH、300 μF，異步電機(jī)額定線電壓380 V，額定轉(zhuǎn)速1 425 r/min，額定頻率50 Hz，轉(zhuǎn)軸所連接的飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=0.076 5 kg·m2，假定其與機(jī)械軸之間的摩擦系數(shù)為0，直流負(fù)荷大小及其突變曲線如圖4。

圖4 給定負(fù)荷變化曲線

載電流大約等于額定負(fù)載電流(圖5)，雙向變流器處于逆變模式，雙向變流器輸出穩(wěn)定的三相交流電(圖6)給異步電機(jī)供電，此時(shí)異步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩大于零(圖7)，拖動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)進(jìn)行儲(chǔ)能，異步電機(jī)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速瞬間上升到額定轉(zhuǎn)速(圖8)，處于保持狀態(tài)。從開始到1.5 s直流側(cè)電壓瞬速穩(wěn)定在額定電壓附近(圖9)。

圖5 直流側(cè)負(fù)荷變化曲線

圖6 異步電機(jī)定子電壓

圖7 異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩變化曲線

圖8 異步電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線

圖9 直流側(cè)母線電壓

1.5 s時(shí)，負(fù)載發(fā)生階躍跳變且其值增大(圖4)，負(fù)載電流大于額定負(fù)載電流(圖5)，雙向變流器立即轉(zhuǎn)換為整流模式，同時(shí)改變交流電頻率(圖10)，此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩小于零(圖7)，異步電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，從而放出飛輪存儲(chǔ)的能量，直到飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定(圖8)。從1.5～2.5 s直流側(cè)電壓瞬速穩(wěn)定在額定電壓附近(圖9)。

2.5 s時(shí)，負(fù)載發(fā)生階躍跳變且其值減小(圖4)，負(fù)載電流等于額定電流(圖5)，雙向變流器立即轉(zhuǎn)換為逆變模式，雙向變流器輸出穩(wěn)定的三相交流電(圖6)給異步電機(jī)供電，此時(shí)異步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩大于零(圖7)，拖動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)進(jìn)行儲(chǔ)能，異步電機(jī)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速瞬間上升到額定轉(zhuǎn)速(圖8)，處于保持狀態(tài)。從2.5～3 s直流側(cè)電壓瞬速穩(wěn)定在額定電壓附近(圖9)。圖10為三相交流電角頻率。

圖10 三相交流電角頻率

圖6的定子電壓及圖9的直流側(cè)母線電壓在1.5 s之后有零點(diǎn)幾秒的上升時(shí)間，這可能是由于異步電機(jī)由電動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)為發(fā)電狀態(tài)所致，時(shí)間短暫不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

仿真結(jié)果顯示，當(dāng)直流微電網(wǎng)中負(fù)荷波動(dòng)時(shí)，本文所建立的基于異步電機(jī)的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在獨(dú)立電源功率有限的條件下，可以提高獨(dú)立電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性和過載能力。由于飛輪儲(chǔ)能充放電時(shí)間比較短，能量轉(zhuǎn)換過程在瞬間完成，所以對(duì)持續(xù)時(shí)間比較長(zhǎng)的負(fù)荷功率變化調(diào)節(jié)效果不是很好，需要結(jié)合其他儲(chǔ)能裝置(如蓄電池等)才能發(fā)揮更好的效果，在后續(xù)的研究中將考慮飛輪儲(chǔ)能與蓄電池等儲(chǔ)能裝置配合使用對(duì)直流微電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響。

[1]陳錢春，阮毅.永磁同步電機(jī)矢量控制的研究與分析[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2007，34(2)：61-64.

[2]湯雙清，李志雄，蔣宇.基于Simulink的飛輪電池充放電控制設(shè)計(jì)與建模[J].微計(jì)算機(jī)信息，2008，12(24)：184-186.

[3]譚震，李永麗.基于雙DSP的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)控制平臺(tái)的研制[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40(11):127-139.

[4]王黎，趙云麗，李衛(wèi)東.飛輪儲(chǔ)能的仿真系統(tǒng)研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2010(11)：102-106.

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

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

[7]黃晶晶，張杭，張愛民，等.一種新型并網(wǎng)逆變器電流控制策略的研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39(20)：137-140.

[8]馮磊.交直流混合母線微網(wǎng)中網(wǎng)側(cè)雙向變換器控制研究[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2012.

圖8 單晶硅組件J3接線盒處24 h內(nèi)的表面溫度變化

圖9 晶硅組件Y3接線盒處24 h內(nèi)的表面溫度變化

3 結(jié)論

單晶硅組件和多晶硅組件在濕熱環(huán)境條件(廣州、海南)及高原環(huán)境條件(拉薩)16個(gè)月暴曬外觀無明顯變化。晶硅組件在濕熱環(huán)境條件下功率衰減超出2%。晶硅組件接線盒處和中心處為高溫分布較為集中的區(qū)域。輻照量和溫度對(duì)組件表面溫度場(chǎng)分布都有影響，其中輻照量對(duì)多晶硅組件正表面溫度分布與高溫持續(xù)時(shí)間(大于50℃)的影響較為明顯；大氣溫度對(duì)背表面溫度分布及高溫持續(xù)時(shí)間(大于50℃)的影響較為明顯。

參考文獻(xiàn)：

[1]OSTERWALD C R，ANDERBERG A，RUMMEL S，et al.Degradation analysis of weathered crystalline-silicon PV modules[J]. IEEE，2002(1):1392-1395.

[2]KING D L，QUINTANA M A，KRATOCHVIL J A，et al.Photovoltaic module performance and durability following long-term field exposure[J].Progress in Photovoltaics:Research and Applications，2000(8):241-256.

[3]SKOCZEK A，SAMPLE T，DUNLOP E D.The results of performance measurements of field-aged crystalline silicon photovoltaic modules[J].Progress in Photovoltaics:Research and Applications，2009，17:227-240.

[4]HASHIGAMI H，ITAKURA Y，SAITOH T.Interpretation of light-induced cell performance degradation by means of spectroscopic light illumination[J].Solar Energy Materials&Solar Cells，2003，75:351-356.

Flywheel energy storage system based on bidirectional converter

According to the load volatility of DC microgrid running in island mode，a flywheel energy storage system based on asynchronous motor was established，and a new flywheel energy storage method was advanced based on the bidirectional converter frequency control. Lyapunov's stability criterion was used to judge the stability of the frequency controller. The Matlab/Simulink simulation results show that under the action of periodic and sharply changing load，the bidirectional converter can work in the rectifier or inverter mode according to the requirements of control， making the flywheel energy storage system track the load changing and complete charge and discharge process to improve the stability and the overload capacity of the independent power supply system.

DC microgrid;islanding model operation;flywheel energy storage system;bidirectional converter; frequency control

TM 91

A

1002-087 X(2016)04-0836-04

2015-09-11

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃基金項(xiàng)目(2012CB215200)；四川省教育廳自然科學(xué)項(xiàng)目(13ZA0096)；四川省科技支撐項(xiàng)目(2014GZ0069)

楊焰(1990—)，女，四川省人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榉植际桨l(fā)電和微電網(wǎng)。