基于飛輪儲(chǔ)能的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究*

趙晗彤，張建成

（1.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003；2.國(guó)網(wǎng)赤峰供電公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

0 引 言

隨著全球能源使用量的不斷增長(zhǎng)，常規(guī)的化石能源面臨資源短缺、日趨枯竭的問(wèn)題。在這種嚴(yán)峻大形勢(shì)下，新能源發(fā)電技術(shù)快速發(fā)展起來(lái)，其中光伏發(fā)電備受青睞［1-6］，具有廣闊的應(yīng)用前景。但是光照強(qiáng)度和溫度的變化等因素會(huì)影響到光伏發(fā)電的輸出功率，使之產(chǎn)生比較大的波動(dòng)。如此，電能便不能穩(wěn)定持續(xù)地輸出，負(fù)荷突變的跟進(jìn)不及時(shí)，供電質(zhì)量下降。因此，十分有必要在光伏發(fā)電系統(tǒng)中配置一定容量的儲(chǔ)能裝置［6］，以提高電能質(zhì)量和供電可靠性。

作為一種新型的儲(chǔ)能元件［1］，飛輪儲(chǔ)能具有許多特點(diǎn)，如功率密度大，使用壽命長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，充放電時(shí)間短，充放電循環(huán)次數(shù)無(wú)限制，環(huán)保等。相對(duì)比于蓄電池，飛輪儲(chǔ)能的預(yù)期壽命更長(zhǎng)，可靠性也愈發(fā)優(yōu)越。文章以獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)為供電主體，配置適當(dāng)容量的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)作為能量調(diào)節(jié)單元，來(lái)保證供電可靠性和電能質(zhì)量［2］。

1 基于飛輪儲(chǔ)能的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)

圖1為系統(tǒng)的簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)示意圖，主要是由光伏陣列、BOOST DC／DC變換器、直流母線、負(fù)載和飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)等幾部分組成的。實(shí)現(xiàn)最大功率的跟蹤是BOOSTDC／DC變換器的主要作用，用于調(diào)節(jié)光伏陣列的輸出功率；與此同時(shí)，它將光伏陣列的電壓由較低值提升至較高值來(lái)滿足系統(tǒng)需要［6］。經(jīng)BOOST DC／DC變換器這一橋梁，直流母線與光伏陣列相連接；對(duì)于直流負(fù)載用戶，它能夠直接進(jìn)行供電，面對(duì)交流負(fù)載用戶，可通過(guò)DC／AC逆變器進(jìn)行供電。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)直接與直流母線相連，主要構(gòu)成可分為兩部分，分別是雙向AC／DC變換器與飛輪系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)供電系統(tǒng)的功率平抑，使之輸出穩(wěn)定的電能。

圖1 基于飛輪儲(chǔ)能的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成Fig.1 Structure of the stand-alone photovoltaic system based on FESS

2 光伏發(fā)電電源

2.1 光伏陣列的特性

光伏電池的輸出特性具備非線性特征［6］，如圖2所示。

圖2 光伏電池的輸出特性曲線Fig.2 Output characteristic curve of photovoltaic cell

2.2 最大功率點(diǎn)跟蹤

在圖2中的光伏電池P-U特性曲線上，存在著一個(gè)最大功率點(diǎn)，這個(gè)最大功率點(diǎn)的縱坐標(biāo)為最大功率，橫坐標(biāo)為對(duì)應(yīng)電壓［6］。為了提高發(fā)電效率，常常采用最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）的方式［6］，力圖隨時(shí)輸出最大功率。MPPT控制方法多樣，其中電導(dǎo)增量法和擾動(dòng)觀察法［3］最為普遍采用，文中選用變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法［4］。

3 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)

3.1 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的組成

飛輪儲(chǔ)能屬于一類具有廣闊應(yīng)用前景的新型儲(chǔ)能裝置［6-8］，如圖3所示。它的工作原理是：系統(tǒng)儲(chǔ)存能量時(shí)，電能借助雙向DC／AC變換器這個(gè)通道對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，飛輪被電機(jī)帶動(dòng)加速儲(chǔ)能；當(dāng)飛輪的旋轉(zhuǎn)速度上升至最大后，保持恒定不變，系統(tǒng)轉(zhuǎn)至能量保持狀態(tài)；系統(tǒng)進(jìn)入釋能階段的標(biāo)志是接收到相應(yīng)的控制信號(hào)，飛輪基于轉(zhuǎn)動(dòng)慣性拖動(dòng)電機(jī)減速發(fā)電，經(jīng)DC／AC變換器輸出符合要求的電能，這就是飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的電能-動(dòng)能-電能的完整過(guò)程。飛輪儲(chǔ)能的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of FESS

圖4 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.4 Main circuit topology structure of FESS

3.2 永磁無(wú)刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

就永磁無(wú)刷直流電機(jī)來(lái)講，采用交、直軸坐標(biāo)變換的分析方法不再有效，這是因?yàn)樗臍庀洞艌?chǎng)、電流和反電動(dòng)勢(shì)都是非正弦的。因此，在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，選用電機(jī)本身的相變量形式進(jìn)行［6］。定子繞組的自感和互感均為常數(shù)，這是因轉(zhuǎn)子磁阻不隨轉(zhuǎn)子位置變化而改變之故。假設(shè)三相繞組呈完全對(duì)稱的格局，磁路為非飽和型，渦流損耗和磁滯損耗不被計(jì)算在內(nèi)，相繞組的電壓平衡方程式可以表示為［3］：

式中u、i、R、e、L和M對(duì)應(yīng)為定子繞組的相電壓、相電流、相電阻、相電動(dòng)勢(shì)、自感和互感。

反電動(dòng)勢(shì)幅值計(jì)算公式［9］：

機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程［9］：

式中Ep、Kep、Te、TL、J、f對(duì)應(yīng)為反電動(dòng)勢(shì)幅值、反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)、電磁轉(zhuǎn)矩、負(fù)載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼系數(shù)［6］。

3.3 飛輪電機(jī)的控制策略

比例積分控制器（也稱PI控制器）是目前應(yīng)用最為廣泛的控制器。它是一種線性控制器，具有原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、應(yīng)用面廣、控制參數(shù)相互獨(dú)立且參數(shù)的選定比較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；適用于具有大慣性、大滯后特性的被控對(duì)象，經(jīng)常用在工業(yè)生產(chǎn)中的液位、壓力、流量等控制系統(tǒng)。

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在發(fā)電工況時(shí)，采用轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在電動(dòng)工況時(shí)，采用電壓-電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，以保證直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，達(dá)到放電的目的。

當(dāng)系統(tǒng)直流母線電壓高于額定值時(shí)，需向飛輪儲(chǔ)能端輸送能量。若飛輪轉(zhuǎn)速n小于其極限值n*，飛輪進(jìn)入充電環(huán)節(jié)［6］。充電時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)與電流環(huán)均采用PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)。速度調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)的給定誤差信號(hào)為（n*-n），其輸出信號(hào)為下一級(jí)電流環(huán)的給定信號(hào)，控制簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖5。

圖5 充電控制Fig.5 Charge control

當(dāng)系統(tǒng)直流母線電壓低于額定值時(shí)，需飛輪儲(chǔ)能端向直流母線輸送能量。飛輪處于放電環(huán)節(jié)時(shí)，永磁無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)行于回饋制動(dòng)工作模式［6，10］；選擇這種控制方式不僅可以大大地簡(jiǎn)化電路，節(jié)省下相關(guān)的硬件設(shè)施，而且還提高系統(tǒng)的可靠性。放電時(shí)，外環(huán)電壓環(huán)和內(nèi)環(huán)電流環(huán)均采用PI調(diào)節(jié)器。電壓調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)的給定誤差信號(hào)為（Udc*-Udc），其輸出信號(hào)為下一級(jí)電流環(huán)的給定信號(hào)，控制簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖6。

圖6 放電控制Fig.6 Discharge control

當(dāng)系統(tǒng)直流母線電壓一直穩(wěn)定于額定值時(shí)，發(fā)出功率與所需功率平衡，那么飛輪不需要吸收或者釋放能量，此時(shí)飛輪處于恒速運(yùn)行狀態(tài)。

4 仿真分析

為了驗(yàn)證控制策略的可行性，在Matlab／Simulink軟件中對(duì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了仿真，建立了圖1所對(duì)應(yīng)的仿真模型，主要組成部分如圖7和圖8所示。處于標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度時(shí)，系統(tǒng)參數(shù)為：直流母線額定電壓為500 V；穩(wěn)壓電容為0.063 F；光伏陣列的開(kāi)路電壓、短路電流和最大功率點(diǎn)電壓分別為353.6 V、21.16 A和283.2 V；負(fù)載用直流電阻代表；電機(jī)主要基本參數(shù)：R＝2.8750Ω，L-M＝8.5 mH，p＝4，J＝0.8e-3kg·m2，nN＝8 000 r／min［6］。

圖7 光伏電源仿真模型Fig.7 Simulation model of PV power

獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)工作時(shí)，光照的變化和負(fù)載的突變?yōu)槠渌艿降闹饕饨绺蓴_因素。因此在仿真過(guò)程中對(duì)這兩種情況進(jìn)行模擬。

圖8 飛輪儲(chǔ)能仿真模型Fig.8 Simulation model of FESS

（1）模擬由于受云朵遮擋的影響，造成光照下降，持續(xù)一段時(shí)間后恢復(fù)正常的情況。

初始光照強(qiáng)度為S＝1 000 W／m2，1 s時(shí)光照強(qiáng)度下降至900W／m2，2 s時(shí)光照強(qiáng)度恢復(fù)到正常情況下的1 000 W／m2。仿真結(jié)果見(jiàn)圖9～圖11。

圖9 接入飛輪前直流母線的電壓Fig.9 DC bus voltage without FESS

圖10 接入飛輪后直流母線的電壓Fig.10 DC bus voltage with FESS

由圖9可看出，接入飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)前，因光照的變化，直流母線電壓在1 s時(shí)發(fā)生跌落，不能穩(wěn)定于500 V，在2 s時(shí)開(kāi)始回升。由圖10可以看出，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)接入后，直流母線電壓一直穩(wěn)定于500 V左右，基本沒(méi)有受到光照變化的影響。圖11為轉(zhuǎn)速曲線，1 s前為先充電再保持狀態(tài)，1 s～2 s期間進(jìn)入放電階段，2 s后再次充電。

圖11 飛輪轉(zhuǎn)速Fig.11 Speed of the flywheel

（2）模擬負(fù)載突變的過(guò)程。

初始負(fù)載為1 800W，1 s時(shí)負(fù)載減少至1 300 W，2.5 s時(shí)恢復(fù)至1 800W，4.5 s時(shí)負(fù)載增加至4 100W。仿真結(jié)果見(jiàn)圖12～圖14。

從圖12可看出，飛輪儲(chǔ)能接入前，由于負(fù)載的突變，直流母線電壓在1 s時(shí)有所升高，2.5 s時(shí)回落，4.5 s時(shí)跌落，整個(gè)過(guò)程中一直不能穩(wěn)定于500 V。由圖13可以看出，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)接入后，在負(fù)載變化的過(guò)程中，直流母線電壓一直穩(wěn)定于500 V左右。圖14為轉(zhuǎn)速曲線，1 s前為先充電再保持狀態(tài)，1 s～2.5 s期間處于加速充電的狀態(tài)，2.5 s～4.5 s期間轉(zhuǎn)速下降至額定轉(zhuǎn)速，4.5 s后開(kāi)始放電。由上述仿真結(jié)果可知，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)有效地提高了獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的電壓質(zhì)量。

圖12 接入飛輪前直流母線的電壓Fig.12 DC bus voltage without FESS

圖13 接入飛輪后直流母線的電壓Fig.13 DC bus voltage with FESS

圖14 飛輪轉(zhuǎn)速Fig.14 Speed of the flywheel

5 結(jié)束語(yǔ)

文中將飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)作為能量調(diào)節(jié)單元應(yīng)用于獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中，制定了相關(guān)的控制策略，通過(guò)調(diào)整直流母線與飛輪儲(chǔ)能之間的能量流動(dòng)來(lái)穩(wěn)定直流母線的電壓，并利用軟件Matlab對(duì)相應(yīng)內(nèi)容進(jìn)行了仿真研究。仿真結(jié)果表明，在光照和負(fù)載發(fā)生變化的情況下，所設(shè)計(jì)的控制策略可以使直流母線電壓穩(wěn)定于額定值，從而驗(yàn)證了它的可行性與有效性。