關于微電網(wǎng)中飛輪儲能系統(tǒng)的研究

摘 要 微電網(wǎng)作為可操縱的單元，它與大電網(wǎng)相連接，在發(fā)生臨界負荷故障時，能夠保證發(fā)電效率和供電能力。本文針對在微電網(wǎng)中飛輪儲能系統(tǒng)做了概述，提出了一種飛輪儲能系統(tǒng)，為微網(wǎng)孤島的運行提供穩(wěn)定的電能支持，并通過仿真驗證了飛輪儲能系統(tǒng)的可靠性、經(jīng)濟性和應用效率，研究了飛輪儲能系統(tǒng)的特性，描述了飛輪儲能裝置的特性，提高了微電網(wǎng)的魯棒性。

關鍵詞 微電網(wǎng);飛輪儲能;儲能系統(tǒng);研究

引言

如果將電池作為儲能設備的微型智能電網(wǎng)，穩(wěn)定輸出功率，保持內(nèi)部穩(wěn)定供電，電池就會來回循環(huán)無限次地充放電，壽命不長而且不經(jīng)濟，整個微型智能電網(wǎng)都會出現(xiàn)這種情況。

若把微電網(wǎng)建設在負荷相對來說較集中的一些地方，再利用飛輪儲能系統(tǒng)將電能儲存，那么在短時間故障不能供電的情況下，飛輪儲能系統(tǒng)便能夠順利供電，讓系統(tǒng)繼續(xù)正常運行。飛輪儲能系統(tǒng)是一種比較優(yōu)勢的儲能元件。儲能不高，充放電功率大，充放電量大，壽命長，時間短，充放電周期無限制。與其他儲能裝置相比，它更可靠、更經(jīng)濟。研究發(fā)現(xiàn)，飛輪儲能裝置與電池的結合，不但能夠滿足微電網(wǎng)電力的需求，還能夠使電池的壽命變長，經(jīng)濟性更好。在考慮微電網(wǎng)經(jīng)濟性的同時，也要合理配置微電網(wǎng)元件。當外網(wǎng)發(fā)生故障時，微電網(wǎng)會自動與外網(wǎng)斷開，造成功率不足和電壓不穩(wěn)定，內(nèi)部微電網(wǎng)將自動切斷負載并穩(wěn)定微電網(wǎng)。儲能裝置的使用提高了微電網(wǎng)供電的可靠性[1]。

1飛輪儲能系統(tǒng)

飛輪儲能系統(tǒng)不局限于傳統(tǒng)化學電池儲能的約束，是一種能夠利用物理方式進行儲能的裝置。飛輪儲能系統(tǒng)由飛輪轉子、電機、控制系統(tǒng)（電力電子轉換器等）以及外部網(wǎng)絡等幾部分組成。創(chuàng)新性的打破了化學電池方法進行儲能的約束，能夠采用物理方法實現(xiàn)系統(tǒng)的能量攝入、存儲和釋放。當外部控制系統(tǒng)向電機發(fā)送加速度信號時，電力電子轉換器等使電機工作，通過電機給飛輪加速，這時電能就能夠轉換為機械能儲存在轉動的飛輪中。若控制系統(tǒng)向電機發(fā)送減速信號，在飛輪的慣性帶動下，電機繼續(xù)轉動發(fā)電，這時就能實現(xiàn)機械能向電能的轉化，轉速大小處于和中間。整個系統(tǒng)的能量：

1-1

其中，J為轉動慣量，為飛輪最大轉速，為飛輪最小轉速。由公式1-1可知，增大飛輪的慣量和轉速是提高儲能效率的最有效方法，但大功率高速旋轉系統(tǒng)的運行成本過高。因此，一般真正應用在工程中的均是采用飛輪轉速小不大于10000rpm為主。

為了滿足上述要求，需要選擇飛輪系統(tǒng)的電機和飛輪轉子。電動機不僅要保持可逆性，還要考慮經(jīng)濟性，選用的電機不僅運行速度快，而且在充放電過程中轉速變化范圍還要大。由于利用飛輪進行儲能，整個裝置的工作特性：處于電機狀態(tài)時，系統(tǒng)能夠擁有非常大的轉矩和功率;而且壽命久，空載損耗低，轉子轉速高，具有較高的轉化率。電機的選用還需要能夠顯示出飛輪儲能系統(tǒng)能耗高效率、維修方便等優(yōu)點。通常有四種類型的電動機滿足上述特性：感應電動機、同步磁阻電動機、永磁電動機以及開關磁阻電動機。由于飛輪和電機的連接和控制方式不同，控制目的也不同，所選用的電機和控制方法也不同。電動機一般采用永磁無刷電動機和內(nèi)置感應電動機;飛輪儲能系統(tǒng)接入電網(wǎng)后，一般采用PQ控制，孤島運行一般采用V/F控制[2]。

2仿真分析

根據(jù)飛輪儲能系統(tǒng)原理圖，采用仿真系統(tǒng)軟件建立相應的仿真模型，如圖1所示。

在系統(tǒng)中電機選用永磁同步電動機，永磁同步電動機具有勵磁損耗低、調節(jié)控制方便、功率雙向轉換等優(yōu)點，它是飛輪儲能系統(tǒng)中應用最廣泛的電動機。系統(tǒng)通過對逆變器的控制來確定飛輪的儲能和釋放量。

從仿真模擬中得到，直流母線電壓始終處于穩(wěn)定狀態(tài)，說明飛輪儲能系統(tǒng)輸出功率穩(wěn)定，保證了電源的電能質量和可靠性。

在飛輪速度模擬中，選用梯形信號，在060秒內(nèi)，飛輪加速充電;在60120秒內(nèi)，飛輪保持相同的速度，保持能量，并等待外部控制信號釋放能量;在120180秒之間，施加給飛輪一個控制信號，該信號會降低速能量放出的速度;180秒以后，保持轉速處于最小狀態(tài)，以此來實現(xiàn)整個飛輪儲能系統(tǒng)一次充電并釋放的目的，同時對所建立的仿真模型的正確性做出了檢驗[3]。

3結束語

在微電網(wǎng)中進行必要的配置優(yōu)化，不僅可以降低微電網(wǎng)系統(tǒng)的干擾，而且可以合理調整微電網(wǎng)的電壓和頻率，使其更加靈活、環(huán)保、高效，滿足負荷要求。通過對飛輪儲能系統(tǒng)的網(wǎng)側變流器進行了仿真研究，結果表明，合理的控制信號可以使飛輪實現(xiàn)合理的加減速、及時充放電，能夠增加能量轉化率，使得電能質量得到更好的保障。一旦電網(wǎng)不能正常工作，飛輪儲能系統(tǒng)便能夠在短時間內(nèi)繼續(xù)提供動力支持，提高了微電網(wǎng)的應變能力。

參考文獻

[1] 蘇猛，李鳳霞.微電網(wǎng)中飛輪儲能系統(tǒng)儲能優(yōu)化設計研究[J].計算機仿真，2018，35（11）：94-97.

[2] 丁尚.微電網(wǎng)分布式儲能系統(tǒng)的優(yōu)化方法研究[D].南京：南京郵電大學，2018.

[3] 李和豐.微電網(wǎng)沖擊性負荷下飛輪儲能與電源的運行優(yōu)化[D].濟南：山東大學，2018.

作者簡介

魏民（1985-），男，北京人;學歷：碩士，現(xiàn)就職單位：沈陽遠大電力電子科技有限公司，參與多項國家重點研發(fā)專項、多次獲得省級科技進步獎項。