基于飛輪儲能的新型動態(tài)電壓恢復(fù)器的研究

朱俊星，王同勛

（中國電力科學(xué)研究院 北 京 1 00192）

隨著工業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，接入電力系統(tǒng)的沖擊性負(fù)荷急劇增加，電能質(zhì)量問題變得越來越嚴(yán)重，從而造成產(chǎn)品質(zhì)量下降甚至生產(chǎn)過程中斷。根據(jù)各國學(xué)者和電力部門統(tǒng)計，在電力系統(tǒng)的各種電能質(zhì)量問題中，電壓暫降的危害最大[1]。目前，最有效的補(bǔ)償裝置是動態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）[2]。

傳統(tǒng)的DVR在補(bǔ)償電壓暫降時，其所需能量由并聯(lián)于所補(bǔ)償電網(wǎng)的整流器提供，缺點是不能補(bǔ)償深度電壓暫降[3]。因此有學(xué)者提出由儲能裝置來提供能量。常見的儲能裝置有：蓄電池、超級電容、超導(dǎo)儲能裝置以及飛輪儲能裝置[4]。與其他幾種儲能方式相比，飛輪儲能具有高儲能量、長壽命、高效率、無污染等特性。因此在飛輪電池以及工業(yè)用UPS電源等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。飛輪儲能是一高速旋轉(zhuǎn)的飛輪質(zhì)體作為機(jī)械能量儲存的介質(zhì)，利用電機(jī)和能量轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)來控制能量的輸入（儲存能）和輸出（釋放能）。目前，產(chǎn)品化的飛輪儲能單元最高指標(biāo)通常為儲能量2～5 kWh，功率250 kW，若要求更高功率、更大儲能量則需采用飛輪儲能單元并聯(lián)運(yùn)行來實現(xiàn)。文獻(xiàn)[5]對多臺飛輪并聯(lián)運(yùn)行的控制策略進(jìn)行了研究，提出了一種以飛輪可釋放能量為比例分配各臺飛輪儲能裝置輸出功率的控制策略，此控制策略會導(dǎo)致各臺并聯(lián)飛輪的充放電次數(shù)不均勻。

針對以上不足，本文提出了一種基于飛輪儲能的新型動態(tài)電壓恢復(fù)器；詳細(xì)分析了該系統(tǒng)的工作原理和各部分的控制策略；針對飛輪并聯(lián)運(yùn)行提出了一種新的放電控制策略；最后對系統(tǒng)進(jìn)行了仿真驗證。

1 電路拓?fù)?/h2>

基于飛輪儲能的DVR的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要由DVR變換器、濾波器、旁路開關(guān)、串聯(lián)變壓器、變換器A、電感L和飛輪儲能陣列（FESA）組成。

DVR變換器、濾波器、旁路開關(guān)和串聯(lián)變壓器一起組成串聯(lián)型電壓恢復(fù)器，變換器A和電感L構(gòu)成PWM整流器，飛輪儲能陣列由多臺飛輪儲能單元（FESU）并聯(lián)組成，飛輪儲能單元由飛輪變換器、永磁無刷直流電機(jī)和飛輪3部分組成。電網(wǎng)電壓正常時，飛輪處于充電狀態(tài)；在電網(wǎng)電壓發(fā)生暫降時，DVR變換器經(jīng)串聯(lián)變壓器向電網(wǎng)注入補(bǔ)償電壓，從而保證負(fù)載電壓是額定電壓。淺度電壓暫降時能量由電網(wǎng)提供；深度電壓暫降時能量由飛輪提供。

圖1 系統(tǒng)主電路

驅(qū)動電機(jī)采用三相永磁無刷直流電機(jī)，因其具有運(yùn)行可靠、免維護(hù)、高效率以及調(diào)速性能好的特點[6]，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 永磁無刷直流電機(jī)的主要參數(shù)

2 系統(tǒng)的控制策略

2.1 飛輪充電控制

飛輪的充電控制采用雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，外環(huán)是轉(zhuǎn)速環(huán)，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)。其中，速度調(diào)節(jié)器采用復(fù)合控制。在啟動階段，希望轉(zhuǎn)速快速上升，而對控制精度要求相對較低，采用恒轉(zhuǎn)矩限流啟動；在調(diào)速階段，采用恒功率充電模式，隨著轉(zhuǎn)速的升高，輸入電流反比減小，可以減小不平衡磁拉力對轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性的影響，恒功率充電以系統(tǒng)能承受的最大功率P*為加速度功率；當(dāng)速度達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，希望有較高的穩(wěn)態(tài)精度，采用PI控制。

2.2 飛輪放電控制

在飛輪放電過程中，電機(jī)運(yùn)行于制動狀態(tài)，隨著轉(zhuǎn)速的降低，電壓也隨之降低。為了得到恒定的直流母線電壓，采用電機(jī)回饋制動的半橋調(diào)制方式。

各臺并聯(lián)飛輪屬于同一規(guī)格，電氣參數(shù)基本一致；前后兩次電壓暫降間隔足以讓所有飛輪轉(zhuǎn)速都上升到額定轉(zhuǎn)速，故功率和儲能量相等；為了減少系統(tǒng)損耗，每次放電時投入運(yùn)行的飛輪個數(shù)應(yīng)盡可能少。飛輪放電控制的關(guān)鍵點是如何計算放電的飛輪臺數(shù)以及每臺飛輪的輸出電流指令值。

各臺飛輪的充放電次數(shù)為：T1≥T2≥…，≥TN，則放電控制策略如下：

1）按照充放電次數(shù)由少到多依次給各臺飛輪排序，如充放電次數(shù)相同，則轉(zhuǎn)速高者序列號小。

2）根據(jù)式（1）確定進(jìn)入放電狀態(tài)的飛輪臺數(shù)m。

式中，Pmaxi為i臺飛輪的最大輸出功率；P*是需要輸出的功率指令值。

3）當(dāng)P*＜Pmax1，F(xiàn)ESU1進(jìn)入放電狀態(tài)，其輸出電流指令值為：，其中E1為BLDCM1的反電動勢；當(dāng)P*＞Pmax1，輸出功率指令值超出任意一臺飛輪儲能單元的最大輸出功率。因此，需多臺飛輪進(jìn)入放電狀態(tài)，F(xiàn)ESU1至FESUm-1的輸出電流指令值為，F(xiàn)ESUm的輸出電流指令值為

隨著能量的釋放，飛輪轉(zhuǎn)速下降，故儲能量和輸出功率隨之減小，當(dāng)原有投入放電的飛輪不能滿足負(fù)載需求時，投入放電的飛輪臺數(shù)以及各臺飛輪的輸出電流指令值需重新計算。將之前進(jìn)入放電狀態(tài)的飛輪的序列號都增加1，然后返回1）重新計算。當(dāng)電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常時，投入放電狀態(tài)的飛輪的充放電次數(shù)都增加1。由上述分析可得飛輪放電的控制框圖如圖2所示。

圖2 飛輪放電的控制框圖

2.3 DVR變換器的控制

補(bǔ)償電壓的輸出需同時實現(xiàn)兩個目標(biāo)：高動態(tài)響應(yīng)速度和高穩(wěn)定精度。前饋控制可以顯著提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，縮短補(bǔ)償電壓發(fā)出的時間。反饋控制可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度。因此，采用由前饋控制、電壓瞬時值和濾波電容電流瞬時值反饋控制構(gòu)成的復(fù)合控制策略。

2.4 變換器A的控制

變換器A 的控制目的是控制直流母線電壓恒定的同時，實現(xiàn)交流側(cè)輸入電流的正弦化且與電網(wǎng)電壓同相位。

變換器在abc三相靜止坐標(biāo)系下的方程為：

式中，L為與電網(wǎng)相連的濾波電感的電感值，將功率開關(guān)管損耗等效電阻同濾波電感等效電阻合并為R，uSa、uSb、uSc為電網(wǎng)三相電壓，ia、ib、ic為變換器交流側(cè)三相電流，ea、eb、ec為變換器輸出的三相電壓。

通過坐標(biāo)變換將該數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換至同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，變換器在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為：

式中，ud、uq為三相電網(wǎng)電壓在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的投影；id、iq為變換器交流側(cè)三相電流在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的投影。

選取同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸與電網(wǎng)a相電壓矢量重合，則uq=0，式（3）可進(jìn)一步簡化為：

這說明當(dāng)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定時，控制了變換器d軸電流即控制了輸入的有功功率；控制了變換器q軸電流即控制了輸入的無功功率。若要實現(xiàn)單位功率因數(shù)控制，即輸入的無功功率為零，只要令變換器q軸電流設(shè)定值i*q=0即可。

由式（4）可知，該數(shù)學(xué)模型存在交叉耦合項，因而給控制器設(shè)計造成一定難度。為此，采用前饋解耦控制策略，當(dāng)電流調(diào)節(jié)器采用PI控制器時，則uid和uiq的控制方程如下：

式中，Kp、Ki為電流內(nèi)環(huán)比例系數(shù)和積分系數(shù)為電流指令值。

將式（5）代入式（4），并化簡得：

式（6）實現(xiàn)了電流內(nèi)環(huán)的解耦控制。由上述分析可得變換器A的控制框圖如圖3所示。

圖3變換器A的控制框圖

3 仿真結(jié)果

針對提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略，利用Matlab/Simulink進(jìn)行仿真研究。系統(tǒng)主要參數(shù)如表2所示。其中，F(xiàn)ESA由2臺FESU并聯(lián)組成。

表2系統(tǒng)主要參數(shù)

3.1 飛輪充電狀態(tài)

圖4是飛輪充電時變換器A交流側(cè)的電壓和電流波形，由圖4中可以看出電流與電壓同相，實現(xiàn)了電流對電壓功率因數(shù)控制。圖5是飛輪充電過程中，電機(jī)A相電流波形，相電流波形為方波，在換相過程中，相電流有一定的波動。

圖4充電時變換器A交流側(cè)的電壓和電流波形

圖5 充電時BLDCM1A相電流波形

3.2 淺度電壓暫降補(bǔ)償狀態(tài)

在淺度電壓暫降補(bǔ)償狀態(tài)時，能量由變換器A提供。圖6給出了電壓暫降時的動態(tài)補(bǔ)償波形，由圖6可以看出系統(tǒng)補(bǔ)償動態(tài)響應(yīng)速度快，同時具有良好的穩(wěn)定性和跟蹤性能。

圖6 補(bǔ)償淺度電壓暫降時電壓波形

3.3 深度電壓暫降補(bǔ)償狀態(tài)

在深度電壓暫降補(bǔ)償狀態(tài)時，能量由飛輪提供。圖7給出了動態(tài)補(bǔ)償波形。圖8和圖9是飛輪放電過程中，電機(jī)的相電流波形。在0.15～0.25 s之間，BLDCM1處于放電狀態(tài)；在0.25 s時負(fù)載突增，兩臺飛輪都進(jìn)入放電狀態(tài)。

圖7 補(bǔ)償深度電壓暫降時電壓波形

圖8 BLDCM1A相電流波形

圖9 BLDCM2A相電流波形

4 結(jié)論

為了克服傳統(tǒng)動態(tài)電壓恢復(fù)器和飛輪儲能單元的缺點，提出了一種基于飛輪儲能陣列的新型DVR，其可對深度電壓暫降進(jìn)行補(bǔ)償；對飛輪儲能陣列運(yùn)行于放電狀態(tài)的控制策略進(jìn)行了研究，提出了一種新型的放電控制策略。利用Matlab/Simulink對所提出系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果表明所提出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略的正確性和有效性。

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