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

張 海，梅柏杉，崔 韜，魏春雪，陳志華

(1.上海電力學(xué)院電力與自動(dòng)化工程學(xué)院，上海 200090;2.山東省陽(yáng)信電力供電公司電力調(diào)度控制中心，山東濱州 251800)

風(fēng)速的隨機(jī)性使得風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)輸出功率具有波動(dòng)性，會(huì)影響風(fēng)電機(jī)組輸出的電能質(zhì)量，引起電網(wǎng)頻率波動(dòng)，甚至帶來(lái)電網(wǎng)不穩(wěn)定性問(wèn)題［1－2］，因此風(fēng)電場(chǎng)輸出功率控制成為風(fēng)電技術(shù)的研究重點(diǎn)。

文獻(xiàn)［3］提出了結(jié)合槳距控制和速度控制的風(fēng)電場(chǎng)有功功率平滑控制策略，但由于變槳距機(jī)構(gòu)慣性大，反應(yīng)慢，很難達(dá)到理想的效果;文獻(xiàn)［4－6］采用增加儲(chǔ)能設(shè)備的方法，分別利用化學(xué)電池、超級(jí)電容儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)電能量的緩存，調(diào)節(jié)并網(wǎng)功率。其中飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)因儲(chǔ)能密度高，瞬時(shí)功率較大，生命周期長(zhǎng)，能量轉(zhuǎn)換效率高，對(duì)環(huán)境友好等特點(diǎn)具有很好的應(yīng)用前景［7］。

本文選用無(wú)刷直流電機(jī)作為飛輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，研究了飛輪系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率平滑方案，使飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)能隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率輸出的變化來(lái)調(diào)整緩存功率，以起到平穩(wěn)風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的目的。

1 引入飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組基本結(jié)構(gòu)

以永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組為例，在其直流側(cè)引入飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)后，基本電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

增加飛輪儲(chǔ)能裝置后，原雙PWM變流器的控制策略維持不變［8］。利用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量緩存作用，可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)電機(jī)組向電網(wǎng)輸出的功率值。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)功率處于波峰時(shí)，飛輪加速旋轉(zhuǎn)，將波峰能量以機(jī)械能的形式儲(chǔ)存在飛輪轉(zhuǎn)盤中;當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)功率處于波谷時(shí)，飛輪轉(zhuǎn)速降低，飛輪轉(zhuǎn)盤儲(chǔ)存的能量通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電力轉(zhuǎn)換器回饋電網(wǎng)。由能量守恒關(guān)系，發(fā)電機(jī)輸出的有功功率等于機(jī)組的并網(wǎng)有功功率加上流入飛輪儲(chǔ)能裝置的有功功率。設(shè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出的有功功率為Ps，網(wǎng)側(cè)變流器向電網(wǎng)輸出的有功功率為Pg，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)從直流側(cè)吸收的有功功率為Pf(若為負(fù)值則表示飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)回饋能量到機(jī)組直流側(cè))，則有

只需按式(2)求得飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的參考功率值即可對(duì)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行功率控制。

圖1 采用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

2 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)

2.1 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及電機(jī)的選用

典型的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)一般包括飛輪、軸承、電機(jī)、電力電子變換器和真空容器等［9］。飛輪轉(zhuǎn)盤與驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子連接，共同旋轉(zhuǎn)，作為飛輪系統(tǒng)的儲(chǔ)能主體。能量轉(zhuǎn)換時(shí)，電力轉(zhuǎn)換器通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化來(lái)控制飛輪轉(zhuǎn)盤儲(chǔ)能變化。軸承用來(lái)支撐飛輪轉(zhuǎn)盤的質(zhì)量，目前多用永磁懸浮結(jié)構(gòu)來(lái)減少摩擦損耗。真空容器可以減少飛輪轉(zhuǎn)盤高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的風(fēng)磨損耗。

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的要求非常高:要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有可逆性，能根據(jù)需要靈活地進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存與釋放;速度變化范圍大;空載損耗小;調(diào)速性能好，運(yùn)行效率高［10－11］。永磁無(wú)刷直流電機(jī)因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)速方便，易于控制，功能密度大，維護(hù)方便，并且無(wú)勵(lì)磁損耗，功率調(diào)速范圍寬，易于實(shí)現(xiàn)功率雙向流動(dòng)等特點(diǎn)，在飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用中有很大優(yōu)勢(shì)。因此，本文所構(gòu)建的系統(tǒng)中采用永磁無(wú)刷直流電機(jī)作為能量轉(zhuǎn)換電機(jī)。

假設(shè)磁路不飽和，不計(jì)渦流和磁滯損耗，三相繞組完全對(duì)稱，則永磁無(wú)刷直流電機(jī)三相繞組的電壓平衡方程［12－13］可表示為

式中:Ua、Ub、Uc為定子相繞組電壓;Ia、Ib、Ic為定子相繞組電流;Ea、Eb、Ec為定子相繞組反電勢(shì);L為每相繞組的自感;M為每?jī)上嗬@組間的互感。

對(duì)于三相無(wú)刷直流電機(jī)，其定子繞組產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩Te表達(dá)式為

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

儲(chǔ)能系統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用速度電流雙閉環(huán)控制策略，基本控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)功率控制策略基本控制結(jié)構(gòu)

Ps為風(fēng)電機(jī)組發(fā)出的瞬時(shí)有功功率，由發(fā)電機(jī)側(cè)實(shí)時(shí)測(cè)得。為參考功率給定值，由式(2)可以得到飛輪系統(tǒng)的功率參考值Pref曲線，參考轉(zhuǎn)速n*由Pref經(jīng)功率控制模塊得出。當(dāng)Pref為正值時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)功率處于波峰，控制飛輪轉(zhuǎn)盤加速旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)，進(jìn)行儲(chǔ)能;反之，系釋放能量。

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。速度控制模塊取參考轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值，經(jīng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器計(jì)算求取相應(yīng)參考電流幅值Is。參考電流方向模塊則由霍爾元件測(cè)量無(wú)刷直流電機(jī)信號(hào)確定三相繞組電流的參考方向DIabc。由參考電流幅值和參考電流方向相乘可得定子三相參考電流。電流閉環(huán)根據(jù)定子三相參考電流和實(shí)際反饋電流Iabc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Iabc跟蹤定子三相參考電流可實(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(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化，可以使飛輪裝置靈活地實(shí)現(xiàn)能量緩存，平滑風(fēng)電機(jī)組中能量的波動(dòng)。

3 風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)有功功率平滑仿真

在Matlab/Simulink環(huán)境中建立圖1所示的系統(tǒng)仿真模型，風(fēng)電機(jī)組為永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)。機(jī)組額定容量為1.2 MW，4對(duì)極，定子電阻0.97 Ω，額定線電壓690 V。風(fēng)力機(jī)保持槳距角為0°。永磁無(wú)刷直流電機(jī)的參數(shù)為:2P=8，Rs=2.875 Ω，Ld=Lq=0.5 mH，J=6.23 kg/m2;電機(jī)初始轉(zhuǎn)速3 000 r/min，最高轉(zhuǎn)速6 000 r/min;給定風(fēng)電機(jī)組參考功率=1.2×106W。

設(shè)置由基本風(fēng)、陣風(fēng)和隨機(jī)風(fēng)組成的自然風(fēng)模型，如圖3所示，其中基本風(fēng)速為12 m/s，2～5 s內(nèi)只有基本風(fēng)速和噪風(fēng)，平均風(fēng)速為12 m/s;在5～9 s內(nèi)疊加正陣風(fēng)，使風(fēng)速增大，最高風(fēng)速為13.5 m/s，11～14 s內(nèi)疊加負(fù)陣風(fēng)，使風(fēng)速減小，最低風(fēng)速為10.7 m/s。在此自然風(fēng)過(guò)程中，分別對(duì)未并聯(lián)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)和并聯(lián)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的2個(gè)模型進(jìn)行仿真，驗(yàn)證控制策略的有效性。

未安裝儲(chǔ)能裝置時(shí)，永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)有功功率仿真結(jié)果如圖4所示，可看出當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)，機(jī)側(cè)輸出的有功功率隨風(fēng)速的3次方有較大的波動(dòng)，風(fēng)電機(jī)組向電網(wǎng)輸出的有功功率波動(dòng)比較明顯。

圖3 自然風(fēng)速變化曲線

圖4 未采用飛輪儲(chǔ)能時(shí)風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)功率曲線

當(dāng)采用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)后，并網(wǎng)有功功率仿真結(jié)果如圖5所示，可以看到利用飛輪儲(chǔ)能的能量緩存作用，很好地改善了機(jī)組的并網(wǎng)有功功率輸出，不僅可以平滑陣風(fēng)對(duì)并網(wǎng)功率造成的波動(dòng)影響，并且大大減少了噪風(fēng)對(duì)功率波動(dòng)的影響，使風(fēng)電場(chǎng)輸出的功率接近機(jī)組參考功率值。

圖5 采用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)功率曲線

圖6所示為飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)功率參考值變化曲線和飛輪轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速變化曲線。飛輪轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速很好地跟隨飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率給定值變化，在Pref為正，即發(fā)電機(jī)組發(fā)出的功率大于并網(wǎng)功率參考值時(shí)，飛輪轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速增大，飛輪裝置儲(chǔ)存能量，將多余的能量以機(jī)械能的形式儲(chǔ)存下來(lái);在Pref為負(fù)，即發(fā)電機(jī)組發(fā)出的功率低于并網(wǎng)功率參考值時(shí)，飛輪轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速減小，飛輪裝置釋放能量，將儲(chǔ)存的能量反饋給電網(wǎng)。通過(guò)不斷地能量交換，平滑機(jī)組并網(wǎng)功率，驗(yàn)證了飛輪儲(chǔ)能控制系統(tǒng)的可行性。

圖6 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率曲線和飛輪轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速變化曲線

以上仿真證明了本文采用的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)及其控制策略可以在高效利用風(fēng)能的同時(shí)，很好地平滑機(jī)組輸出有功功率，特別是對(duì)陣風(fēng)變化引起的機(jī)組并網(wǎng)功率波動(dòng)有很好的平滑效果，提高了機(jī)組的并網(wǎng)電能質(zhì)量。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)解決風(fēng)速隨機(jī)性引起的風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)功率波動(dòng)問(wèn)題。在分析飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行原理及數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出在永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的直流側(cè)并聯(lián)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的方案，以平滑風(fēng)速變化引起的風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)功率，并在Matlab/Simulink中搭建了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用于永磁風(fēng)電機(jī)組功率平滑的整體模型，驗(yàn)證了方案的可行性和正確性。因此，采用了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組，其并網(wǎng)有功功率比較平滑，大大提高了風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)電能質(zhì)量，提高了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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