基于雙向功率變流器的飛輪儲能系統研究

楊 焰，苗 虹，曾成碧，韓民曉，蒲 勇

(四川大學電氣信息學院，四川成都610065)

基于雙向功率變流器的飛輪儲能系統研究

楊 焰，苗 虹，曾成碧，韓民曉，蒲 勇

(四川大學電氣信息學院，四川成都610065)

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

直流微電網；孤島運行；飛輪儲能系統；雙向功率變流器；頻率控制

飛輪儲能技術在電力系統中有巨大的應用價值，特別是作為微電網的儲能單元，當與其他儲能技術相配合，對獨立微電網電壓的波動有著較好的抑制作用，可以較好地穩定微電源出力和保持系統的穩定性。飛輪儲能系統中主要靠飛輪電機實現機械能和電能之間的切換。為滿足飛輪高速旋轉的要求，目前有四種電機可供選擇：永磁無刷直流電機、永磁同步電機、異步電機、開關磁阻電機。以上四種電機在飛輪儲能系統的實際研究中都有應用，其中以永磁無刷直流電機和永磁同步電機居多，而對于應用異步電機的飛輪儲能系統的研究較少。文獻[1-2]研究的飛輪儲能系統采用的是永磁同步電機，文獻[1]討論了永磁同步電機的矢量控制方法；文獻[2]建立了基于永磁同步電機的飛輪儲能系統，將充放電過程分開進行建模與仿真。文獻[3-4]的飛輪儲能系統采用的是永磁無刷直流電機，文獻[3]針對飛輪儲能系統所用永磁無刷直流電機的控制和能量轉換問題，采用雙向DC-DC電能變換電路，實現儲能和釋能的雙向控制。文獻[5-6]對基于異步電機的飛輪儲能系統進行了討論和研究。目前對飛輪儲能系統進行的研究主要集中在兩個方面：一是應用于電源穩定方面，如在微電網中風力發電或光伏發電系統中的應用；二是應用于負荷變化方面，如獨立微電網中出現階躍負荷或高波動負荷，本文所做研究是關于負荷變化方面的應用。

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

1 含飛輪儲能的直流微電網與雙向變流器

選用異步電機作為拖動飛輪旋轉的電機，所建立的直流微電網運行于孤島模式，整個系統主要由直流微電源(燃料電池)、直流母線、直流側電容、直流負荷、雙向變流器、LC濾波器、異步電機飛輪儲能系統組成，其拓撲結構如圖1所示。

圖1 含有飛輪儲能的直流微電網拓撲結構

圖2 雙向功率變流器拓撲結構圖

根據負荷變化情況，雙向功率變流器可工作在整流和逆變兩種模式。逆變模式：直流電能經過空間矢量脈寬調制后逆變為交流電，經過LC濾波器濾除高次諧波后給異步電機供電，拖動飛輪高速旋轉進行儲能。選擇電機定子電壓和電感電流為狀態變量，其狀態方程[7]為：

整流模式：雙向變流器輸出電壓頻率降低，異步電機處于發電狀態，在飛輪的拖動下放電，其發出的交流電經變流器整流成直流電供給負荷。選擇電感電流和直流側電壓為狀態變量，其狀態方程[8]為：

2 雙向功率變流器控制系統設計

本文微電網運行在孤島模式，為了使雙向變流器的工作模式轉換跟隨負荷變化，本文采用頻率控制以及電壓電流雙環控制的策略。

根據電機運行狀態參數特點，本文提出的頻率控制方法的基本思想是：當系統負荷小于額定負荷時，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和飛輪轉速，異步電機處于電動狀態，此時拖動飛輪儲能；當系統負荷大于額定負荷時，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和飛輪轉速，異步電機工作在發電狀態，此時異步電機可在飛輪的拖動下發電；當系統負荷等于額定負載時，異步電機飛輪儲能系統處于保持狀態。假定系統負荷功率與額定負荷的功率偏差大小為，持續時間Δ，則在這段時間內飛輪儲能系統需要釋放(或者存儲)能量的計算公式為：

頻率控制方法框圖如圖3。對于雙向變流器的電壓電流的控制，采用直流電壓外環交流電流內環的電壓電流雙閉環控制方法，將三相交流量變換到同步旋轉d-q坐標系時，變換用到的由頻率控制輸出提供。電壓電流都采用傳統PI控制方法。

圖3 頻率控制方法框圖

得到電流內環參考電流。利用d-q解耦的思想，可將電流內環設計為：

對李雅普洛夫函數作全微分：

代入式(3)、式(7)化簡：

因為整流模式時雙向變流器會對直流母線充電，直流側電壓將升高，因此，又因為，所以，系統是穩定的。

3 飛輪儲能系統仿真

為了驗證所設計的控制策略，在Matlab/Simulink環境下建立了與圖1所示拓撲結構等效的直流微電網飛輪儲能系統。其中燃料電池額定直流電壓400 V，電源串聯電阻=1 Ω，直流側電容=5 mF，LC濾波器電感電容分別為5 mH、300 μF，異步電機額定線電壓380 V，額定轉速1 425 r/min，額定頻率50 Hz，轉軸所連接的飛輪轉動慣量=0.076 5 kg·m2，假定其與機械軸之間的摩擦系數為0，直流負荷大小及其突變曲線如圖4。

圖4 給定負荷變化曲線

載電流大約等于額定負載電流(圖5)，雙向變流器處于逆變模式，雙向變流器輸出穩定的三相交流電(圖6)給異步電機供電，此時異步電機電磁轉矩大于零(圖7)，拖動飛輪高速旋轉進行儲能，異步電機飛輪儲能系統的轉速瞬間上升到額定轉速(圖8)，處于保持狀態。從開始到1.5 s直流側電壓瞬速穩定在額定電壓附近(圖9)。

圖5 直流側負荷變化曲線

圖6 異步電機定子電壓

圖7 異步電機轉矩變化曲線

圖8 異步電機轉速變化曲線

圖9 直流側母線電壓

1.5 s時，負載發生階躍跳變且其值增大(圖4)，負載電流大于額定負載電流(圖5)，雙向變流器立即轉換為整流模式，同時改變交流電頻率(圖10)，此時電磁轉矩小于零(圖7)，異步電機工作在發電狀態，從而放出飛輪存儲的能量，直到飛輪儲能系統轉速穩定(圖8)。從1.5～2.5 s直流側電壓瞬速穩定在額定電壓附近(圖9)。

2.5 s時，負載發生階躍跳變且其值減小(圖4)，負載電流等于額定電流(圖5)，雙向變流器立即轉換為逆變模式，雙向變流器輸出穩定的三相交流電(圖6)給異步電機供電，此時異步電機電磁轉矩大于零(圖7)，拖動飛輪高速旋轉進行儲能，異步電機飛輪儲能系統的轉速瞬間上升到額定轉速(圖8)，處于保持狀態。從2.5～3 s直流側電壓瞬速穩定在額定電壓附近(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的直流側母線電壓在1.5 s之后有零點幾秒的上升時間，這可能是由于異步電機由電動狀態轉為發電狀態所致，時間短暫不影響系統的穩定性。

仿真結果顯示，當直流微電網中負荷波動時，本文所建立的基于異步電機的飛輪儲能系統在獨立電源功率有限的條件下，可以提高獨立電源系統的穩定性和過載能力。由于飛輪儲能充放電時間比較短，能量轉換過程在瞬間完成，所以對持續時間比較長的負荷功率變化調節效果不是很好，需要結合其他儲能裝置(如蓄電池等)才能發揮更好的效果，在后續的研究中將考慮飛輪儲能與蓄電池等儲能裝置配合使用對直流微電網穩定性的影響。

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圖8 單晶硅組件J3接線盒處24 h內的表面溫度變化

圖9 晶硅組件Y3接線盒處24 h內的表面溫度變化

3 結論

單晶硅組件和多晶硅組件在濕熱環境條件(廣州、海南)及高原環境條件(拉薩)16個月暴曬外觀無明顯變化。晶硅組件在濕熱環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域。輻照量和溫度對組件表面溫度場分布都有影響，其中輻照量對多晶硅組件正表面溫度分布與高溫持續時間(大于50℃)的影響較為明顯；大氣溫度對背表面溫度分布及高溫持續時間(大于50℃)的影響較為明顯。

參考文獻：

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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

國家重點基礎研究發展計劃基金項目(2012CB215200)；四川省教育廳自然科學項目(13ZA0096)；四川省科技支撐項目(2014GZ0069)

楊焰(1990—)，女，四川省人，碩士研究生，主要研究方向為分布式發電和微電網。