風力發電系統中飛輪儲能裝置的控制分析

李偉

（遵義師范學院，貴州 遵義 563006）

風能屬于清潔能源，靠近沿海地區風力較為發達。在云貴地區的布局地方風能也較為集中，可發展分散式的風力發電。我國能源發展“十三五”規劃中明確指出，大力發展分散式風電，穩步建設風電基地，積極開發風電項目，2020年風電裝機規模達到2.1億kW以上。風能的缺點是風能的產生有著周期性和不穩定性，導致發出的電能也帶有周期性和不穩定性。這種不穩定性給電力系統帶去了潛在的危機，降低了系統的安全性。學術界對于風力發電系統的不穩定性難題進行了攻克，誕生了飛輪儲能系統。

1 風電場中飛輪儲能系統研究

飛輪儲能由機械裝置和電力電子設備組成，其能量的轉換不經過化學反應。因此，它具有壽命長、響應速度快和對環境友好的優點，并且具有制造成本低、建設周期短、后期維護少、成本低等優點。飛輪儲能技術最早由美國Beacon Power公司進行研發，該公司通過不斷地技術探索和更改設計，設計了一種雙飛輪的儲能結構。2011年，該公司試運營了20MW電網級的飛輪儲能系統，由200個飛輪并聯運行，最大儲能容量達到25kWh，以100kW的功率可以持續放電15min，同年，北京奇峰公司宣布1kWh的磁懸浮飛輪儲能系統研發成功，雖然與發達國家有一定差距，但該項技術填補了我國在該領域的空白。學術界對于飛輪儲能技術的研究主要集中于飛輪充放電策略、風電系統的低電壓穿越技術、飛輪儲能UPS等。但學術界較為缺少的研究包括飛輪儲能系統運用到風電場至今缺少完成的網絡拓撲結構圖和實際控制方案、飛輪儲能系統與風電場的協調關系。飛輪儲能技術相較于現今的儲能供電設備，如柴油供電或蓄電池供電，依然具備強大的技術能力和成本優勢。

2 飛輪儲能系統的結構與原理

飛輪儲能系統首先可根據轉速分為兩類，一類是最高轉速控制在6000～60000r/min范圍的低速飛輪系統；另一類是最高轉速超過60000r/min高速飛輪系統。飛輪儲能系統的結構簡單，主要是飛輪、電機和電力電子轉換裝置組成。具體的組成部分是承擔能量轉換任務的電機、承擔儲存能量任務的轉子軸承（支撐系統）以及電力轉換設備。其他組成部分包括真空容器和飛輪。飛輪儲能系統工作原理是，儲能系統工作時，電能通過電力轉換器變換后驅動電機運行，電機帶動飛輪加速轉動，飛輪則將能量以動能的形式進行儲存，從而完成電能到機械能轉換的儲存過程。當需要向外輸送電能時，飛輪再帶動電機做發電機運行工作，將已儲存的機械能轉換為電能向外輸送。當飛輪空閑運轉時，裝置會自動將耗損降至最低狀態，保證機械的耗損降到最小。經過這一過程，飛輪儲能系統實現電能轉換成機械能，進行儲存，需要時將機械能再轉換成電能。這種儲能方式打破了化學電池的局限，實現了利用物理方法進行儲能。飛輪儲能系統相較于其他新型的儲能系統，擁有較多的優點。首先，飛輪儲能可進行快速并且無限次的充放電，其次，飛輪儲能系統轉換效率高，無論是電能轉機械能，或機械能轉電能，其效率都在90%以上。再者飛輪儲能系統對于建造的地點、地理環境、氣候變化、地質條件均無要求，最后，飛輪儲能系統因自身是根據物理原理設計，工作時不會排放廢氣、廢物和廢液，對環境較為友好。飛輪儲能系統具有使用壽命長，且維護簡單，成本低廉的優點。當然飛輪儲能也有著一些不足存在，其中最主要的問題就是靜態消耗非常大，其自身儲存的能量大約有20%都由于自放電現象而損失掉了。因此飛輪在長期儲能裝置上的應用無法取得較好的效果，然而其對于控制變化小的一次頻率上卻非常適合，可以將其與配電網進行連接，從而釋放或吸收有功或者無功功率使電能的質量得到提高。飛輪儲能系統儲存能量的上限值取決于轉速的最大值，受到材料和軸承技術的限制，目前風電場的電力系統調節更多使用低速飛輪系統；航天和軍事領域的電力系統調節更多使用高速飛輪系統。

3 飛輪儲能系統與風電場協調控制策略研究

（1）飛輪儲能系統充放電控制策略。當飛輪儲能系統首次進行工作時，各飛輪儲能單元的轉子和轉速均設置為零，也就是飛輪儲能系統儲存能量為零。但能量為零時的飛輪儲能系統無法進行工作。因此，首先需要對飛輪儲能系統進行充電，使用風機系統進行充電。充電的過程才是飛輪儲能系統的初始化過程。飛輪儲能系統需要首次充電到70～80%的容量，保證飛輪儲能系統可以繼續吸收電能轉換的機械能。飛輪儲能系統在外界指令下，轉換儲存電能改為放電。儲能系統的工作狀態是接受風力發電機發出的電能，使各儲存單元中的飛輪驅動電機處于電動機狀態，將所接受的電能驅動飛輪轉子加速，從而將電能轉換為機械能進行儲存；接受指令后，儲存機械能改為放電。儲能系統的其他單元的工作狀態仍是發電機狀態，采用能量回饋制動的模式向電網饋電，但飛輪轉子會自動降速，儲存的能量出現減少。在初始化的充電中，飛輪儲能系統充電至70～80%的容量，可以選擇將一部分飛輪充電至最大轉速，另一部分預留出一定的容量；也可以選擇對所有飛輪進行充電，并保持大致相同的轉速。在放電過程中，采取按比例分配的方法，也就是按照所有儲能單元當前儲存能量的大小，以“能者多勞”為原則，按比例分配放電。在飛輪進行充電時，也可以按照“少者多補”的原則，以當前儲能單元內已儲存的能力作為基礎，按照比例分配充電功率。此外還要注意，在飛輪的充電過程中，處于最高轉速的飛輪轉子不會參與充電，而是處在能量保持的狀態，此時的充電功率會在其他的飛輪儲能單元中進行分配。在飛輪儲能系統運行時，各飛輪儲能單元之間不會進行相互的充放電。當風電場的風速較為平穩時，飛輪儲能單元的充放電深度會減少，也就不需要太多的飛輪儲能單元進行工作，此時就需要由控制器將部分飛輪儲能單元中的能量進行釋放，然后將其關閉，從而使能量損耗減少。

（2）飛輪儲能系統安全控制策略。飛輪儲能系統需要避免過度充電和過度放電的情況。上述兩種情況都會對系統帶來不可預估的危害。比如在沿海地區，風季時間風能非常充足，風力發電系統會持續發出電能傳送過飛輪儲能系統，飛輪儲能系統面對源源不斷地能量不得不加快轉子的運轉速度，將電能轉換為機械能進行儲存。飛輪則會出現過度充電，飛輪的轉速會超過限制的最高轉速，對飛輪的壽命造成影響。如果超過一定時長，電機會燒壞。飛輪轉子立即出現失控脫離軸承，引發安全事故。風能在某一段階段嚴重不足，風力發電系統輸送給飛輪的電能較少，但飛輪儲能系統持續向外放電，這種情況下，飛輪則會過度放電，飛輪自身旋轉失去了能量，處于最低轉速狀態，甚至超出了飛輪儲能系統自行再儲能的控制。這種情況，容易導致電機處于不穩定的非正常工作狀態，嚴重影響系統運行效果，造成更加嚴重的能量耗損。因此，在風能資源充足的時候，要適當的提高電網的總輸出功率。使飛輪儲能系統處于放電狀態，從而使儲能系統充電飽和的程度得到緩解。如果風速過高，超過了額定風速，則要通過調動變槳控制，減少對風能的吸收，從而對電能的產出進行控制。當出現風能資源不足的時候，可能會導致飛輪系統瀕臨或者達到完全放電的狀態。所以，如果風電機尚有部分電能產生，那么可以通過降低總輸出功率，防止飛輪儲能系統出現放電過量的現象。如果風速過低導致風電機無法進行電能產出，那么此時就要將風電場與電網的連接進行暫時分離，飛輪儲能系統與外界的聯系也要暫時切斷，使其處于能力保持狀態，防止放電過量。

4 結語

本文簡要介紹了風電場中的飛輪儲能系統相關研究歷程，繼而詳細分析了飛輪儲能系統的結構與原理，結構上飛輪儲能系統主要由一種飛輪和電機組成。原理上，風電場中的風力發電機將風能轉換為電能，飛輪儲能系統將上述電能轉換為機械能進行儲存，當需要時，再將機械能轉換為電能。并分析了相較于其他儲能系統，飛輪儲能系統的優勢。最后，對飛輪儲能系統與風電場協調控制策略進行了研究。