匹配中壓直流電網的飛輪儲能充放電切換特性仿真研究

孫 鵬，張善科，馬正軍，賀 星

(1.中國船舶重工集團有限公司第七〇三研究所，黑龍江 哈爾濱 150078；2.海軍工程大學，湖北 武漢 430032)

0 引言

隨著世界科學研究進程的飛速發展，艦船朝著高智能化、高集成化、高模塊化發展，艦船綜合電力中壓直流系統勢必成為未來重點攻克目標[1-2]。采用中壓直流配電不僅具有高壓交流配電的優點，而且還可以減少安裝空間、降低傳輸損壞、提高電網容量及效率等特點。目前國內外對中壓直流電力系統的研究尚處于試驗階段，仍有許多核心問題亟待解決[3]。艦船綜合電力中壓直流電網與大容量陸地電網相比，屬于孤立電網，其容量較小，具有供電距離短、電網間耦合性強、工作環境惡劣、且終端負載的切換易引起電網穩定性惡化等特點，易引發電壓凹陷、畸變、電流涌浪、尖峰等不良現象。因此為提高艦船綜合電力系統穩定性，滿足負載頻繁變化并改善電網電能質量，各國先后對綜合電力系統進行多方面深入研究，如改進電網控制策略、配電網分層保護、輸電布局改進設計、電制電壓等級設計，采用新型電力電子設備或裝載先進儲能系統等以提高綜合電力系統整體運行性能。美國艦船綜合電力系統已明確將大容量集成化的飛輪儲能設備應用于對大功率重要負載供電，用以抑制電壓波動[4]。結合國家能源發展戰略，采用具有儲能密度高、瞬時功率大、充電時間短、能量轉換效率高、使用壽命長、綠色無污染等優點的飛輪儲能系統（Flywheel energy storage system，FESS）作為不間斷UPS電源能夠增強綜合電力中壓直流系統在各種工況過渡下的穩定性，同時還能夠降低電網功率突變對燃氣輪機造成的沖擊影響。

本文為探究飛輪儲能充放電模式切換的動態特性以及對直流電網電壓穩定性的影響，對大功率飛輪儲能充放電系統進行建模仿真。采用飛輪永磁同步電機轉速外環、電流內環的充電模式和直流電壓外環、電流內環的放電模式的雙閉環控制策略；最后通過仿真驗證了飛輪儲能充放電模式切換的動態特性以及中壓直流母線電壓的變化特性。

圖1 艦船中壓直流配電系統結構Fig.1 Structure of DC power distribution system in ships

1 中壓直流電網

圖1為艦船中壓直流配電系統結構的一種設計方案。原動機帶動發電機發出的交流電經AC/DC變換器轉變成中壓直流電網，在近用電終端再通過高功率DC/DC變換器或DC/AC變換器將直流電轉變成所需的電壓等級供給設備使用[5]。系統不僅引入了大量阻感性電力電子設備，同時還包含了各種典型組成部分，這造成中壓直流配電系統會出現不同于交流配電網絡的一些特性：

1）艦船負載多屬于動態特性差別較大的感性負載，同時艦船常運行在多種運行工況，使得直流母線電壓幅值會出現凹陷現象，因此直流配電系統對穩定控制的時間常數要求極高，動態響應速度嚴格，系統存在較強的剛性非線性問題。

2）直流配電系統存在大量復雜結構的電力電子裝置與多級電力電子設備裝置的級聯問題，輸入輸出阻抗不匹配極易造成系統失穩。

3）直流配電系統短路電流較大且不存在自然過零點，傳統斷路器分斷困難，給直流配電保護技術提出嚴峻考驗。

4）直流配電系統故障類型及數量較多，目前監測技術尚不成熟，導致對于高功率變流器的拓撲結構及其控制、接地方式、負載模型等均處于研究階段，系統具體特性深入分析仍需完善。

針對中壓直流配電系統容易出現的電壓凹陷問題，若通過復雜且技術難度大的系統穩定性保護控制來解決，成本較高。于是可通過潛力大的飛輪儲能技術對中壓直流母線電壓進行補償，抑制電壓凹陷程度，提高系統穩定性。

2 飛輪儲能系統充放電控制

PMSM基于dq坐標系下的數學模型表達如下[6-7]：

忽略損耗，有

式中：ifd，ifq，ufd，ufq為飛輪電機dq軸分量；Rfs為電機定子電阻；ψfd，ψfq為永磁體dq軸分量；Lfd，Lfq為定子電感dq軸分量；ωf為電機同步角速度；ψf為氣隙磁通；p為微分算子；pn為極對數；Tem為電磁轉矩；J為電機轉動慣量；W為飛輪儲存能量。

飛輪運行在3種工作模式：一是從電網吸收能量增加轉速的充電過程；二是消耗較小能量保持轉速穩定的保持過程；三是降低轉速向電網輸入能量的放電過程。放電時，由于飛輪電機的轉速下降導致發出的交流測電壓的頻率與幅值均隨之降低，且由式（3）、式（5）知要使飛輪恒功率放電，必然要增加制動轉矩即主要增大電磁分量參考值值很小可忽略），同時根據能量守恒定律，飛輪放出的能量可表述為；

式中：Pε(t)為飛輪電機電磁功率；Pi(t)轉換到交流側的平均功率；C為直流側電容；RL為直流側電阻；ωf(0)，ωf(t)分別表示電機減速開始及減速后角速度。

將式（3）進一步分解，可得

穩態時，直流側電容總吸收能量為零，故而飛輪所發出的能量將最終都輸送進電網，圖2為飛輪充放電并網控制框圖。但在飛輪放電過程中存在一個問題，在保持恒電壓放電時，增大放電功率會導致直流電壓下降或劇烈波動，不能保持恒定，進而會影響直流電網的供電品質，故而采用文獻[8]所提出的綜合優化弱磁控制策略以實現大功率放電下的電壓恒定。

3 飛輪充放電模式切換仿真分析

為探究飛輪充放電模式切換特性響應，按圖2建立飛輪儲能充放電仿真模型，仿真參數如下：

圖2 飛輪充放電并網控制框圖Fig.2 Diagram of flywheel charging and discharging grid

f= 50 Hz，Udc=3 500 V；

飛輪參數：額定功率pn=600kW；

恒定放電功率為pf=700kW；

電機定子電阻Rs=2.192?；

電感Ld=3.9e-3H,Lq=3.708e-3H；

永磁體磁鏈ψff=0.4475Wb；

極對數p=2；

運行轉速n=18 000 r/min；

Jfm=1.4kg·m2。

控制模塊中共有4個PI控制器，外環轉速PI1與電壓PI2采用典Ⅱ型系統設計以增加抗擾性能，內環電流PI3與PI4采用典Ⅰ型系統設計可以提高電流的快速無誤差跟蹤性能，具有參數如表1所示，其充放電模式切換過程仿真波形如圖3所示。充放電過程飛轉功率曲線如圖4所示，電機q軸電流曲線如圖5所示，電機d軸電流曲線如圖6所示。

表1 控制系統各PI設計參數Tab.1 The design parameters of each PI in the control system

圖3 充放電過程飛輪電機轉速曲線Fig.3 Speed curve of flywheel motor in charge discharge process

可知，10 s前對飛輪進行充電，在15 s時進行恒功率減速釋能，控制輸出直流電壓，同時為了尋找飛輪儲能放電下的最低臨界轉速，暫令電機轉速降低至零時，迅速由“電壓外環-電流內環”切換成“轉速外環-電流內環”控制，將轉速控制為零以保證電機不反轉，以保證電機安全穩定運行，根據仿真波形再最終確定最低臨界轉速。由圖4電機功率曲線可知，飛輪裝置能夠按照指令以恒定700 kW功率進行放電，在21.9 s時放電功率開始迅速降低，不能保持恒定放電，此時轉速降低至約1 750 r/min，因此，可把1 750 r/min作為飛輪裝置能夠恒定700 kW放電下的最低轉速值，小于該轉速時放電功率將降低。同時放電模式下的直流母線電壓如圖7所示，能夠快速跟隨給定穩定在4 000 V，在21.5 s時直流電壓不能跟隨給定值而開始降低，電壓控制環失效，由于直流側儲能電容的存在，直流電壓得以維持在2 700 V左右，此時轉速約為1 900 r/min，則此時可認為此轉速是維持輸出直流電壓恒定的最低轉速值。綜上，將飛輪放電最低轉速設置為1 900 r/min，能夠實現放電過程中輸出直流電壓恒定與功率恒定。放電過程中電磁轉矩與轉速方向相反以降低轉速進行放電，其變化趨勢與iq一致，電流在放電過程中id存在較大波動但最終仍穩定在零參考值（見圖8），滿足控制要求，放電狀態下電機定子三相電流仍保持正弦狀態，電能品質較高。

圖4 充放電過程飛輪功率曲線Fig.4 Flywheel power curve in charge discharge process

圖5 充放電過程電機q軸電流曲線Fig.5 q axis current curve of motor in charge and discharge process

圖6 充放電過程電機d軸電流曲線Fig.6 d axis current curve of motor in charge and discharge process

圖7 充放電過程直流電壓曲線Fig.7 DC voltage curve in charge discharge process

圖8 飛輪充放電過程定子電流曲線Fig.8 Stator current curve of flywheel charging and discharging process

4 結論

本文建立了匹配中壓直流電網用以增強電網穩定性的大功率飛輪儲能系統并網仿真模型，探究飛輪儲能充放電模式切換的重要參數特性以及對直流母線電壓穩定性的增強效果。仿真分析結果表明：所建立的模型是正確的，飛輪充放電模式切換能夠快速跟隨指令，運行穩定、效率品質高，飛輪儲能系統放電能夠對電網進行功率補償，可減緩直流母線電壓的跌落程度，增強直流電網穩定性，為進一步全面實現綜合電力推進奠定基礎。