淺析飛輪儲能在分布式光伏發電系統的應用

摘 要 當分布式光伏系統向電網供電時，往往伴隨著光線強度的波動，電網電壓也會隨之而改變。為了解決這一問題，本文研究了一種基于飛輪儲能的分布式光伏發電系統，以保證能量連續穩定地輸送到電網中。通過和傳統的分布式光伏系統結合分析，得出飛輪儲能在分布式光伏發電系統中發揮巨大作用的結論。

關鍵詞 飛輪儲能;分布式;光伏發電;功率轉換

引言

飛輪儲能是一種利用高速旋轉飛輪儲能的儲能裝置，其具有很多優點：效率高，清潔環保。在光伏微電網中加入飛輪儲能，形成光能儲能聯合發電系統。通過為儲能系統制定適當的控制策略，使并入電網的電能更加平滑。

1 傳統的分布式光伏系統

（1）分布式光伏組網系統。MPPT方法用于實現最大功率跟蹤，電流控制電壓源逆變器（VSC），通過LCL濾波器和變壓器由三相逆變器連接到電網。為了保證高質量的電能傳輸到電網，VSI的電流控制采用了三階無源濾波器（LCL濾波器）。LCL濾波器的主動阻尼技術被用于靜態αβ控制方案的框架中。VSC輸出的三相電流由比例諧振（PR）控制器控制，利用脈沖不變法離散比例諧振控制器的離散形式。為了降低系統對傳感器的依賴性，采用卡爾曼濾波算法對濾波電容電流進行估計，構成內環。

（2）傳統分布式光伏系統的電壓波動。分布式光伏系統的電力輸出與陽光的光線強度、環境溫度、氣候等環境因素有關，這些因素是隨機變化的[1]。由于這些環境因素，光伏陣列會向逆變器發送間歇性的、不穩定的能量。同時，由于這些因素，逆變側母線電壓會上下波動，不能保持在正常電壓標準范圍內，所以其供電不能滿足供電的要求。

2 飛輪儲能分布式光伏系統

（1）光伏發電系統特點。在相同溫度下，光伏的最大輸出功率隨光強度的增加而增大，并且在相同的光強度下隨著溫度的升高而減小。白天的溫度和光照強度并不總是一樣的，所以光伏陣列不能穩定地向電網輸送電力。

（2）飛輪儲能系統。飛輪儲能是一種利用高速旋轉飛輪儲能的儲能裝置，它通過發電機與外界交換能源，具有綜合效率高、清潔環保等優點，但儲能系統對電力的需求越來越大，單臺大容量飛輪機組不僅成本高，而且技術要求高[2]。因此，多個飛輪單元可以并聯形成飛輪儲能陣列系統。

（3）飛輪儲能分布式光伏系統。光伏陣列受自然環境的影響很大，且具有揮發性。為了降低其影響，需要對光伏輸出功率預測值進行平滑處理。在實際運行過程中，飛輪陣列儲能系統根據調度指令對光伏輸出功率進行實時充放電，使光存儲復合動力系統的輸出功率更加平滑。光伏陣列的輸出功率受光強的影響，光強有兩種類型：單峰和多模。總輸出功率白天高，晚上低。為了避免光伏輸出功率直接并網影響電網和供電質量，需要根據天氣情況預測未來24小時光伏輸出功率，并提前一天利用輸出功率平滑規劃，飛輪儲能陣列系統光伏陣列的輸出實現了調度計劃。

飛輪用作儲能介質。飛輪儲能系統的主要貢獻如下[3]：①飛輪儲存了太多來自光伏陣列的可用能量，以避免過電壓。②飛輪為光伏電源提供必要的功率，以克服低電壓條件。

在系統中，飛輪儲能系統起著儲能的作用，既能儲能又能釋放能量。飛輪與低速鼠籠式感應電動機相連。感應電動機在惡劣運行條件下具有良好的魯棒性，是最佳的功率調節裝置。感應電機與FESS背靠背逆變器相連，能使能量沿兩個方向進入飛輪儲能系統，采用飛輪儲能系統作為過/低壓調節器的關鍵設計。

3 飛輪儲能系統控制

儲能飛輪的功率表達式如式1-1所示。當PFW為正時，飛輪儲存能量;為負則釋放能量。

1-1

飛輪中儲存的能量可以表示為：

1-2

其中，J是飛輪的轉動慣量、和電荷的充放電速度，為放電時間。感應電動機驅動的飛輪控制基于傳統的間接磁場定向控制（IFOC）。理想的控制量是定子電流的轉矩分量（IQS），其參考值是根據DG的實際端電壓產生的，以防止超過安全運行閾值。

4 仿真結果

將空間矢量PWM控制應用于電網側和光纖逆變器。為了驗證該方案不產生超過逆變器側/低電壓狀態的電網（以確保從光伏獲得可用功率以獲得最大度數），對傳統光伏接入電網進行功率仿真觀測，使用此設計方案的電網電壓和電流波形。研究發現，過電壓/低電壓狀態影響最大功率空氣入口，模擬結果不會產生過電壓和低電壓，確保了標準的安全水平，并為光伏側的最大可用功率奠定了基礎。

5 結束語

本文提出的控制系統可以緩解/降低向電網分布式能量注入的現象，解決這一問題。提出的FESS系統將電網逆變器的傳輸功率與終端電壓之間的關系解耦。這使得光伏陣列能夠按照MPPT算法在最大功率點工作。FESS系統存儲器可以調節過欠現象引起的注入電網的過多或不足功率。本文的研究結果如下：①維持電力穩定和電網平衡;②功率與電壓之間的關系是解耦的;③提高了并網運行的電能質量;④解決光伏波動大等技術問題。

參考文獻

[1] 李瑞民.集成分布式可再生能源的混合儲能系統研究[D].北京：中國科學院大學（中國科學院工程熱物理研究所），2019.

[2] 劉建華.獨立光伏飛輪發電系統設計與仿真研究[D].鎮江：江蘇大學，2018.

[3] 趙霽晴，張建成，宋兆鑫，等.基于飛輪儲能陣列系統的分布式協調控制策略[J].華北電力大學學報（自然科學版），2018，45（6）：28-34.

作者簡介

魏民（1985-），男，北京;學歷：碩士，現就職單位：沈陽遠大電力電子科技有限公司學歷學位，參與多項國家重點研發專項、多次獲得省級科技進步獎項。

*[基金項目] 本文系國家重點研發計劃項目資助，項目編號：2018YFB0905500。