基于新型仿真軟件DIgSILENT的飛輪儲能系統建模

歐陽玉蘭

（國網湖北省電力有限公司黃石供電公司，湖北黃石435100）

0 引言

隨著國民經濟的發展，電力供應問題日益凸顯：（1）系統裝機容量難以滿足峰值負荷需求；（2）在進行遠距離、大容量輸送電能時，電力系統的安全問題日益突出；（3）大規?？稍偕茉床⒕W，對系統造成了諧波，電壓、頻率、功率波動等受到影響[1-2]。

儲能技術的發展為解決上述問題提供了有效途徑。儲能系統可以有效地實現需求側管理，其不僅可以提高電力設備利用率，降低供電成本，還可以促進可再生能源的利用，同時也是提高系統運行穩定性、調整頻率、補償負荷波動的一種手段[3]。儲能技術主要分為物理、化學、電磁三大類型，包括抽水蓄能儲能、飛輪儲能、電池儲能、超導儲能等[3]。其中，飛輪儲能系統可以利用高速旋轉的飛輪將能量以動能的形式儲存起來，當能量緊急缺乏或有需要時，飛輪減速運行，將存儲的能量釋放出來[4]，具有高效率、無污染、壽命長等特點。

1 仿真軟件DIgSILENT

電力系統仿真軟件DIgSILENT全稱為DIgital SImuLation and Electrical NeTwok，最早于1976年投入使用，自1993年開始，全面引入面向對象編程技術和數據庫概念，并對算法和元件模型進行了較大改進，允許用戶在單一的數據庫中創建詳盡的電力系統元件模型，包括穩態、時域、頻域等計算用的一系列參數。其還擁有較為全面的電力系統元件模型庫，包括同步電機、異步電機、逆變器、負荷、線路、變壓器模型等，以及上述元件在諧波情況下的模型。同時，用戶還可以利用軟件中的DPL、DSL編程語言，實現用戶自定義的模型和計算等功能，具有較大的靈活性。

軟件主要功能包括[5]：（1）交直流潮流計算；（2）故障分析；（3）動態仿真；（4）保護功能；（5）諧波分析；（6）可靠性計算；（7）經濟調度。

2 飛輪儲能系統建模

2.1 飛輪儲能系統模型

飛輪儲能系統主要由四部分組成[6]：（1）儲存能量用的飛輪轉子；（2）支撐轉子的軸承系統；（3）負責轉換能量和功率的異步電機；（4）電能轉換系統AC-DC-AC。將飛輪等效為電機軸上的一個轉動慣量負載T。

根據力學的一般原理可知，以角速度ω旋轉的飛輪可儲存的能量為：

不平衡轉動力矩T是飛輪轉速改變的根本原因，關系如式（2）所示：

當轉矩T的方向與飛輪的方向一致時，飛輪受到正向不平衡轉矩的作用而加速，將能量轉化為飛輪的動能儲存起來。反之，當T與飛輪的轉動方向相反時，飛輪受到反向不平衡轉矩的作用而減速，將動能轉化成其他形式的能量。

異步電機模型采用DIgSILENT元件庫中的Asynchronous machine模型，能量轉換系統中的變流器采用庫中的PWM Converter模型，FESS拓撲結構如圖1所示。

圖1 FESS拓撲結構

2.2 控制策略

2.2.1 并網側DC/AC控制策略

d-q坐標系下電網側控制器的電壓方程為：

式中：ud、uq為控制器控制電壓d、q軸分量；ugd、ugq為并網側電壓d、q軸分量。

由此可見，通過控制d、q軸電流分量，能夠實現有功、無功的解耦控制，而對電流分量可進行閉環PI調節。在DIgSILENT平臺中，PWM Converter模型帶有自動生成PWM波的功能，用戶用DSL語言編寫控制模塊控制該變流器時，只需將調制因數Pmr、Pmi的信號輸出給Converter元件即可。

2.2.2 電機側AC/DC控制策略

電機側變流器采用磁場矢量控制，電氣方程如下：

式中：PIM為異步電機功率；Te為電磁功率；ω為角速度；p為極對數；Lr為轉子自感；M為互感；ψ為磁鏈；isq為轉子q軸電流?？傻玫饺缦孪盗泄剑?/p>

參考磁鏈Reference flux：

式中：PIMr為異步電機額定功率；isqmax為異步電機定子q軸最大電流。

磁鏈估算Flux estimator：

參考力矩Reference torque：

電子電流d軸分量isqrefcomputer：

電機側AC/DC控制器框圖如圖2所示。

圖2 電機側AC/DC控制器

3 結語

本文通過飛輪儲能建?？煽闯觯珼IgSILENT有逆變器的模塊，無需像PSCAD一樣建立三相橋式逆變電路，也無需建立PWM波生成模塊控制各個開關器件的關斷，節省了用戶的工作量。因此，DIgSILENT在FACTS建模方面具有獨特的優勢。