胡海松，張保會(huì)，張 嵩，張偉剛

（西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，西安 710049）

微網(wǎng)中的儲(chǔ)能設(shè)備及飛輪儲(chǔ)能特性的研究

胡海松，張保會(huì)，張 嵩，張偉剛

（西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，西安 710049）

0 引言

近年來，以風(fēng)能、太陽能等可再生能源的分布式發(fā)電（DG）得到了廣泛的研究和應(yīng)用[1]，實(shí)現(xiàn)了“綠色電力”和節(jié)能減排，緩解了大電網(wǎng)的壓力。在此基礎(chǔ)上，將分布式發(fā)電系統(tǒng)與儲(chǔ)能設(shè)備[2]、相關(guān)負(fù)荷、保護(hù)控制裝置共同構(gòu)成微網(wǎng)，作為一個(gè)可控單元，與大電網(wǎng)相互支撐[3]，充分發(fā)揮了分布式能源的效能，也提高大電網(wǎng)遭受災(zāi)難性故障時(shí)關(guān)鍵負(fù)荷的供電可靠性[4]。圖1顯示的是典型的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 典型的微網(wǎng)結(jié)結(jié)構(gòu)圖

從圖1可以看出，微網(wǎng)及其內(nèi)部的分布式電源一般采用就地電源，如風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電[5]和微型燃汽輪機(jī)，可實(shí)現(xiàn)分區(qū)分片靈活供電，通過合理的規(guī)劃設(shè)計(jì)，來滿足微網(wǎng)的穩(wěn)定和負(fù)荷需求。當(dāng)微網(wǎng)處于并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，功率可雙向流動(dòng)，微網(wǎng)內(nèi)的負(fù)荷根據(jù)用戶情況從電網(wǎng)內(nèi)部及外部吸收能量，這樣有效降低了負(fù)荷對(duì)大電網(wǎng)的依賴，減小了遠(yuǎn)距離輸電的損耗。此外，多余的能量可儲(chǔ)存于儲(chǔ)能設(shè)備中，便于在故障檢修或特殊情況下應(yīng)用（如黑啟動(dòng)等）。當(dāng)配電系統(tǒng)工作不穩(wěn)定或出現(xiàn)故障的情況下，微網(wǎng)與主網(wǎng)連接中斷，在控制器的作用下解列形成孤島，獨(dú)立向其所轄重要負(fù)荷供電。多個(gè)分布式電源聯(lián)網(wǎng)的微網(wǎng)增加了系統(tǒng)容量，而分布式儲(chǔ)能設(shè)備的存在使系統(tǒng)慣性增大，可以提高微網(wǎng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，改善電能質(zhì)量，保證微網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[6]。

本文主要對(duì)微網(wǎng)中的分布式儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行了闡述，重點(diǎn)研究了飛輪儲(chǔ)能設(shè)備的特性，并在DIgSILENT/Power Factory中進(jìn)行了仿真，分析了其儲(chǔ)釋能的過程。

1 微網(wǎng)中的儲(chǔ)能設(shè)備

由于微網(wǎng)概念的提出，大電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，即微網(wǎng)與主網(wǎng)的連接通道因故障切除，就不需要強(qiáng)制將分布式電源切除，而是可以通過合理控制，讓分布式電源繼續(xù)向負(fù)荷供電。在這暫短的備用通道切換時(shí)間內(nèi)，或者分布式電源的投入與退出過程中，其功率不平衡的時(shí)間短（一般為毫秒級(jí)），可以采用分布式儲(chǔ)能設(shè)備，進(jìn)行快速儲(chǔ)放能控制，從而對(duì)有功進(jìn)行緊急平衡控制，并保證重要負(fù)荷的電壓穩(wěn)定。

儲(chǔ)能技術(shù)[7]目前在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用主要包括電力調(diào)峰（需要較大的儲(chǔ)能容量）、提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和提高供電質(zhì)量，主要應(yīng)用方式有抽水儲(chǔ)能、蓄電池、飛輪儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能、超級(jí)電容器儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能等。微網(wǎng)的運(yùn)行，為滿足其特殊要求，可采用小容量的儲(chǔ)能設(shè)備，通過快速的儲(chǔ)放能，實(shí)現(xiàn)較大的功率調(diào)節(jié)，從而維持微網(wǎng)的安全穩(wěn)定。由于微網(wǎng)中光伏電池、風(fēng)力發(fā)電等產(chǎn)生的電能具有顯著的不確定性特征，各類負(fù)荷的變化也存在一定的隨機(jī)性，因此需要對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行合理控制，使它們起到抑制系統(tǒng)擾動(dòng)、維持系統(tǒng)動(dòng)態(tài)平衡、保持電壓和頻率穩(wěn)定的重要作用?；谏鲜鲆?，可應(yīng)用于微網(wǎng)的分布式儲(chǔ)能設(shè)備主要有蓄電池、超級(jí)電容器儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能。

1.1 蓄電池

蓄電池是一種短時(shí)儲(chǔ)能設(shè)備[8-9]，電能是以化學(xué)能的形式進(jìn)行存儲(chǔ)，且存儲(chǔ)過程不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)（通過重組電解液中化學(xué)元素的電力來存儲(chǔ)電能），又因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡單，使用方便，價(jià)格相對(duì)便宜，易分散安裝，因此被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中。隨著科技的進(jìn)步，蓄電池正朝著體積小、污染小、儲(chǔ)能密度高、循環(huán)壽命長的方向發(fā)展，主要應(yīng)用的有鉛酸蓄電池、鎘鎳蓄電池、氫化物-鎳蓄電池以及鈉硫蓄電池。與分布式發(fā)電相結(jié)合的蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，由蓄電池、逆變器、控制裝置和輔助設(shè)備等組成，能夠快速的儲(chǔ)放能，提供功率支持，在維持微網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行中將會(huì)發(fā)揮重要作用。

1.2 超級(jí)電容器

超級(jí)電容器[10-11]是一種新型能源器件，它將活性炭材料作為極板，通過電荷在電極和電解質(zhì)的界面吸附，自發(fā)分配形成陰陽離子層，從而將能量儲(chǔ)存起來。實(shí)際應(yīng)用中的超級(jí)電容器儲(chǔ)能設(shè)備，都是由多個(gè)超級(jí)電容器陣列構(gòu)成，將能量以電場能的形式存儲(chǔ)。超級(jí)電容器具有功率密度很高、充放電時(shí)間短、壽命特別長等優(yōu)異特性，相對(duì)于飛輪儲(chǔ)能，由于它沒有運(yùn)動(dòng)部件，維護(hù)工作少，因而可靠性高。為了充分發(fā)揮超級(jí)電容器的作用，可以將其與在市場上占有主要份額的蓄電池儲(chǔ)能相聯(lián)合。在微網(wǎng)中，該儲(chǔ)能設(shè)備與分布式電源相結(jié)合，可以在短時(shí)內(nèi)，完成儲(chǔ)釋能，抑制電壓波動(dòng)，提高電能質(zhì)量，保證負(fù)荷的需求。

1.3 飛輪儲(chǔ)能

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由高速飛輪、電機(jī)、電力電子設(shè)備、軸承系統(tǒng)、控制設(shè)備以及真空泵等組成。飛輪儲(chǔ)能突破了化學(xué)電池的局限，用物理方法實(shí)現(xiàn)能量的輸入、儲(chǔ)存和釋放：電能經(jīng)變換器驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)，將能量儲(chǔ)存起來，實(shí)現(xiàn)電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換；在接受能量釋放的控制信號(hào)之前，電機(jī)會(huì)維持一個(gè)恒定的轉(zhuǎn)速 （因此對(duì)轉(zhuǎn)子的要求較高）；飛輪在給負(fù)載供電時(shí)會(huì)作為原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)電機(jī)發(fā)電，轉(zhuǎn)速逐漸下降，釋放儲(chǔ)存的能量，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械能向電能轉(zhuǎn)換[13]。圖2是飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)工作的原理圖。

圖2 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)工作原理圖

為了滿足飛輪的需要[14]，要求選擇的電機(jī)具有可逆性，除了經(jīng)濟(jì)方面的考慮外，電機(jī)的選取還應(yīng)該考慮飛輪儲(chǔ)能裝置的運(yùn)行特點(diǎn)：在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)時(shí)能有較大的轉(zhuǎn)矩和輸出功率；轉(zhuǎn)子能承受高轉(zhuǎn)速，可適應(yīng)較大范圍的速度變化；能量轉(zhuǎn)換效率高；具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)?？晒┻x擇的電機(jī)有永磁電機(jī)（無刷直流）、感應(yīng)電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、同步電機(jī)等。由于飛輪與電機(jī)的連接方式、集成方式或者控制目的不同，選擇的電機(jī)也有所區(qū)別，常用的有永磁電機(jī)和雙饋發(fā)電機(jī)[15]。

在實(shí)際中應(yīng)用的飛輪儲(chǔ)能主要有高速飛輪裝置和低速飛輪裝置。飛輪儲(chǔ)能響應(yīng)快，易安裝，壽命長且環(huán)保。例如應(yīng)用于商品化移動(dòng)式UPS中3.6MV·A的低速飛輪裝置，其效率可達(dá)98%，壽命為20a。

2 仿真分析

2.1 仿真模型

根據(jù)原理圖2，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的仿真模型如圖3所示。由飛輪和電機(jī)輸出的電壓是3kV，以直流母線DC Node為中心，右側(cè)是整流器，目的是將工頻交流電整流為恒定電壓（6kV）的直流電；左側(cè)是逆變器（4MV·A），將直流電經(jīng)過脈寬調(diào)制變?yōu)轭l率和電壓都符合要求的交流電。

圖3 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)模型

其中，為了便于仿真，采用了永磁同步電機(jī)（PMSM），并進(jìn)行了相關(guān)的控制。從工作原理上說，PMSM與普通同步電機(jī)相同，不同的是PMSM輸入定子的是三相正弦波電流，諧波含量較少，可降低鐵磁損耗。與感應(yīng)電機(jī)相比，PMSM不需要無功勵(lì)磁電流，因此可以顯著提高功率因數(shù)；另外PMSM減少了定子電阻損耗，其效率比同規(guī)格感應(yīng)電動(dòng)機(jī)高。

2.2 仿真方案和結(jié)果分析

圖4所示為電網(wǎng)側(cè)變換器的控制框圖。其中左側(cè)3個(gè)slot所需要的電氣值都是直接測量得到的,分別是直流母線電壓、逆變器交流側(cè)電流、鎖相環(huán)PLL。測得的直流電壓udc與參考電壓udc_ref相比較，得到的誤差經(jīng)一個(gè)PI控制器輸出作為電流給定值id_ref,（簡便起見，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)控制，設(shè)定iq_ref=0，使輸入的無功功率為0），再與已測得電流id，iq進(jìn)行比較,得到的誤差經(jīng)電流控制器輸出PWM的脈沖寬度,即經(jīng)過控制變換得到電網(wǎng)側(cè)逆變器的控制信號(hào)。

圖4 電網(wǎng)側(cè)變換器的控制框圖

為驗(yàn)證飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)模型的正確性，簡化起見，設(shè)定了對(duì)于飛輪充放電進(jìn)行控制的信號(hào)S，當(dāng)S=1,飛輪加速充電；S=0，飛輪減速放電。圖5是根據(jù)要求得到的控制信號(hào)波形。

圖5 控制信號(hào)S波形圖

圖6顯示了在控制信號(hào)S作用下，飛輪轉(zhuǎn)速的波形。我們可以看出，在充電階段（0～60s），飛輪的轉(zhuǎn)速不斷上升，直到達(dá)到設(shè)定的3pu；此后，飛輪將維持在這一轉(zhuǎn)速，直到接受放電信號(hào)；在120s時(shí)刻，控制信號(hào)為0，飛輪轉(zhuǎn)速逐漸降低，將儲(chǔ)存的能量釋放出來。這樣就模擬了飛輪儲(chǔ)能設(shè)備完整的輸入、儲(chǔ)存和輸出的過程。

在仿真過程中，以維持直流母線恒定為目的，制定了變換器的相關(guān)控制策略。

如圖7所示，直流母線的電壓很好地維持在額定值6kV，這也說明了飛輪儲(chǔ)能對(duì)于保證電能質(zhì)量起到重要作用。

圖6 飛輪轉(zhuǎn)速

圖7 直流母線電壓

3 結(jié)論

隨著分布式供電系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用，將其以微網(wǎng)的形式接入電網(wǎng)，有助于提高電力系統(tǒng)的安全性和可靠性，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)電網(wǎng)抵御自然災(zāi)害的能力，對(duì)于電網(wǎng)乃至國家安全都有重大現(xiàn)實(shí)意義。微網(wǎng)中的儲(chǔ)能裝置與分布式電源相結(jié)合，通過合理的設(shè)置和儲(chǔ)放能控制，可以平抑系統(tǒng)擾動(dòng)，對(duì)微網(wǎng)電壓、頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證負(fù)荷的需求，穩(wěn)定微網(wǎng)的安全運(yùn)行。

微網(wǎng)技術(shù)作為國際電力系統(tǒng)一個(gè)前沿研究領(lǐng)域，具備靈活、環(huán)保、高可靠性的特點(diǎn)，今后必將在我國得到廣泛應(yīng)用。微網(wǎng)的發(fā)展，依賴于分布式供電系統(tǒng)的成熟和相關(guān)儲(chǔ)能設(shè)備的優(yōu)良特性。分布式儲(chǔ)能設(shè)備對(duì)微網(wǎng)安全穩(wěn)定的綜合作用，以及針對(duì)微網(wǎng)的運(yùn)行，對(duì)其進(jìn)行合理的優(yōu)化配置，是今后研究的重點(diǎn)。

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Studies on the Characteristics of Energy Storage Devices and Flywheel Energy Storage in the MicroGrid

HU Hai-song,ZHANG Bao-hui,ZHANG Song,ZHANG Wei-gang
（School of Electrical Engineering,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,Shaanxi Province，China）

This paper an alyzes the energy storage devicesin the microgrid，focusing on the characteristics of the flywheel energy storage device.The findings are simulated in DIg SILENT/Power Factory,andprove to be correct.

microgrid;distributed energy storage;flywheel energystorage;DIgSILENT/PowerFactory

分析了在微網(wǎng)中的儲(chǔ)能設(shè)備，重點(diǎn)研究了飛輪儲(chǔ)能設(shè)備的特性，并在電力系統(tǒng)仿真軟件DIgSILENT/Power Factory中進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了其正確性。

微網(wǎng)；分布式儲(chǔ)能；飛輪儲(chǔ)能；DIgSILENT/Power Factory

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（“973計(jì)劃”）資助項(xiàng)目(2009CB219700)。

1674-3814（2010）04-0021-04

TM313；TM743

A

2009-11-02。

胡海松（1986—），女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閮?chǔ)能設(shè)備及其在微網(wǎng)中的應(yīng)用；

張保會(huì)（1953—），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)、安全穩(wěn)定控制和電力系統(tǒng)通信等；

張 嵩（1986—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榉植际诫娫聪到y(tǒng)中的保護(hù)原理；

張偉剛（1984—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾‰娏鹘拥叵到y(tǒng)故障選線原理與裝置開發(fā)。

（編輯 馮 露）