王瑞田 付立軍 紀鋒 方明 胡亮燈

(海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點實驗室， 武漢 430033)

1 引言

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代艦船的電氣化程度越來越高，對電力供給的依賴也越來越強。為了實現(xiàn)電能的統(tǒng)一調(diào)度和集中控制，人們在電力推進的基礎(chǔ)上提出了艦船綜合電力系統(tǒng)（IPS）[1]。綜合電力系統(tǒng)主要包括發(fā)電、變配電、能量管理、電力推進等部分，而儲能模塊被認為是未來綜合電力系統(tǒng)的重要組成部分之一[2]。在現(xiàn)有的機械儲能、電磁儲能、電化學(xué)儲能等儲能技術(shù)中，飛輪儲能(Flywheel Energy Storage，F(xiàn)ES)具有工作溫度范圍廣、可靠性高、使用壽命長、維護費用低、環(huán)境友好等優(yōu)勢，已經(jīng)在陸地電力系統(tǒng)、航空航天、新能源分布式發(fā)電等方面取得了日益廣泛的應(yīng)用[3,4]。

飛輪儲能在綜合電力系統(tǒng)中的主要應(yīng)用：快速而準(zhǔn)確的潮流調(diào)控；重要負載的UPS；充當(dāng)高能量密度武器的脈沖電源，提供短時強脈沖電流。

在飛輪儲能的控制策略方面，文獻[5]根據(jù)負載功率調(diào)節(jié)儲能電機的有功功率，大大減少了20 kHz高頻交流配電網(wǎng)的電壓波動；文獻[6]針對新能源分布式發(fā)電系統(tǒng)提出了基于感應(yīng)電機矢量控制的能量互補控制策略，采用模糊控制算法實現(xiàn)直流母線電壓的自動調(diào)整，并通過模擬風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)驗證了其方案；文獻[7]中，飛輪儲能裝置通過變壓器串聯(lián)在交流電網(wǎng)中，起到了動態(tài)電壓恢復(fù)器（Dynamic Voltage Restorer，DVR）的作用；文獻[8]采用儲能發(fā)電機為脈沖負載供電，將脈沖負載與艦船電力系統(tǒng)電氣隔離，消除了脈沖負載對電力系統(tǒng)的不利影響。

與陸用電力系統(tǒng)相比，艦船電力系統(tǒng)的送電距離較短，總?cè)萘啃?，推進模塊的容量比重大。艦船綜合電力系統(tǒng)直流網(wǎng)絡(luò)中，具有恒功率工作特性的推進電機在啟動與調(diào)速時會對直流母線電壓產(chǎn)生很大影響。本文分析了飛輪儲能電機的運行方式，根據(jù)儲能電機的三種工作模式設(shè)計了儲能電機的綜合控制策略，并針對突加恒功率負載時艦船電力系統(tǒng)直流網(wǎng)絡(luò)的電壓波動問題，進行了仿真研究。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及飛輪儲能裝置的工作原理

飛輪儲能裝置通過能量的存儲和釋放，可以起到平滑母線電壓的作用。在起用大容量的用電設(shè)備時，儲能裝置可以為艦船電站提供一定的功率儲備，將存儲的動能轉(zhuǎn)化為電能釋放到直流電網(wǎng)中去。在突卸大容量用電設(shè)備時，儲能裝置從電網(wǎng)吸收能量，轉(zhuǎn)化為飛輪的動能。因此，飛輪儲能裝置可以有效減少艦船綜合電力系統(tǒng)電壓波動，滿足艦船電力系統(tǒng)在各種工況下對電力品質(zhì)的要求。圖1為具有飛輪儲能裝置的典型直流網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。

3 儲能裝置的控制策略

3.1 儲能裝置運行特性分析

本系統(tǒng)中儲能電機選取三相異步感應(yīng)電機。

根據(jù)機械能與電能之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，儲能電機有三種工作狀態(tài)：儲能、釋能、保持。儲能狀態(tài)下，電機作電動機運行，拖動飛輪加速，電能轉(zhuǎn)化為機械能，從電網(wǎng)吸收能量；釋能狀態(tài)下，電機作發(fā)電機運行，飛輪轉(zhuǎn)動慣量大，拖動電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，隨著飛輪轉(zhuǎn)速下降，機械能轉(zhuǎn)化為電能，向電網(wǎng)饋送能量；保持狀態(tài)下，電機作電動機運行，飛輪轉(zhuǎn)速保持不變，從電網(wǎng)吸收能量補充定轉(zhuǎn)子銅耗、鐵耗、以及雜散損耗，使得飛輪長時間存儲額定設(shè)計的機械能。

圖1 典型直流網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

飛輪儲能裝置應(yīng)用于艦船綜合電力系統(tǒng)中，為減少直流母線的電壓波動，需要有三種工作模式：啟動、保持、調(diào)節(jié)。啟動模式時，電機由靜止拖動飛輪加速，直到飛輪達到額定設(shè)計的轉(zhuǎn)速為止，電機工作在儲能狀態(tài)；保持模式時，飛輪轉(zhuǎn)速保持不變，存儲額定設(shè)計的能量持續(xù)運行，電機工作在保持狀態(tài)；當(dāng)電網(wǎng)功率流動不平衡以致電壓波動較大時，儲能電機由保持模式進入調(diào)節(jié)模式，通過快速控制感應(yīng)電機的功率，從而控制飛輪與電網(wǎng)間能量的流動，調(diào)節(jié)母線電壓，此時需要在儲能、釋能兩種工作狀態(tài)下動態(tài)切換。圖 2為儲能電機工作狀態(tài)與工作模式切換示意圖。其中，啟動模式和保持模式需要對電機轉(zhuǎn)速進行控制，而調(diào)節(jié)模式需要控制儲能電機功率。

圖2 儲能電機工作狀態(tài)與工作模式切換示意圖

3.2 儲能電機的轉(zhuǎn)速控制

系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制技術(shù)來控制轉(zhuǎn)速。儲能電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)框圖如圖3所示[9]。

3.走技術(shù)進步之路?！翱茖W(xué)發(fā)展觀”的第一要義是發(fā)展，而技術(shù)進步是采油礦實現(xiàn)又好又快發(fā)展的堅定基石。為此，我們需要堅持在繼承中發(fā)揚、在積累中提升的工作思路，大力實施科技興油戰(zhàn)略，始終以技術(shù)進步為重點，完善科技管理體系，加大科技投入，建立科技人才和特殊貢獻激勵機制，不斷提高技術(shù)創(chuàng)新創(chuàng)效能力。同時，在自主開發(fā)的基礎(chǔ)上，廣泛應(yīng)用新工藝、新技術(shù)，在滾動勘探、三次采油、稠油熱采等方面力求實現(xiàn)新的突破，走出一條依靠科技進步提高開發(fā)水平的新路子。

圖中轉(zhuǎn)速控制器的觀測量為飛輪轉(zhuǎn)速，輸出量為轉(zhuǎn)矩指令T*e。采用PI控制。

圖3 儲能電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)框圖

3.3 儲能電機的功率控制

圖1中，直流電網(wǎng)輸送的功率為

電網(wǎng)間的功率平衡關(guān)系為[5]

式中：PNet：直流電網(wǎng)輸送功率；PFESS：儲能電機的功率；PLOAD：負載功率；PLOSS：系統(tǒng)總損耗。

直流母線電壓Udc會隨著系統(tǒng)功率流動的變化而波動。當(dāng)Udc降低至一定程度時，儲能電機應(yīng)作發(fā)電機減速運行，向電網(wǎng)饋送能量，此時PFESS＜0；當(dāng)Udc升高至一定程度時，儲能電機應(yīng)作電動機加速運行，從電網(wǎng)吸收能量，此時PFESS＞0。通過控制儲能電機的功率PFESS，實現(xiàn)艦船電網(wǎng)與飛輪儲能裝置間功率的雙向流動，可以補償發(fā)電和用電功率之間的不平衡，增大系統(tǒng)阻尼，從而抑制系統(tǒng)電壓的波動。

根據(jù)

儲能電機的轉(zhuǎn)速ωm可以測量得到，通過控制儲能電機的電磁轉(zhuǎn)矩Te可以控制PFESS。

圖4 儲能電機的功率控制系統(tǒng)框圖

4 仿真模型及結(jié)果分析

為驗證儲能裝置控制策略的正確性，在PSCAD/EMTDC中分別對轉(zhuǎn)速控制、功率控制進行仿真研究。簡化直流網(wǎng)絡(luò)仿真模型如圖5所示，其中恒功率負載采用受控電流源實現(xiàn)。

4.1 儲能裝置的轉(zhuǎn)速控制

轉(zhuǎn)速給定值如式(4)所示

仿真波形如圖6所示。圖中Ngive為轉(zhuǎn)速給定值；Nm為儲能電機轉(zhuǎn)速；Teref為轉(zhuǎn)矩給定值；Te為儲能電機轉(zhuǎn)矩。

(1) 啟動工作模式(4～12 s)

儲能電機從4 s開始加速儲能，儲能電機從電網(wǎng)中吸收有功功率和無功功率。

(2) 保持工作模式(12～30 s)

當(dāng)儲能電機到達額定轉(zhuǎn)速后，由啟動切換至保持工作模式，儲能電機處于空載運行狀態(tài)，此時電機只需從電網(wǎng)中吸收少量的有功功率維持恒定轉(zhuǎn)速。

4.2 儲能裝置的功率控制

為了對比說明儲能裝置對艦船電力系統(tǒng)電壓波動的影響，設(shè)置以下兩種情況：

A）儲能裝置不投入工作。系統(tǒng)在t=17 s時，突加6.0 kW恒功率負載，而后t=17.3 s時將此負載切除。直流母線的電壓波形如圖7示，圖中可以看到，母線電壓上下波動，幅值達到±14.8%。

B）儲能裝置投入工作。t=17 s時，在直流母線上突加6.0 kW恒功率負載，并在t=17.3 s時卸載。仿真結(jié)果如圖8所示，Pmotor、Qmotor分別為儲能電機入口側(cè)的有功功率和無功功率。在此過程中，儲能裝置由保持工作模式進入調(diào)節(jié)工作模式，在儲能裝置的調(diào)節(jié)作用下，直流母線電壓波動范圍被控制在±3.7%以內(nèi)；儲能電機的轉(zhuǎn)速由穩(wěn)態(tài)時的1314 rpm降到1254 rpm。儲能裝置向直流母線回饋有功功率的峰值達到3.7 kW，瞬態(tài)過程結(jié)束后，儲能裝置從電網(wǎng)吸收能量，由調(diào)節(jié)工作模式過渡至保持工作模式。

由仿真結(jié)果對比可知，儲能裝置投入工作后，突加突卸恒功率負載所引起的直流母線電壓波動大大減小。

圖5 簡化綜合電力系統(tǒng)直流網(wǎng)絡(luò)的PSCAD仿真模型

圖6 儲能電機的轉(zhuǎn)速控制仿真波形

圖7 儲能裝置不投入工作時直流母線電壓波形

圖8 儲能裝置投入工作時仿真波形

5 結(jié)束語

本文在分析儲能電機運行方式的基礎(chǔ)上，根據(jù)儲能電機的三種工作模式設(shè)計了飛輪儲能裝置的綜合控制策略，并針對突加恒功率負載時艦船綜合電力系統(tǒng)直流網(wǎng)絡(luò)的電壓波動問題，在PSCAD/EMTDC中進行了仿真研究。研究表明，基于矢量控制的儲能裝置在三種工作模式下可以平滑快速切換，有效減小了直流母線電壓暫態(tài)過程時的波動，提高了電能質(zhì)量。

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