張 海，梅柏杉，崔 韜，魏春雪，陳志華

(1.上海電力學(xué)院電力與自動化工程學(xué)院，上海 200090;2.山東省陽信電力供電公司電力調(diào)度控制中心，山東濱州 251800)

風(fēng)速的隨機性使得風(fēng)電機組的并網(wǎng)輸出功率具有波動性，會影響風(fēng)電機組輸出的電能質(zhì)量，引起電網(wǎng)頻率波動，甚至帶來電網(wǎng)不穩(wěn)定性問題［1－2］，因此風(fēng)電場輸出功率控制成為風(fēng)電技術(shù)的研究重點。

文獻［3］提出了結(jié)合槳距控制和速度控制的風(fēng)電場有功功率平滑控制策略，但由于變槳距機構(gòu)慣性大，反應(yīng)慢，很難達到理想的效果;文獻［4－6］采用增加儲能設(shè)備的方法，分別利用化學(xué)電池、超級電容儲能、飛輪儲能系統(tǒng)來實現(xiàn)風(fēng)電能量的緩存，調(diào)節(jié)并網(wǎng)功率。其中飛輪儲能系統(tǒng)因儲能密度高，瞬時功率較大，生命周期長，能量轉(zhuǎn)換效率高，對環(huán)境友好等特點具有很好的應(yīng)用前景［7］。

本文選用無刷直流電機作為飛輪的驅(qū)動電機，研究了飛輪系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，并設(shè)計了飛輪儲能系統(tǒng)的功率平滑方案，使飛輪儲能系統(tǒng)能隨著風(fēng)力發(fā)電機功率輸出的變化來調(diào)整緩存功率，以起到平穩(wěn)風(fēng)電場輸出功率的目的。

1 引入飛輪儲能系統(tǒng)的永磁直驅(qū)風(fēng)電機組基本結(jié)構(gòu)

以永磁直驅(qū)風(fēng)電機組為例，在其直流側(cè)引入飛輪儲能系統(tǒng)后，基本電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

增加飛輪儲能裝置后，原雙PWM變流器的控制策略維持不變［8］。利用飛輪儲能系統(tǒng)的能量緩存作用，可實時調(diào)節(jié)風(fēng)電機組向電網(wǎng)輸出的功率值。當(dāng)風(fēng)電場功率處于波峰時，飛輪加速旋轉(zhuǎn)，將波峰能量以機械能的形式儲存在飛輪轉(zhuǎn)盤中;當(dāng)風(fēng)電場功率處于波谷時，飛輪轉(zhuǎn)速降低，飛輪轉(zhuǎn)盤儲存的能量通過驅(qū)動電機和電力轉(zhuǎn)換器回饋電網(wǎng)。由能量守恒關(guān)系，發(fā)電機輸出的有功功率等于機組的并網(wǎng)有功功率加上流入飛輪儲能裝置的有功功率。設(shè)風(fēng)力發(fā)電機組輸出的有功功率為Ps，網(wǎng)側(cè)變流器向電網(wǎng)輸出的有功功率為Pg，飛輪儲能系統(tǒng)從直流側(cè)吸收的有功功率為Pf(若為負(fù)值則表示飛輪儲能系統(tǒng)回饋能量到機組直流側(cè))，則有

只需按式(2)求得飛輪儲能系統(tǒng)的參考功率值即可對飛輪儲能系統(tǒng)進行功率控制。

圖1 采用飛輪儲能系統(tǒng)的永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

2 飛輪儲能系統(tǒng)

2.1 飛輪儲能系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及電機的選用

典型的飛輪儲能系統(tǒng)一般包括飛輪、軸承、電機、電力電子變換器和真空容器等［9］。飛輪轉(zhuǎn)盤與驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子連接，共同旋轉(zhuǎn)，作為飛輪系統(tǒng)的儲能主體。能量轉(zhuǎn)換時，電力轉(zhuǎn)換器通過控制電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化來控制飛輪轉(zhuǎn)盤儲能變化。軸承用來支撐飛輪轉(zhuǎn)盤的質(zhì)量，目前多用永磁懸浮結(jié)構(gòu)來減少摩擦損耗。真空容器可以減少飛輪轉(zhuǎn)盤高速旋轉(zhuǎn)時的風(fēng)磨損耗。

飛輪儲能系統(tǒng)對電機的要求非常高:要求驅(qū)動電機具有可逆性，能根據(jù)需要靈活地進行能量儲存與釋放;速度變化范圍大;空載損耗小;調(diào)速性能好，運行效率高［10－11］。永磁無刷直流電機因具有結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)速方便，易于控制，功能密度大，維護方便，并且無勵磁損耗，功率調(diào)速范圍寬，易于實現(xiàn)功率雙向流動等特點，在飛輪儲能系統(tǒng)應(yīng)用中有很大優(yōu)勢。因此，本文所構(gòu)建的系統(tǒng)中采用永磁無刷直流電機作為能量轉(zhuǎn)換電機。

假設(shè)磁路不飽和，不計渦流和磁滯損耗，三相繞組完全對稱，則永磁無刷直流電機三相繞組的電壓平衡方程［12－13］可表示為

式中:Ua、Ub、Uc為定子相繞組電壓;Ia、Ib、Ic為定子相繞組電流;Ea、Eb、Ec為定子相繞組反電勢;L為每相繞組的自感;M為每兩相繞組間的互感。

對于三相無刷直流電機，其定子繞組產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩Te表達式為

2.2 飛輪儲能系統(tǒng)能量調(diào)節(jié)控制框圖

儲能系統(tǒng)的電機驅(qū)動模塊采用速度電流雙閉環(huán)控制策略，基本控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 飛輪儲能系統(tǒng)功率控制策略基本控制結(jié)構(gòu)

Ps為風(fēng)電機組發(fā)出的瞬時有功功率，由發(fā)電機側(cè)實時測得。為參考功率給定值，由式(2)可以得到飛輪系統(tǒng)的功率參考值Pref曲線，參考轉(zhuǎn)速n*由Pref經(jīng)功率控制模塊得出。當(dāng)Pref為正值時，風(fēng)電場功率處于波峰，控制飛輪轉(zhuǎn)盤加速旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動電機作為電動機，進行儲能;反之，系釋放能量。

飛輪系統(tǒng)驅(qū)動電機控制采用速度電流雙閉環(huán)控制。速度控制模塊取參考轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的差值，經(jīng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器計算求取相應(yīng)參考電流幅值Is。參考電流方向模塊則由霍爾元件測量無刷直流電機信號確定三相繞組電流的參考方向DIabc。由參考電流幅值和參考電流方向相乘可得定子三相參考電流。電流閉環(huán)根據(jù)定子三相參考電流和實際反饋電流Iabc值的比較，輸出逆變器的PWM觸發(fā)信號，控制定子實際電流Iabc跟蹤定子三相參考電流可實現(xiàn)實際電流對參考電流的跟蹤，進而控制實際轉(zhuǎn)速跟隨參考轉(zhuǎn)速變化。通過控制電機的轉(zhuǎn)速變化，可以使飛輪裝置靈活地實現(xiàn)能量緩存，平滑風(fēng)電機組中能量的波動。

3 風(fēng)電場的并網(wǎng)有功功率平滑仿真

在Matlab/Simulink環(huán)境中建立圖1所示的系統(tǒng)仿真模型，風(fēng)電機組為永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機。機組額定容量為1.2 MW，4對極，定子電阻0.97 Ω，額定線電壓690 V。風(fēng)力機保持槳距角為0°。永磁無刷直流電機的參數(shù)為:2P=8，Rs=2.875 Ω，Ld=Lq=0.5 mH，J=6.23 kg/m2;電機初始轉(zhuǎn)速3 000 r/min，最高轉(zhuǎn)速6 000 r/min;給定風(fēng)電機組參考功率=1.2×106W。

設(shè)置由基本風(fēng)、陣風(fēng)和隨機風(fēng)組成的自然風(fēng)模型，如圖3所示，其中基本風(fēng)速為12 m/s，2～5 s內(nèi)只有基本風(fēng)速和噪風(fēng)，平均風(fēng)速為12 m/s;在5～9 s內(nèi)疊加正陣風(fēng)，使風(fēng)速增大，最高風(fēng)速為13.5 m/s，11～14 s內(nèi)疊加負(fù)陣風(fēng)，使風(fēng)速減小，最低風(fēng)速為10.7 m/s。在此自然風(fēng)過程中，分別對未并聯(lián)飛輪儲能系統(tǒng)和并聯(lián)飛輪儲能系統(tǒng)的2個模型進行仿真，驗證控制策略的有效性。

未安裝儲能裝置時，永磁直驅(qū)風(fēng)電機組并網(wǎng)有功功率仿真結(jié)果如圖4所示，可看出當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時，機側(cè)輸出的有功功率隨風(fēng)速的3次方有較大的波動，風(fēng)電機組向電網(wǎng)輸出的有功功率波動比較明顯。

圖3 自然風(fēng)速變化曲線

圖4 未采用飛輪儲能時風(fēng)電機組并網(wǎng)功率曲線

當(dāng)采用飛輪儲能系統(tǒng)后，并網(wǎng)有功功率仿真結(jié)果如圖5所示，可以看到利用飛輪儲能的能量緩存作用，很好地改善了機組的并網(wǎng)有功功率輸出，不僅可以平滑陣風(fēng)對并網(wǎng)功率造成的波動影響，并且大大減少了噪風(fēng)對功率波動的影響，使風(fēng)電場輸出的功率接近機組參考功率值。

圖5 采用飛輪儲能系統(tǒng)的風(fēng)電機組并網(wǎng)功率曲線

圖6所示為飛輪儲能系統(tǒng)功率參考值變化曲線和飛輪轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速變化曲線。飛輪轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速很好地跟隨飛輪儲能系統(tǒng)的功率給定值變化，在Pref為正，即發(fā)電機組發(fā)出的功率大于并網(wǎng)功率參考值時，飛輪轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速增大，飛輪裝置儲存能量，將多余的能量以機械能的形式儲存下來;在Pref為負(fù)，即發(fā)電機組發(fā)出的功率低于并網(wǎng)功率參考值時，飛輪轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速減小，飛輪裝置釋放能量，將儲存的能量反饋給電網(wǎng)。通過不斷地能量交換，平滑機組并網(wǎng)功率，驗證了飛輪儲能控制系統(tǒng)的可行性。

圖6 飛輪儲能系統(tǒng)的功率曲線和飛輪轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速變化曲線

以上仿真證明了本文采用的飛輪儲能系統(tǒng)及其控制策略可以在高效利用風(fēng)能的同時，很好地平滑機組輸出有功功率，特別是對陣風(fēng)變化引起的機組并網(wǎng)功率波動有很好的平滑效果，提高了機組的并網(wǎng)電能質(zhì)量。

4 結(jié)束語

本文采用飛輪儲能系統(tǒng)來解決風(fēng)速隨機性引起的風(fēng)電機組并網(wǎng)功率波動問題。在分析飛輪儲能系統(tǒng)運行原理及數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出在永磁直驅(qū)風(fēng)電機組的直流側(cè)并聯(lián)飛輪儲能系統(tǒng)的方案，以平滑風(fēng)速變化引起的風(fēng)電機組并網(wǎng)功率，并在Matlab/Simulink中搭建了飛輪儲能系統(tǒng)應(yīng)用于永磁風(fēng)電機組功率平滑的整體模型，驗證了方案的可行性和正確性。因此，采用了飛輪儲能系統(tǒng)的永磁直驅(qū)風(fēng)電機組，其并網(wǎng)有功功率比較平滑，大大提高了風(fēng)電機組的并網(wǎng)電能質(zhì)量，提高了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

［1］丁宇，陳永華，李雪明，等.大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)控制技術(shù)現(xiàn)狀與展望［J］.廣東電力，2011，24(5):24 －28.

［2］何東升，劉永強，王亞.并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究［J］.高電壓技術(shù)，2008，34(1):142 －146.

［3］徐大平，肖運啟，秦濤，等.變槳距型雙饋風(fēng)電機組并網(wǎng)控制及建模仿真［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(6):100－105.

［4］劉勝永，張興.新能源分布式發(fā)電系統(tǒng)儲能電池綜述［J］.電源技術(shù)，2012，136(4):601 －605.

［5］張步涵，曾杰，毛承雄，等.串并聯(lián)型超級電容器儲能系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用［J］.電力自動化設(shè)備，2008，28(4):1 －4.

［6］胡雪松，孫才新，劉刃，等.采用飛輪儲能的永磁直驅(qū)風(fēng)電機組有功平滑控制策略［J］.電力系統(tǒng)自動化，2010，34(13):79 －83.

［7］張建成，黃立培，陳志業(yè).飛輪儲能系統(tǒng)及其運行控制研究［J］.中國電機工程學(xué)報，2003，23(3):108 －111.

［8］胡家兵，賀益康，劉其輝.基于最佳功率給定的最大風(fēng)能追蹤控制策略［J］.電力系統(tǒng)自動化，2005，29(24):32－38.

［9］張維煜，朱秋.飛輪儲能關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2011，26(7):141 －146.

［10］張邦力，胡漢春，何青，等.飛輪儲能裝置儲能狀態(tài)控制研究［J］.機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2010，23(6):100－102.

［11］李保軍，王志新，吳定國.飛輪儲能系統(tǒng)充放電過程建模與仿真研究［J］.工業(yè)控制計算機，2011，24(12):107－109.

［12］湯凡，劉天琪，李興源.用于風(fēng)電場功率控制的飛輪儲能系統(tǒng)仿真研究［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2010，26(2):63－68.

［13］楊鋒，于飛，張曉鋒，等.飛輪儲能系統(tǒng)建模與仿真研究［J］.船電技術(shù)，2011，31(4):3 －7.