摘 要： 針對目前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中儲(chǔ)能裝置（化學(xué)電池）的不足，設(shè)計(jì)了采用飛輪電池作為離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能裝置，提出了飛輪電池快速充、放電的控制策略。在系統(tǒng)的充電方式下，采用了感應(yīng)電機(jī)的矢量控制算法；放電方式下，采用了以直流母線電壓為控制信號(hào)的控制策略實(shí)現(xiàn)了直流母線電壓的自動(dòng)調(diào)整，達(dá)到了穩(wěn)定系統(tǒng)的直流母線電壓的目的。仿真結(jié)果表明，該儲(chǔ)能裝置能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定風(fēng)電場直流母線電壓的作用，從而有效地提高離網(wǎng)型風(fēng)電場的電能質(zhì)量和穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞： 電能質(zhì)量；風(fēng)力發(fā)電；飛輪電池；直流母線電壓
目前，離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電以經(jīng)濟(jì)、方便、實(shí)用的特點(diǎn)成為新能源發(fā)電中的一個(gè)重要應(yīng)用方向。由于風(fēng)電能的劇烈波動(dòng)性和用戶需求的時(shí)變性，必須接入合適的儲(chǔ)能裝置來緩沖并減小系統(tǒng)電能的供需失配，以保證系統(tǒng)供電連續(xù)穩(wěn)定。目前普遍采用的儲(chǔ)能裝置是蓄電池，而蓄電池體積龐大、壽命短、充放電效率低，系統(tǒng)的運(yùn)行成本高[1]。飛輪電池利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪將電能以動(dòng)能的形式儲(chǔ)存起來，與蓄電池相比具有體積小、無污染、壽命長、充放電速度快且效率高等突出優(yōu)點(diǎn)[2]。
本文對采用飛輪電池儲(chǔ)能的離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)的模型進(jìn)行了分析，通過對飛輪電池進(jìn)行快速、穩(wěn)定的充放電控制，穩(wěn)定了系統(tǒng)直流側(cè)電壓，增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性，從而實(shí)現(xiàn)離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
1 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理
圖l所示是一種飛輪和電機(jī)為一個(gè)整體的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)[3]。
飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)是一種機(jī)電能量轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)能裝置，它突破了化學(xué)電池的局限，用物理方法實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能，其基本原理是在儲(chǔ)能時(shí)，電能通過電力轉(zhuǎn)換器變換后驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，電機(jī)帶動(dòng)飛輪加速轉(zhuǎn)動(dòng)，飛輪以動(dòng)能的形式把能量儲(chǔ)存起來，從而完成電能到機(jī)械能轉(zhuǎn)換的儲(chǔ)存能量的過程，能量儲(chǔ)存在高速旋轉(zhuǎn)的飛輪體中；之后，電機(jī)維持一個(gè)恒定的轉(zhuǎn)速，直到接收到一個(gè)能量釋放的控制信號(hào)；在釋能時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪帶動(dòng)電機(jī)發(fā)電，從而完成機(jī)械能到電能轉(zhuǎn)換的釋放能量過程。由此，整個(gè)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電能的輸入、儲(chǔ)存和輸出過程[4]。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理
采用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)作為調(diào)節(jié)單元的離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，風(fēng)電機(jī)組主要由風(fēng)輪機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)等部分組成。儲(chǔ)能單元為飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，它利用感應(yīng)電機(jī)帶動(dòng)金屬飛輪，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)。
由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的能量隨風(fēng)速的變化而變化，并且實(shí)際的負(fù)載也是隨時(shí)變化的，所以直流總線上的電壓會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，從而造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。
在這個(gè)系統(tǒng)里，當(dāng)風(fēng)能不足或負(fù)載較大時(shí)，直流總線電壓EDC將減小，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)里的感應(yīng)電機(jī)作為發(fā)電機(jī)，將儲(chǔ)存于飛輪中的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能補(bǔ)償給整個(gè)系統(tǒng)；當(dāng)風(fēng)能充足或負(fù)載較小時(shí)，直流總線電壓EDC將增大，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)里的感應(yīng)電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)，將電網(wǎng)上多余的能量存儲(chǔ)到飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)里。這樣,通過飛輪的不斷釋放和吸收能量達(dá)到維持直流側(cè)電壓EDC在預(yù)定范圍內(nèi)的目的[5]。
3 飛輪電池的充電控制
配備有飛輪儲(chǔ)能電池的獨(dú)立運(yùn)行式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，當(dāng)風(fēng)速變大或者負(fù)載減小時(shí)，系統(tǒng)直流側(cè)電壓EDC將上升，飛輪儲(chǔ)能電池的電機(jī)運(yùn)行于電動(dòng)狀態(tài)，將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能儲(chǔ)存于飛輪中。此時(shí)PWM雙向逆變器工作在逆變狀態(tài)。為了滿足飛輪電池充電的快速性、穩(wěn)定性等要求，這里采用了電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制策略[6-7]。為此，建立永磁同步電動(dòng)機(jī)的d-q軸數(shù)學(xué)模型如下：
飛輪電池充電時(shí)，采用d-q軸的前饋解耦和id=0的矢量控制，如圖3所示。該控制框圖采用轉(zhuǎn)速外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制。當(dāng)系統(tǒng)直流側(cè)電壓EDC上升時(shí)，飛輪電池充電，PWM變流器工作在逆變狀態(tài)。直流電經(jīng)過逆變器的變壓變頻后給飛輪電池的電動(dòng)機(jī)供電，并且通過調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來控制飛輪電池的充電電流大小。將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的給定信號(hào)與反饋信號(hào)進(jìn)行比較，之后經(jīng)過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出為電流調(diào)節(jié)器的輸入。定子相電流的d-q軸分量和它們的反饋量進(jìn)行比較，經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器的校正，電壓解耦，得到d-q軸的電壓控制量，再運(yùn)用矢量反變換獲得需加在電動(dòng)機(jī)上的輸出電壓，然后再用SPWM調(diào)制技術(shù)得出對逆變器的驅(qū)動(dòng)脈沖。id、iq的反饋量由電動(dòng)機(jī)定子得到。通過電機(jī)轉(zhuǎn)速也可知道飛輪電池的能量狀態(tài)。abc三相電流經(jīng)過坐標(biāo)變換得到。坐標(biāo)變換中的θ和電機(jī)轉(zhuǎn)速可由轉(zhuǎn)子位置檢測單元得到。
4 飛輪電池的放電控制
在配備有飛輪儲(chǔ)能電池的離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，當(dāng)風(fēng)速變小或者突加負(fù)載時(shí)，系統(tǒng)直流側(cè)電壓EDC將下降，飛輪儲(chǔ)能電池的電機(jī)運(yùn)行于發(fā)電狀態(tài)，將儲(chǔ)存于飛輪中的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能補(bǔ)償給系統(tǒng)。此時(shí)PWM雙向逆變器工作在整流狀態(tài)。永磁同步發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相正弦交流電經(jīng)過PWM整流之后得到穩(wěn)定的直流電。根據(jù)是否選取瞬態(tài)輸入交流電流作為反饋控制量，PWM 整流器控制分為間接電流控制和直接電流控制兩種。間接電流控制基于系統(tǒng)的靜態(tài)模型設(shè)計(jì)，其動(dòng)態(tài)特性較差；直接電流控制由于動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、控制精度高的優(yōu)點(diǎn)，成為 PWM 整流器控制策略的主流。所以本系統(tǒng)采用直接電流控制，圖4所示是本系統(tǒng)所采用的電流滯環(huán)比較方式的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
5 系統(tǒng)的仿真結(jié)果及分析
采用Matlab/Simulink對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，其中風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的參數(shù)參照參考文獻(xiàn)[8]和參考文獻(xiàn)[9]。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的仿真參數(shù)如下：電機(jī)參數(shù)R1=2.875 ?贅；L-M=8.5 mH；p=4；J=0.8×10-3 kg/m2。分別對風(fēng)速突然增大和突然減小兩種情況進(jìn)行了仿真分析，給定直流母線電壓為400 V，仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。
仿真的風(fēng)速模型采用陣風(fēng)，圖5顯示了在t=0.3 s時(shí)風(fēng)速從7.55 m/s增加到8.55 m/s，在1.0 s時(shí)風(fēng)速又減小為7.55 m/s時(shí)，在不加入飛輪電池和加入飛輪電池兩種情況下系統(tǒng)直流母線電壓的瞬時(shí)響應(yīng)。圖6顯示了在t=0.3 s時(shí)風(fēng)速從7.55 m/s減小到6.55 m/s，在1.0 s時(shí)風(fēng)速又增加為7.55 m/s時(shí)，在不加入飛輪電池和加入飛輪電池兩種情況下系統(tǒng)直流母線電壓的瞬時(shí)響應(yīng)。由圖5和圖6可以看出，采用飛輪儲(chǔ)能單元的離網(wǎng)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，直流母線電壓在風(fēng)速增大或減小的過程中一直穩(wěn)定在400 V左右，通過仿真驗(yàn)證了系統(tǒng)模型及控制策略的正確性。
飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)能密度大、能量轉(zhuǎn)化效率高、充放電速度快且沒有環(huán)境污染，是非常理想的儲(chǔ)能元件。本文研究了采用飛輪儲(chǔ)能單元作為離網(wǎng)式風(fēng)電場的能量緩沖裝置，以穩(wěn)定離網(wǎng)式風(fēng)電場的直流母線電壓。通過對控制系統(tǒng)的仿真，得出仿真曲線，結(jié)果表明在風(fēng)速小范圍波動(dòng)的情況下，飛輪電池對改善系統(tǒng)直流側(cè)電壓的穩(wěn)定性有顯著效果。
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