摘 要： 針對目前風力發電系統中儲能裝置（化學電池）的不足，設計了采用飛輪電池作為離網型風力發電系統的儲能裝置，提出了飛輪電池快速充、放電的控制策略。在系統的充電方式下，采用了感應電機的矢量控制算法；放電方式下，采用了以直流母線電壓為控制信號的控制策略實現了直流母線電壓的自動調整，達到了穩定系統的直流母線電壓的目的。仿真結果表明，該儲能裝置能實現穩定風電場直流母線電壓的作用，從而有效地提高離網型風電場的電能質量和穩定性。
關鍵詞： 電能質量；風力發電；飛輪電池；直流母線電壓
目前，離網型風力發電以經濟、方便、實用的特點成為新能源發電中的一個重要應用方向。由于風電能的劇烈波動性和用戶需求的時變性，必須接入合適的儲能裝置來緩沖并減小系統電能的供需失配，以保證系統供電連續穩定。目前普遍采用的儲能裝置是蓄電池，而蓄電池體積龐大、壽命短、充放電效率低，系統的運行成本高[1]。飛輪電池利用高速旋轉的飛輪將電能以動能的形式儲存起來，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點[2]。
本文對采用飛輪電池儲能的離網型風力發電系統中飛輪儲能系統穩態時的模型進行了分析，通過對飛輪電池進行快速、穩定的充放電控制，穩定了系統直流側電壓，增強了系統可靠性，從而實現離網型風力發電系統的穩定運行。
1 飛輪儲能系統的結構和原理
圖l所示是一種飛輪和電機為一個整體的飛輪儲能系統[3]。
飛輪儲能系統是一種機電能量轉換與儲能裝置，它突破了化學電池的局限，用物理方法實現儲能，其基本原理是在儲能時，電能通過電力轉換器變換后驅動電機運行，電機帶動飛輪加速轉動，飛輪以動能的形式把能量儲存起來，從而完成電能到機械能轉換的儲存能量的過程，能量儲存在高速旋轉的飛輪體中；之后，電機維持一個恒定的轉速，直到接收到一個能量釋放的控制信號；在釋能時，高速旋轉的飛輪帶動電機發電，從而完成機械能到電能轉換的釋放能量過程。由此，整個飛輪儲能系統實現了電能的輸入、儲存和輸出過程[4]。
2 系統結構和工作原理
采用飛輪儲能系統作為調節單元的離網型風力發電系統的結構如圖2所示。其中，風電機組主要由風輪機、永磁同步發電機等部分組成。儲能單元為飛輪儲能系統，它利用感應電機帶動金屬飛輪，將電能轉化為機械能，實現能量的存儲。
由于風力發電機發出的能量隨風速的變化而變化，并且實際的負載也是隨時變化的，所以直流總線上的電壓會出現波動，從而造成系統不穩定。
在這個系統里，當風能不足或負載較大時，直流總線電壓EDC將減小，飛輪儲能系統里的感應電機作為發電機，將儲存于飛輪中的機械能轉換成電能補償給整個系統；當風能充足或負載較小時，直流總線電壓EDC將增大，飛輪儲能系統里的感應電機作為電動機，將電網上多余的能量存儲到飛輪儲能系統里。這樣,通過飛輪的不斷釋放和吸收能量達到維持直流側電壓EDC在預定范圍內的目的[5]。
3 飛輪電池的充電控制
配備有飛輪儲能電池的獨立運行式風力發電系統，當風速變大或者負載減小時，系統直流側電壓EDC將上升，飛輪儲能電池的電機運行于電動狀態，將電能轉換成機械能儲存于飛輪中。此時PWM雙向逆變器工作在逆變狀態。為了滿足飛輪電池充電的快速性、穩定性等要求，這里采用了電機轉子磁鏈定向的矢量控制策略[6-7]。為此，建立永磁同步電動機的d-q軸數學模型如下：
飛輪電池充電時，采用d-q軸的前饋解耦和id=0的矢量控制，如圖3所示。該控制框圖采用轉速外環、電流內環的雙閉環控制。當系統直流側電壓EDC上升時，飛輪電池充電，PWM變流器工作在逆變狀態。直流電經過逆變器的變壓變頻后給飛輪電池的電動機供電，并且通過調節電動機轉速來控制飛輪電池的充電電流大小。將電動機轉速的給定信號與反饋信號進行比較，之后經過轉速調節器，轉速調節器的輸出為電流調節器的輸入。定子相電流的d-q軸分量和它們的反饋量進行比較，經過電流調節器的校正，電壓解耦，得到d-q軸的電壓控制量，再運用矢量反變換獲得需加在電動機上的輸出電壓，然后再用SPWM調制技術得出對逆變器的驅動脈沖。id、iq的反饋量由電動機定子得到。通過電機轉速也可知道飛輪電池的能量狀態。abc三相電流經過坐標變換得到。坐標變換中的θ和電機轉速可由轉子位置檢測單元得到。
4 飛輪電池的放電控制
在配備有飛輪儲能電池的離網型風力發電系統中，當風速變小或者突加負載時，系統直流側電壓EDC將下降，飛輪儲能電池的電機運行于發電狀態，將儲存于飛輪中的機械能轉換成電能補償給系統。此時PWM雙向逆變器工作在整流狀態。永磁同步發電機發出的三相正弦交流電經過PWM整流之后得到穩定的直流電。根據是否選取瞬態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的靜態模型設計，其動態特性較差；直接電流控制由于動態響應快、控制精度高的優點，成為 PWM 整流器控制策略的主流。所以本系統采用直接電流控制，圖4所示是本系統所采用的電流滯環比較方式的控制系統結構圖。
5 系統的仿真結果及分析
采用Matlab/Simulink對系統進行仿真，其中風力發電系統的參數參照參考文獻[8]和參考文獻[9]。飛輪儲能系統的仿真參數如下：電機參數R1=2.875 ?贅；L-M=8.5 mH；p=4；J=0.8×10-3 kg/m2。分別對風速突然增大和突然減小兩種情況進行了仿真分析，給定直流母線電壓為400 V，仿真結果如圖5和圖6所示。
仿真的風速模型采用陣風，圖5顯示了在t=0.3 s時風速從7.55 m/s增加到8.55 m/s，在1.0 s時風速又減小為7.55 m/s時，在不加入飛輪電池和加入飛輪電池兩種情況下系統直流母線電壓的瞬時響應。圖6顯示了在t=0.3 s時風速從7.55 m/s減小到6.55 m/s，在1.0 s時風速又增加為7.55 m/s時，在不加入飛輪電池和加入飛輪電池兩種情況下系統直流母線電壓的瞬時響應。由圖5和圖6可以看出，采用飛輪儲能單元的離網式風力發電系統，直流母線電壓在風速增大或減小的過程中一直穩定在400 V左右，通過仿真驗證了系統模型及控制策略的正確性。
飛輪儲能系統儲能密度大、能量轉化效率高、充放電速度快且沒有環境污染，是非常理想的儲能元件。本文研究了采用飛輪儲能單元作為離網式風電場的能量緩沖裝置，以穩定離網式風電場的直流母線電壓。通過對控制系統的仿真，得出仿真曲線，結果表明在風速小范圍波動的情況下，飛輪電池對改善系統直流側電壓的穩定性有顯著效果。
參考文獻
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