飞轮储能在风电输出功率中的柔性控制研究

2016-03-11黄宇程张广明欧阳慧珉

电源技术 2016年4期

关键词：飞轮输出功率风力

黄宇程，张广明，欧阳慧珉，梅磊

(南京工业大学，江苏南京211816)

飞轮储能在风电输出功率中的柔性控制研究

黄宇程，张广明，欧阳慧珉，梅磊

(南京工业大学，江苏南京211816)

阐述了飞轮储能的基本结构和工作原理，介绍了含有飞轮储能装置的风电系统有功功率柔性控制策略，研究了飞轮参考功率指令值的五种获取方法，比较了其优缺点，得出功率平滑控制跟踪效果的差异。

飞轮储能；风力发电；功率控制；参考功率

飞轮储能是可以将电能、风能、太阳能等能源转化成旋转动能加以储存的一种新型、高效的机械储能技术[1]。这种新型的电池和化学电池相比具有突出优点：(1)具有较高的储能密度、功率密度；(2)能量转换效率高，结合现代先进的电力电子技术一般可达90%左右；(3)温度要求低，相比化学电池其性能更加稳定；(4)使用寿命和储能密度不受过充电或过放电影响，只取决于系统中电子元器件的寿命，一般能达20年左右；(5)易于测量放电深度和剩余“电量”；(6)充电时间在几分钟之内完成，属于分钟级别；(7)应用范围广，可以结合传统动力装置用于混合动力汽车上，用于航天领域卫星姿态的调整，电网的调频，不间断电源等。飞轮储能系统的不足是储能容量、自放电率、待机损耗等技术指标有待进一步提高[2]。本文阐述了飞轮储能的基本结构和工作原理，介绍了含有飞轮储能装置的风电系统有功功率柔性控制策略，研究了飞轮参考功率指令值的五种获取方法，比较了其优缺点。

1 飞轮储能系统结构和基本原理

1.1 飞轮储能系统的构成

传统的飞轮储能系统由飞轮本体、轴承、电动/发电机、电力电子装置和真空室构成。图1是一种飞轮与电机合为一个整体的飞轮储能系统[3]。

飞轮转速的高低决定储能容量的大小，目前采用较多的是碳素纤维材料。轴承系统的摩擦损耗决定了系统的稳定性、可靠性和使用寿命。目前支撑方式主要有：超导磁悬浮、电磁悬浮、永磁悬浮和机械支撑，以及它们的组合。飞轮储能的机械能与电能之间的转换是以电动机/发电机及其控制为核心实现的，电力转换器是系统的控制元件，将交直流相互转换，实现能量双向流动。真空室主要作用有两方面：一是提供真空环境，降低电机运行时的风阻损耗；二是屏蔽事故，提高安全性。真空环境对系统的效率影响较大，目前国际上真空度一般可达10－5Pa量级。

图1 飞轮储能系统结构示意图

1.2 飞轮储能系统的基本原理

飞轮储能系统是通过飞轮本体的高速旋转来储存能量的，其储存的动能和转动惯量、角速度成比例，可以表示为：

飞轮储能是一种机-电能量转换与储能装置，其工作原理为：充电时，电力电子装置将输入的直流电转化成交流电，驱动电机高速旋转，将电能转换成机械能，此时电机作电动机使用；放电时，用飞轮带动电机旋转，飞轮转速不断减小，变换器将飞轮电机输入的交流电变为直流电，将动能转换成负载需要的电能，此时电机作发电机使用，电力转换装置起着对电力变频、恒压、整流等作用。

2 飞轮在风电系统有功功率平滑的应用研究

2.1 有功功率的柔性控制策略

风力发电系统的输出功率受风能的随机性、波动性和不确定性影响，使得大规模的风力发电系统不能直接进行并网，严重影响了风力发电事业的发展。飞轮储能系统通过双PWM变流器连接到风力发电系统的母线上，当风力发电系统的输出功率不能满足电网的需要时，通过双PWM变流器控制储能系统向风力发电系统供电；反之，当风力发电系统输出的功率多于电网所需功率时，储能系统吸收多余的电能，从而平抑系统的输出功率，保证输入电网的电能质量。当直流母线电压保持恒定时，根据能量守恒关系得：风力发电机输出的有功功率等于机组的并网有功功率与被飞轮储能系统吸收的有功功率之和。设风力发电机组输出的有功功率为，网侧变流器向电网输出的有功功率为，飞轮储能系统从直流侧吸收的有功功率为(当负值时则表示飞轮储能系统释放能量到机组直流侧)，则有：

2.2 飞轮储能系统平滑功率值的研究

2.2.1 基于平均值功率法

风力发电机在最大功率点闭环跟踪控制(MPPT)下，其输出功率随风速的变化波动幅度较大。相比平滑了许多，能作为平滑功率指令值，但多位于曲线的上部，多位于曲线的下部。在不考虑飞轮储能容量的情况下，采用作平滑功率指令值，在系统运行时间内，飞轮储能系统主要向直流侧供电以实现网侧有功平滑；采用σ1作平滑功率指令值，大部分时间段飞轮系统储存剩余的能量，以保证输出比较平滑的功率。考虑到系统的运行经济性，飞轮容量往往是有限的，采用上述功率作为平滑指令值，飞轮系统基本处于连续充电或放电状态且会较快达到额定功率，并网功率相当于在原功率曲线的基础上近于直线的提升或降低飞轮的额定功率，达不到平滑功率的目的。在实际应用中，在网侧有功波动情况下，飞轮储能系统需不断切换充放电状态以达到一定程度的平滑，取的平均值作为指令值，和相比较平滑且处于波动曲线的中部，可作为容量有限的储能系统平滑功率指令值。

2.2.2 网侧功率滤波法

利用风速平均算法是求取功率平滑指令最传统的方法，但由于风速测量有误差且随机波动性强，非常不稳定，由此所获得的功率平滑指令并不非常准确，可能系统运行的可靠性也受影响，甚至造成整个系统的不稳定。为了避免直接估算或测量风速，提高永磁同步发电系统功率平滑控制的可靠性和准确性，介绍了另外一种功率平滑指令计算方法，即网侧功率滤波法。

飞轮电机所需平滑的功率指令应反映出对网侧输出波动功率的吸收或释放，采用具有不同截止频率的低通滤波环节构造有功功率平滑指令，将风力发电系统网侧输出的有功功率先后经两个一阶低通滤波器求差作为飞轮电机的功率给定[5]，即：

式中：ω1、ω2分别为采用两个一阶低通滤波器的截止角频率。当截止角频率ω1较低时，网侧有功功率将变得较为平滑，这正好满足网侧输出功率波动小的运行目标，当截止角频率ω2较高时，网侧有功功率能够迅速反应输入功率的变化，因此在经过具有不同截止频率的低通滤波环节之后，网侧有功功率经两个低通滤波器输出的功率偏差可以正确及时地反映电网侧输出功率的波动，该波动功率可以作为飞轮电机释放或者吸收功率的参考值，经过功率、电流双闭环控制后，可使飞轮电机产生满足功率平滑所需的有功功率，从而平滑网侧输出的有功功率。由式(8)可知，当网侧输出功率稳定时，飞轮储能系统的参考功率趋近于零，这时无需飞轮系统参与风力发电系统能量交换。因此，无论在何种风况下，由式(8)均可得到稳定的飞轮电机功率参考，且系统实现较为简单，可靠性强。

2.2.3 采用模糊控制系统

模糊控制系统是一种在被控对象的模型很难建立或者控制系统复杂的情况下采用的智能控制方法，可以将自然语言转换为模糊控制规则，实现了人机交互功能，具有控制速度快、鲁棒性能好等优点。将飞轮转速Ω与经LC低通滤波器得到的功率作为模糊控制输入量，通过模糊规则和解模糊，可得到较为理想的功率输出，有利于削峰填谷、平衡负荷。在原矢量控制策略的基础上，将控制器替换为模糊控制器获取网侧功率指令值，从而获得飞轮的参考功率，实现输出功率的平滑控制。功率流动观测器如图2所示。风力发电机产生的功率为，经低通滤波器滤波后的信号为与飞轮转速Ω作为模糊逻辑观测器的输入产生网侧功率指令值信号。

图2 模糊控制器结构图

根据风力发电的变化决定低通滤波器角频率的选取，这样可以避免模糊观测器输入的快速波动，影响系统的稳定性。从风力发电机产生的功率中减去网侧功率指令值信号得到飞轮储能系统需要储存或者释放的能量。模糊逻辑观测器的设计应满足要求：当飞轮转速非常低时，网侧功率指令值信号为失效状态，大部分风电能量用来给飞轮储能系统充电；当飞轮转速非常高时，网侧功率指令值信号被最大化，飞轮储能系统仅储存少量的能量；当飞轮转速为中等速度时，网侧功率指令值和滤波后的信号相对应[6]。

平滑功率值获取的其它方法有：(1)利用滤波器将实际风机侧输出功率曲线通过滤波后，过滤掉曲线中快速波动的部分，得到一条相对平滑的曲线，可作为风电场期望输出功率值[7]；(2)通过采样求平均值，将实际输出功率曲线某时刻之前的个采样点的平均值作为该时刻的期望值，通过这种方法获得的功率曲线即为期望输出功率曲线。

2.3 飞轮储能系统能量调节控制框图

在确定飞轮的参考功率值基础上，采用速度电流双闭环控制策略对储能系统中的永磁同步电机进行转速调节，基本控制结构如图3所示。

图3 飞轮储能系统功率控制框图

飞轮系统驱动电机控制采用速度电流双闭环控制。取参考转速与实际转速的差值作为转速调节器的输入，经转速调节器计算求得相应参考电流幅值。参考电流方向模块则由霍尔元件测量永磁直驱同步电机信号确定三相绕组电流的参考方向。电流闭环根据定子三相参考电流和实际反馈电流值的比较，输出逆变器的PWM触发信号，控制定子实际电流值随定子三相参考电流的变化而变化，实现实际电流对参考电流的跟踪，进而控制实际转速跟随参考转速变化。通过控制电机的转速变化，可以使飞轮装置快速实现能量缓存，平滑风力发电系统中输出功率的波动[8]。

基于风速测量的平均值法，优点在于算法设定后无需更改，适用各种容量的储能系统，在全风况条件下系统整体的稳态性能好，但由于风速波动性强、随机性大，测量都有一定的误差，对大规模发电的风电场，这样的误差不容忽视。利用滤波器和对采样求平均值法都是在实际输出功率曲线的基础上进行平滑处理。前者通过调节滤波器的带宽，后者改变采样点的数量，但只能使曲线尽可能平滑，无法达到恒定，且功率平滑度以增加采样点计算量为代价。基于网侧功率滤波法避免了直接估算和测量风速造成的误差，系统实现比较简单，运行速度快，功率平滑控制能力较高，缺点在于截止频率的选取至关重要，滤波器频率的选取对系统的稳定性影响较大。模糊控制系统对风电场输出功率波动具有很好的鲁棒性效果，响应速度快，可靠性强。在平滑指令值获取中，应根据实际运行条件和要求，合理选取平滑控制策略，实现功率柔性控制。

3 总结

飞轮储能系统具有高储能密度、瞬时功率大、寿命长、环境友好、适用范围广等诸多优点。本文在介绍了飞轮储能系统的结构及工作原理的基础上，对飞轮储能系统在风力发电输出功率平滑方面进行了详细阐述。采用平均值法、网侧功率滤波法以及模糊控制系统等五种方法获取飞轮储能系统参考功率指令值，对比其优缺点，得出了不同跟踪效果的差异。通过转速/电流双闭环控制，实现电能/机械能的相互转换，为电网削峰填谷，提高了风电并网的电能质量，进而提高了电网的稳定性。

[1]黄宇淇，姜新建，邱阿瑞.飞轮储能能量回馈控制方法[J].清华大学学报，2008，48(7)：1085-1088.

[2]张维煜，朱煜秋.飞轮储能关键技术及其发展现状[J].电工技术学报，2011，26(7)：141-146.

[3]阮军鹏，余利斌.飞轮储能系统发电运行控制研究[J].东北电力技术，2007(11)：13-16.

[4]胡雪松，孙才新，刘刃，等.采用飞轮储能的永磁直驱风电机组有功平滑控制策略[J].电力系统自动化，2010，34(13)：79-83.

[5]熊倩.含飞轮储能永磁直驱风力发电系统功率平滑控制策略研究[D].重庆：重庆大学，2012.

[6]ABDEL-KHALIK A，ELSEROUGI A.A power control strategy for flywheel doubly-fed induction machine storage system using artificial neural network[J].Electric Power Systems Research，2013(96): 267-276.

[7]孙春顺，王耀南，李欣然.飞轮辅助的风力发电系统功率和频率综合控制[J].中国电机工程学报，2008，28(29)：111-116.

[8]张海，梅柏杉.用于风电机组并网功率控制的飞轮储能系统研究与仿真[J].重庆理工大学学报：自然科学版，2012，26(11)：104-108.

Study on smooth control of wind output power with flywheel energy storage system

The basic structure and working principle of FESS were described，and the strategy of smoothing active power with FESS was introduced.Five methods of obtaining the reference power value were studied， and their advantages and disadvantages were compared to understand the different effect of tracking control for power.

flywheel energy storage;wind power;power control;reference power

TM 614

1002-087 X(2016)04-0833-03