摘  要： 針對(duì)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(chǎng)直流母線電壓的作用,，從而有效地提高離網(wǎng)型風(fēng)電場(chǎng)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(hù)需求的時(shí)變性,，必須接入合適的儲(chǔ)能裝置來(lái)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(lái),，與蓄電池相比具有體積小,、無(wú)污染、壽命長(zhǎng),、充放電速度快且效率高等突出優(yōu)點(diǎn)[2],。
    本文對(duì)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(guò)對(duì)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(guò)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?jī)?chǔ)存起來(lái)，從而完成電能到機(jī)械能轉(zhuǎn)換的儲(chǔ)存能量的過(guò)程,，能量?jī)?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(guò)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(guò)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(guò)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(mǎn)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(guò)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(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)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(guò)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(guò)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(duì)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(guò)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(guò)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(cè)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(guò)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(duì)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(duì)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?gòu)?.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?gòu)?.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(guò)程中一直穩(wěn)定在400 V左右,，通過(guò)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(méi)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(chǎng)的能量緩沖裝置,，以穩(wěn)定離網(wǎng)式風(fēng)電場(chǎng)的直流母線電壓,。通過(guò)對(duì)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(duì)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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