基于等效電路的飛輪儲(chǔ)能控制策略研究

基于等效電路的飛輪儲(chǔ)能控制策略研究

0風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究隨著mw級太陽能機(jī)組的開發(fā)和制造，風(fēng)能發(fā)電在能源系統(tǒng)中的比例日益提高。如此大容量的風(fēng)電機(jī)組接入電網(wǎng),對電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量、穩(wěn)定性和安全運(yùn)行都將造成無法忽略的影響。而由于風(fēng)能是一種間歇性能源,而且風(fēng)速的變化具有隨機(jī)性,從而導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組輸出的有功和無功功率處于經(jīng)常的波動(dòng)之中,將其直接并網(wǎng)將會(huì)引起電網(wǎng)電能質(zhì)量的下降,甚至危及電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。因此,研究并網(wǎng)風(fēng)電場的運(yùn)行特性以及如何改善其運(yùn)行的穩(wěn)定性是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中的重要問題。目前正在研究和應(yīng)用的風(fēng)力/柴油供電、風(fēng)力/蓄電池儲(chǔ)能供電等運(yùn)行方式都存在一定問題:為了連續(xù)供電,柴油機(jī)必然要不停地運(yùn)轉(zhuǎn),以應(yīng)付由于負(fù)載增大或風(fēng)力減小而引起的輸出功率缺額,運(yùn)行費(fèi)用昂貴,甚至有可能超過節(jié)省燃料的費(fèi)用。風(fēng)力/蓄電池儲(chǔ)能供電方式中,由于蓄電池體積龐大且昂貴,充電/放電頻繁故障率又非常地高,增加了系統(tǒng)運(yùn)行的成本。正在研究的儲(chǔ)能技術(shù)有超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)、壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)、飛輪儲(chǔ)能技術(shù)。超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)很有吸引力,但近期難以取得突破性進(jìn)展。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)被認(rèn)為是近期最有希望和最有競爭力的新型儲(chǔ)能技術(shù)。本文采用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)作為功率調(diào)節(jié)單元來實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組輸出功率補(bǔ)償?shù)姆椒?。本方案能?shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組輸出有功功率和無功功率的綜合快速補(bǔ)償,可有效地改善并網(wǎng)風(fēng)電場的電能質(zhì)量和穩(wěn)定性。1可靠性管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理1.1儲(chǔ)能工作原理圖1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)。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),飛輪就以動(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);當(dāng)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。1.2電機(jī)的性能要求飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)以及對飛輪電機(jī)的要求主要有:(1)飛輪電機(jī)應(yīng)具有可逆性,能運(yùn)行于電動(dòng)和發(fā)電兩種工作狀態(tài);(2)電機(jī)易于高速運(yùn)行;(3)能夠適應(yīng)大范圍的速度變化;(4)要求電機(jī)有較大的輸出轉(zhuǎn)矩和輸出功率;(5)要求電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。本文選擇了永磁無刷直流電機(jī)作為飛輪電機(jī)。2電容器組部分組成采用飛輪功率調(diào)節(jié)單元的風(fēng)電場如圖2所示。其中,風(fēng)電機(jī)組主要由風(fēng)輪機(jī)、齒輪箱、異步發(fā)電機(jī)、并聯(lián)電容器組等部分組成。并聯(lián)電容器組的作用是為感應(yīng)電機(jī)的起動(dòng)和運(yùn)行提供足夠的無功補(bǔ)償,維持輸出端電壓的恒定。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)通過雙電壓源逆變器接入異步發(fā)電機(jī)母線上,用以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,并通過變壓器T1并入高壓電網(wǎng)。3數(shù)學(xué)模型3.1反c/d2d21對于稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī),通常直接利用電動(dòng)機(jī)本身的相變量來建立數(shù)學(xué)模型。假設(shè)磁路不飽和,不計(jì)渦流和磁滯損耗,三相繞組完全對稱,則三相繞組的電壓平衡方程可表示為式中a,b,c為定子相繞組電壓;a,b,c為定子相繞組電流;a,b,c為定子相繞組反電勢;為每相繞組的自感;為每兩相繞組間的互感。由于三相繞組Y連接,且沒有中線,則a+b+c=0,因而b+c=a,則可以得到電壓方程為反c電勢c的表達(dá)式為=e=dd(3)轉(zhuǎn)矩方程為m=+dmd+d2d2(4)式中為負(fù)載(即輸出)轉(zhuǎn)矩;為轉(zhuǎn)動(dòng)部分(包括主轉(zhuǎn)子、位置傳感器轉(zhuǎn)子和負(fù)載)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;m為粘滯系數(shù);為轉(zhuǎn)角。此外,e與反電勢系數(shù)在數(shù)值上差一個(gè)常數(shù),這里的表示符號(hào)未變。3.2非線性數(shù)學(xué)模型分析三相PWM逆變電路的工作波形可知,各相輸出的電壓分別為式中為占空比;dc為直流側(cè)輸出電壓;為調(diào)制波的相角。3.3電容器上電壓在飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行過程中,由于飛輪電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的變化,系統(tǒng)功率波動(dòng)等動(dòng)態(tài)過程使得直流環(huán)節(jié)電容器上的電壓會(huì)有較大的波動(dòng),因此需要對電容器上的電流進(jìn)行分析,根據(jù)等效電路圖3可得式中dc為電容上的電壓;1為從電機(jī)側(cè)逆變器流出的電流;2為流入電網(wǎng)側(cè)變流器的電流。4無功解耦控制方案設(shè)計(jì)風(fēng)電場一般都由分散分布的風(fēng)電機(jī)組構(gòu)成,因此,在每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的出口處安裝飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)勢必會(huì)增加系統(tǒng)的維護(hù)量,而且會(huì)降低系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性,因此,選擇飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的安裝地點(diǎn)為風(fēng)電場變電站的低壓側(cè),使飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)對整個(gè)風(fēng)電場的輸出進(jìn)行集中控制和調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)中研究了超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)對風(fēng)電場穩(wěn)定性的改善,其有功控制器均采用了轉(zhuǎn)速偏差量。這種方法適合對單個(gè)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行補(bǔ)償,但不適合于整個(gè)風(fēng)電場的集中控制。文獻(xiàn)提出了利用儲(chǔ)能單元接入點(diǎn)的電壓偏差作為有功控制器的控制信號(hào),但是不利于有功功率和無功功率的解耦,因而控制效果有限。本文選擇風(fēng)電場母線的輸出有功功率和無功功率為控制信號(hào),通過飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的作用,正常運(yùn)行情況下對有功和無功功率分別進(jìn)行控制,故障情況下則主要對對母線電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。系統(tǒng)的總體控制框圖如圖4所示。由圖4可知,有功和無功功率解耦的思路為:網(wǎng)側(cè)變流器采用常規(guī)逆變器的控制方法實(shí)現(xiàn)有功和無功功率的解耦控制,控制策略的實(shí)現(xiàn)在下文中給出。為了簡化控制,引入直流環(huán)節(jié)電壓的反饋控制以維持電容器電壓基本恒定;電機(jī)側(cè)變流器僅對電機(jī)和直流母線交換的有功功率進(jìn)行控制,它的作用體現(xiàn)在兩個(gè)方面:一方面是通過有功功率調(diào)節(jié)維持直流母線電壓的恒定,另一方面跟蹤由系統(tǒng)給出的有功功率參考信號(hào),以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)PWM變流器的功率協(xié)調(diào)。在三相電網(wǎng)電壓平衡條件下,取母線電壓矢量為參考向量,并設(shè)其初相角為零,使d軸與母線電壓矢量始終重合,則可得=m,=0。根據(jù)瞬時(shí)無功功率理論,可得:=,=。因此,通過控制,就可以實(shí)現(xiàn)對逆變器輸出有功功率和無功功率的分別控制。根據(jù)電網(wǎng)側(cè)變流器的dq軸數(shù)學(xué)模型式(7)可以建立如下的有功無功解耦控制策略,如圖5所示。從圖中可以看出,這里采用了,的狀態(tài)反饋來實(shí)現(xiàn)電壓電流dq軸分量的解耦,此外還引入了母線電壓作為前饋補(bǔ)償來提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。5電網(wǎng)側(cè)變壓器風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的仿真模型和仿真參數(shù)見文獻(xiàn)。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的仿真參數(shù)如下:電機(jī)參數(shù)R1=0.03;LM=8.5mH;p=2;J=0.8×103kg/m2;電網(wǎng)側(cè)逆變器的等效電阻和連接電抗器參數(shù)R2=0.05,L2=0.0339H。仿真結(jié)果如圖6~8。仿真的風(fēng)速模型模擬實(shí)際風(fēng)速,風(fēng)速由平均風(fēng)速、漸變風(fēng)、陣風(fēng)及噪聲風(fēng)4部分組成。從仿真結(jié)果可以看出,飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電機(jī)組輸出有功功率和無功功率的綜合快速補(bǔ)償,在風(fēng)速快速擾動(dòng)的情況下平滑了風(fēng)電場的輸出,從而降低了風(fēng)波動(dòng)對電網(wǎng)的沖擊,有效提高了電網(wǎng)的電能質(zhì)量和并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組自身的穩(wěn)定性。6協(xié)同儲(chǔ)能單元在并網(wǎng)風(fēng)電場的能量緩沖裝