飛輪儲能控制技術(shù)及其在新型電力系統(tǒng)中的應用

中國科學:技術(shù)科Controltechniquesofflywheelenergystorageanditsapplicationinnewpowersystem中國科學稿件SST-2023-2023-08-李佳玉樂方飛輪儲能制型電力系統(tǒng)flywheelenergystorage,control,newpowersystem,applicationscenarios圖片源文件中國中國科學:技術(shù)科PagePAGE10of 中國科學:技術(shù)科 2023年第53卷第1期:79~SCIENTIASINICA 3 評 567

9 飛輪儲能控制技術(shù)及其在新型電力系統(tǒng)中的9 李佳玉①,魏樂①,房方①*,劉吉臻①華北電力大學控制與計算機工程學院,北京②新能源電力系統(tǒng)全國重點實驗室,北京*E-mail:收稿日期2023-05-09;接受日期20XX-XX-XX;網(wǎng)絡出版日期20XX-XX-國家自然科學基金項目(編號:52176005),國家電網(wǎng)有限公司總部管理科技項目(編號:52060021N00P) 摘 推動以飛輪儲能為代表的新型儲能技術(shù)快速發(fā)展,有助于提升電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力和靈活性,促進能源消納,保障電力可靠穩(wěn)定供應.該文聚焦電力級飛輪儲能系統(tǒng)的運行控制問題,常見結(jié)構(gòu)及工作原理;結(jié)合不同運行模式,分析了飛輪儲能單體的多種充放電控制策略; 列和含飛輪儲能的混合儲能系統(tǒng),探討了規(guī)?；煽刂茊栴},在此基礎(chǔ)上, 電力系統(tǒng)中的幾個典型應用場景 關(guān)鍵 飛輪儲能,控制,新型電力系統(tǒng),應用場 隨著“碳達峰、碳中和”戰(zhàn)略的快速推進,光可再生能源電力在電網(wǎng)中的占比不斷提升,其隨機性和波動性給電力系統(tǒng)帶來諸多挑戰(zhàn),如電力平衡、電量消納、電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制等[1].升電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力和靈活性,促進新能源消納,障電力可靠穩(wěn)定供應的重要技術(shù)手段,受到政府和行業(yè)的高度關(guān)注.2021720225月,[2-3],了要求.截至2022年底,累計裝機規(guī)模已超594GW同比增長374 1

池儲能、超級電容儲能、超導儲能、飛輪儲能等.其中,抽水蓄能和電化學儲能的發(fā)展較為成熟，但前者對地理條件有特殊要求,勘測、設(shè)計、建設(shè)成本高，而后者在大規(guī)模集成應用中的安全性和壽命仍有待突破[5].飛輪儲能、超導儲能和超級電容儲能響應速度快、功率密度高,屬于功率型儲能裝置,但超導儲能受限于材料和低溫制冷系統(tǒng)[6],應用成本高,商業(yè)化難度大;超級電容受電介質(zhì)耐壓能力限制,儲能能力較低[7].相對而言,飛輪儲能循環(huán)壽命長、運行效率高，對工作環(huán)境適應性強,飛輪儲能陣列是一種較為理想的電力級儲能方式.表1對上述儲能技術(shù)在能 Table1Comparisonofcharacteristicsofseveralenergystorage 能量密（kwh/m3）功率密度（kw/m3）效 引用格式:引用格式:李佳玉,魏樂,房方,劉吉臻.飛輪儲能控制技術(shù)及其在新型電力系統(tǒng)中的應用.中國科學:技術(shù)科學,2023,XXLiJY,WeiL,FangF,LiuJZ.Controltechniquesofflywheelenergystorageanditsapplicationinnewpowersystem(inChinese).SciSinTech,2023,XX:XX–XX,doi:10.1360/N092015-00020?2015《中國科學》雜志 李佳玉等:21-456789目前關(guān)于飛輪儲能技術(shù)的研究主要分為四個方面:飛輪儲能系統(tǒng)(FlywheelEnergySystem,FES同應用等.推進飛輪儲能技術(shù)在新型電力系統(tǒng)中的應用,其控制策略和應用模式是兩個重要問題.策略優(yōu)化能提升飛輪儲能系統(tǒng)的安全高效運行水平 應用模式設(shè)計可更有效地發(fā)揮其對電網(wǎng)的支撐能力 對應用于新型電力系統(tǒng)的飛輪儲能系統(tǒng)進行多

工況多場景分析,需考慮從單體到集成系統(tǒng)再到具體應用場景的研究,其框架結(jié)構(gòu)如圖1所示.為此,系統(tǒng)中的應用場景四個方面闡述了飛輪儲能系統(tǒng)的研究發(fā)展現(xiàn)狀.上述內(nèi)容可為飛輪儲能系統(tǒng)運行控制理論與技術(shù)的研究和工程應用提供系統(tǒng)性參考. 1飛輪儲能單體控制- Figure1Flywheelenergystoragemonomercontrol-integratedapplication

術(shù)中,飛輪儲能在安全性、可靠性和環(huán)保性方面具顯著優(yōu)勢[12].飛輪儲能系統(tǒng)由飛輪轉(zhuǎn)子、軸承系統(tǒng)123他輔助系統(tǒng)組成,其結(jié)構(gòu)及工作原理如圖2所示.飛輪充放電期間,飛輪的電機充當電動機或發(fā)電機8從/向電網(wǎng)吸收/提供電力.8材料選擇、軸承類型、充/放電時長的不同,

中國科學:技術(shù)科 2023年第53卷第1的慣性矩和角速度.為了增加飛輪的儲能,存在兩種解決方案：增大飛輪速度或其慣性.慣性矩取決于飛輪的形狀和質(zhì)量.通常,轉(zhuǎn)子是實心圓柱形物體.因此,對于質(zhì)m,r,a和質(zhì)量密度,J可按照系統(tǒng)有多種不同的分類方式.一般而言,轉(zhuǎn)速度這一特征可分為高速飛輪[13]和中低速飛輪

根據(jù)軸承系統(tǒng)的不同,可分為機械軸承飛輪儲能系系統(tǒng)等;根據(jù)飛輪轉(zhuǎn)子材料的不同,轉(zhuǎn)子飛輪以及金屬材料飛輪兩大類[15].飛輪儲能系

通過增大圓盤半徑或使用高密度材料,可以儲飛輪運行過程可通過使用簡化的力學方程來表示,如下所示：統(tǒng)的靈活性極強,可適應不同應用場景,

Jdω=

?f

收再利用以及電力系統(tǒng)慣量響應[16-18];分鐘級飛輪很適合電網(wǎng)調(diào)頻[19];達到小時級別的飛輪就可以應用于火電機組靈活性改造和電網(wǎng)調(diào)峰[20].隨著復合材料成本的逐年降低以及電力電子技術(shù)和控制理論的持續(xù)發(fā)展,飛輪儲能的規(guī)?；瘧靡殉蔀殡娏ο到y(tǒng)切實可行的選擇2Figure2Structureandworkingprinciplediagramflywheelenergystorage 飛飛輪是一種能夠儲存能量的設(shè)備,電能會以機械能的形式存儲在旋轉(zhuǎn)的飛輪中.飛輪的轉(zhuǎn)動慣量和轉(zhuǎn)速是決定儲能系統(tǒng)能夠存儲多少能量的兩個關(guān)鍵因素.飛輪中的儲能可按以下公式計算

式中,Tem是機電扭矩,f是摩擦系數(shù)發(fā)展早期,飛輪多采用剛性材料[23-24],由于承受負荷能力有限,轉(zhuǎn)速通常較低.隨后,鈦或鋁合金等金屬材料逐漸替代了剛性材料[25];近年來,重量較輕的高強度纖維復合材料得到應用,可支持更高的軸軸承系統(tǒng)的主要功能是支撐轉(zhuǎn)子穩(wěn)定旋轉(zhuǎn),并且減少旋轉(zhuǎn)過程中的摩擦阻力,它直接影響了飛輪電機的運行效率和使用壽命.早期飛輪儲能系統(tǒng)多用機械軸承,具有支撐強度高,結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點,但護等缺點[27],適用于低速飛輪儲能系統(tǒng)以及高速飛輪儲能系統(tǒng)的冗余保護軸承[28].近年來,為了進一步提升飛輪儲能系統(tǒng)的存儲效率,降低系統(tǒng)中的空氣動力損失和軸承摩擦損失,常使用磁性軸承,如用真空容器內(nèi)的磁懸浮軸承代替普通機械軸承[29],真空擦,顯著降低運行功耗,飛輪轉(zhuǎn)子的位置可通過調(diào)節(jié)功率變換系統(tǒng)包含電機和電力電子變換器,中電機是飛輪儲能系統(tǒng)實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的核心部件,電機性能的好壞,直接影響了飛輪儲能系統(tǒng)的性能

=12

和效率.電機與飛輪同軸連接,在飛輪充放電期間電機充當電動機或發(fā)電機,從/向電網(wǎng)吸收/提供電力其中,EFW是飛輪中儲存的能量,J

飛輪儲能系統(tǒng)中的電機需滿足以下條件能工作在3 李佳玉等:23動和發(fā)電兩種狀態(tài)、有穩(wěn)定使用壽命和較低空載損耗、運行可靠、易于維護等能力.供選擇電機類型包括永磁同步電機[31-34]電機[35-36]、感應電機[37-39]、無刷直流電機[40-42]等.8中,永磁同步電機因其結(jié)構(gòu)簡單（轉(zhuǎn)子無勵磁繞組儲能系統(tǒng)最常見的選擇[31],通常用于高速飛輪中32,43-45].文獻[43-44]行了研究,結(jié)果表明,即使在高速（50000rpm）況下也具有高效率（約95%）,低損耗作為連接飛輪儲能系統(tǒng)和外部電源/接口,電力電子變換器是使功率變換系統(tǒng)實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的重要組成部分,最典型的功率變換器拓撲是交-直-交變換器,器組成[46-48].這兩個變流器分別稱為電網(wǎng)側(cè)和電機側(cè)變流器,它們通過中間的直流鏈路相連接.有時飛輪中僅采用機側(cè)變流器連接至直流系統(tǒng),如直流 微電網(wǎng) 飛輪儲能系統(tǒng)通常有三種運行模式,即充電模式、放電模式和待機模式,有三種運行模式.在充電模式下,網(wǎng)等電源吸收能量,并通過雙向功率轉(zhuǎn)換器控制驅(qū)動電機進入電動機模式,帶動飛輪將電能轉(zhuǎn)換為機械能進行存儲,在充電過程中飛輪速度上升,動能也隨之增加.在放電模式下,飛輪為原動機模式通過雙向功率轉(zhuǎn)換器控制驅(qū)動電機進入發(fā)電機模式驅(qū)動飛輪減速,由此釋放機械能并將其轉(zhuǎn)換為向電網(wǎng)或負載供電的電能,放電過程中飛輪轉(zhuǎn)速降低,儲的動能逐漸消耗.在待機模式下,角速度幾乎恒定只需少量扭矩或功率即可維持飛輪角速度.圖3了連接至交流電網(wǎng)的飛輪儲能系統(tǒng)中功率/的示意圖[50],其中功率/能量流是雙向的.每種運行模式都需要適當?shù)目刂品桨竵泶_保系統(tǒng)的可靠運行飛輪儲能系統(tǒng)的控制主要依賴于基于雙向電力電子變流器的電機驅(qū)動系統(tǒng),因此電力電子變流器和電

機是飛輪儲能系統(tǒng)控制中至關(guān)重要的元件3Figure3Schematicdiagramofflywheelenergystoragesystemenergyconversion3.2飛輪儲能系統(tǒng)的控制任務分為機側(cè)控制和網(wǎng)側(cè)控制,兩側(cè)控制進一步細分為外環(huán)和內(nèi)環(huán)兩個級聯(lián)控制環(huán).不同的運行模式下,控制目標有所不同,包等.目前,對于飛輪儲能充電模式的研究主要集中在對直流母線電壓和電機轉(zhuǎn)速的控制上,而放電模式的研究主要關(guān)注跟蹤外部功率指令的控制或穩(wěn)定直流母線側(cè)的電壓.圖4和圖5分別給出了連接至直流電網(wǎng)和交流電網(wǎng)的飛輪儲能系統(tǒng)基本控制回路.連接到直流電網(wǎng)的飛輪儲能系統(tǒng)只使用一個機側(cè)變換器,需要在不同的運行模式下切換以完成不同的控制任務.表2結(jié)合近十年的研究文獻，對飛輪儲能系統(tǒng)的控制目標及策略進行了歸納總結(jié).圖5連接至直流電網(wǎng)的飛輪儲能系統(tǒng)典型充放電控制Figure5TypicalcharginganddischargingcontrolofflywheelenergystoragesystemconnectedtoDCpowergrid12345678942

中國科學:技術(shù)科 2023年第53卷第1Figure4TypicalcharginganddischargingcontrolofflywheelenergystoragesystemconnectedtoACpowergrid1）直流電壓控制[384248-4951-53].兩個控制環(huán)由電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)組成,外環(huán)控制直流母線電壓,內(nèi)環(huán)控制電網(wǎng)側(cè)電流或電機側(cè)電流.目前應用最廣泛的母線電壓控制算法是比例積分（PI）控制算法,由于PI控制器往往基于系統(tǒng)的局部線性化模型設(shè)計[48,53],通常只適應于穩(wěn)態(tài)工作點變化不大的對象.為此,文獻[42]針對直流微電網(wǎng)的應用,用自抗擾控制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的雙環(huán)PI控制器來提高飛輪儲能系統(tǒng)的控制品質(zhì);文獻[52]提出了一種基于擴展狀態(tài)觀測器的魯棒控制策略,并考慮了直流鏈路電壓調(diào)節(jié)器中的速Table2Controlobjectivesandstrategiesofflywheelenergystorage外環(huán)控制 內(nèi)環(huán)控制輸入信 控制方 輸入信 控制方 PI控制[38,53, 自抗擾控制 模型預測控制 電機角速度[38,48,51,53-

PI控制

P控制直流側(cè)電壓[38,42,48,49,51-53]基于外部狀態(tài)觀測模型的PI控制 53,55-

有功功率[57-

電機側(cè)電流[38,42,自抗擾控制 基于人工神經(jīng)網(wǎng)的控制策略基于人工神經(jīng)網(wǎng)的控制策略直流側(cè)電壓模型預測控制[48]模型預測控制無功功率PI控制PI控制

無功功率電機定子電壓并網(wǎng)點電壓

直接電壓控制基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的PI控制神經(jīng)元自適應PID控制基于非線性擾動觀測器的PI控制

48,49,51-

模型預測控制RBF神經(jīng)網(wǎng)絡的PI控制[54] 2）電機轉(zhuǎn)速控制[38,48,51,54-56].兩個控制環(huán)由壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)組成,外環(huán)控制電機速度,制電機側(cè)電流.文獻[51]中轉(zhuǎn)速外環(huán)控制器用BP經(jīng)網(wǎng)絡替代傳統(tǒng)PI控制,內(nèi)環(huán)通過基于RBF絡的電壓PI控制器,以生成d軸和q驅(qū)動電機,由此達到期待轉(zhuǎn)速值完成能量存儲.[55]選擇永磁直流無刷電機作為飛輪轉(zhuǎn)子的驅(qū)動電機,并基于轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制方法,子的調(diào)速控制.該雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中內(nèi)環(huán)的電流控 制器采用傳統(tǒng)的PID控制算法,

采用新型的神經(jīng)元自適應PID控制算法.文獻[56]基于外環(huán)轉(zhuǎn)速/能量控制切換的方式,實現(xiàn)高效率充3）功率控制57-].兩個控制環(huán)由功率外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)組成,外環(huán)接收外部功率指令生成內(nèi)環(huán)參考電流信號改變飛輪的狀態(tài).文獻[57]中機側(cè)變流器控制回路采用自適應小波模糊神經(jīng)網(wǎng)絡算法作為靈活的功率調(diào)節(jié)器,進而控制飛輪儲能系統(tǒng)在網(wǎng)絡擾動和/或可變風況下釋放/吸收實際和無功功率,實現(xiàn)對3 李佳玉等:23風機的平滑控制.文獻[58]網(wǎng)絡的簡單功率控制策略,在保持可控電網(wǎng)側(cè)功率的同時對機側(cè)系統(tǒng)進行充放電控制.所提出的控制器基于傳統(tǒng)的矢量控制系統(tǒng),輔以基于神經(jīng)網(wǎng)絡的8電流解耦網(wǎng)絡,用于根據(jù)所需的電網(wǎng)功率水平和飛輪瞬時速度開發(fā)所需的轉(zhuǎn)子電流分量,同時該設(shè)計可避免飛輪充電/放電時定子和轉(zhuǎn)子電路過載 在應用中擴大儲能容量十分重要,來說可以通過提升飛輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速或增加質(zhì)量等方式取更大的儲能容量,輪儲能單元卻具有較高的成本和技術(shù)難度.為此,究人員提出了一種多模塊飛輪儲能單元并聯(lián)組成飛儲能陣列的解決方案[60].成本,還可極大地簡化研發(fā)過程.對于飛輪儲能陣列合理的功率協(xié)調(diào)策略是對陣列中各個單體的輸出功進行管理分配的關(guān)鍵飛輪儲能陣列（FlywheelEnergyStorageFESSA）有兩種可選的連接方案：直流母線并聯(lián)和流母線并聯(lián),分別如圖6和圖7所示.直流母線并聯(lián)飛輪儲能陣列除了可以通過并網(wǎng)逆變器并入大電網(wǎng)還可以直接用于直流微電網(wǎng)6Figure6FESSAconnectedinDC

7Figure7FESSAconnectedinAC飛輪儲能陣列控制相關(guān)研究主要分為兩類：集中（如圖89所示.集中式控制通常由中央控制器來獲得上次調(diào)度信號及每個飛輪單元的狀態(tài)（如當前飛輪的能量狀態(tài)、飛輪功率上限等,然后根據(jù)一定的規(guī)則來分配功率指令,如等功率策略、等轉(zhuǎn)矩策略、等時間長度策略,基于能量狀態(tài)一致的改進下垂控制,“能者多勞”原則]等.分布式控制更偏向于得到一個確切的功率指令,將每個飛輪單元視作一個智能體,基于分布式控制通過各個單元之間進行的通訊來完成指令分配、能量狀態(tài)一致、功率指令跟蹤,實現(xiàn)平滑功率波動的目標.123456789 8(a)中央控制層b)Figure8Centralizedcontrolof(a)Centralcontrollayer;(b)Localcontrol

中國科學:技術(shù)科 2023年第53卷第19(a)中央控制層b)Figure9DistributedControlof(a)Distributedcontrollayer;(b)Localcontrol 在含高比例可再生能源的電力系統(tǒng)中,儲能系統(tǒng)通常會以不規(guī)則且頻繁的充放電模式運行,這可能會縮短其使用壽命并增加維護成本.因此,理想的儲能系統(tǒng)應該具備大容量、高功率、長壽命、高效率和低成本的特點.然而,由于技術(shù)限制,目前還沒有一種儲能技術(shù)可以同時滿足上述所有要求.在應用層面,將兩種甚至多種類型的儲能集成起來形成混合儲能系統(tǒng),并設(shè)計合理的能量管理系統(tǒng)EeyMaageetse,EM),可以同時滿足系統(tǒng)對儲能系統(tǒng)短中長時間尺度性能的需求.混合儲能方案可以根據(jù)應用場景、地理位置和經(jīng)濟成本等因素進行多種選擇.混合儲能系統(tǒng)相對于單一儲能系統(tǒng)而言,其拓撲結(jié)構(gòu)和控制方法更為復雜.它不僅需要解決單一儲能介質(zhì)的控制問題,還需要協(xié)調(diào)不同儲能介質(zhì)之間的控制問題.飛輪儲能功率密度高,但能量密度低,可以配合具有高能量密度的其他儲能形式構(gòu)成混合儲能系統(tǒng),“飛輪+電池混合儲能“飛輪+電池+壓縮空7 李佳玉等:23氣混合儲能”]+壓縮空氣混合儲能”2-84]“飛輪+超級電容混合儲能[85]飛輪+電池+[85+10所示.對于混合儲能系統(tǒng)的應用,長短周期控8 指令的優(yōu)化分配是關(guān)鍵,以“飛輪+電池混合 例給出典型能量管理系統(tǒng)工作流程,11所示. 于“飛輪儲能+混合儲能系統(tǒng)還處于起步階段,互 儲能形式的選擇和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計研究還需進 步加強 10“飛輪儲能+ Figure10Classificationof"flywheelenergystorage hybridenergystorage 11“飛輪+

Figure11Typicalenergymanagementsystemworkflowfor"flywheel+batteryHybridEnergyStorage"以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題十分突出0],新應用模式是破局的關(guān)鍵.飛輪儲能及其集成系統(tǒng)組、聯(lián)合風電機組等幾種典型應用場景.大型電力系統(tǒng)是個即發(fā)即用的供需平衡過程,發(fā)電和用電的不平衡會引起電網(wǎng)頻率、電壓波動,造成電能質(zhì)量下降,甚至對整個電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴重影響.美國、加拿大等國對飛輪儲能技術(shù)與系統(tǒng)的研究起步較早,有許多在能源電力系統(tǒng)中的應用實例,如服務于當?shù)仉娋W(wǎng)調(diào)頻的加拿大明托鎮(zhèn)2MW/500kWh飛輪儲能項目,安大略省圭爾鎮(zhèn)5MW/500kWh飛輪儲能項目;和可再生能源聯(lián)合使用,提供全島的電力供應的加勒比海阿魯巴島10MW/1MWh飛輪儲能項目;美國紐約州和賓夕法尼亞州的兩個20MW/50MWh飛輪儲能調(diào)頻電站,由200臺十五分鐘級單體100kW/25kWh飛輪并聯(lián)構(gòu)成,該項目既可以為紐約州智能電網(wǎng)提供獨立調(diào)頻服務,又近兩年,我國飛輪儲能發(fā)展迅速,相關(guān)項目有：內(nèi)200MW/800MW“全釩液流電池+飛輪混合儲能”共享電站項目[91]、山西鼎輪能源交800MW/800MW“磷酸鐵鋰電池+飛輪混合儲能”電站[93]10MW/2MW“二氧化碳+飛輪[94100MW/3.5MWh飛輪獨立儲能電站項目[95].上述項目建成后,將為電網(wǎng)提供調(diào)頻/調(diào)峰輔助服務,促進新能源消納.上述部分項目如圖12所示.123456789 12(a)20MW飛輪儲能電站(b)100MWFigure12Deployedflywheelenergystorageprojectshomeand(a)20MWFlywheelenergystoragePowerStationinNew(b)Conceptualillustrationofthe100MWindependentenergystoragepowerstationinShanxi, 微電網(wǎng)慣性小、抗干擾能力弱,穩(wěn)定問題更加突出.機、柴油發(fā)電機[74]行改進以適應電網(wǎng)穩(wěn)定性要求,力依舊不足.飛輪儲能系統(tǒng)動態(tài)性能好,能快速提供微電網(wǎng)的功率差額文獻[34]作用,出能夠跟隨頻率變化.文獻[97]出約束控制方法,化實現(xiàn)快速充放電的同時保證頻率偏差在用戶定義圍內(nèi).文獻[98]能模式切換控制策略,制及網(wǎng)側(cè)直流母線電壓控制和補償模式下的網(wǎng)側(cè)頻

中國科學:技術(shù)科 2023年第53卷第1控制和機側(cè)直流母線電壓控制,結(jié)果表明該控制策略使飛輪儲能系統(tǒng)可以有效減少負荷波動下的頻率偏差和直流電壓偏差.除單獨使用外,飛輪儲能在微電網(wǎng)中也常與其他儲能技術(shù)配合使用,文獻[81]提出了一種基于模糊邏輯的PI控制的能量管理方案,采用飛輪儲能補償瞬時功率需求,與電池儲能和壓縮空氣儲能形成互補作用.文獻[9]的研究發(fā)現(xiàn)將飛輪儲能裝置加入光伏微電網(wǎng)中負責頻率波動信號中的高頻分量可以有效減少原本承擔調(diào)頻作用的電池儲能的循環(huán)次數(shù),有助于延長電池壽命.文獻10]針對含光伏發(fā)電的交“飛輪+電池混合儲能系統(tǒng)的微網(wǎng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略，根據(jù)各儲能模塊的剩余容量劃分不同模態(tài)對飛輪和電池進行充放電控制，從而平抑光伏機組造成的功率波動.文獻[7,7,7,7,8587101-102]均采用“飛輪儲能+電池儲能”承擔負荷頻率調(diào)節(jié)作用,根據(jù)上述文獻本文總結(jié)了一類含統(tǒng),如圖13所示.13一類含“飛輪+電池混合儲能”的微電網(wǎng)負荷頻率Figure13Loadfrequencycontrolsystemofmicrogridwith"flywheel+batteryhybridenergystorage"controlsystem隨著新能源的大規(guī)模接入,傳統(tǒng)的火力發(fā)電廠提供的調(diào)頻服務已經(jīng)不能滿足電網(wǎng)的要求.由于火力發(fā)電廠的響應速度較慢,無法精準控制,所以不能用于高頻次的調(diào)頻工作.另外,頻繁調(diào)用火力發(fā)電廠參與電廠調(diào)頻工作,不僅會加速電廠設(shè)備的老化,降低燃料的利用率,還會增加維護成本并減少整個發(fā)電機組的使用壽命,這些都對電網(wǎng)運行穩(wěn)定性產(chǎn)生負面影響7 李佳玉等:23因此,儲能技術(shù)作為新型調(diào)頻輔助手段備受關(guān)注.比于火力發(fā)電廠,蹤和響應速度,的調(diào)頻服務[103-105].文獻[106]8統(tǒng)火電機組跟蹤系統(tǒng)調(diào)頻信號的能力,儲能技術(shù)應用于系統(tǒng)調(diào)頻控制的可行性.能輔助火電機組主要進行一次調(diào)頻和二次調(diào)頻控制針對飛輪儲能系統(tǒng)輔助火電機組參與電網(wǎng)一次調(diào)頻,文獻[107]標提出了一種劃分電量的飛輪儲能調(diào)頻控制,輪不同電量情況下的調(diào)頻效果.文獻[108]率自適應分配模塊和飛輪儲能輸出功率約束控制模塊實現(xiàn)了飛輪儲能聯(lián)合火電機組的自適應協(xié)同一次調(diào)控制研究.文獻[109]儲能參與電網(wǎng)一次調(diào)頻的兩區(qū)域模型,了飛輪儲能系統(tǒng)對于電力系統(tǒng)頻率有很好的支撐作用文獻[110]提出一種考慮機組磨損、反向調(diào)頻量的火電機組-飛輪儲能協(xié)調(diào)控制策略,并通過一次頻考核指標確定了最優(yōu)儲能容量配置策略.文獻提出了一種飛輪與火電機組互補調(diào)頻控制策略,小頻差動作時由飛輪單獨承擔,動作時,動量,可以保證飛輪始終運行在合理工作區(qū)間針對飛輪儲能系統(tǒng)輔助火電機組參與電網(wǎng)二次調(diào)頻,文獻[75]構(gòu)建了混合儲能系統(tǒng)輔助600MW熱機組的調(diào)頻仿真模型,結(jié)果表明,能系統(tǒng)能有效減少電網(wǎng)頻率變化量,功率波動,穩(wěn)定主蒸汽壓力.文獻[112]合調(diào)頻系統(tǒng),火電機組間分配,飛輪儲能跟蹤短周期調(diào)頻信號,火電機組則跟蹤長周期調(diào)頻信號.該聯(lián)合系統(tǒng)通過儲火動態(tài)配合,作,最大限度地提高了系統(tǒng)的調(diào)頻響應能力,能的容量利用效率也得到提升.文獻[113]鍋爐和汽輪機的燃煤機組模型以及基于永磁電機的輪儲能系統(tǒng)充放電控制模型,煤機組和飛輪儲能系統(tǒng)在二次調(diào)頻過程中的協(xié)同作用對兩個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)互補運行狀態(tài)進行了分析項目示范方面,機組調(diào)頻項目有：國家能源集團寧夏靈武發(fā)電廠光儲耦合22MW飛輪儲能項目[114]（項目現(xiàn)場如圖14朔州熱電2MW磁懸浮飛輪儲能電池AGC

目飛輪儲能工程項目[115],以上項目建成后將聯(lián)合為14Figure14Flywheelenergystoragesystemcoordinatedwiththermalpowergenerationunitforfrequencyregulationproject風機的慣性和動態(tài)特性與傳統(tǒng)的基于同步電機的發(fā)電系統(tǒng)相比有很大不同,其電源裝置通過電力電子變換器連接到電網(wǎng),無法為頻率擾動提供旋轉(zhuǎn)慣量.可逆調(diào)節(jié)等優(yōu)點,其快速、準確的特性使其能很好地針對飛輪儲能系統(tǒng)在風電場中的應用時側(cè)重的功能不同,飛輪儲能系統(tǒng)接收的信號也不同,主要可1平滑風功率波動自風電場的功率信號.文獻[]中,飛輪儲能系統(tǒng)能夠在無需過度控制的情況下跟蹤功率基準的快速變化,從而確保風電場的可調(diào)度功率.同時文中還提出了一種選擇控制參數(shù)的方法調(diào)節(jié)飛輪儲能系統(tǒng)的狀態(tài),不同于I控制算法,不需隨系統(tǒng)運行條件的變化而進行調(diào)整.文獻[]對壓縮空氣儲能和飛輪儲能進行了詳細的動態(tài)建模分析,基于頻譜分析方法,確定各儲能裝置的容量和能量調(diào)度策略,仿真結(jié)果表明該混合儲能系統(tǒng)能夠很好地抑制風力發(fā)電的波動滿足負荷總需求.文獻[14]采用飛輪儲能裝置輔助風電場進行有功功率和頻率控制,設(shè)計了包含轉(zhuǎn)速控制模塊和參考功率計算模塊的飛輪儲能控制系統(tǒng),該控制系統(tǒng)根據(jù)參考功率的變化改變飛輪的充放電狀態(tài),從而平穩(wěn)調(diào)節(jié)123風電場的有功輸出.文獻[125]采用模型預測控制方法，通過預測輸入風功率信號的未來動態(tài)，輸出最控制信號調(diào)節(jié)飛輪儲能裝置的充放電，實現(xiàn)平滑風率波動的目的8 ,要目的是保證飛輪儲能耦合風機時直流側(cè)的電壓穩(wěn)定文獻[127]通過控制飛輪儲能單元,平衡故障期間的直流環(huán)節(jié)電壓振蕩的目標.流器處采用了比例積分諧振控制器,壓的振蕩.通過對1MW能風力發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)不平衡故障下的仿真結(jié)果,證了所提出的帶飛輪儲能裝置的直驅(qū)風機系統(tǒng)的協(xié)控制策略.文獻[128]恒定直流電壓,必要的功率基準.文獻[59]輪儲能系統(tǒng)提出了一種混合自適應算法,應飛輪儲能機側(cè)網(wǎng)側(cè)功率變換器的PI控制器參數(shù),實現(xiàn)公共連接點處的并網(wǎng)功率和電壓穩(wěn)定,場的瞬態(tài)穩(wěn)定性3）調(diào)頻[129-132]：飛輪儲能系統(tǒng)接收頻率和功率號.文獻[129]方案,組定子功率和轉(zhuǎn)子輸入機械功率作為外層控制的輸入由外層協(xié)同控制器確定飛輪儲能的調(diào)頻功率指令,風電機組MPPT運行.文獻[131]能與風電機組聯(lián)合進行電網(wǎng)頻率支撐的協(xié)同控制方案使其作為整體提供一次調(diào)頻所需有功備用,控制系統(tǒng)接收頻差信號轉(zhuǎn)換為功率參考變化量,風機當前運行狀態(tài)輸出相應的功率.文獻[132]飛輪儲能輔助風力發(fā)電系統(tǒng)的功率、頻率調(diào)節(jié)的綜控制方法,部分：風機實際輸出功率與總輸出功率參考值的偏差電網(wǎng)運行頻率出現(xiàn)偏差時由頻差和調(diào)差系數(shù)得到的電-飛輪聯(lián)合系統(tǒng)參與一次調(diào)頻應輸出的功率 儲能發(fā)展的指導意見》[2]系統(tǒng)性、戰(zhàn)略性儲能關(guān)鍵技術(shù)研發(fā),技術(shù)的規(guī)?；囼炇痉丁碑斍?

中國科學:技術(shù)科 2023年第53卷第1力系統(tǒng)中的應用呈現(xiàn)快速增長態(tài)勢,集成、控制系統(tǒng)研發(fā)等方面取得了一定進展,從實際需求出發(fā)、從新型電力系統(tǒng)的應用場景出發(fā),進一步推動飛輪儲能及其控制技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展.高性能控制方法.針對高功率密度飛輪儲能系統(tǒng),優(yōu)化控制算法和響應機制,提升充放電響應速度,實現(xiàn)更快速、更準確的能量轉(zhuǎn)換;針對大容量飛輪儲能系統(tǒng),研究多級控制結(jié)構(gòu),結(jié)合轉(zhuǎn)速、內(nèi)部轉(zhuǎn)智能化控制策略.采集和處理方法,實時監(jiān)測飛輪運行狀態(tài)和性能;通過精細化損耗計量,優(yōu)化充放電策略,降低能量損耗;結(jié)合人工智能算法，準確判定運行工況,自動適應不多主體協(xié)同機制.針對“飛輪儲能+”混合儲能系統(tǒng)具有的多主體集成、互補協(xié)同運行的特點,應用大系統(tǒng)理論和多智能體方法,發(fā)展多模塊協(xié)同控制技術(shù),形成混合儲能系統(tǒng)各模塊之間、儲能系統(tǒng)與新型電力系統(tǒng)之間的協(xié)同工作機制,提高儲能系統(tǒng)虛擬聚合與主動支撐.計量、協(xié)調(diào)控制等技術(shù),整合區(qū)域儲能資源,實現(xiàn)規(guī)模化儲能場站的靈活接入與虛擬聚合;充分挖掘聚合資源中不同類型儲能的多時空支撐能力,針對新型電力系統(tǒng)的運行需求,研究源網(wǎng)荷儲協(xié)同的有功、無 “清潔低碳、安全高效的能源體系中,是促進新能源消納,保障電力可靠穩(wěn)定供應的重要技術(shù)手段,其中飛輪儲能技術(shù)因其高功率密度和快速響應速度而備受關(guān)注.在應用層面,飛輪儲能系統(tǒng)系統(tǒng)中常見的調(diào)頻、調(diào)壓、能量平衡問題.為了充分利用飛輪儲能的快速調(diào)節(jié)能力,需關(guān)注單體充放電控制問題及飛輪儲能系統(tǒng)聯(lián)合應用對象時的協(xié)同控制問題.由于研制單臺大功率大容量的飛輪儲能單元成本高、技術(shù)難度大,目前常采用兩種集成應用形“飛輪儲能+混合儲能系統(tǒng),特別關(guān)注多個飛輪儲能單元之間以及飛輪儲能單元與其他形式儲能之間的協(xié)同調(diào)控問題.本文綜述了7 李佳玉等:23 控制和多場景協(xié)同應用的理論和技術(shù)研究現(xiàn)狀,6

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