吳晉波 文勁宇 孫海順 程時(shí)杰 洪 權(quán) 李 勇 徐友平

（1. 華中科技大學(xué)強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430074 2. 華中電力調(diào)度通信中心 武漢 430077）

1 引言

功率平衡是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的根本保證。隨著風(fēng)電、太陽能等新能源大規(guī)模地接入電網(wǎng)，它們的隨機(jī)性和波動(dòng)性將使電網(wǎng)功率失衡的概率大大增加，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。采用儲能技術(shù)快速補(bǔ)償電網(wǎng)的功率不平衡，是一種增強(qiáng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的有效辦法。

在現(xiàn)有的各種儲能技術(shù)中，蓄電池[1-4]是一種比較成熟的儲能方式，但是，充放電速度和次數(shù)限制以及對環(huán)境的影響制約了其在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用；超級電容器[5-8]具有良好的充放電特性，但其單個(gè)元件的儲能容量太低，還難以在電力系統(tǒng)中應(yīng)用；超導(dǎo)磁儲能（SEMS）[9-12]被認(rèn)為是一種最有應(yīng)用前景的儲能技術(shù)，但目前由于其高昂的制造和運(yùn)行成本，還難以在電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

飛輪儲能具有能量密度高、充放電速度快、運(yùn)行壽命長、對環(huán)境影響小等特性，已在風(fēng)力發(fā)電、電動(dòng)汽車、航空航天等領(lǐng)域得到應(yīng)用[13-16]，其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用也是近年來的研究熱點(diǎn)之一[17-21]。

文獻(xiàn)[17]提出了一種綜合飛輪儲能和雙饋電機(jī)兩者優(yōu)點(diǎn)的新型 FACTS裝置——多功能柔性功率調(diào)節(jié)器（Flexible Power Conditioner，F(xiàn)PC），F(xiàn)PC具有電能存儲、有功功率和無功功率獨(dú)立調(diào)節(jié)等多種功能。文獻(xiàn)[17-21]對FPC的工作原理、功率傳遞關(guān)系、控制策略、運(yùn)行特性以及啟動(dòng)方式等進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，取得了一系列研究成果，但是這些成果都局限于理論研究和仿真分析，缺少實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

本文在上述研究成果的基礎(chǔ)上，研制了一套380V/4kW的FPC實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，如圖1所示，具體參數(shù)見附錄，對該樣機(jī)的運(yùn)行特性進(jìn)行了全面的實(shí)驗(yàn)研究，并對結(jié)果進(jìn)行了分析。

圖1 FPC實(shí)驗(yàn)樣機(jī)Fig.1 The prototype of the FPC

2 柔性功率調(diào)節(jié)器（FPC）樣機(jī)

2.1 變量及符號說明

本文中，P、Q、U、I、R、L、ω分別表示有功功率、無功功率、電壓、電流、電阻、電感、轉(zhuǎn)速，下標(biāo)s、r、m分別表示雙饋電機(jī)定、轉(zhuǎn)子側(cè)以及氣隙對應(yīng)量，下標(biāo) ref表示來自上一環(huán)節(jié)的指令值，下標(biāo)d、q表示相應(yīng)的d、q軸分量，上標(biāo)*表示實(shí)際測量值，無下標(biāo)的P、Q特指FPC總的輸出功率。功率以向電網(wǎng)釋放功率為正方向，定子側(cè)電流以流出定子為正方向，轉(zhuǎn)子側(cè)電流以流入轉(zhuǎn)子為正方向。另外，ωs=ω1-ωr，ω1、ωr分別為同步轉(zhuǎn)速及雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，s=ωs/ω1為轉(zhuǎn)差率，σ=LsLr/Lm-Lm。

2.2 FPC樣機(jī)的構(gòu)成與并網(wǎng)方式

FPC樣機(jī)由帶有大慣量飛輪的變速恒頻雙饋電機(jī)、用于交流勵(lì)磁控制和功率調(diào)控的雙 PWM電壓型變頻器和微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)三個(gè)部分組成，如圖1所示。樣機(jī)結(jié)構(gòu)與文獻(xiàn)[17]給出的設(shè)計(jì)方案基本一致。

FPC樣機(jī)的控制系統(tǒng)可以分為上層控制、中層控制和下層控制等三個(gè)層次，其中：上層控制的功能由微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，中層控制和下層控制的功能由雙PWM變頻器內(nèi)嵌驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對FPC自身的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，同時(shí)監(jiān)測FPC所接入電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)相應(yīng)的控制目標(biāo)確定FPC應(yīng)該發(fā)出或吸收的有功功率和無功功率的參考值（Pref和Qref），并將參考值指令發(fā)送給中層控制。

中層控制將上層控制發(fā)來的功率參考值轉(zhuǎn)化為電壓控制指令并發(fā)送給下層控制。由于定子磁鏈的準(zhǔn)確測量比較困難，而定子電壓的檢測和控制比較容易實(shí)現(xiàn)[18]，因此中層控制采用了基于定子電壓定向的矢量勵(lì)磁控制策略，即Usd=0、Usq=Us，具體控制結(jié)構(gòu)為功率、電流雙環(huán)PI控制，如圖2所示。

圖2 中層控制器控制框圖Fig.2 Control diagrams of the middle level controller

下層控制將中層控制發(fā)來的電壓控制指令轉(zhuǎn)換為變換器三相全橋的開關(guān)管導(dǎo)通控制信號，采用的控制策略為電壓空間矢量SVPWM法。

FPC樣機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)按轉(zhuǎn)速可分為亞同步狀態(tài)（500r/min～1 000r/min）和超同步狀態(tài)（1 000r/min～1 500r/min）。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，F(xiàn)PC樣機(jī)的輸出有功功率范圍為-4kW～4kW，輸出無功功率范圍為-4kvar～4kvar。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，F(xiàn)PC樣機(jī)接入 380V電網(wǎng)，其中：雙饋電機(jī)的定子直接與電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子側(cè)所接的變頻器通過變壓器與定子并聯(lián)接入電網(wǎng)，具體實(shí)驗(yàn)接線如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)接線示意圖Fig.3 Schematic diagram of the test

2.3 FPC實(shí)際運(yùn)行特性分析

FPC正常運(yùn)行時(shí)，將變頻器整流側(cè)的功率因數(shù)設(shè)定為 1，不與電網(wǎng)進(jìn)行無功交換，因此，F(xiàn)PC的輸出功率P、Q與雙饋電機(jī)定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)輸出功率關(guān)系如下[17]：

在現(xiàn)有的FPC相關(guān)研究中[18,19]，通常忽略其定子電阻，但在實(shí)際運(yùn)行過程中，定子電阻不能忽略，根據(jù)基于定子電壓定向的矢量勵(lì)磁控制策略和雙饋電機(jī)模型[18,19]，可以推導(dǎo)得到定、轉(zhuǎn)子電流的d、q分量與FPC輸出功率P、Q的關(guān)系為

3 FPC啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)

FPC樣機(jī)采用直接變頻啟動(dòng)[22]。啟動(dòng)時(shí)，Pref通過轉(zhuǎn)速控制獲得，如圖 4所示，這樣可以使Pref從零開始平緩增加，保證了啟動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速平穩(wěn)上升，減小了 FPC啟動(dòng)對電網(wǎng)的沖擊；同時(shí)避免了FPC低轉(zhuǎn)速、特別是接近零轉(zhuǎn)速時(shí)，由于Pr過大對變頻器造成的沖擊，減小了對變頻器容量的要求。

圖4 轉(zhuǎn)速控制框圖Fig.4 Control diagram of the speed control

FPC啟動(dòng)過程中，Qref按如下方式設(shè)定：在低轉(zhuǎn)速時(shí)，Qref設(shè)為-2kvar；達(dá)到一定轉(zhuǎn)速（樣機(jī)設(shè)定為250r/min）后，Qref設(shè)為0。這是因?yàn)椋涸趩?dòng)的初始階段，轉(zhuǎn)子電流較小，變頻器自身產(chǎn)生的無功功率不足以提供雙饋電機(jī)啟動(dòng)需要，F(xiàn)PC樣機(jī)需向電網(wǎng)吸取無功功率；當(dāng)轉(zhuǎn)子電流足夠大時(shí)，變頻器已能產(chǎn)生足夠的無功功率，則停止向電網(wǎng)吸取無功功率。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，F(xiàn)PC樣機(jī)應(yīng)能在 500r/min～1 500r/min之間正常運(yùn)行，圖 5給出了轉(zhuǎn)子從靜止開始啟動(dòng)升速至800 r/min的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中圖5a～5d 分別為啟動(dòng)過程中ωr、Ps、P、Q、Isq、Isd、Irq、Ird的錄波波形。可以看出，樣機(jī)從靜止啟動(dòng)至 800 r/min所需時(shí)間約為 110s；啟動(dòng)過程中，ωr變化平滑，沒有出現(xiàn)劇烈的加速或減速現(xiàn)象，超調(diào)量約30 r/min，超調(diào)時(shí)間約為20s；P從零開始緩慢增加，P的峰值約為-1.6kW，Ps則維持在-2kW附近，Ps與P變化關(guān)系同式（1）基本一致；啟動(dòng)初始階段，Q約為-2kW，ωr達(dá)到250r/min之后，Q跳變?yōu)?，與Qref設(shè)定一致；計(jì)算分析表明，啟動(dòng)過程中，Isq、Isd、Irq、Ird與P、Q之間的關(guān)系同式（2）基本一致。

由啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，F(xiàn)PC樣機(jī)較好地實(shí)現(xiàn)了直接變頻啟動(dòng)，啟動(dòng)過程中ωr變化平緩，對電網(wǎng)和變頻器的沖擊較小，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖5 FPC直接變頻啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Test results of the FPC prototype during frequency conversion start

4 FPC功率輸出特性實(shí)驗(yàn)

分別在亞同步和超同步狀態(tài)下對FPC樣機(jī)進(jìn)行了有功功率和無功功率單獨(dú)輸出特性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程如下。

（1）有功功率輸出特性實(shí)驗(yàn)。Qref始終保持為0，Pref按照 0、4kW、-4kW、0、-4kW、4kW、0的順序依次改變，在每個(gè)功率指令值上停留5s左右的時(shí)間。

（2）無功功率輸出特性實(shí)驗(yàn)。Pref始終保持為0，Qref按照 0、4kvar、-4kvar、0、-4kvar、4kvar、0的順序依次改變，在每個(gè)功率指令值上停留 5 s左右的時(shí)間。

圖6和圖7為亞同步狀態(tài)下FPC樣機(jī)功率輸出特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖6a～6d和圖7a～圖7d分別對應(yīng)顯示了ωr、Ps、P、Q、Isq、Isd、Irq、Ird的錄波波形。從圖中可以看出，亞同步狀態(tài)下，F(xiàn)PC樣機(jī)能夠及時(shí)跟蹤有功功率和無功功率參考值的變化，功率輸出平穩(wěn)；ωr隨P的正負(fù)而下降或上升，由于自身損耗，P= 0時(shí)，ωr也在緩慢下降。通過計(jì)算分析表明：Ps與P的關(guān)系同式（1）基本一致，Isq、Isd、Irq、Ird與P、Q的關(guān)系同式（2）基本一致。

圖6 亞同步狀態(tài)下FPC有功功率輸出特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Test results of the FPC prototype on P regulation at sub-synchronous

圖7 亞同步狀態(tài)下FPC無功功率輸出特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Test results of the FPC prototype on Q regulation at sub-synchronous

超同步狀態(tài)下FPC樣機(jī)功率輸出特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果見附錄中的附圖 1和附圖2，從圖中也可以得到上述類似結(jié)論。

5 功率動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性實(shí)驗(yàn)

FPC樣機(jī)初始處于亞同步或超同步狀態(tài)，功率穩(wěn)定輸出，此時(shí)給樣機(jī)施加功率正負(fù)階躍指令信號，記錄FPC的輸出功率波形，檢驗(yàn)FPC功率響應(yīng)特性。圖8給出了FPC的有功功率和無功功率的功率響應(yīng)特性實(shí)驗(yàn)錄波曲線，從波形圖上觀察功率從初始穩(wěn)定值到階躍后穩(wěn)定值的時(shí)間即為功率響應(yīng)時(shí)間。下表給出了具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表 FPC樣機(jī)功率響應(yīng)特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab. Test data of the FPC prototype on power dynamic response

圖8 FPC樣機(jī)功率動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Test results of the FPC prototype on power dynamic response

可以看出，無論是在亞同步狀態(tài)下，還是在超同步狀態(tài)下，F(xiàn)PC樣機(jī)均具有良好的功率動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，其中，有功功率的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間約為 70～100ms（亞同步狀態(tài)）和50～70ms（超同步狀態(tài)），無功功率Q的動(dòng)態(tài)時(shí)間約為 60ms，能夠滿足增強(qiáng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求[17]。

6 FPC功率解耦調(diào)控特性實(shí)驗(yàn)

分別在亞同步狀態(tài)和超同步狀態(tài)下對FPC樣機(jī)進(jìn)行了有功功率和無功功率同時(shí)輸出的解耦調(diào)控特性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中，Pref和Qref分別設(shè)置為不同的參考值并進(jìn)行變化，圖9給出了其中的一組實(shí)驗(yàn)錄波波形?？梢钥闯觯現(xiàn)PC樣機(jī)的有功功率和無功功率能夠分別獨(dú)立控制，兩者之間幾乎沒有相互影響，說明FPC具備P-Q解耦調(diào)控的能力。

將實(shí)驗(yàn)過程中記錄的FPC樣機(jī)同一時(shí)刻輸出的有功功率和無功功率數(shù)據(jù)畫在P-Q相平面上，可以得到如圖 10所示的P-Q相平面曲線，可以看出，F(xiàn)PC具備四象限功率調(diào)節(jié)能力，可對電力系統(tǒng)功率不平衡進(jìn)行有效的補(bǔ)償。

圖9 FPC樣機(jī)P-Q解耦調(diào)控實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Test results of the FPC prototype on P-Q decoupling regulation

圖10 FPC樣機(jī)的P-Q調(diào)節(jié)相平面圖Fig.10 P-Q regulation trajectory of FPC prototype

7 結(jié)論

本文介紹了柔性功率調(diào)節(jié)器（FPC）380V/4kW實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的構(gòu)成，對樣機(jī)運(yùn)行特性進(jìn)行了全面的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：FPC樣機(jī)可以實(shí)現(xiàn)直接變頻啟動(dòng)，啟動(dòng)過程中無需其他附加啟動(dòng)設(shè)備，不會(huì)對電網(wǎng)造成沖擊；正常運(yùn)行過程中，F(xiàn)PC的有功功率和無功功率的響應(yīng)速度均在100ms以內(nèi)，并可在四象限內(nèi)解耦調(diào)控。FPC樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：FPC技術(shù)可行，采用FPC可以快速補(bǔ)償電力系統(tǒng)的功率不平衡，是一種增強(qiáng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的有效方法。

附 錄

1. FPC樣機(jī)參數(shù)

額定頻率f=50Hz，極對數(shù)p=3，額定輸出功率PN=4kW、QN=4kvar，額定定子電壓UsN=380V，變頻器直流電容電壓Udc=490V，同步轉(zhuǎn)速ω1=1 000r/min，正常運(yùn)行范圍 500r/min＜ωr＜1 500r/min，額定功率因數(shù)λN=0.80，定子相電阻Rs=1.413 2Ω，轉(zhuǎn)子相電阻Rr=0.312 2 Ω，定子相漏感Ls=0.008 5H，轉(zhuǎn)子相漏感Lr=0.013 6H，氣隙相漏感Lm=0.314 0H，總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=19kg·m2，定子和轉(zhuǎn)子繞組為星形聯(lián)結(jié)。

2. 超同步狀態(tài)下FPC樣機(jī)功率輸出特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

附圖1 超同步狀態(tài)下FPC樣機(jī)有功功率輸出特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果App. Fig.1 Test results of the FPC prototype on P regulation at super-synchronous

附圖2 超同步狀態(tài)下FPC樣機(jī)無功功率輸出特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果App. Fig.2 Test results of the FPC prototype on Q regulation at super-synchronous

[1]Oudalov A, Chartouni D, Ohler C. Optimizing a battery energy storage system for primary frequency control[J]. IEEE Transactions on Power Systems,2007, 22 (3): 1259-1266.

[2]Singh B, Kasal G K. Voltage and frequency controller for a three-phase four-wire autonomous wind energy conversion system[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2008, 23(2): 509-518.

[3]Torrico-Bascope R P, OliveiraJr D S, Branco C G C.A UPS with 110V/220V input voltage and high-frequency transformer isolation[J]. IEEE Transactions on Industry Electronics, 2008, 55(8):2984-2996.

[4]Strunz K, Louie H. Cache energy control for storage:power system integration and education based on analogies derived from computer engineering[J].IEEE Transactions on Power Systems, 2009, 24(1):12-19.

[5]Rahman Md H, Yamashiro S. Novel distributed power generating system of PV-ECaSS using solar energy estimation[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2007, 22(2): 358-367.

[6]Santoso S. On determining the relative location of switched capacitor banks[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2007, 22(2): 1108-1116.

[7]Santoso S, Hansen D. Practical solutions for broadband and time-varying interharmonic problems[J].IEEE Transactions on Power Delivery, 2007, 22(2):1228-1234.

[8]Xie H L, Angquist L, Nee H P. Investigation of statcoms with capacitive energy storage for reduction of voltage phase jumps in weak networks[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2009, 24(1):217-225.

[9]Ali M H, Park M, Yu I K, et al. Improvement of wind-generator stability by fuzzy logic controlled SMES[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2009, 45(3): 1045-1051.

[10]Ali M H, Member S, Wu B. Comparison of stabilization methods for fixed speed wind generator systems[J]. IEEE Transactions on Power Delivery,2010, 25(1): 323-331.

[11]Wang L, Chen S S, Lee W J, et al. Dynamic stability enhancement and power flow control of a hybrid wind and marine-current farm using SMES[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2009, 24(3):626-639.

[12]Dechanupaprittha S, Hongesombut K, Watanabe M, et al. Stabilization of tie-line power flow by robust smes controller for interconnected power system with wind farms[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2007, 17(2): 2365-2368.

[13]Cimuca G O, Saudemont C, Robyns B. Control and performance evaluation of a flywheel energy-storage system associated to a variable-speed wind generator[J]. IEEE Transactions on Industry Electronics, 2006, 53(4): 1074-1085.

[14]Cardenas R, Pena R, Asher G. Power smoothing using a flywheel driven by a switched reluctance machine[J].IEEE Transactions on Industry Electronics, 2006,53(4): 1086-1093.

[15]Lukic S M, Cao J, Bansal R C. Energy storage systems for automotive applications[J]. IEEE Transactions on Industry Electronics, 2008, 55(6):2258-2267.

[16]Kenny B H, Jansen R, Kascak P. Integrated power and attitude control with two flywheels[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,2005, 41(4): 1431-1449.

[17]文勁宇, 李剛, 程時(shí)杰, 等. 一種增強(qiáng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的多功能柔性功率調(diào)節(jié)器[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2005, 25(25): 6-11.

Wen J Y, Li G, Cheng S J, et al. A multi-functional flexible power conditioner for power system stabilities enhancement[J]. Proceedings of the CSEE,2005, 25(25): 6-11.

[18]李剛, 文勁宇, 程時(shí)杰, 等. 利用柔性功率調(diào)節(jié)器提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2006,26(23): 1-6.

Li G, Wen J Y, Cheng S J, et al. Power system stability enhancement by the flexible power conditioner[J]. Proceedings of the CSEE, 2006,26(23): 1-6.

[19]楊浩, 文勁宇, 李剛, 等. 多功能柔性功率調(diào)節(jié)器運(yùn)行特性的仿真研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2006,26(2): 19-24.

Yang H, Wen J Y, Li G, et al. Investigation on operation characteristics of multi-functional flexible power conditioner[J]. Proceedings of the CSEE, 2006,26(2): 19-24.

[20]辛頌旭, 李剛, 文勁宇, 等. 柔性功率調(diào)節(jié)器用變換器故障狀態(tài)運(yùn)行特性分析[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2007, 27(25): 67-72.

Xin S X, Li G, Wen J Y, et al. Operating characteristics investigation of converters used in flexible power conditioner under grid fault condition[J].Proceedings of the CSEE, 2007, 27(25): 67-72.

[21]李剛, 文勁宇, 程時(shí)杰, 等. 多功能柔性功率調(diào)節(jié)器的啟動(dòng)與并網(wǎng)研究[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2006,30(2): 17-22.

Li G, Wen J Y, Cheng S J, et al. Investigation on start and cut-in of the multi-function flexible power conditioners[J]. Automation of Electric Power Systems, 2006, 30(2): 17-22.