趙晗彤，張建成

（1.華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北 保定 071003；2.國網赤峰供電公司，內蒙古 赤峰 024000）

0 引 言

隨著全球能源使用量的不斷增長，常規(guī)的化石能源面臨資源短缺、日趨枯竭的問題。在這種嚴峻大形勢下，新能源發(fā)電技術快速發(fā)展起來，其中光伏發(fā)電備受青睞［1-6］，具有廣闊的應用前景。但是光照強度和溫度的變化等因素會影響到光伏發(fā)電的輸出功率，使之產生比較大的波動。如此，電能便不能穩(wěn)定持續(xù)地輸出，負荷突變的跟進不及時，供電質量下降。因此，十分有必要在光伏發(fā)電系統(tǒng)中配置一定容量的儲能裝置［6］，以提高電能質量和供電可靠性。

作為一種新型的儲能元件［1］，飛輪儲能具有許多特點，如功率密度大，使用壽命長，動態(tài)響應快，充放電時間短，充放電循環(huán)次數(shù)無限制，環(huán)保等。相對比于蓄電池，飛輪儲能的預期壽命更長，可靠性也愈發(fā)優(yōu)越。文章以獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)為供電主體，配置適當容量的飛輪儲能系統(tǒng)作為能量調節(jié)單元，來保證供電可靠性和電能質量［2］。

1 基于飛輪儲能的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)

圖1為系統(tǒng)的簡易結構示意圖，主要是由光伏陣列、BOOST DC／DC變換器、直流母線、負載和飛輪儲能系統(tǒng)等幾部分組成的。實現(xiàn)最大功率的跟蹤是BOOSTDC／DC變換器的主要作用，用于調節(jié)光伏陣列的輸出功率；與此同時，它將光伏陣列的電壓由較低值提升至較高值來滿足系統(tǒng)需要［6］。經BOOST DC／DC變換器這一橋梁，直流母線與光伏陣列相連接；對于直流負載用戶，它能夠直接進行供電，面對交流負載用戶，可通過DC／AC逆變器進行供電。飛輪儲能系統(tǒng)直接與直流母線相連，主要構成可分為兩部分，分別是雙向AC／DC變換器與飛輪系統(tǒng)，實現(xiàn)對供電系統(tǒng)的功率平抑，使之輸出穩(wěn)定的電能。

圖1 基于飛輪儲能的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的構成Fig.1 Structure of the stand-alone photovoltaic system based on FESS

2 光伏發(fā)電電源

2.1 光伏陣列的特性

光伏電池的輸出特性具備非線性特征［6］，如圖2所示。

圖2 光伏電池的輸出特性曲線Fig.2 Output characteristic curve of photovoltaic cell

2.2 最大功率點跟蹤

在圖2中的光伏電池P-U特性曲線上，存在著一個最大功率點，這個最大功率點的縱坐標為最大功率，橫坐標為對應電壓［6］。為了提高發(fā)電效率，常常采用最大功率點跟蹤（MPPT）的方式［6］，力圖隨時輸出最大功率。MPPT控制方法多樣，其中電導增量法和擾動觀察法［3］最為普遍采用，文中選用變步長擾動觀察法［4］。

3 飛輪儲能系統(tǒng)

3.1 飛輪儲能系統(tǒng)的組成

飛輪儲能屬于一類具有廣闊應用前景的新型儲能裝置［6-8］，如圖3所示。它的工作原理是：系統(tǒng)儲存能量時，電能借助雙向DC／AC變換器這個通道對電機進行驅動，飛輪被電機帶動加速儲能；當飛輪的旋轉速度上升至最大后，保持恒定不變，系統(tǒng)轉至能量保持狀態(tài)；系統(tǒng)進入釋能階段的標志是接收到相應的控制信號，飛輪基于轉動慣性拖動電機減速發(fā)電，經DC／AC變換器輸出符合要求的電能，這就是飛輪儲能系統(tǒng)的電能-動能-電能的完整過程。飛輪儲能的主電路拓撲結構如圖4所示。

圖3 飛輪儲能系統(tǒng)的結構Fig.3 Structure of FESS

圖4 飛輪儲能系統(tǒng)主電路拓撲結構Fig.4 Main circuit topology structure of FESS

3.2 永磁無刷直流電機的數(shù)學模型

就永磁無刷直流電機來講，采用交、直軸坐標變換的分析方法不再有效，這是因為它的氣隙磁場、電流和反電動勢都是非正弦的。因此，在建立數(shù)學模型時，選用電機本身的相變量形式進行［6］。定子繞組的自感和互感均為常數(shù)，這是因轉子磁阻不隨轉子位置變化而改變之故。假設三相繞組呈完全對稱的格局，磁路為非飽和型，渦流損耗和磁滯損耗不被計算在內，相繞組的電壓平衡方程式可以表示為［3］：

式中u、i、R、e、L和M對應為定子繞組的相電壓、相電流、相電阻、相電動勢、自感和互感。

反電動勢幅值計算公式［9］：

機械運動方程［9］：

式中Ep、Kep、Te、TL、J、f對應為反電動勢幅值、反電動勢系數(shù)、電磁轉矩、負載轉矩、轉子轉動慣量和阻尼系數(shù)［6］。

3.3 飛輪電機的控制策略

比例積分控制器（也稱PI控制器）是目前應用最為廣泛的控制器。它是一種線性控制器，具有原理簡單、易于實現(xiàn)、應用面廣、控制參數(shù)相互獨立且參數(shù)的選定比較簡單等優(yōu)點；適用于具有大慣性、大滯后特性的被控對象，經常用在工業(yè)生產中的液位、壓力、流量等控制系統(tǒng)。

飛輪儲能系統(tǒng)在發(fā)電工況時，采用轉速-電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)，實現(xiàn)轉速和電流兩種負反饋分別起作用。飛輪儲能系統(tǒng)在電動工況時，采用電壓-電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，以保證直流側電壓的穩(wěn)定，達到放電的目的。

當系統(tǒng)直流母線電壓高于額定值時，需向飛輪儲能端輸送能量。若飛輪轉速n小于其極限值n*，飛輪進入充電環(huán)節(jié)［6］。充電時，轉速環(huán)與電流環(huán)均采用PI調節(jié)器進行調節(jié)。速度調節(jié)器進行調節(jié)時的給定誤差信號為（n*-n），其輸出信號為下一級電流環(huán)的給定信號，控制簡圖見圖5。

圖5 充電控制Fig.5 Charge control

當系統(tǒng)直流母線電壓低于額定值時，需飛輪儲能端向直流母線輸送能量。飛輪處于放電環(huán)節(jié)時，永磁無刷直流電機運行于回饋制動工作模式［6，10］；選擇這種控制方式不僅可以大大地簡化電路，節(jié)省下相關的硬件設施，而且還提高系統(tǒng)的可靠性。放電時，外環(huán)電壓環(huán)和內環(huán)電流環(huán)均采用PI調節(jié)器。電壓調節(jié)器進行調節(jié)時的給定誤差信號為（Udc*-Udc），其輸出信號為下一級電流環(huán)的給定信號，控制簡圖見圖6。

圖6 放電控制Fig.6 Discharge control

當系統(tǒng)直流母線電壓一直穩(wěn)定于額定值時，發(fā)出功率與所需功率平衡，那么飛輪不需要吸收或者釋放能量，此時飛輪處于恒速運行狀態(tài)。

4 仿真分析

為了驗證控制策略的可行性，在Matlab／Simulink軟件中對相關內容進行了仿真，建立了圖1所對應的仿真模型，主要組成部分如圖7和圖8所示。處于標準光照強度和環(huán)境溫度時，系統(tǒng)參數(shù)為：直流母線額定電壓為500 V；穩(wěn)壓電容為0.063 F；光伏陣列的開路電壓、短路電流和最大功率點電壓分別為353.6 V、21.16 A和283.2 V；負載用直流電阻代表；電機主要基本參數(shù)：R＝2.8750Ω，L-M＝8.5 mH，p＝4，J＝0.8e-3kg·m2，nN＝8 000 r／min［6］。

圖7 光伏電源仿真模型Fig.7 Simulation model of PV power

獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)工作時，光照的變化和負載的突變?yōu)槠渌艿降闹饕饨绺蓴_因素。因此在仿真過程中對這兩種情況進行模擬。

圖8 飛輪儲能仿真模型Fig.8 Simulation model of FESS

（1）模擬由于受云朵遮擋的影響，造成光照下降，持續(xù)一段時間后恢復正常的情況。

初始光照強度為S＝1 000 W／m2，1 s時光照強度下降至900W／m2，2 s時光照強度恢復到正常情況下的1 000 W／m2。仿真結果見圖9～圖11。

圖9 接入飛輪前直流母線的電壓Fig.9 DC bus voltage without FESS

圖10 接入飛輪后直流母線的電壓Fig.10 DC bus voltage with FESS

由圖9可看出，接入飛輪儲能系統(tǒng)前，因光照的變化，直流母線電壓在1 s時發(fā)生跌落，不能穩(wěn)定于500 V，在2 s時開始回升。由圖10可以看出，飛輪儲能系統(tǒng)接入后，直流母線電壓一直穩(wěn)定于500 V左右，基本沒有受到光照變化的影響。圖11為轉速曲線，1 s前為先充電再保持狀態(tài)，1 s～2 s期間進入放電階段，2 s后再次充電。

圖11 飛輪轉速Fig.11 Speed of the flywheel

（2）模擬負載突變的過程。

初始負載為1 800W，1 s時負載減少至1 300 W，2.5 s時恢復至1 800W，4.5 s時負載增加至4 100W。仿真結果見圖12～圖14。

從圖12可看出，飛輪儲能接入前，由于負載的突變，直流母線電壓在1 s時有所升高，2.5 s時回落，4.5 s時跌落，整個過程中一直不能穩(wěn)定于500 V。由圖13可以看出，飛輪儲能系統(tǒng)接入后，在負載變化的過程中，直流母線電壓一直穩(wěn)定于500 V左右。圖14為轉速曲線，1 s前為先充電再保持狀態(tài)，1 s～2.5 s期間處于加速充電的狀態(tài)，2.5 s～4.5 s期間轉速下降至額定轉速，4.5 s后開始放電。由上述仿真結果可知，飛輪儲能系統(tǒng)有效地提高了獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的電壓質量。

圖12 接入飛輪前直流母線的電壓Fig.12 DC bus voltage without FESS

圖13 接入飛輪后直流母線的電壓Fig.13 DC bus voltage with FESS

圖14 飛輪轉速Fig.14 Speed of the flywheel

5 結束語

文中將飛輪儲能系統(tǒng)作為能量調節(jié)單元應用于獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中，制定了相關的控制策略，通過調整直流母線與飛輪儲能之間的能量流動來穩(wěn)定直流母線的電壓，并利用軟件Matlab對相應內容進行了仿真研究。仿真結果表明，在光照和負載發(fā)生變化的情況下，所設計的控制策略可以使直流母線電壓穩(wěn)定于額定值，從而驗證了它的可行性與有效性。