楊少波,胡文平,孟 良,周 文,胡雪凱,杜曉東

(國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院,石家莊 050021)

經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展及人們生活水平的提升對電網(wǎng)供電品質(zhì)提出了更高的要求。電壓閃變、諧波等電能質(zhì)量問題嚴(yán)重影響居民的用電質(zhì)量,以及精密裝備制造企業(yè)的生產(chǎn)。電能質(zhì)量問題產(chǎn)生的根源之一是電網(wǎng)中城軌、電氣化鐵路、電動汽車充電站等高頻、高幅值沖擊性負(fù)載的接入。一方面電網(wǎng)常規(guī)電源無法快速響應(yīng)沖擊性負(fù)載的產(chǎn)生,造成電網(wǎng)的電壓突變及頻率的連續(xù)振蕩,另一方面,電網(wǎng)電源的頻繁快速響應(yīng)會形成另一種形式的負(fù)荷沖擊,同樣威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。儲能技術(shù)的發(fā)展對電網(wǎng)負(fù)荷沖擊的問題提供了新的解決思路,尤其是飛輪儲能技術(shù)(Fly-wheel Energy Storage System,FESS)。依靠飛輪儲能的能量時移和快充快放特性[1-2]并結(jié)合合理的控制策略可以很好地解決沖擊性負(fù)載帶來的電能質(zhì)量問題。

1 飛輪儲能工作模式及原理

1.1 工作模式

飛輪儲能系統(tǒng)工作過程劃分為3種工作模式[3]:

a.充電模式:電網(wǎng)通過電力變換器向飛輪儲能系統(tǒng)輸送功率,電能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)動能,飛輪轉(zhuǎn)速上升,驅(qū)動電機(jī)工作在電動機(jī)狀態(tài)。

b.能量保持模式:電網(wǎng)向飛輪儲能系統(tǒng)提供基礎(chǔ)電能,使在飛輪最高轉(zhuǎn)速狀態(tài)保持,驅(qū)動電機(jī)工作在電動機(jī)狀態(tài)。

c.放電模式:飛輪儲能系統(tǒng)向電網(wǎng)輸出功率,旋轉(zhuǎn)動能轉(zhuǎn)化為電能,飛輪轉(zhuǎn)速下降,驅(qū)動電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)。

1.2 工作原理

飛輪儲能系統(tǒng)充放電轉(zhuǎn)換是驅(qū)動電機(jī)循環(huán)工作在電動機(jī)和發(fā)電機(jī)狀態(tài),經(jīng)由電力電子變換器,通過電能和動能的雙向變換實(shí)現(xiàn)的。

當(dāng)飛輪儲能系統(tǒng)充電時,飛輪的驅(qū)動電機(jī)工作在電動機(jī)狀態(tài),將電能轉(zhuǎn)換為飛輪轉(zhuǎn)子的動能,使飛輪轉(zhuǎn)速升高實(shí)現(xiàn)能量存儲。此時,電磁轉(zhuǎn)矩與飛輪轉(zhuǎn)速同向,根據(jù)力學(xué)定律得到電機(jī)機(jī)械方程為[4]

式中:Te為電磁轉(zhuǎn)矩;T0為電機(jī)空載轉(zhuǎn)矩;J 為電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量;α 旋轉(zhuǎn)角加速度;ω 為飛輪轉(zhuǎn)速。

當(dāng)飛輪儲能系統(tǒng)放電時,電動/發(fā)電一體化雙向高效電機(jī)實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài),將高速旋轉(zhuǎn)的飛輪轉(zhuǎn)子動能轉(zhuǎn)換為電能,飛輪轉(zhuǎn)速下降實(shí)現(xiàn)能量的釋放。此時,電磁轉(zhuǎn)矩為Te與飛輪轉(zhuǎn)速ω 反向,根據(jù)力學(xué)定律得到電機(jī)的機(jī)械方程為

1.3 電力電子變換器

電力電子變換器是飛輪儲能與電網(wǎng)之間進(jìn)行能量交換的樞紐,其憑借整流逆變和脈寬調(diào)制技術(shù)(Pulse Width Modulatio,PWM)通過驅(qū)動電機(jī)在電動機(jī)和發(fā)電機(jī)之間狀態(tài)的轉(zhuǎn)化,一方面實(shí)現(xiàn)飛輪儲能系統(tǒng)在充放電狀態(tài)下的交直流轉(zhuǎn)換,另一方面維持變換器直流側(cè)電壓在某一恒定值,實(shí)現(xiàn)功率的100%轉(zhuǎn)換。目前變換器的脈寬調(diào)制技術(shù)主要分為為正弦脈寬調(diào)制(SPWM)和空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM),后者應(yīng)用更為廣泛。常用的電力電子變換器為雙PWM 變換器,見圖1,其中以雙電平電壓型PWM 變換器[5-6]最為典型。

圖1 雙PWM 變換器示意

2 直流沖擊性負(fù)載下的飛輪儲能系統(tǒng)控制策略

電網(wǎng)中典型的直流沖擊性負(fù)載主要包括電動汽車充電站、城軌交通、新能源發(fā)電系統(tǒng)等。光伏、風(fēng)電等新能源發(fā)電系統(tǒng)因其隨機(jī)性、波動性等特征,可被視作一種沖擊性負(fù)載。直流沖擊性負(fù)載主要通過將配電網(wǎng)中的交流電經(jīng)過降壓變壓器和整流機(jī)組變換為相應(yīng)電壓等級的直流電進(jìn)行供電。

2.1 電動汽車充電站沖擊性負(fù)載控制策略

基于混合儲能的控制策略[7]主要通過FESS和磷酸鐵鋰蓄電池作為混合儲能,用以抑制光儲式電動汽車充電站直流微網(wǎng)系統(tǒng)中功率和能量的波動,其中FESS用于平滑高頻功率波動和部分低頻功率波動,而蓄電池用于平衡低頻功率波動,維持直流母線電壓穩(wěn)定;充電站并網(wǎng)備用時,蓄電池和FESS兩者都進(jìn)行充放電待用。

基于FESS 的快速充電站能量緩沖控制策略[8]則是將傳統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器中的PI控制器改為斜率控制器,在充電瞬間,直流母線電壓跌落,通過網(wǎng)側(cè)變流器外環(huán)斜率控制器的作用,降低電網(wǎng)饋入充電站直流母線功率的速度,使瞬間的功率需求通過飛輪儲能放電提供,與此同時直流母線電壓隨著飛輪儲能放電轉(zhuǎn)速降低逐步動態(tài)恢復(fù)。

基于負(fù)載電流與轉(zhuǎn)速補(bǔ)償?shù)腇ESS放電算法和控制策略[9-12]通過限制電動汽車快速充電初始階段電網(wǎng)功率爬坡率,降低直流母線電壓跌落幅度,并引入電流內(nèi)環(huán)解耦控制,提高飛輪電機(jī)電流及轉(zhuǎn)速的控制精度。

2.2 城軌交通沖擊性負(fù)載控制策略

城軌交通供電系統(tǒng)主要包含變壓器和整流機(jī)組,供電方式為通過變壓器將110 k V 高壓轉(zhuǎn)換為10 k V/35 k V 中壓,再經(jīng)過整流機(jī)組變換為750 V DC或1 500 V DC進(jìn)行供電,其供電方案見圖2。

圖2 飛輪儲能再生制動能量回收接入方案

目前城軌列車制動能量可達(dá)牽引用電的30%～40%,其中不能被其他列車?yán)枚速M(fèi)的制動能量約占40%。城軌的啟動、運(yùn)行、制動過程相當(dāng)于一個動態(tài)負(fù)荷,其在制動和啟動過程中產(chǎn)生的功率沖擊會造成電網(wǎng)電壓的波動,影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量[13-14]。因此采用再生制動能量吸收利用裝置對列車產(chǎn)生的制動能量進(jìn)行吸收再利用,在實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的同時還能穩(wěn)定直流牽引網(wǎng)壓,降低閘瓦磨耗,減少環(huán)控系統(tǒng)的工作壓力。

飛輪儲能應(yīng)用于城軌再生制動能量回收的傳統(tǒng)控制策略[15]為基于直流母線電壓的控制策略,該策略首先根據(jù)城軌運(yùn)行全過程的電壓變化設(shè)定飛輪儲能的充放電壓閾值Udc=UD～UC,然后再根據(jù)電流母線實(shí)際電壓大小控制飛輪儲能的工作狀態(tài)。根據(jù)U-P 特性曲線將母線電壓值轉(zhuǎn)換為所需要的充放電功率值,然后通過功率限幅控制器得出給定功率數(shù)值,再根據(jù)功率-定子電流特性關(guān)系將功率需求轉(zhuǎn)化為定子電流值,最后通過與定子電流反饋插值進(jìn)行PID 控制產(chǎn)生PWM 控制量,對飛輪系統(tǒng)進(jìn)行充放電控制,控制策略見圖3。

圖3 飛輪儲能再生制動能量回收控制策略

該策略的缺點(diǎn)是交流配電網(wǎng)的電壓波動同樣會造成直流牽引網(wǎng)電壓的波動,從而導(dǎo)致飛輪儲能系統(tǒng)發(fā)生充放電誤操作,消耗牽引網(wǎng)能量,影響配電網(wǎng)供電品質(zhì)。因此基于充放電電壓閾值對于充放電控制邏輯以及功率的影響提出改進(jìn)控制策略[16],將固定電壓閾值改為基于牽引網(wǎng)直流電壓和FESS荷電狀態(tài)(State of Charge,SOC)變化的充放電電壓閾值函數(shù)。通過實(shí)時采集中壓交流電壓信號,結(jié)合牽引變壓器及整流機(jī)組的原理及濾波算法,進(jìn)行牽引網(wǎng)空載電壓辨識,在綜合分析飛輪儲能系統(tǒng)SOC 的基礎(chǔ)上,通過優(yōu)化算法得出最優(yōu)的充放電電壓閾值,使FESS在整個運(yùn)行過程中實(shí)現(xiàn)充放電電壓閾值的動態(tài)調(diào)整,避免交流配電網(wǎng)電壓波動時FESS的誤動。

飛輪儲能系統(tǒng)每完成一次充電操作,更新SOC參數(shù)為SOCE,則充放電電壓閾值為

式中:t為充放電次數(shù);UC、UD為飛輪儲能充電、放電電壓閾值;SOCE為每次充放電操作結(jié)束后飛輪儲能荷電狀態(tài);uE為充放電電壓閾值偏移量。

考慮列車運(yùn)行狀態(tài)的地面式FESS 控制策略[17],通過列車實(shí)時功率、位置數(shù)據(jù),動態(tài)調(diào)整儲能裝置的充電電壓指令,從而調(diào)整FESS的充電功率,使儲能裝置工作在最優(yōu)狀態(tài)?；谶\(yùn)行狀態(tài)的在線優(yōu)化能量管理策略[18],考慮發(fā)車間隔對儲能系統(tǒng)節(jié)能效果的影響,主要體現(xiàn)在不同發(fā)車間隔下,列車間的交互能量不同,對應(yīng)可以被FESS回收的能量也就不同。

2.3 新能源類沖擊性負(fù)載控制策略研究

以光伏發(fā)電微網(wǎng)為例,混合儲能并/離網(wǎng)控制策略[19]在并網(wǎng)方式運(yùn)行時,電池儲能和飛輪儲能聯(lián)合平抑光伏輸出功率波動,提高可再生能源利用率,實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)最優(yōu)運(yùn)行。利用飛輪儲能系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力來平抑光伏輸出的瞬時大功率波動;利用電池儲能系統(tǒng)的高能量密度特點(diǎn)來平抑光伏輸出的長時間尺度波動[19-24]。離網(wǎng)運(yùn)行時,則主要通過電池儲能與柴油發(fā)電機(jī)的配合來平抑光伏功率的波動并維持電壓的穩(wěn)定。

3 交流沖擊性負(fù)載下的飛輪儲能控制策略

目前電網(wǎng)中常規(guī)的沖擊性負(fù)載主要包括電氣化鐵路、電弧爐、軋鋼機(jī)等?，F(xiàn)有研究中針對交流沖擊性負(fù)載的飛輪儲能控制研究多集中在電氣化鐵路方面,而在電弧爐、軋鋼機(jī)等工業(yè)類沖擊性負(fù)載方面的研究較少。

在間接供電方式下,飛輪儲能應(yīng)對沖擊性負(fù)荷的控制策略為:在沖擊性負(fù)載發(fā)生時,切斷負(fù)荷與電網(wǎng)的連接,轉(zhuǎn)由飛輪儲能提供;沖擊性負(fù)載沒有發(fā)生時,電網(wǎng)給飛輪儲能供電,避免沖擊性負(fù)載對電網(wǎng)的沖擊[25]。這種運(yùn)行方式會帶來頻繁的儲能設(shè)備投切操作,減緩電網(wǎng)連接設(shè)備壽命。

在并網(wǎng)供電模式下,飛輪裝置變流器由電網(wǎng)側(cè)變流器和電機(jī)側(cè)變流器兩部分組成。通過兩部分變流器的控制電路獨(dú)立設(shè)計并結(jié)合合適的控制略共同保證飛輪裝置的穩(wěn)定運(yùn)行[26]。

3.1 電網(wǎng)側(cè)變流器控制策略

電網(wǎng)側(cè)變流器的控制策略以保持直流側(cè)電壓恒定,解耦有功功率和無功功率,實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制為目的[27]?，F(xiàn)階段應(yīng)用最為廣泛的是基于坐標(biāo)變化理論的電壓和電流雙閉環(huán)SVPWM 控制策略,其中基于網(wǎng)側(cè)電壓的控制策略以電網(wǎng)電壓為控制基礎(chǔ)分為電壓定相控和直接功率控制。基于虛擬磁鏈的控制策略,以虛擬磁鏈的控制為前提,前者比后者的控制更為準(zhǔn)確、直接。圖4為電網(wǎng)側(cè)變流器控制策略框圖,該控制策略通過Clark變換和Park變換將電網(wǎng)側(cè)三相電流轉(zhuǎn)化成d、q 軸電流進(jìn)行調(diào)節(jié),以穩(wěn)定直流側(cè)電壓,通過控制q 軸電流控制流向網(wǎng)側(cè)的無功功率為0,變流器運(yùn)行在全功率因數(shù)狀態(tài)。Clark變換和Park變換公式見式(4)和式(5)。

通過式(4)和式(5)的變換網(wǎng)側(cè)的有功功率和無功功率方程為

式中:ud、uq為網(wǎng)側(cè)電壓的d、q 軸分量;id、iq為網(wǎng)側(cè)電流的d、q 軸分量。

圖4 電網(wǎng)側(cè)變流器控制策略

3.2 電機(jī)側(cè)變流器控制策略

電機(jī)側(cè)變流器主要負(fù)責(zé)按照上層控制器的指令實(shí)現(xiàn)對飛輪充放電的控制,傳統(tǒng)能量環(huán)節(jié)以直流側(cè)網(wǎng)壓為控制對象[27]。其原理是根據(jù)網(wǎng)壓指令和實(shí)際網(wǎng)壓的偏差值直接控制儲能裝置的充放電,控制比較簡單。其控制手段是利用了在傳輸功率時直流側(cè)母線電壓會發(fā)生波動的特點(diǎn),但是這與網(wǎng)側(cè)變流器要控制直流母線電壓穩(wěn)定的初衷相違背,即如果直流側(cè)電壓被控制得不再波動,則該能量控制環(huán)節(jié)將失效。

應(yīng)用于電氣化鐵路的飛輪儲能裝置主要是為了利用飛輪的功率容量對牽引負(fù)荷進(jìn)行削峰填谷,因此能量控制外環(huán)可將有功功率作為外環(huán)反饋量。相關(guān)學(xué)者提出利用牽引負(fù)荷功率來控制飛輪充放電的能量外環(huán)控制方式[28]。同時為了提高系統(tǒng)的響應(yīng),采用了電流環(huán)作為控制內(nèi)環(huán),見圖5。

圖5 電機(jī)側(cè)變流器控制策略

通過仿真驗(yàn)證,基于雙閉環(huán)的SPWM-SVPWM 電力電子變換器能夠?qū)崿F(xiàn)飛輪儲能充放電功率的快速精準(zhǔn)控制并維持直流母線電壓的恒定。

4 結(jié)論與展望

a.飛輪儲能系統(tǒng)的控制策略以電力電子變換器的控制策略為主,以直流沖擊性負(fù)載和交流沖擊性負(fù)載為主線,從飛輪儲能的充放電功率控制和電力電子變換器直流側(cè)電壓穩(wěn)定控制兩方面對不同應(yīng)用場景下的飛輪儲能控制策略進(jìn)行分析,并對同一控制對象的不同控制方法進(jìn)行對比。

b.現(xiàn)有的控制策略中,控制對象和反饋參數(shù)主要以電壓、功率和轉(zhuǎn)速等線性變量為主,對于常規(guī)負(fù)荷波動和沖擊性負(fù)載波動同時存在的應(yīng)用場景,對2種負(fù)荷的辨識方法缺乏研究,后續(xù)研究中可以考慮加入微分反饋環(huán)節(jié),加強(qiáng)對2種負(fù)荷的辨識能力,從而使飛輪儲能精準(zhǔn)響應(yīng)沖擊性負(fù)載。

c.現(xiàn)有的控制模型的研究集中于控制精度方面,在控制策略的經(jīng)濟(jì)性方面研究較少。應(yīng)結(jié)合電網(wǎng)線損成本、飛輪儲能充放電成本及功率控制的響應(yīng)速度懲罰成本研究面向沖擊性負(fù)載的飛輪儲能控制策略,在保證控制精度的同時,提高控制的經(jīng)濟(jì)性。

d.在能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的大背景下,基于綜合能源服務(wù)和源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)發(fā)展應(yīng)用場景下的飛輪儲能控制策略研究前景廣闊。