用于风电机组并网功率控制的飞轮储能系统研究与仿真

张 海，梅柏杉，崔 韬，魏春雪，陈志华

(1.上海电力学院电力与自动化工程学院，上海 200090;2.山东省阳信电力供电公司电力调度控制中心，山东滨州 251800)

风速的随机性使得风电机组的并网输出功率具有波动性，会影响风电机组输出的电能质量，引起电网频率波动，甚至带来电网不稳定性问题［1－2］，因此风电场输出功率控制成为风电技术的研究重点。

文献［3］提出了结合桨距控制和速度控制的风电场有功功率平滑控制策略，但由于变桨距机构惯性大，反应慢，很难达到理想的效果;文献［4－6］采用增加储能设备的方法，分别利用化学电池、超级电容储能、飞轮储能系统来实现风电能量的缓存，调节并网功率。其中飞轮储能系统因储能密度高，瞬时功率较大，生命周期长，能量转换效率高，对环境友好等特点具有很好的应用前景［7］。

本文选用无刷直流电机作为飞轮的驱动电机，研究了飞轮系统的控制系统，并设计了飞轮储能系统的功率平滑方案，使飞轮储能系统能随着风力发电机功率输出的变化来调整缓存功率，以起到平稳风电场输出功率的目的。

1 引入飞轮储能系统的永磁直驱风电机组基本结构

以永磁直驱风电机组为例，在其直流侧引入飞轮储能系统后，基本电路结构如图1所示。

增加飞轮储能装置后，原双PWM变流器的控制策略维持不变［8］。利用飞轮储能系统的能量缓存作用，可实时调节风电机组向电网输出的功率值。当风电场功率处于波峰时，飞轮加速旋转，将波峰能量以机械能的形式储存在飞轮转盘中;当风电场功率处于波谷时，飞轮转速降低，飞轮转盘储存的能量通过驱动电机和电力转换器回馈电网。由能量守恒关系，发电机输出的有功功率等于机组的并网有功功率加上流入飞轮储能装置的有功功率。设风力发电机组输出的有功功率为Ps，网侧变流器向电网输出的有功功率为Pg，飞轮储能系统从直流侧吸收的有功功率为Pf(若为负值则表示飞轮储能系统回馈能量到机组直流侧)，则有

只需按式(2)求得飞轮储能系统的参考功率值即可对飞轮储能系统进行功率控制。

图1 采用飞轮储能系统的永磁直驱风电系统基本结构

2 飞轮储能系统

2.1 飞轮储能系统的基本结构及电机的选用

典型的飞轮储能系统一般包括飞轮、轴承、电机、电力电子变换器和真空容器等［9］。飞轮转盘与驱动电机转子连接，共同旋转，作为飞轮系统的储能主体。能量转换时，电力转换器通过控制电机转子转速变化来控制飞轮转盘储能变化。轴承用来支撑飞轮转盘的质量，目前多用永磁悬浮结构来减少摩擦损耗。真空容器可以减少飞轮转盘高速旋转时的风磨损耗。

飞轮储能系统对电机的要求非常高:要求驱动电机具有可逆性，能根据需要灵活地进行能量储存与释放;速度变化范围大;空载损耗小;调速性能好，运行效率高［10－11］。永磁无刷直流电机因具有结构简单，调速方便，易于控制，功能密度大，维护方便，并且无励磁损耗，功率调速范围宽，易于实现功率双向流动等特点，在飞轮储能系统应用中有很大优势。因此，本文所构建的系统中采用永磁无刷直流电机作为能量转换电机。

假设磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗，三相绕组完全对称，则永磁无刷直流电机三相绕组的电压平衡方程［12－13］可表示为

式中:Ua、Ub、Uc为定子相绕组电压;Ia、Ib、Ic为定子相绕组电流;Ea、Eb、Ec为定子相绕组反电势;L为每相绕组的自感;M为每两相绕组间的互感。

对于三相无刷直流电机，其定子绕组产生的电磁转矩Te表达式为

2.2 飞轮储能系统能量调节控制框图

储能系统的电机驱动模块采用速度电流双闭环控制策略，基本控制结构如图2所示。

图2 飞轮储能系统功率控制策略基本控制结构

Ps为风电机组发出的瞬时有功功率，由发电机侧实时测得。为参考功率给定值，由式(2)可以得到飞轮系统的功率参考值Pref曲线，参考转速n*由Pref经功率控制模块得出。当Pref为正值时，风电场功率处于波峰，控制飞轮转盘加速旋转，驱动电机作为电动机，进行储能;反之，系释放能量。

飞轮系统驱动电机控制采用速度电流双闭环控制。速度控制模块取参考转速与实际转速的差值，经转速调节器计算求取相应参考电流幅值Is。参考电流方向模块则由霍尔元件测量无刷直流电机信号确定三相绕组电流的参考方向DIabc。由参考电流幅值和参考电流方向相乘可得定子三相参考电流。电流闭环根据定子三相参考电流和实际反馈电流Iabc值的比较，输出逆变器的PWM触发信号，控制定子实际电流Iabc跟踪定子三相参考电流可实现实际电流对参考电流的跟踪，进而控制实际转速跟随参考转速变化。通过控制电机的转速变化，可以使飞轮装置灵活地实现能量缓存，平滑风电机组中能量的波动。

3 风电场的并网有功功率平滑仿真

在Matlab/Simulink环境中建立图1所示的系统仿真模型，风电机组为永磁直驱风力发电机。机组额定容量为1.2 MW，4对极，定子电阻0.97 Ω，额定线电压690 V。风力机保持桨距角为0°。永磁无刷直流电机的参数为:2P=8，Rs=2.875 Ω，Ld=Lq=0.5 mH，J=6.23 kg/m2;电机初始转速3 000 r/min，最高转速6 000 r/min;给定风电机组参考功率=1.2×106W。

设置由基本风、阵风和随机风组成的自然风模型，如图3所示，其中基本风速为12 m/s，2～5 s内只有基本风速和噪风，平均风速为12 m/s;在5～9 s内叠加正阵风，使风速增大，最高风速为13.5 m/s，11～14 s内叠加负阵风，使风速减小，最低风速为10.7 m/s。在此自然风过程中，分别对未并联飞轮储能系统和并联飞轮储能系统的2个模型进行仿真，验证控制策略的有效性。

未安装储能装置时，永磁直驱风电机组并网有功功率仿真结果如图4所示，可看出当风速发生变化时，机侧输出的有功功率随风速的3次方有较大的波动，风电机组向电网输出的有功功率波动比较明显。

图3 自然风速变化曲线

图4 未采用飞轮储能时风电机组并网功率曲线

当采用飞轮储能系统后，并网有功功率仿真结果如图5所示，可以看到利用飞轮储能的能量缓存作用，很好地改善了机组的并网有功功率输出，不仅可以平滑阵风对并网功率造成的波动影响，并且大大减少了噪风对功率波动的影响，使风电场输出的功率接近机组参考功率值。

图5 采用飞轮储能系统的风电机组并网功率曲线

图6所示为飞轮储能系统功率参考值变化曲线和飞轮转盘转速变化曲线。飞轮转盘转速很好地跟随飞轮储能系统的功率给定值变化，在Pref为正，即发电机组发出的功率大于并网功率参考值时，飞轮转盘转速增大，飞轮装置储存能量，将多余的能量以机械能的形式储存下来;在Pref为负，即发电机组发出的功率低于并网功率参考值时，飞轮转盘转速减小，飞轮装置释放能量，将储存的能量反馈给电网。通过不断地能量交换，平滑机组并网功率，验证了飞轮储能控制系统的可行性。

图6 飞轮储能系统的功率曲线和飞轮转盘转速变化曲线

以上仿真证明了本文采用的飞轮储能系统及其控制策略可以在高效利用风能的同时，很好地平滑机组输出有功功率，特别是对阵风变化引起的机组并网功率波动有很好的平滑效果，提高了机组的并网电能质量。

4 结束语

本文采用飞轮储能系统来解决风速随机性引起的风电机组并网功率波动问题。在分析飞轮储能系统运行原理及数学模型的基础上，提出在永磁直驱风电机组的直流侧并联飞轮储能系统的方案，以平滑风速变化引起的风电机组并网功率，并在Matlab/Simulink中搭建了飞轮储能系统应用于永磁风电机组功率平滑的整体模型，验证了方案的可行性和正确性。因此，采用了飞轮储能系统的永磁直驱风电机组，其并网有功功率比较平滑，大大提高了风电机组的并网电能质量，提高了电力系统的稳定性。

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