飞轮储能系统在风力发电中应用研究进展

魏鲲鹏，汪 勇，戴兴建

（清华大学工程物理系，北京 100084）

为了应对全球气候变化、改善我国能源结构，风电作为新兴的可再生能源被大力推广。随着技术的进步和制造能力的提高，我国风电建设规模逐步扩大，2013年风电发电机装机容量超过7500万千瓦，并且计划在2020年装机总量达到2亿千瓦。风电迅速发展的同时面临着许多挑战，其中风电出力受系统运行条件限制的问题日益突出，这主要是因为风速的随机性和间歇性使风力发电系统输出存在较大波动。

并网导则规定了风力发电机的运行电压和频率范围[1]：在规定的电压和频率范围内，即使风力发电机超出其额定工作点，也要处于运行状态，但可以在一定时间内减少输出功率；如果超出规定的电压和频率范围，风力发电机必须在规定时间内自动脱离电网。此外，对于电网故障引起的电压跌落，在电网电压恢复稳定之前，风力发电机必须保持不间断并网运行。随着分布式风力发电技术的发展和微电网的使用，解决风速波动和负载突变所带来的系统频率波动问题迫在眉睫。

根据运行特征风力发电机可分为恒速风力发电机和变速风力发电机。恒速风力发电机系统可以自然响应电网频率的下降，其转子在电网频率下降时自动降速向电网输送能量，无需控制器[2]；但恒速风力发电机系统并网运行时从电网吸收无功功率会恶化电网功率因数，影响电压稳定；而且风力机转速不能调节导致系统不能捕获最大风能，效率较低。

相较于恒速风力发电机系统，变速风力发电机系统适用的风速范围广、功率系数高且工作寿命长[3]。目前变速风力发电机可划分为双馈异步发电机、电励磁同步发电机和永磁同步发电机三类。考虑风力发电系统的发电效率和经济成本，目前大多数变速风力发电系统采用双馈异步发电机，其在风力发电的商业市场上占统治地位[4]。变速风力发电机系统可根据风速大小调节其转子转速实现输出功率最大化，并将输出功率频率与电网频率匹配。系统通过控制器和功率调节装置实现了转子转速与电网频率的解耦，发电机输出电压、电流的幅值、频率和相位不受转子速度和瞬时位置影响；但变速风力发电机系统对电网频率下降无法实现自然响应[5]。

随着风电的大规模发展和应用，新的并网导则要求减小风电并网对电网频率和电压的影响。研究人员提出了多种控制器的设计方案，实现了变速风力发电系统对电网频率下降的响应。在这些方案中，控制器能够判断电网频率是否下降，并相应地降低转子转速从而向电网输送更多能量，但这会导致发电机在低功率因数下运行，损失了部分发电能力[2]。解决并网问题的另一种研究方向是在功率转换器的直流母线上接入储能装置，控制输送到电网的有功和无功功率。功率转换器可以实现将交流电转化为直流电、再将直流电转化为电网频率的交流电这一功能；储能装置的接入提高了系统对电网频率下降的响应，其在电网频率下降时可向电网提供额外的能量，而且风力发电机的转子不需要降速。

飞轮储能可以满足风力发电的需求：响应速度快，可在数分钟内完成充放电；工作效率高，一般效率可达到90%以上；能量密度高，可实现短时高功率输出；使用寿命长，周期寿命在10年以上；环保无污染，机械储能的方式不会产出污染物[6-9]。而且相较于超导储能、大型电容器储能和新型电池储能，考虑储能系统在电力品质、频率支持和负载变化三方面的经济性，飞轮储能有极大优势[10]。但由于目前飞轮储能容量相对小，更适合应用于小型孤岛电网调峰、电网调频和电网稳定控制等方向[11]。

1 飞轮储能系统

飞轮储能系统主要由飞轮转子、轴承、电动/发电机、功率转换器、控制系统和保护外壳组成。飞轮转子在轴承的支撑下通过其高速旋转储存能量，电动/发电机分别工作在充电和放电两个状态，可以适应较大范围内的风速变化；功率转换器实现了交流电和直流电之间的转化，并使系统输出与电网频率相同的交流电；保护外壳在飞轮故障时提供安全保护，还可提供真空环境减小运行中的能量损耗。

飞轮储能系统应用于风力发电中的原理：飞轮转子与电动/发电机转子同轴相连，当满足充电条件时，系统通过功率转换器吸收能量，电动/发电机作为电动机驱动储能飞轮高速旋转，将电能以动能形式存储；当满足放电条件时，储能飞轮降低转速并带动发电机运行，将动能转化为电能经过功率转换器调频后输送到电网。

存储于飞轮转子中的动能由转子的转动惯量和角速度决定，可用式(1)表示三者之间的关系

式中，E是存储于飞轮转子中的动能，I是转子的转动惯量，ω是转子的角速度。飞轮转子的最大能量密度Esp由转子材料抗拉强度、转子密度和转子形状决定

式中，σm是转子材料的最大抗拉强度，ρ是转子材料的密度，Ks是形状因子。飞轮转子的最大能量密度取决于材料自身特性，与材料的抗拉强度成正比，而与材料的密度成反比，材料的抗拉强度与密度之比越大，其最大能量密度就越大；因此相较于钢，纤维复合材料制作的飞轮旋转速度更快，储存动能更多[12-14]。

目前长寿命的飞轮储能系统容易获得，在实验室规模下已证明了其在调节频率和平滑功率方向的可行性[7,15]，而且国外Beacon Power公司已从安全、高效平衡电网供需取得了一定的经济效益。飞轮储能的研究方向主要集中于两个方面：一是微损耗高速轴承，使用先进的超导磁悬浮轴承、永磁悬浮轴承、电磁悬浮轴承取代传统的滚动轴承和流体动压轴承；二是新型复合材料，使用高极限强度的纤维复合材料等取代传统的钢、铝。除此之外，在低能耗真空的获得与维持、大功率高速电机的研发、电机控制和功率转换等方向的研究也取得了一定进展[11]。

2 研究进展

风速的随机性和间歇性导致风力发电系统输出功率和电压存在较大的波动，风力发电系统并网问题亟待解决。飞轮储能系统可以参与系统动态行为，响应电网快速的频率波动，解决电网有功负荷变化导致的电网频率波动，使系统恢复稳定状 态[16-17]。飞轮储能系统的控制方式会影响风力发电系统输出的电力品质，因此控制策略要综合考虑系统的功率平滑和低电压穿越能力，目前研究人员已经研究了多种控制方案下飞轮储能系统的效能。

Cimuca等[18]研究了直接转矩控制（DTC）策略并通过模拟研究了飞轮储能系统对风力发电系统输出功率的影响。实验结果如图1所示，其中蓝色曲线为风力发电机的输出功率，红色曲线为接入飞轮储能系统后发电系统的输出功率；从图1中可以看出飞轮储能系统的使用明显降低了系统输出功率的波动，使输出功率平滑。

图1 飞轮储能对系统输出功率影响[18]Fig.1 Influence of FES on system output power[18]

而且他们比较了直接转矩控制策略与磁场定向控制策略下系统的输出功率，实验结果如图2所示。其中蓝色曲线为磁场定向控制（FOC）策略下发电系统的输出功率，绿色曲线为直接转矩控制策略下发电系统的输出功率；从图2中可以看出直接转矩控制相较于磁场定向控制可向电网输送更多的功率，因此直接转矩控制策略可能是一种更好的选择。

采用正交试验L9(34)[15-16]设计，采用种实采后处理(A)、播种时间(B)、播种方式(C)3个因素，每个因素设置3个水平(表1)，试验共设置9个处理，以各处理播种小区(2 m2)为1次重复，重复10次，不考虑互作。

图2 不同控制策略（DTC和FOC）下系统输出功率[18]Fig.2 System output power under different control strategies[18]

Diaz-Gonzalez等[19]针对飞轮储能系统设计了一套基于反馈控制技术的能量管理算法，实现了对输出功率的波动补偿，并且其控制器经过设计和调谐确保了储能装置的鲁棒性和时间响应期望。其算法在保证飞轮可以快速充放电以降低输出功率波动的前提下，可使飞轮保持在最佳转速，避免了运行过程中飞轮连续放电，也验证了飞轮储能系统可有效补偿因轮换采样效应导致的输出功率波动现象。

欧阳慧珉等[20]研究了一种基于飞轮储能装置对系统输出功率进行柔性控制的解决方案，即通过双脉冲宽度调制变流器将发电系统与储能系统相连接，并控制系统间能量双向流动，从而调节风力发电系统的输出功率。熊倩等[21]研究了一种适合直驱永磁风力发电系统的功率平滑控制策略，建立了控制系统小信号模型并对系统进行小扰动分析，证明了含飞轮储能单元的发电系统可保持稳定运行，而且储能环节可以在最大限度利用风能的条件下实现系统功率输出平滑。

Strachan等[22]也对飞轮储能系统对发电系统输出功率的影响进行了类似研究，并比较了电网故障时储能装置的两种控制策略。一是将飞轮中储存的能量输送到直流母线，因为储能系统独立于电网，系统可以在短时内常规跟踪输出功率，但会导致直流母线电压的升高并且将降低系统容错能力，尤其在风速减小时可能耗尽飞轮储存的能量；二是将直流母线的能量输送到储能飞轮，这会提高系统容错和恢复能力，但在储能系统完全耗尽时会威胁整个发电系统的稳定性。优先考虑发电系统稳定性和风速随机性，目前多采用第一种控制策略；为了解决第一种控制策略的弊端，追加模拟第二种控制策略故障响应覆盖储能系统参考电流，其实验结果如图3所示。图3中红色曲线为风力发电机输出的有功功率，绿色曲线为储能飞轮储存的有功功率，蓝色曲线为公共连接点处的有功功率；在25 s时电网发生了故障，公共连接点处功率下降为0，储能飞轮储存功率迅速上升，发电机输出功率下降很小。研究人员提出的储能控制策略保障了故障期间直流母线电压处于可接受范围，可能会发展为提高直驱风力发电系统容错能力的有效技术，可进行深入研究。

图3 低电压穿越时系统有功功率输出[22]Fig.3 System active power output at low voltage ride through[22]

Gayathri等[23]研究了飞轮储能系统对双馈异步风力发电机系统的低电压穿越能力的影响，采用两级转换器控制避免了转子电流过大或直流环节电容过电压，发电系统在电网故障期间的功率输出如图4所示。图4中红色曲线和蓝色曲线分别为接入和未接入飞轮储能系统的发电系统输出功率，从图中可以看出接入飞轮储能系统大大提高了发电系统在电网故障期间的低电压穿越能力。

图4 低电压穿越条件飞轮系统对输出功率影响[23]Fig.4 Influence of FES on output power at LVRT[23]

朱小军等[24]分析了电网故障下含飞轮储能的永磁直驱风电系统直流母线的电压波动机理，并提出了一种低电压穿越增强运行控制策略，突破了传统控制模式下网侧变换器抑制直流链电压波动能力的局限。在电网发生不对称故障时，通过控制网侧变换器实现发电系统的故障穿越运行，向电网提供一定的暂态无功支持以辅助电网电压恢复。

Jerbi等[26]针对基于储能系统的变速风力发电机系统提出了一种模糊逻辑控制策略，并实现了对飞轮储能系统运行和直流母线电压的控制。通过模拟仿真建立了相关模型，实验结果如图5所示。图5中蓝色曲线为模糊逻辑控制下发电系统输出功率，红色曲线为无飞轮储能的发电系统输出功率，显然模糊逻辑控制下系统输出功率波动较小；实验结果证实了提出策略可以提高输出电力品质，并降低连接节点处负载电压的波动。模糊控制需要将长期实践积累的经验模型化以解决非线性问题，模型建立过程较为复杂且存在一定的主观性，目前难以实际应用于飞轮储能系统控制。

图5 飞轮储能对连接节点处有功功率影响[26]Fig.5 Influence of FES on active power at connected node[26]

风速与有功功率的管理、风力发电机的动态控制和发电系统的整体效率都有很大关系，因此风速预测至关重要。Islam等[27]在小容量飞轮储能系统方向提出了一种基于风速预测的控制策略。传统风速预测方法可分为三类：一类是基于持续观察，一类是基于物理模型，一类是基于统计分析。研究中基于人工神经网络提出的风速预测模型相较于传统的风速预测模型更具优势，飞轮储能系统通过延时函数忽略较高的切换频率，并通过预测风速获得的输出功率参考提供或吸收有功功率，使输送到电网的功率平滑。实验结果如图6所示，点线为输出功率参考，绿色曲线为最终输出功率参考，黄色曲线为电网输出功率，蓝色曲线为风力发电机输出功率。从图6中可以看出其提出的风速预测模型和控制模型可以提高小容量飞轮储能系统效率并使电网输出功率波动更平滑。

图6 含飞轮储能的风力发电系统四种功率比较[27]Fig.6 Comparison of four wind turbine powers with FES[27]

王磊等[28]针对风力发电系统储能需求进行研究，并设计了一种基于网络拓扑结构的飞轮储能矩阵系统。飞轮储能矩阵有分布式和集成式两种连接方案，相较于分布式结构，集成式结构可以减少充放电切换频率，降低系统运行损耗并调高系统工作的协调性。研究中采用集成式连接拓扑结构的飞轮储能矩阵系统按照主从控制模式，即上层控制器根据充放电和安全控制策略向下层子控制器分配充放电功率，实现了系统与风力发电系统的协调运行；证明了飞轮储能矩阵可以使发电系统输出功率平滑，并有助于稳定母线电压。

非并网风力发电系统往往会接入柴油发电机以保证电网安全稳定，而飞轮储能系统的使用可以减小风电发电系统输出功率对系统电压和功率的影响，避免柴油发电机的频繁启动，进而提高了风能利用效率。

Carrillo等[29]研究了基于静压传动的变速飞轮在非并网风力发电系统中的使用，为了评估静压传动控制效果，将其与速度几乎不变的常速飞轮和基于功率电子转换器的变速飞轮做比较。通过模拟研究得出三种不同结构飞轮的主要区别在于储能容量；变速结构更适用于抵抗风速变化，而常速结构在抵抗负载变化上响应更好；虽然基于静压传动和基于功率转化器的飞轮储能系统响应相近，但基于静压传动的储能系统鲁棒性好，而基于交流/交流变频器的储能系统效率更高。

俞斌等[30]研究了一种基于飞轮储能辅助的非并网风力发电系统，提出了一种飞轮储能系统对于非并网风力发电系统直流母线电压和输出功率的控制方法并建立了相应的仿真模型，模拟结果证实了飞轮储能系统在稳定非并网发电系统的输出功率，可以满足终端负荷对功率平稳的要求；此外，在直流母线发生故障导致母线电压下降时，飞轮储能系统能利用自身的储能向系统输出功率以稳定整个发电系统的输出功率。

Sebastian等[31]针对非并网风力柴油混合发电系统提出了使用低成本飞轮储能系统提升电力品质。使用磁场定向控制策略管理电网和飞轮之间的能量输送，分别在0.1 s和8.1 s时增加负载和风速，实验结果如图7、图8所示。图7中蓝色曲线为含有飞轮储能系统的发电输出频率波动，可以明显看出飞轮储能系统减小了非并网发电系统输出频率的波动。图8中绿色曲线为飞轮储能的有功功率，蓝色曲线为负载消耗的有功功率，可以看出当负载增加时飞轮有功功率降低向外输出能量，而风速升高时飞轮有功功率升高以储存能量，而负载有功功率波动很小；证明了飞轮储能系统有效降低负载有功功率的波动，提高了非并网发电系统的电力品质。

图7 飞轮储能系统对非并网发电系统频率的影响[31]Fig.7 Influence of FES on frequecy of grid power system[31]

图8 负载消耗、飞轮储存或释放的有功功率[31]Fig.8 Active power of load consumption and flywheel storage or release[31]

3 结 语

随着风电的大规模发展，风电并网难题亟待解决。飞轮储能系统可以参与发电系统动态行为，因此其控制策略会直接影响发电系统的输出电压和频率的波动。虽然飞轮储能技术具有储能效率高、运行寿命长、使用无污染等特点，但其大规模商业化应用仍需在储能容量、自放电率等方面取得进步，而且其制造成本较高也是一大制约因素。

此外本文回顾了近年来在风力发电领域飞轮储能系统控制策略的相关研究，并分析了相关控制策略的有效性和优缺点。目前常规控制策略，如转矩控制、磁场控制、矢量控制、功率控制等都可以有效降低发电系统输出波动，但用于非线性的风电系统有一定的局限性。而基于风速预测、模糊算法和神经网络等人工智能控制策略仍存在技术上的难点，需要进一步完善和发展。

[1]Qiao W，Harley R G.Grid connection requirements and solutions for DFIG wind turbines[C]//Energy 2030 Conference，2008 IEEE， 2008：1-8.

[2]Ekanayake J，Jenkins N.Comparison of the response of doubly fed and fixed-speed induction generator wind turbines to changes in network frequency[J].IEEE Transactions on Energy Conversion，2004，19（4）：800-802.

[3]Mohseni M，Masoum M A S，Islam S.Emergency control of DFIG-based wind turbines to meet new European grid code requirements[C]//Innovative Smart Grid Technologies (ISGT)，2011 IEEE PES，2011：1-6.

[4]Cheng Ming（程明），Zhang Yunqian（张运乾），Zhang Jianzhong（张建忠）.Development and research progress of wind power generators[J].Journal of Electric Power Science and Technology（电力科学与技术学报），2009，24（3）：2-9.

[5]Erlich I，Wilch M.Primary frequency control by wind turbines[C]// Power and Energy Society General Meeting，2010 IEEE，2010：1-8.

[6]Li Wensheng（李文圣），Wang Wenjie（王文杰），Zhang Jincheng（张锦程），et al.飞轮储能技术在风力发电中的应用[C]//中国电源学会第18届全国电源技术年会论文集，2009：582-583.

[7]Sourkounis C.Energy management for short term storage systems in wind parks[C]//Ecological Vehicles and Renewable Energies (EVER)，2014 Ninth International Conference on IEEE，2014：1-7.

[8]Qian X.Application research of flywheel battery in the wind and solar complementary power generation[C]//Computer Application and System Modeling (ICCASM)，2010 International Conference on IEEE，2010：V13546-V13550.

[9]Sebastián R，Peña Alzola R.Flywheel energy storage systems：Review and simulation for an isolated wind power system[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2012，16（9）：6803-6813.

[10]Sundararagavan S，Baker E.Evaluating energy storage technologies for wind power integration[J].Solar Energy，2012，86（9）：2707-2717.

[11]Dai Xingjian（戴兴建），Deng Zhanfeng（邓占峰），Liu Gang（刘刚），et al.Review on advanced flywheel energy storage system with large scale[J].Transactions of China Electrotechnical Society（电工技术学报），2011，26（7）：133-140.

[12]Bolund B，Bernhoff H，Leijon M.Flywheel energy and power storage systems[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2007，11（2）：235-258.

[13]Liu H，Jiang J.Flywheel energy storage—An upswing technology for energy sustainability[J].Energy and Buildings，2007，39（5）：599-604.

[14]Arvin A C，Bakis C E.Optimal design of press-fitted filament wound composite flywheel rotors[J].Composite Structures，2006，72（1）：47-57.

[15]Díaz-González F，Sumper A，Gomis-Bellmunt O，et al.Energy management of flywheel-based energy storage device for wind power smoothing[J].Applied Energy，2013，110：207-219.

[16]Taraft S，Rekioua D，Aouzellag D.Wind power control system associated to the flywheel energy storage system connected to the grid[J].Energy Procedia，2013，36：1147-1157.

[17]Suvire G O，Mercado P E.Dstatcom with flywheel energy storage system for wind energy applications：Control design and simulation[J].Electric Power Systems Research，2010，80（3）：345-353.

[18]Cimuca G，Breban S，Radulescu M M，et al.Design and control strategies of an induction-machine-based flywheel energy storage system associated to a variable-speed wind generator[J].IEEE Transactions on Energy Conversion，2010，25（2）：526-534.

[19]Diaz-Gonzalez F，Bianchi F D，Sumper A，et al.Control of a flywheel energy storage system for power smoothing in wind power plants[J].IEEE Transactions on Energy Conversion，2014，29（1）：204-214.

[20]Ouyang Huimin（欧阳慧珉），Zhang Guangming（张广明），Gu Jian（顾剑）.Flexible control of output power for wind power generation system using flywheel energy storage[J].Electric Machines ＆ Control Application（电机与应用控制），2014，41（3）：42-46.

[21]Xiong Qian（熊倩），Liao Yong（廖勇），Yao Jun（姚骏）.Active power smoothing control of direct-driven permanent magnet synchronous wind power generation system with flywheel energy storage unit[J].Electric Power Automation Equipment（电力自动化设备），2013，33（5）：97-105.

[22]Strachan N P W，Jovcic D.Improving wind power quality using an integrated wind energy conversion and storage system (WECSS)[C]//Power and Energy Society General Meeting— Conversion and Delivery of Electrical Energy in the 21st Century，2008 IEEE，2008：1-8.

[23]Gayathri Nair S，Senroy N.Wind turbine with flywheel for improved power smoothening and LVRT[C]//Power and Energy Society General Meeting (PES)，2013 IEEE，2013：1-5.

[24]Zhu Xiaojun（朱小军），Yao Jun（姚骏），Jiang Kun（蒋昆），et al.Enhanced control of direct-drive permanent magnet wind power generation system containing flywheel energy storage unit during asymmetrical fault in power grid[J].Power System Technology（电网技术），2013（5）：1454-1463.

[25]Cao Wenping（曹文平），Li Weihua（李伟华），Wang Lixin（王利鑫）.Overview the control strategy of flywheel energy storage system for the wind farm[J].East China Electric Power（华东电力），2011，39（5）：782-787.

[26]Jerbi L，Krichen L，Ouali A.A fuzzy logic supervisor for active and reactive power control of a variable speed wind energy conversion system associated to a flywheel storage system[J].Electric Power Systems Research，2009，79（6）：919-925.

[27]Islam F，Al-Durra A，Muyeen S M.Smoothing of wind farm output by prediction and supervisory-control-unit-based fess[J].IEEE Transactions on Sustainable Energy，2013，4（4）：925-933.

[28]Wang Lei（王磊），Du Xiaoqiang（杜晓强），Song Yongduan（宋永端）.Coordinated control of flywheel energy storage matrix system for wind farm[J].Power System Technology（电网技术），2013（12）：3406-3412.

[29]Carrillo C，Feijóo A，Cidrás J.Comparative study of flywheel systems in an isolated wind plant[J].Renewable Energy，2009，34（3）：890-898.

[30]Yu Bin（俞斌），Wei Zheng（韦徵），Yang Bo（杨波），et al.Control strategy of flywheel energy-storage system for wind farm without interconnection with grid[J].Electric Drive（电气传动），2013，43（1）：56-60.

[31]Sebastián R，Peña-Alzola R.Control and simulation of a flywheel energy storage for a wind diesel power system[J].International Journal of Electrical Power & Energy Systems，2015，64：1049-1056.