基于双向功率变流器的飞轮储能系统研究

2016-03-11曾成碧韩民晓

电源技术 2016年4期

关键词：异步电机变流器飞轮

杨焰，苗虹，曾成碧，韩民晓，蒲勇

(四川大学电气信息学院，四川成都610065)

基于双向功率变流器的飞轮储能系统研究

杨焰，苗虹，曾成碧，韩民晓，蒲勇

(四川大学电气信息学院，四川成都610065)

针对孤岛运行的直流微电网中负荷波动性，建立了基于异步电机的飞轮储能系统装置，并在此基础上，提出了一种基于双向功率变流器频率控制的飞轮储能方法。利用李雅普洛夫稳定判据判断了该频率控制器的稳定性，同时Matlab/Simulink仿真结果显示，在周期性急剧变化的负荷作用下，双向变流器能按控制要求工作在整流或者逆变器模式，使含有异步电机的飞轮储能系统跟踪负荷变化完成充放电过程，从而提高独立电源系统的稳定性和过载能力。

直流微电网；孤岛运行；飞轮储能系统；双向功率变流器；频率控制

飞轮储能技术在电力系统中有巨大的应用价值，特别是作为微电网的储能单元，当与其他储能技术相配合，对独立微电网电压的波动有着较好的抑制作用，可以较好地稳定微电源出力和保持系统的稳定性。飞轮储能系统中主要靠飞轮电机实现机械能和电能之间的切换。为满足飞轮高速旋转的要求，目前有四种电机可供选择：永磁无刷直流电机、永磁同步电机、异步电机、开关磁阻电机。以上四种电机在飞轮储能系统的实际研究中都有应用，其中以永磁无刷直流电机和永磁同步电机居多，而对于应用异步电机的飞轮储能系统的研究较少。文献[1-2]研究的飞轮储能系统采用的是永磁同步电机，文献[1]讨论了永磁同步电机的矢量控制方法；文献[2]建立了基于永磁同步电机的飞轮储能系统，将充放电过程分开进行建模与仿真。文献[3-4]的飞轮储能系统采用的是永磁无刷直流电机，文献[3]针对飞轮储能系统所用永磁无刷直流电机的控制和能量转换问题，采用双向DC-DC电能变换电路，实现储能和释能的双向控制。文献[5-6]对基于异步电机的飞轮储能系统进行了讨论和研究。目前对飞轮储能系统进行的研究主要集中在两个方面：一是应用于电源稳定方面，如在微电网中风力发电或光伏发电系统中的应用；二是应用于负荷变化方面，如独立微电网中出现阶跃负荷或高波动负荷，本文所做研究是关于负荷变化方面的应用。

针对孤岛运行的直流微电网中负荷波动性，建立了基于异步电机的飞轮储能系统装置，并在此基础上提出了一种基于双向变流器频率控制的飞轮储能方法。Matlab/Simulink仿真结果显示，在周期性急剧变化的负荷作用下，双向变流器能按控制要求工作在整流与逆变器模式，使含有飞轮储能系统跟踪负荷变化完成充放电过程，从而提高独立电源系统的稳定性和过载能力。

1 含飞轮储能的直流微电网与双向变流器

选用异步电机作为拖动飞轮旋转的电机，所建立的直流微电网运行于孤岛模式，整个系统主要由直流微电源(燃料电池)、直流母线、直流侧电容、直流负荷、双向变流器、LC滤波器、异步电机飞轮储能系统组成，其拓扑结构如图1所示。

图1 含有飞轮储能的直流微电网拓扑结构

图2 双向功率变流器拓扑结构图

根据负荷变化情况，双向功率变流器可工作在整流和逆变两种模式。逆变模式：直流电能经过空间矢量脉宽调制后逆变为交流电，经过LC滤波器滤除高次谐波后给异步电机供电，拖动飞轮高速旋转进行储能。选择电机定子电压和电感电流为状态变量，其状态方程[7]为：

整流模式：双向变流器输出电压频率降低，异步电机处于发电状态，在飞轮的拖动下放电，其发出的交流电经变流器整流成直流电供给负荷。选择电感电流和直流侧电压为状态变量，其状态方程[8]为：

2 双向功率变流器控制系统设计

本文微电网运行在孤岛模式，为了使双向变流器的工作模式转换跟随负荷变化，本文采用频率控制以及电压电流双环控制的策略。

根据电机运行状态参数特点，本文提出的频率控制方法的基本思想是：当系统负荷小于额定负荷时，用频率控制方法使双向变流器输出电压频率高于异步电机和飞轮转速，异步电机处于电动状态，此时拖动飞轮储能；当系统负荷大于额定负荷时，用控制方法改变双向变流器的输出电压频率低于异步电机和飞轮转速，异步电机工作在发电状态，此时异步电机可在飞轮的拖动下发电；当系统负荷等于额定负载时，异步电机飞轮储能系统处于保持状态。假定系统负荷功率与额定负荷的功率偏差大小为，持续时间Δ，则在这段时间内飞轮储能系统需要释放(或者存储)能量的计算公式为：

频率控制方法框图如图3。对于双向变流器的电压电流的控制，采用直流电压外环交流电流内环的电压电流双闭环控制方法，将三相交流量变换到同步旋转d-q坐标系时，变换用到的由频率控制输出提供。电压电流都采用传统PI控制方法。

图3 频率控制方法框图

得到电流内环参考电流。利用d-q解耦的思想，可将电流内环设计为：

对李雅普洛夫函数作全微分：

代入式(3)、式(7)化简：

因为整流模式时双向变流器会对直流母线充电，直流侧电压将升高，因此，又因为，所以，系统是稳定的。

3 飞轮储能系统仿真

为了验证所设计的控制策略，在Matlab/Simulink环境下建立了与图1所示拓扑结构等效的直流微电网飞轮储能系统。其中燃料电池额定直流电压400 V，电源串联电阻=1 Ω，直流侧电容=5 mF，LC滤波器电感电容分别为5 mH、300 μF，异步电机额定线电压380 V，额定转速1 425 r/min，额定频率50 Hz，转轴所连接的飞轮转动惯量=0.076 5 kg·m2，假定其与机械轴之间的摩擦系数为0，直流负荷大小及其突变曲线如图4。

图4 给定负荷变化曲线

载电流大约等于额定负载电流(图5)，双向变流器处于逆变模式，双向变流器输出稳定的三相交流电(图6)给异步电机供电，此时异步电机电磁转矩大于零(图7)，拖动飞轮高速旋转进行储能，异步电机飞轮储能系统的转速瞬间上升到额定转速(图8)，处于保持状态。从开始到1.5 s直流侧电压瞬速稳定在额定电压附近(图9)。

图5 直流侧负荷变化曲线

图6 异步电机定子电压

图7 异步电机转矩变化曲线

图8 异步电机转速变化曲线

图9 直流侧母线电压

1.5 s时，负载发生阶跃跳变且其值增大(图4)，负载电流大于额定负载电流(图5)，双向变流器立即转换为整流模式，同时改变交流电频率(图10)，此时电磁转矩小于零(图7)，异步电机工作在发电状态，从而放出飞轮存储的能量，直到飞轮储能系统转速稳定(图8)。从1.5～2.5 s直流侧电压瞬速稳定在额定电压附近(图9)。

2.5 s时，负载发生阶跃跳变且其值减小(图4)，负载电流等于额定电流(图5)，双向变流器立即转换为逆变模式，双向变流器输出稳定的三相交流电(图6)给异步电机供电，此时异步电机电磁转矩大于零(图7)，拖动飞轮高速旋转进行储能，异步电机飞轮储能系统的转速瞬间上升到额定转速(图8)，处于保持状态。从2.5～3 s直流侧电压瞬速稳定在额定电压附近(图9)。图10为三相交流电角频率。

图10 三相交流电角频率

图6的定子电压及图9的直流侧母线电压在1.5 s之后有零点几秒的上升时间，这可能是由于异步电机由电动状态转为发电状态所致，时间短暂不影响系统的稳定性。

仿真结果显示，当直流微电网中负荷波动时，本文所建立的基于异步电机的飞轮储能系统在独立电源功率有限的条件下，可以提高独立电源系统的稳定性和过载能力。由于飞轮储能充放电时间比较短，能量转换过程在瞬间完成，所以对持续时间比较长的负荷功率变化调节效果不是很好，需要结合其他储能装置(如蓄电池等)才能发挥更好的效果，在后续的研究中将考虑飞轮储能与蓄电池等储能装置配合使用对直流微电网稳定性的影响。

[1]陈钱春，阮毅.永磁同步电机矢量控制的研究与分析[J].电机与控制应用，2007，34(2)：61-64.

[2]汤双清，李志雄，蒋宇.基于Simulink的飞轮电池充放电控制设计与建模[J].微计算机信息，2008，12(24)：184-186.

[3]谭震，李永丽.基于双DSP的飞轮储能系统控制平台的研制[J].电力系统保护与控制，2012，40(11):127-139.

[4]王黎，赵云丽，李卫东.飞轮储能的仿真系统研究[J].电网与清洁能源，2010(11)：102-106.

[5]李保军，王志新，吴定国.飞轮储能系统充放电过程建模与仿真研究[J].工业控制计算机，2011，24(12)：107-109.

[6]汤凡，刘天琪，李兴源.用于风电场功率控制的飞轮储能系统仿真研究[J].电网与清洁能源，2010(2)：63-68.

[7]黄晶晶，张杭，张爱民，等.一种新型并网逆变器电流控制策略的研究[J].电力系统保护与控制，2011，39(20)：137-140.

[8]冯磊.交直流混合母线微网中网侧双向变换器控制研究[D].秦皇岛：燕山大学，2012.

图8 单晶硅组件J3接线盒处24 h内的表面温度变化

图9 晶硅组件Y3接线盒处24 h内的表面温度变化

3 结论

单晶硅组件和多晶硅组件在湿热环境条件(广州、海南)及高原环境条件(拉萨)16个月暴晒外观无明显变化。晶硅组件在湿热环境条件下功率衰减超出2%。晶硅组件接线盒处和中心处为高温分布较为集中的区域。辐照量和温度对组件表面温度场分布都有影响，其中辐照量对多晶硅组件正表面温度分布与高温持续时间(大于50℃)的影响较为明显；大气温度对背表面温度分布及高温持续时间(大于50℃)的影响较为明显。

参考文献：

[1]OSTERWALD C R，ANDERBERG A，RUMMEL S，et al.Degradation analysis of weathered crystalline-silicon PV modules[J]. IEEE，2002(1):1392-1395.

[2]KING D L，QUINTANA M A，KRATOCHVIL J A，et al.Photovoltaic module performance and durability following long-term field exposure[J].Progress in Photovoltaics:Research and Applications，2000(8):241-256.

[3]SKOCZEK A，SAMPLE T，DUNLOP E D.The results of performance measurements of field-aged crystalline silicon photovoltaic modules[J].Progress in Photovoltaics:Research and Applications，2009，17:227-240.

[4]HASHIGAMI H，ITAKURA Y，SAITOH T.Interpretation of light-induced cell performance degradation by means of spectroscopic light illumination[J].Solar Energy Materials&Solar Cells，2003，75:351-356.

Flywheel energy storage system based on bidirectional converter

According to the load volatility of DC microgrid running in island mode，a flywheel energy storage system based on asynchronous motor was established，and a new flywheel energy storage method was advanced based on the bidirectional converter frequency control. Lyapunov's stability criterion was used to judge the stability of the frequency controller. The Matlab/Simulink simulation results show that under the action of periodic and sharply changing load，the bidirectional converter can work in the rectifier or inverter mode according to the requirements of control， making the flywheel energy storage system track the load changing and complete charge and discharge process to improve the stability and the overload capacity of the independent power supply system.

DC microgrid;islanding model operation;flywheel energy storage system;bidirectional converter; frequency control

TM 91

1002-087 X(2016)04-0836-04