基于飞轮储能的风力发电系统仿真

冯 奕，颜建虎

(1.南京工程学院, 江苏 南京 211167；2.南京理工大学，江苏 南京 210094)

基于飞轮储能的风力发电系统仿真

冯 奕1，颜建虎2

(1.南京工程学院, 江苏 南京 211167；2.南京理工大学，江苏 南京 210094)

针对离网式风力发电系统存在电能波动大、供电可靠性差等问题，提出采用基于无刷直流电机(BLDC)驱动的飞轮储能系统来提高离网式风力发电系统的电能质量。通过 Matlab/Simulink 对含有飞轮储能环节的离网式风力发电系统进行了仿真，给出仿真参数。仿真结果表明，飞轮储能系统可有效抑制风速变化带来的电能波动，保证供电的可靠性。

风力发电；飞轮；离网式；无刷直流电机；仿真

0 引言

风力发电系统分为并网型和离网型两种形式[1]。在偏远地区，离网型风力发电系统更有应用价值。由于风速具有随机性，发电机发出的电能有很大的波动，故需要储能环节来提高电能质量。飞轮储能系统以其能量密度高、效率高、寿命长、维护费用低、无污染等优点，成为解决电能波动问题的理想选择[2-4]。

飞轮储能系统主要由大转动惯量的转子、电动/发电机、电力转换器组成。飞轮储能的基本原理是：电能充足时，电机电动运行，由电能驱动飞轮升速，电能转变为机械能储存；电能短缺时，电机发电运行，飞轮的动能转换成电能，飞轮减速。无刷直流电机(BLDCM)具有控制简单、调速范围宽、高效率、高功率密度的优点，故常用它作为驱动飞轮的电机[5-9]。美国、英国、德国、日本、瑞士、加拿大等国家已就飞轮储能技术在风力发电、太阳能发电、电动汽车、不间断电源、卫星姿态控制等方面的应用开展了广泛的研究[5]。国内的清华大学、华北电力大学、中科院电工所、北京航空航天大学、南京航空航天大学、东南大学等科研机构和高校已有从事与飞轮研究相关的工作[2]。清华大学的黄宇淇等研究了飞轮并联运行于放电模式时的控制策略，并进行了仿真。随后提出了飞轮储能能量回馈控制的新方法“新六拍 PWM”，缩短了电流的建流时间，进行了仿真与实验验证[6-7]。深圳航天科技研究院的蒙永民等先后对飞轮的充电过程和放电过程进行了仿真研究[8-9]，放电时额外增加了升压电路。河海大学的陈定宙分别建立了永磁同步电机充电过程和放电过程的仿真模型，未涉及发电机部分[10]。文献[11]给出了一般的飞轮控制的流程图，并对直流母线及飞轮和负载的部分进行了仿真。文献[12]提出了一种无传感器的磁场定向控制算法，进行了仿真和实验验证。华北电力大学的阮军鹏对飞轮储能系统在风电系统独立运行和并网运行两种情况下的充电过程进行了研究和仿真

本文采用永磁同步电机(PMSM)作为风力发电机，采用永磁无刷直流电机(PMBLDCM)作为驱动飞轮的电机。仿真研究包括 PMSM 模块、最大功率跟踪(MPPT)控制模块、PMBLDCM 及其控制模块、负载端的逆变模块、卸荷控制模块。给出了系统运行时的状态特性。研究表明，飞轮可有效抵制电能的波动，提高电能的质量。

1 系统拓扑结构

离网式风力发电系统的拓扑结构如图1所示。系统由 PMSM、可控 IGBT 整流桥、直流母线电容卸荷电阻负载端 IGBT 逆变器、与飞轮同轴连接的BLDCM及变换器等组成。其工作原理是：发电机将吸收的风能转化为电能；可控整流桥实现风机的最大功率跟踪；储存能量，平稳直流母线电压逆变器将直流电压转变为负载所需的三相交流电压。无飞轮时，直流母线上即能量过剩时，直流母线电容将被过度充电，将升高，反之则降低。加入飞轮后，通过控制BLDCM 的运行方式改变的流向，可吸收母线上多余的能量或向其回馈能量。若飞轮已达最大转速而能量仍过剩，则必须导通实现分流。如此可实现的恒定。

图1 含飞轮储能环节的离网式风力发电系统图Fig. 1 Standalone wind power system with flywheel

2 控制策略

2.1 最大功率追踪控制

风力机是整个风力发电系统能量转换的首要部件，其输出功率为

根据式(2)、式(3)绘制出 CP-λ曲线如图2，本文取 β=0，λopt=8.1，CPmax=0.48。

图2 风机在不同桨距角时的曲线Fig. 2curve of wind turbine with different β

发电机的运动方程为

图3 最大功率追踪控制框图Fig. 3 Control scheme of maximum power point tracking

2.2 负载侧电压控制

负 载 侧 的 交 流 电 压 幅 值为 311 V 、频 率 为50 Hz。本仿真将实测电压与参考电压波形作滞环比较，给出逆变器各管的 PWM 信号。这样得到的电压波形谐波含量较大，采用电感滤波方式可控制电压波形畸变率在3%以下。

2.3 飞轮充放电控制

飞轮充电模式控制策略为直流电压-转矩(电流)双闭环控制，如图4。直流母线电压的偏差值经 PI调节后作为电磁转矩的参考值此值需进行限幅：飞轮转速在以下时，不超过额定转矩在以上时，不超过因经比例运算得到梯形波电流的参考幅值。与换相信号相乘后得到三相电流的参考值。与实测电流进行滞环比较即得到变换器各管的通断信号。

图4 飞轮充电模式控制策略Fig. 4 Flywheel charging control strategy

图5 BLDCM 控制电路图Fig. 5 Control circuit of BLDCM

图6 飞轮放电模式控制策略Fig. 6 Flywheel discharging control strategy

2.4 卸荷控制

当飞轮已达最大转速，而母线上的能量仍有剩余时，就需要导通卸荷电阻，消耗多余能量。本仿真中，每相负载，滤波电感采用的

3 仿真结果

本仿真的风力模型由基本风、随机风和阵风组成，建立的风速模型如图7 所示。3~3.1 s 风速的突然降落将造成发电机功率的跌落，故造成直流母线电压的跌落。在该风速状况下，系统的各状态特性如图8—图12。

图7 风速Fig. 7 Wind speed

图8 风能利用系数Fig. 8 Cpcurve

图9 直流母线电压Fig. 9 DC bus voltage

图10 负载侧电压Fig. 10 Load voltage

图11 飞轮转速Fig. 11 Speed of flywheel

图12 输出功率Fig. 12 Output power

为节省仿真时间，BLDCM 的初始角速度为150 rad/s。结合图9 和图11 可得，前 0.18 s 内，系统未达稳定状态，处于上升中，飞轮放电。一超过 600 V，就对飞轮进行充电，起着调节直流电压的作用，飞轮转速在波动中增加。3 s 时风速突然下降，发电机侧功率骤减，飞轮转速从 1 940 r/min降至 1 869 r/min，向母线提供功率 148 W。3.1 s 时风速恢复后飞轮继续充电，于 3.72 s 到达最大转速，不再上升。此时母线上的盈余能量由卸荷电阻承担，流过卸荷电阻的电流如图13。

图13 卸荷电流Fig. 13 Dumping current

4 结论

飞轮储能技术具有使用寿命长、功率密度和储能密度高、充放电次数不受限制、安装维护方便、对环境无危害等优点，显示其具有无可比拟的优越性。本仿真的结果显示：将飞轮储能系统用于离网型风力发电系统中，可有效抵制电能的波动，提高电能的质量。

参考文献

[1]管维亚, 吴峰, 鞠平. 直驱永磁风力发电系统仿真与优 化 控 制 [J]. 电 力 系 统 保 护 与 控 制 , 2014, 42(29): 54-60. GUAN Weiya, WU Feng, JU Ping. Simulation and optimized control of direct-drive permanent magnet wind power system[J]. Power System Protection and Control, 2014, 42(9): 54-60.

[2]马速良, 蒋小平, 马会萌, 等. 平抑风电波动的混合储能系统的容量配置[J]. 电力系统保护与控制, 2014, 42(8): 108-114. MA Suliang, JIANG Xiaoping, MA Huimeng, et al. Capacity configuration of the hybrid energy storage system for wind power smoothing[J]. Power System Protection and Control, 2014, 42(8): 108-114.

[3]卢芸, 赵永来. 基于模糊神经网络风电混合储能系统优 化 控 制 [J]. 电 力 系 统 保 护 与 控 制 , 2014, 42(12): 113-118. LU Yun, ZHAO Yonglai. Optimal control in a wind power hybrid energy storage system based on fuzzy neural network[J]. Power System Protection and Control, 2014, 42(12): 113-118.

[4]张川, 杨雷, 牛童阳, 等. 平抑风电出力波动储能技术比较及分析[J]. 电力系统保护与控制, 2015, 43(7): 149-154. ZHANG Chuan, YANG Lei, NIU Tongyang, et al. Comparison and analysis of energy storage technology to balance fluctuation of wind power output[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(7): 149-154.

[5]蒋书运, 卫海岗, 沈祖培. 飞轮储能技术研究的发展现状[J]. 太阳能学报, 2000, 21(4): 427-433. JIANG Shuyun, WEI Haigang, SHEN Zupei. The situation of the flywheel energy storage research[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2000, 21(4): 427-433.

[6]卫海岗, 戴兴建, 张龙, 等. 飞轮储能技术研究新动态[J]. 太阳能学报, 2002, 23(6): 748-753. WEI Haigang, DAI Xingjian, ZHANG Long, et al. Recent advances in flywheel energy storage system[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2002, 23(6): 748-753.

[7]黄宇淇, 姜新建, 邱阿瑞. 飞轮储能能量回馈控制方法 [J]. 清 华 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ), 2008, 48(7): 1085-1088. HUANG Yuqi, JIANG Xinjian, QIU Arui. Energy feedback control for flywheel energy storage system[J]. Journal of Tsinghua University (Science and Technology), 2008, 48(7): 1085-1088.

[8]MENG Yongmin, LI Tiecai, WANG Li. Simulation of controlling methods to flywheel energy storage on charge section[C]// The Third International Conference on Electric Utility DRPT, Nanjing, 2008.

[9]蒙永民, 李铁才, 荀尚峰. 飞轮储能分布式电能控制技术放电部分的仿真研究[J]. 电网技术, 2008, 32(24): 60-64. MENG Yongmin, LI Tiecai, XUN Shangfeng. Simulation of discharging section in flywheel energy storage using distributed electric energy control technology[J]. Power System Technology, 2008, 32(24): 60-64.

[10]陈定宙. 飞轮储能电池电力电子转换控制系统的研究[D]. 南京: 河海大学, 2004. CHEN Dingzhou. Research on flywheel storage battery electric and electronic conversion control system[D]. Nanjing: Hohai University, 2004.

[11]HOIMOJA H, VINNIKOV D, ROSIN A. Control basics of a flywheel-powered uninterruptible motor drive[C]// International Biennial Baltic Electronics Conference, Tallinn, 2008.

[12]KENNY B H, KASCAK P E, JANSEN R, et al. Control of a high-speed flywheel system for energy storage in space applications[J]. IEEE Transactions on Industrial Application, 2005, 41(4): 1029-1039.

[13]阮军鹏. 飞轮储能技术应用于风力发电系统的基础研究[D]. 北京: 华北电力大学, 2007. RUAN Junpeng. Preliminary study on flywheel storage technique application in wind power generation system[D]. Beijing: North China Electric Power University, 2007.

[14]徐科. 变速永磁同步风力发电机交直流并网系统运行控制研究[D]. 南京: 东南大学, 2007. XU Ke. Study on operation control of variable speed and permanent magnet synchronous wind generator AC/DC grid-connected system[D]. Nanjing: Southeast University, 2007.

Simulation of wind energy generation system with flywheel storage system

FENG Yi1, YAN Jianhu2
(1. Nanjing Institute of Technology, Nanjing 211167, China; 2. Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

A flywheel energy storage system (FESS) driven by the brushless DC machine (BLDCM) applied in the off-grid wind energy generation system (WEGS) is adopted to solve the electricity fluctuation and the power supply reliability in the off-grid WEGS. The off-grid WEGS including a FESS driven by a BLDCM is simulated by Matlab/Simulink, and the parameters are given. The simulation result shows that the FESS is effective to eliminate the fluctuation of energy caused by wind velocity variation so as to ensure the reliability of power supply.

This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51407094).

wind power generation; flywheel; off-grid; BLDCM; simulation

10.7667/PSPC151820

2015-10-15

冯 奕(1987-)，女，通信作者，博士，讲师，研究方向为飞轮储能与微网控制；E-mail: fengyi@njit.edu.cn

(编辑 周金梅)

国家自然科学基金青年基金项目(51407094)；江苏省自然科学基金青年基金项目(BK20140785)；南京工程学院引进人才科研启动基金资助项目(YKJ201534)

颜建虎(1983-)，男，博士，讲师，研究方向为永磁电机驱动。E-mail: yanjianhu@njust.edu.cn