基于新型仿真软件DIgSILENT的飞轮储能系统建模

欧阳玉兰

（国网湖北省电力有限公司黄石供电公司，湖北黄石435100）

0 引言

随着国民经济的发展，电力供应问题日益凸显：（1）系统装机容量难以满足峰值负荷需求；（2）在进行远距离、大容量输送电能时，电力系统的安全问题日益突出；（3）大规模可再生能源并网，对系统造成了谐波，电压、频率、功率波动等受到影响[1-2]。

储能技术的发展为解决上述问题提供了有效途径。储能系统可以有效地实现需求侧管理，其不仅可以提高电力设备利用率，降低供电成本，还可以促进可再生能源的利用，同时也是提高系统运行稳定性、调整频率、补偿负荷波动的一种手段[3]。储能技术主要分为物理、化学、电磁三大类型，包括抽水蓄能储能、飞轮储能、电池储能、超导储能等[3]。其中，飞轮储能系统可以利用高速旋转的飞轮将能量以动能的形式储存起来，当能量紧急缺乏或有需要时，飞轮减速运行，将存储的能量释放出来[4]，具有高效率、无污染、寿命长等特点。

1 仿真软件DIgSILENT

电力系统仿真软件DIgSILENT全称为DIgital SImuLation and Electrical NeTwok，最早于1976年投入使用，自1993年开始，全面引入面向对象编程技术和数据库概念，并对算法和元件模型进行了较大改进，允许用户在单一的数据库中创建详尽的电力系统元件模型，包括稳态、时域、频域等计算用的一系列参数。其还拥有较为全面的电力系统元件模型库，包括同步电机、异步电机、逆变器、负荷、线路、变压器模型等，以及上述元件在谐波情况下的模型。同时，用户还可以利用软件中的DPL、DSL编程语言，实现用户自定义的模型和计算等功能，具有较大的灵活性。

软件主要功能包括[5]：（1）交直流潮流计算；（2）故障分析；（3）动态仿真；（4）保护功能；（5）谐波分析；（6）可靠性计算；（7）经济调度。

2 飞轮储能系统建模

2.1 飞轮储能系统模型

飞轮储能系统主要由四部分组成[6]：（1）储存能量用的飞轮转子；（2）支撑转子的轴承系统；（3）负责转换能量和功率的异步电机；（4）电能转换系统AC-DC-AC。将飞轮等效为电机轴上的一个转动惯量负载T。

根据力学的一般原理可知，以角速度ω旋转的飞轮可储存的能量为：

不平衡转动力矩T是飞轮转速改变的根本原因，关系如式（2）所示：

当转矩T的方向与飞轮的方向一致时，飞轮受到正向不平衡转矩的作用而加速，将能量转化为飞轮的动能储存起来。反之，当T与飞轮的转动方向相反时，飞轮受到反向不平衡转矩的作用而减速，将动能转化成其他形式的能量。

异步电机模型采用DIgSILENT元件库中的Asynchronous machine模型，能量转换系统中的变流器采用库中的PWM Converter模型，FESS拓扑结构如图1所示。

图1 FESS拓扑结构

2.2 控制策略

2.2.1 并网侧DC/AC控制策略

d-q坐标系下电网侧控制器的电压方程为：

式中：ud、uq为控制器控制电压d、q轴分量；ugd、ugq为并网侧电压d、q轴分量。

由此可见，通过控制d、q轴电流分量，能够实现有功、无功的解耦控制，而对电流分量可进行闭环PI调节。在DIgSILENT平台中，PWM Converter模型带有自动生成PWM波的功能，用户用DSL语言编写控制模块控制该变流器时，只需将调制因数Pmr、Pmi的信号输出给Converter元件即可。

2.2.2 电机侧AC/DC控制策略

电机侧变流器采用磁场矢量控制，电气方程如下：

式中：PIM为异步电机功率；Te为电磁功率；ω为角速度；p为极对数；Lr为转子自感；M为互感；ψ为磁链；isq为转子q轴电流。可得到如下系列公式：

参考磁链Reference flux：

式中：PIMr为异步电机额定功率；isqmax为异步电机定子q轴最大电流。

磁链估算Flux estimator：

参考力矩Reference torque：

电子电流d轴分量isqrefcomputer：

电机侧AC/DC控制器框图如图2所示。

图2 电机侧AC/DC控制器

3 结语

本文通过飞轮储能建模可看出，DIgSILENT有逆变器的模块，无需像PSCAD一样建立三相桥式逆变电路，也无需建立PWM波生成模块控制各个开关器件的关断，节省了用户的工作量。因此，DIgSILENT在FACTS建模方面具有独特的优势。