飛輪儲能在風力發電系統中的應用及仿真

王華君，何濤，王風濤，趙蕾

（河北工業大學控制科學與工程學院，天津 300130）

飛輪儲能在風力發電系統中的應用及仿真

王華君，何濤，王風濤，趙蕾

（河北工業大學控制科學與工程學院，天津 300130）

風能的間斷性和波動性給風電并網帶來了很大的困難，調峰能力不足、配電線路阻塞和輸電困難等往往會導致棄風現象的發生．以飛輪儲能系統作為風力發電系統并網的功率調節單元，使用功率補償的方法調節了風力發電系統的有功功率和無功功率，改善了風機輸出電能質量．最終利用M atlab/Simulink搭建了風電場和飛輪儲能模型，對其在風電并網時的進行了仿真，對風電并網問題和儲能技術的應用有一定的參考作用．

風電并網;飛輪儲能;無刷雙饋電機；功率補償；

0 引言

電力系統是一個動態平衡的系統，發電、輸電和配電必須保持時刻的平衡．風能的間歇性和不穩定性導致風電機組輸出的有功功率和無功功率經常處于波動狀態，將其直接并網將會引起電能質量下降甚至危及電網的正常運行．當大風電接入電力系統和遠距離輸送，往往存在著無功平衡、電壓穩定和頻率調節等技術問題[1]，嚴重時就會導致棄風現象的發生．因此研究風電場的并網運行的穩定性是風力發電技術的重要問題．

為了有效的利用風能，風電場通常要在發電系統中配備調速限速裝置和儲能系統．近年來，飛輪儲能技術逐步走向成熟，飛輪儲能有很多化學蓄電池不可比擬的優點，是電力系統中最有希望和競爭力的新型儲能技術[2]．

1 風電并網的頻率問題及無功補償技術

隨著風力發電技術的發展，變速恒頻（VSCF）風力發電機逐漸取代了傳統恒速恒頻（CSCF）的鼠籠式異步感應電機，改善了恒速風力發電機風能利用率不高和機械故障率高等缺點．但是隨著變頻裝置在風力發電中的大規模使用，使得電機的機械系統與電器系統解耦，電機不再相應系統的頻率變化，即變速恒頻風力發電機不再參與系統的一次調頻，從而減小了電力系統的慣性．當電力系統功率發生波動時，頻率將發生更大的變化，頻率偏移量也會相應增加[3]．

另外，組成風電場的電氣系統的發電機組、變壓器和集電線路等都屬于高感性設備，為了提高風電并網的功率因素和調節電壓，無功補償是風電場中必不可少的設備．目前，風電場中常用的無功補償方式有3種：并聯電容器組、靜態無功補償（SVC）和靜止同步補償（SVG）．并聯電容器組的方法雖然成本低、實現簡單，但不能很好跟隨風電廠電壓，應用較少；SVC的方法反應迅速、補償效果也好，但是輸出諧波大，基波損耗較高；SVG的很多性能都優于SVC，且輸出諧波小，但設備操作維護較為復雜，造價較高，性價比一般[4]．

圖1 飛輪儲能裝置結構Fig.1 Structureof flywheelenergy stroagesystem

2 飛輪儲能系統的結構和工作原理

飛輪儲能系統主要有以下幾部分組成：負責能量轉換的電機、負責儲存能量的轉子軸承（支撐系統）以及電力轉換設備．其結構如圖1所示．除電力電子器件以外的整個飛輪儲能裝置被真空容器封閉起來，將電機與飛輪運行時風損降到了最低[5]．

飛輪儲能系統基本工作原理是：當其工作在儲能狀態時，電機做電動機運行，帶動飛輪運轉將電能以機械能的形式儲存起來；當外界需要其釋放能量時，飛輪帶動電機做發電機運行，將機械能轉換為電能輸送到電網之中；當飛輪空閑運轉時，整個裝置以最小的損耗運行．由此，整個飛輪儲能系統實現了電能的輸入、輸出和儲存的任務．

飛輪儲能系統利用飛輪的高速旋轉來儲存能量，飛輪一般都由特殊的合成材料組成．飛輪所儲存的能量可由式(1)確定．

從式(1)中可以看出飛輪儲能系統所儲存能量的多少關鍵在于飛輪的轉速．根據飛輪轉速的不同可將飛輪儲能系統分為兩種類型：每分鐘飛輪轉速在一萬轉以上的為高速飛輪，每分鐘飛輪轉速數千轉稱為低速飛輪．受到材料和軸承技術的影響，目前新能源發電、電力系統調節多采用低速飛輪儲能系統，而高速飛輪多用于航天和軍事領域．

與化學儲能和電磁儲能等儲能方式相比，飛輪儲能有很多突出的優點[6]．

1）具有較快的充放電速度且沒有次數的限制；

2）使用壽命長，是蓄電池壽命的5倍以上，且其維護簡單、費用少，因此成本相對較低；

3）轉換效率高，可以達到90%以上；

4）對安置地點地理位置和環境無要求，儲存能力不受外界溫度等的變化而波動，且環境友好，無任何污染．

通常情況下，為了保證風電場輸出的電能質量，儲能系統和風電場的功率比一般保持在1∶4左右較為適宜[6]．

飛輪儲能的最大缺點是它存在著較大的靜態消耗，每小時由于其自放電現象損失的能量能達到自身儲存能量的20%，故飛輪儲能不適宜用作長期儲能裝置，卻非常適合用于變化周期小的一次頻率的控制．將飛輪儲能設備接入配電網中可以吸收或釋放有功及無功功率，提高電能質量．

對于交-直-交變流的風力發電系統而言，飛輪儲能設備的連接方式主要分為兩種，一種是從交流側接入，這種方式可以使飛輪儲能系統運行的獨立性；另一種是將飛輪儲能設備從直流側直接接入，這種連接方式和風力機公用逆變裝置，節約了系統成本．本文采用連接在風機直流側的方式．結構簡圖如圖2．

圖2中，風力發電機G將捕捉到的風能轉換為電能，經過整流器將三相交流電轉變為直流電，飛輪儲能裝置電路并聯在系統直流電路中．當風力發電機的的輸出功率變化或負載擾動時，必然會引起iG或iL的變化，（iGiL）也必然會隨之改變．通過控制策略的設計，當Edc升高時，飛輪儲能設備處于儲能狀態，抑制直流電壓的上升，當Edc下降時，飛輪儲能設備處于釋能狀態，補充系統的功率缺額．

圖2 采用飛輪儲能的風力發電系統結構圖Fig.2 Using flywheelenergy storagesystem onw ind powersystem

3 數學模型的建立

3.1 電機的選擇及其模型的建立

飛輪儲能系統通常采用內置電機．作為其核心部件，由于電機的轉速高（低速飛輪的轉速一般為每分鐘數千轉），轉速范圍大，散熱條件差（工作在真空環境中），所以飛輪儲能系統對電機的工作性能要求很高，主要有：1）具有可逆性，能運行于電動和發電狀態；2）有較大的輸出轉矩和輸出功率，能適應大范圍的速度變化；3）電機運行效率高，調速性能好，且空載損耗不能太大．

基于以上要求，本文采用了具有結構簡單、便于維護、運行可靠等諸多優點的無刷雙饋電機（Brushless Doubly-fed Machine）作為飛輪電機．

無刷雙饋電機兼具籠型轉子感應電機和繞線式轉子異/同步電機的優良特性：自起動能力良好、即可運行于同步狀態也可運行于異步狀態、可在無刷狀態下實現雙饋，而且功率因數可調、效率高，滿足飛輪電機的性能要求，比較適合應用于風力發電系統的功率調節環節．圖3是無刷雙饋電機雙饋運行模式下的接線結構圖．

從圖3中可以看出，無刷雙饋電機的定子上裝有兩套繞組．通常情況下，功率繞組與工頻電源相接，極數為2p；控制繞組跟控制電源相接，極數為2q．無刷雙饋電機的功率繞組和控制繞組之間通過轉子繞組傳遞電磁功率，沒有直接的電磁耦合．無刷雙饋電機的轉速滿足[7]

式中：n為電機轉速；f1為工頻電源頻率；f2為控制電源頻率．

根據式(2)可以看出，調節無刷雙饋電機定子控制繞組電流頻率f2便可達到控制電機轉速的目的．

根據無刷雙饋電機的運行特性，在不計磁路飽和和高次諧波的影響下，可建立dq0狀態下的無刷雙饋電機的數學模型[8]．

電壓方程

圖3 無刷雙饋電機結構圖Fig.3 Structure of Brushlessdoubly-fedmachine

其中：（以下各式下標中；P表示功率繞組；c表示控制繞組；s表示定子側；r表示轉子側；q,d分別表示q，d軸分量；Dt為對時間的導數）．

式中：J為轉動慣量；T0為拖動轉矩；Kd為阻尼系數．

利用式(3)～式(5)便可利用Matlab/Simulink可搭建出飛輪儲能系統的仿真模型．

3.2 風電場模型的建立

對于一臺旋轉半徑為R的風輪機，在風速V下運行時，風機的風輪轉矩T和所產生的機械功率P分別為

式中：為空氣密度；Cp為風力機的風能利用系數，及單位時間內風輪機所吸收的風能與通過風風輪旋轉面部風能之比．

風能利用系數Cp與風輪固有的葉尖速比特性相關，葉尖速比定義為葉片的葉尖圓周速度與風速之比，即

圖4 風能利用系數和葉尖速比的關系Fig.4 Relationof rotor powercoefficient and tip speed ratio

當槳距角取不同值時，Cp與的關系為一簇形狀相似的曲線．在額定風速下，一般槳距角保持為0，盡量使風機運行在最大風能系數附近．圖4Cp與的二維空間圖．

為了方便風電場模型的搭建，本文利用擬合函數

來表示Cp與之間的關系，其中，0，1，2等待定系數可根據風力機的特性來確定[9]．

根據式(6)～式(9)，可利用Matlab/Simulink搭建風電場的模型．

3.3 飛輪電機的充放電控制方式

由于無刷雙饋電機功率繞組和控制繞組之間存在著強耦合，因此本文采取了基于同步角矢量解耦控制的方法．飛輪電機矢量控制原理圖如圖5所示．

圖中，上標ce代表控制繞組同步坐標系，pe代表功率繞組同步坐標系，r表示轉子參考坐標系．M表示互感，指磁鏈，指角速度，指定子繞組的功角．

圖5 電機矢量控制原理圖Fig.5 Motor vectorcontrolprinciplediagram

本文確立飛輪儲能系統的控制目標是：根據風電場的運行情況，使飛輪儲能裝置的輸出跟蹤該系統給定的參考功率p0．規定飛輪儲能裝置在儲能狀態吸收功率為正，電機最大功率Pmax，則有

其中：Pg為風電場輸出功率，Pr為期望輸出功率，Pf為電網一次控制所需要的功率．

當無刷雙饋電機轉子加速時，電機由于電網吸收有功功率，處于儲能狀態；轉子減速時，此裝置向電網釋放有功功率，處于發電狀態；轉子恒速運行時，裝置和電網之間沒有有功功率的交換．在上述3種情況下，此裝置均可以向電網提供無功功率．根據電機轉差率s的大小，可以用此新型電機作為飛輪儲能狀態時細分為亞同步儲能運行狀態（0＜s＜1,Pm＞0）、亞同步發電機狀態（0＜s＜1,Pm＜0）、超同步儲能運行狀態（s＜0,Pm＞0）、超同步發電運行狀態（s＜0,Pm＜0）、調相運行狀態（s=0,Pm=0）．

4 系統效果仿真

系統參數如下：電網直流側電壓600 V，交流側311 V．風力發電機的參數可參考文獻[9]．BDFM參數：Pp=3，Pc=1，Rsp=13.25，Lsp=0.79H，H，Lmp=3.379H，Rsc=9.8，Lsc=1.295H，Lmc=7.141mH，Rr=0.339m，Lr=0.06mH，飛輪及電機轉動慣量J=0.008kg m2，控制系統設置飛輪的初始轉速為1000 r/min，最高轉速8 000 r/m in．

圖6是仿真模型模擬風電場隨機風速．波形由平均風速、漸變風、陣風和燥生風4部分疊加組成[10-11]．從而更好的模擬了風速的波動性和隨機性．

當給風力發電機輸入如圖6所示隨機風速時，風機輸出的有功功率和電壓情況分別如圖8和圖9所示．

圖中，仿真開始時的大幅度波動是由于風機啟動時的沖擊電流造成的．從圖8和圖9可以看出，由于風速的波動，風力發電機所輸出的有功功率和電壓也是不穩定的，電能質量較差．當接入飛輪儲能設備時，飛輪儲能裝置根據風力發電機直流側電流的變化對風電功率的波動進行實時補償，從仿真結果可以看出，飛輪儲能裝置有效抑制了風力發電的不穩定性，平滑了風力發電機組有功功率和無功功率的輸出，提高了風力并網的電能質量，也證明了飛輪儲能裝置的有效性．

圖6 輸入風速Fig.6 Inputw ind speed

5 結束語

本文采用無刷雙饋電機作為飛輪電機作為風力發電系統的功率調節環節，在實用性和經濟性上做了論述，利用Matlab/Simulink搭建了風力發電機和飛輪儲能設備的仿真模型，以風力發電機直流側的電流為控制信號，采用了dq軸電流的反饋解耦的的控制方案，對風機輸出功率進行了實時補償．仿真結果表明，飛輪儲能裝置能夠成功平滑風電輸出功率，改善電能質量，有效降低了風電功率波動性對電網的沖擊，有較好的工程適用性．

圖7 飛輪電機的轉速變化Fig.7 The flywheelof themotor speed change

風電的發展離不開儲能技術，從經濟和技術的角度來看，飛輪儲能作為一項逐步走向成熟的儲能技術，其高效、節能、壽命長及其環境友好等特點非常適用于風電并網時電能質量的調節，相信隨著材料的不斷改善以及電磁軸承技術的發展，飛輪儲能技術將會在風電行業展現出越來越優異的性能．

圖8 使用飛輪儲能和未使用飛輪儲能時風電場有功功率輸出比較Fig.8 Comparison ofwhether to use the flyw heelenergy storage techology of theactive poweroutputof thew ind farm

圖9 使用飛輪儲能和未使用飛輪儲能時風電場電壓輸出（標幺值）比較Fig.9 Comparisonofwhether touse the flywheelenergy storage techology of thevoltage(p.u.)outputof thew ind farm

[1]何慶亞，楊海林．風電場無功補償方式比較[J]．電氣技術，2009，44（8）：86-88．

[2]BoukettayaG，Krichen L，OualiA．A comparativestudy of three differentsensorless vectorcontrol strategies fora flywheelenergy storagesystem [J]．Energy，2010，35（1）：132-139．

[3]LalorG，MullaneA，O’MalleyM．Frequeney controlandw ind turbine teehnologies[J]．IEEETransaetionson PowerSystems，2005，20（4）：1905-1913

[4]黃偉煌．風電場無功補償技術[J]．電氣制造，2011（2）：45-47．

[5]葛舉生，王培紅．新型飛輪儲能技術及其應用展望[J]．電力與能源，2012，33（2）：181-183．

[6]陳習坤，湯雙清，劉剛．飛輪儲能在并網型風力發電系統中的應用[J]．機電一體化技術，2005，3（26）：26-28．

[7]張軍，郭豐產．無刷雙饋電機的原理及應用[J]．電氣開關，2006（5）：45-47．

[8]黃守道，羅軍波．基于Matlab的無刷雙饋電機建模與仿真[J]．湖南大學學報，2002，29（6）：71-73．

[9]張小芳，王愛龍，田俊梅．風力機的MATLAB模型及其應用[J]．電力學報，2004，19（2）：114-115．

[10]阮軍鵬，張建成等．飛輪儲能系統改善并網風電場穩定性的研究[J]．電力科學與工程，2008，24（3）：5-7．

[11]潘文霞，陳允平等．風電系統及其電壓特性研究[J]．河海大學學報，2001，29（1）：88-92．

[責任編輯 代俊秋]

Matlab/simulink research on stability ofw ind farmsusing flywheel energy storage system

WANG Hua-jun，HETao，WANG Feng-tao，ZHAO Lei

(Schood of ControlScience and Engineering,HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300130,China)

With therapoid developmentofw ind powergeneration,abandonwind caused agreatwasteofenergy.Energy storage technology cansolve the problem perfectly.Thispaperusing the flywheelenergy storage technology and compares advantages and disadvantagesw ith other energy storage technology.expounds the presentsituation of the development andw orking princip le of flyw heelenergy storage technology.Finally using Matlab/Simulink to build the flywheelenergy storagemodel,sinmulated the flyw heelenergy storageusing onw ind pow er farm.Thispaperhascertain reference function to application theenergy storage technology.

grid-connected w ind farm;flyw heel energy storage;brushless doubly-fed machine;pow er com pensation; matlab/simulink

TK82

A

1007-2373(2014)04-0016-06

2014-02-26

國家863計劃（2007AA 05Z423）

王華君（1957-），男（滿族），教授．