基于飛輪儲能的獨立光伏發電系統的研究*

趙晗彤，張建成

（1.華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北 保定 071003；2.國網赤峰供電公司，內蒙古 赤峰 024000）

0 引 言

隨著全球能源使用量的不斷增長，常規的化石能源面臨資源短缺、日趨枯竭的問題。在這種嚴峻大形勢下，新能源發電技術快速發展起來，其中光伏發電備受青睞［1-6］，具有廣闊的應用前景。但是光照強度和溫度的變化等因素會影響到光伏發電的輸出功率，使之產生比較大的波動。如此，電能便不能穩定持續地輸出，負荷突變的跟進不及時，供電質量下降。因此，十分有必要在光伏發電系統中配置一定容量的儲能裝置［6］，以提高電能質量和供電可靠性。

作為一種新型的儲能元件［1］，飛輪儲能具有許多特點，如功率密度大，使用壽命長，動態響應快，充放電時間短，充放電循環次數無限制，環保等。相對比于蓄電池，飛輪儲能的預期壽命更長，可靠性也愈發優越。文章以獨立光伏發電系統為供電主體，配置適當容量的飛輪儲能系統作為能量調節單元，來保證供電可靠性和電能質量［2］。

1 基于飛輪儲能的獨立光伏發電系統

圖1為系統的簡易結構示意圖，主要是由光伏陣列、BOOST DC／DC變換器、直流母線、負載和飛輪儲能系統等幾部分組成的。實現最大功率的跟蹤是BOOSTDC／DC變換器的主要作用，用于調節光伏陣列的輸出功率；與此同時，它將光伏陣列的電壓由較低值提升至較高值來滿足系統需要［6］。經BOOST DC／DC變換器這一橋梁，直流母線與光伏陣列相連接；對于直流負載用戶，它能夠直接進行供電，面對交流負載用戶，可通過DC／AC逆變器進行供電。飛輪儲能系統直接與直流母線相連，主要構成可分為兩部分，分別是雙向AC／DC變換器與飛輪系統，實現對供電系統的功率平抑，使之輸出穩定的電能。

圖1 基于飛輪儲能的獨立光伏發電系統的構成Fig.1 Structure of the stand-alone photovoltaic system based on FESS

2 光伏發電電源

2.1 光伏陣列的特性

光伏電池的輸出特性具備非線性特征［6］，如圖2所示。

圖2 光伏電池的輸出特性曲線Fig.2 Output characteristic curve of photovoltaic cell

2.2 最大功率點跟蹤

在圖2中的光伏電池P-U特性曲線上，存在著一個最大功率點，這個最大功率點的縱坐標為最大功率，橫坐標為對應電壓［6］。為了提高發電效率，常常采用最大功率點跟蹤（MPPT）的方式［6］，力圖隨時輸出最大功率。MPPT控制方法多樣，其中電導增量法和擾動觀察法［3］最為普遍采用，文中選用變步長擾動觀察法［4］。

3 飛輪儲能系統

3.1 飛輪儲能系統的組成

飛輪儲能屬于一類具有廣闊應用前景的新型儲能裝置［6-8］，如圖3所示。它的工作原理是：系統儲存能量時，電能借助雙向DC／AC變換器這個通道對電機進行驅動，飛輪被電機帶動加速儲能；當飛輪的旋轉速度上升至最大后，保持恒定不變，系統轉至能量保持狀態；系統進入釋能階段的標志是接收到相應的控制信號，飛輪基于轉動慣性拖動電機減速發電，經DC／AC變換器輸出符合要求的電能，這就是飛輪儲能系統的電能-動能-電能的完整過程。飛輪儲能的主電路拓撲結構如圖4所示。

圖3 飛輪儲能系統的結構Fig.3 Structure of FESS

圖4 飛輪儲能系統主電路拓撲結構Fig.4 Main circuit topology structure of FESS

3.2 永磁無刷直流電機的數學模型

就永磁無刷直流電機來講，采用交、直軸坐標變換的分析方法不再有效，這是因為它的氣隙磁場、電流和反電動勢都是非正弦的。因此，在建立數學模型時，選用電機本身的相變量形式進行［6］。定子繞組的自感和互感均為常數，這是因轉子磁阻不隨轉子位置變化而改變之故。假設三相繞組呈完全對稱的格局，磁路為非飽和型，渦流損耗和磁滯損耗不被計算在內，相繞組的電壓平衡方程式可以表示為［3］：

式中u、i、R、e、L和M對應為定子繞組的相電壓、相電流、相電阻、相電動勢、自感和互感。

反電動勢幅值計算公式［9］：

機械運動方程［9］：

式中Ep、Kep、Te、TL、J、f對應為反電動勢幅值、反電動勢系數、電磁轉矩、負載轉矩、轉子轉動慣量和阻尼系數［6］。

3.3 飛輪電機的控制策略

比例積分控制器（也稱PI控制器）是目前應用最為廣泛的控制器。它是一種線性控制器，具有原理簡單、易于實現、應用面廣、控制參數相互獨立且參數的選定比較簡單等優點；適用于具有大慣性、大滯后特性的被控對象，經常用在工業生產中的液位、壓力、流量等控制系統。

飛輪儲能系統在發電工況時，采用轉速-電流雙閉環調速系統，實現轉速和電流兩種負反饋分別起作用。飛輪儲能系統在電動工況時，采用電壓-電流雙閉環控制系統，以保證直流側電壓的穩定，達到放電的目的。

當系統直流母線電壓高于額定值時，需向飛輪儲能端輸送能量。若飛輪轉速n小于其極限值n*，飛輪進入充電環節［6］。充電時，轉速環與電流環均采用PI調節器進行調節。速度調節器進行調節時的給定誤差信號為（n*-n），其輸出信號為下一級電流環的給定信號，控制簡圖見圖5。

圖5 充電控制Fig.5 Charge control

當系統直流母線電壓低于額定值時，需飛輪儲能端向直流母線輸送能量。飛輪處于放電環節時，永磁無刷直流電機運行于回饋制動工作模式［6，10］；選擇這種控制方式不僅可以大大地簡化電路，節省下相關的硬件設施，而且還提高系統的可靠性。放電時，外環電壓環和內環電流環均采用PI調節器。電壓調節器進行調節時的給定誤差信號為（Udc*-Udc），其輸出信號為下一級電流環的給定信號，控制簡圖見圖6。

圖6 放電控制Fig.6 Discharge control

當系統直流母線電壓一直穩定于額定值時，發出功率與所需功率平衡，那么飛輪不需要吸收或者釋放能量，此時飛輪處于恒速運行狀態。

4 仿真分析

為了驗證控制策略的可行性，在Matlab／Simulink軟件中對相關內容進行了仿真，建立了圖1所對應的仿真模型，主要組成部分如圖7和圖8所示。處于標準光照強度和環境溫度時，系統參數為：直流母線額定電壓為500 V；穩壓電容為0.063 F；光伏陣列的開路電壓、短路電流和最大功率點電壓分別為353.6 V、21.16 A和283.2 V；負載用直流電阻代表；電機主要基本參數：R＝2.8750Ω，L-M＝8.5 mH，p＝4，J＝0.8e-3kg·m2，nN＝8 000 r／min［6］。

圖7 光伏電源仿真模型Fig.7 Simulation model of PV power

獨立光伏發電系統工作時，光照的變化和負載的突變為其所受到的主要外界干擾因素。因此在仿真過程中對這兩種情況進行模擬。

圖8 飛輪儲能仿真模型Fig.8 Simulation model of FESS

（1）模擬由于受云朵遮擋的影響，造成光照下降，持續一段時間后恢復正常的情況。

初始光照強度為S＝1 000 W／m2，1 s時光照強度下降至900W／m2，2 s時光照強度恢復到正常情況下的1 000 W／m2。仿真結果見圖9～圖11。

圖9 接入飛輪前直流母線的電壓Fig.9 DC bus voltage without FESS

圖10 接入飛輪后直流母線的電壓Fig.10 DC bus voltage with FESS

由圖9可看出，接入飛輪儲能系統前，因光照的變化，直流母線電壓在1 s時發生跌落，不能穩定于500 V，在2 s時開始回升。由圖10可以看出，飛輪儲能系統接入后，直流母線電壓一直穩定于500 V左右，基本沒有受到光照變化的影響。圖11為轉速曲線，1 s前為先充電再保持狀態，1 s～2 s期間進入放電階段，2 s后再次充電。

圖11 飛輪轉速Fig.11 Speed of the flywheel

（2）模擬負載突變的過程。

初始負載為1 800W，1 s時負載減少至1 300 W，2.5 s時恢復至1 800W，4.5 s時負載增加至4 100W。仿真結果見圖12～圖14。

從圖12可看出，飛輪儲能接入前，由于負載的突變，直流母線電壓在1 s時有所升高，2.5 s時回落，4.5 s時跌落，整個過程中一直不能穩定于500 V。由圖13可以看出，飛輪儲能系統接入后，在負載變化的過程中，直流母線電壓一直穩定于500 V左右。圖14為轉速曲線，1 s前為先充電再保持狀態，1 s～2.5 s期間處于加速充電的狀態，2.5 s～4.5 s期間轉速下降至額定轉速，4.5 s后開始放電。由上述仿真結果可知，飛輪儲能系統有效地提高了獨立光伏發電系統的電壓質量。

圖12 接入飛輪前直流母線的電壓Fig.12 DC bus voltage without FESS

圖13 接入飛輪后直流母線的電壓Fig.13 DC bus voltage with FESS

圖14 飛輪轉速Fig.14 Speed of the flywheel

5 結束語

文中將飛輪儲能系統作為能量調節單元應用于獨立光伏發電系統中，制定了相關的控制策略，通過調整直流母線與飛輪儲能之間的能量流動來穩定直流母線的電壓，并利用軟件Matlab對相應內容進行了仿真研究。仿真結果表明，在光照和負載發生變化的情況下，所設計的控制策略可以使直流母線電壓穩定于額定值，從而驗證了它的可行性與有效性。