風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中飛輪儲能裝置的控制分析

李偉

（遵義師范學(xué)院，貴州 遵義 563006）

風(fēng)能屬于清潔能源，靠近沿海地區(qū)風(fēng)力較為發(fā)達(dá)。在云貴地區(qū)的布局地方風(fēng)能也較為集中，可發(fā)展分散式的風(fēng)力發(fā)電。我國能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃中明確指出，大力發(fā)展分散式風(fēng)電，穩(wěn)步建設(shè)風(fēng)電基地，積極開發(fā)風(fēng)電項(xiàng)目，2020年風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模達(dá)到2.1億kW以上。風(fēng)能的缺點(diǎn)是風(fēng)能的產(chǎn)生有著周期性和不穩(wěn)定性，導(dǎo)致發(fā)出的電能也帶有周期性和不穩(wěn)定性。這種不穩(wěn)定性給電力系統(tǒng)帶去了潛在的危機(jī)，降低了系統(tǒng)的安全性。學(xué)術(shù)界對于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的不穩(wěn)定性難題進(jìn)行了攻克，誕生了飛輪儲能系統(tǒng)。

1 風(fēng)電場中飛輪儲能系統(tǒng)研究

飛輪儲能由機(jī)械裝置和電力電子設(shè)備組成，其能量的轉(zhuǎn)換不經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)。因此，它具有壽命長、響應(yīng)速度快和對環(huán)境友好的優(yōu)點(diǎn)，并且具有制造成本低、建設(shè)周期短、后期維護(hù)少、成本低等優(yōu)點(diǎn)。飛輪儲能技術(shù)最早由美國Beacon Power公司進(jìn)行研發(fā)，該公司通過不斷地技術(shù)探索和更改設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了一種雙飛輪的儲能結(jié)構(gòu)。2011年，該公司試運(yùn)營了20MW電網(wǎng)級的飛輪儲能系統(tǒng)，由200個(gè)飛輪并聯(lián)運(yùn)行，最大儲能容量達(dá)到25kWh，以100kW的功率可以持續(xù)放電15min，同年，北京奇峰公司宣布1kWh的磁懸浮飛輪儲能系統(tǒng)研發(fā)成功，雖然與發(fā)達(dá)國家有一定差距，但該項(xiàng)技術(shù)填補(bǔ)了我國在該領(lǐng)域的空白。學(xué)術(shù)界對于飛輪儲能技術(shù)的研究主要集中于飛輪充放電策略、風(fēng)電系統(tǒng)的低電壓穿越技術(shù)、飛輪儲能UPS等。但學(xué)術(shù)界較為缺少的研究包括飛輪儲能系統(tǒng)運(yùn)用到風(fēng)電場至今缺少完成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖和實(shí)際控制方案、飛輪儲能系統(tǒng)與風(fēng)電場的協(xié)調(diào)關(guān)系。飛輪儲能技術(shù)相較于現(xiàn)今的儲能供電設(shè)備，如柴油供電或蓄電池供電，依然具備強(qiáng)大的技術(shù)能力和成本優(yōu)勢。

2 飛輪儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理

飛輪儲能系統(tǒng)首先可根據(jù)轉(zhuǎn)速分為兩類，一類是最高轉(zhuǎn)速控制在6000～60000r/min范圍的低速飛輪系統(tǒng)；另一類是最高轉(zhuǎn)速超過60000r/min高速飛輪系統(tǒng)。飛輪儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，主要是飛輪、電機(jī)和電力電子轉(zhuǎn)換裝置組成。具體的組成部分是承擔(dān)能量轉(zhuǎn)換任務(wù)的電機(jī)、承擔(dān)儲存能量任務(wù)的轉(zhuǎn)子軸承（支撐系統(tǒng)）以及電力轉(zhuǎn)換設(shè)備。其他組成部分包括真空容器和飛輪。飛輪儲能系統(tǒng)工作原理是，儲能系統(tǒng)工作時(shí)，電能通過電力轉(zhuǎn)換器變換后驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行，電機(jī)帶動飛輪加速轉(zhuǎn)動，飛輪則將能量以動能的形式進(jìn)行儲存，從而完成電能到機(jī)械能轉(zhuǎn)換的儲存過程。當(dāng)需要向外輸送電能時(shí)，飛輪再帶動電機(jī)做發(fā)電機(jī)運(yùn)行工作，將已儲存的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能向外輸送。當(dāng)飛輪空閑運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，裝置會自動將耗損降至最低狀態(tài)，保證機(jī)械的耗損降到最小。經(jīng)過這一過程，飛輪儲能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，進(jìn)行儲存，需要時(shí)將機(jī)械能再轉(zhuǎn)換成電能。這種儲能方式打破了化學(xué)電池的局限，實(shí)現(xiàn)了利用物理方法進(jìn)行儲能。飛輪儲能系統(tǒng)相較于其他新型的儲能系統(tǒng)，擁有較多的優(yōu)點(diǎn)。首先，飛輪儲能可進(jìn)行快速并且無限次的充放電，其次，飛輪儲能系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率高，無論是電能轉(zhuǎn)機(jī)械能，或機(jī)械能轉(zhuǎn)電能，其效率都在90%以上。再者飛輪儲能系統(tǒng)對于建造的地點(diǎn)、地理環(huán)境、氣候變化、地質(zhì)條件均無要求，最后，飛輪儲能系統(tǒng)因自身是根據(jù)物理原理設(shè)計(jì)，工作時(shí)不會排放廢氣、廢物和廢液，對環(huán)境較為友好。飛輪儲能系統(tǒng)具有使用壽命長，且維護(hù)簡單，成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)然飛輪儲能也有著一些不足存在，其中最主要的問題就是靜態(tài)消耗非常大，其自身儲存的能量大約有20%都由于自放電現(xiàn)象而損失掉了。因此飛輪在長期儲能裝置上的應(yīng)用無法取得較好的效果，然而其對于控制變化小的一次頻率上卻非常適合，可以將其與配電網(wǎng)進(jìn)行連接，從而釋放或吸收有功或者無功功率使電能的質(zhì)量得到提高。飛輪儲能系統(tǒng)儲存能量的上限值取決于轉(zhuǎn)速的最大值，受到材料和軸承技術(shù)的限制，目前風(fēng)電場的電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)更多使用低速飛輪系統(tǒng)；航天和軍事領(lǐng)域的電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)更多使用高速飛輪系統(tǒng)。

3 飛輪儲能系統(tǒng)與風(fēng)電場協(xié)調(diào)控制策略研究

（1）飛輪儲能系統(tǒng)充放電控制策略。當(dāng)飛輪儲能系統(tǒng)首次進(jìn)行工作時(shí)，各飛輪儲能單元的轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)速均設(shè)置為零，也就是飛輪儲能系統(tǒng)儲存能量為零。但能量為零時(shí)的飛輪儲能系統(tǒng)無法進(jìn)行工作。因此，首先需要對飛輪儲能系統(tǒng)進(jìn)行充電，使用風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行充電。充電的過程才是飛輪儲能系統(tǒng)的初始化過程。飛輪儲能系統(tǒng)需要首次充電到70～80%的容量，保證飛輪儲能系統(tǒng)可以繼續(xù)吸收電能轉(zhuǎn)換的機(jī)械能。飛輪儲能系統(tǒng)在外界指令下，轉(zhuǎn)換儲存電能改為放電。儲能系統(tǒng)的工作狀態(tài)是接受風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能，使各儲存單元中的飛輪驅(qū)動電機(jī)處于電動機(jī)狀態(tài)，將所接受的電能驅(qū)動飛輪轉(zhuǎn)子加速，從而將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能進(jìn)行儲存；接受指令后，儲存機(jī)械能改為放電。儲能系統(tǒng)的其他單元的工作狀態(tài)仍是發(fā)電機(jī)狀態(tài)，采用能量回饋制動的模式向電網(wǎng)饋電，但飛輪轉(zhuǎn)子會自動降速，儲存的能量出現(xiàn)減少。在初始化的充電中，飛輪儲能系統(tǒng)充電至70～80%的容量，可以選擇將一部分飛輪充電至最大轉(zhuǎn)速，另一部分預(yù)留出一定的容量；也可以選擇對所有飛輪進(jìn)行充電，并保持大致相同的轉(zhuǎn)速。在放電過程中，采取按比例分配的方法，也就是按照所有儲能單元當(dāng)前儲存能量的大小，以“能者多勞”為原則，按比例分配放電。在飛輪進(jìn)行充電時(shí)，也可以按照“少者多補(bǔ)”的原則，以當(dāng)前儲能單元內(nèi)已儲存的能力作為基礎(chǔ)，按照比例分配充電功率。此外還要注意，在飛輪的充電過程中，處于最高轉(zhuǎn)速的飛輪轉(zhuǎn)子不會參與充電，而是處在能量保持的狀態(tài)，此時(shí)的充電功率會在其他的飛輪儲能單元中進(jìn)行分配。在飛輪儲能系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，各飛輪儲能單元之間不會進(jìn)行相互的充放電。當(dāng)風(fēng)電場的風(fēng)速較為平穩(wěn)時(shí)，飛輪儲能單元的充放電深度會減少，也就不需要太多的飛輪儲能單元進(jìn)行工作，此時(shí)就需要由控制器將部分飛輪儲能單元中的能量進(jìn)行釋放，然后將其關(guān)閉，從而使能量損耗減少。

（2）飛輪儲能系統(tǒng)安全控制策略。飛輪儲能系統(tǒng)需要避免過度充電和過度放電的情況。上述兩種情況都會對系統(tǒng)帶來不可預(yù)估的危害。比如在沿海地區(qū)，風(fēng)季時(shí)間風(fēng)能非常充足，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)會持續(xù)發(fā)出電能傳送過飛輪儲能系統(tǒng)，飛輪儲能系統(tǒng)面對源源不斷地能量不得不加快轉(zhuǎn)子的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能進(jìn)行儲存。飛輪則會出現(xiàn)過度充電，飛輪的轉(zhuǎn)速會超過限制的最高轉(zhuǎn)速，對飛輪的壽命造成影響。如果超過一定時(shí)長，電機(jī)會燒壞。飛輪轉(zhuǎn)子立即出現(xiàn)失控脫離軸承，引發(fā)安全事故。風(fēng)能在某一段階段嚴(yán)重不足，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸送給飛輪的電能較少，但飛輪儲能系統(tǒng)持續(xù)向外放電，這種情況下，飛輪則會過度放電，飛輪自身旋轉(zhuǎn)失去了能量，處于最低轉(zhuǎn)速狀態(tài)，甚至超出了飛輪儲能系統(tǒng)自行再儲能的控制。這種情況，容易導(dǎo)致電機(jī)處于不穩(wěn)定的非正常工作狀態(tài)，嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行效果，造成更加嚴(yán)重的能量耗損。因此，在風(fēng)能資源充足的時(shí)候，要適當(dāng)?shù)奶岣唠娋W(wǎng)的總輸出功率。使飛輪儲能系統(tǒng)處于放電狀態(tài)，從而使儲能系統(tǒng)充電飽和的程度得到緩解。如果風(fēng)速過高，超過了額定風(fēng)速，則要通過調(diào)動變槳控制，減少對風(fēng)能的吸收，從而對電能的產(chǎn)出進(jìn)行控制。當(dāng)出現(xiàn)風(fēng)能資源不足的時(shí)候，可能會導(dǎo)致飛輪系統(tǒng)瀕臨或者達(dá)到完全放電的狀態(tài)。所以，如果風(fēng)電機(jī)尚有部分電能產(chǎn)生，那么可以通過降低總輸出功率，防止飛輪儲能系統(tǒng)出現(xiàn)放電過量的現(xiàn)象。如果風(fēng)速過低導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)無法進(jìn)行電能產(chǎn)出，那么此時(shí)就要將風(fēng)電場與電網(wǎng)的連接進(jìn)行暫時(shí)分離，飛輪儲能系統(tǒng)與外界的聯(lián)系也要暫時(shí)切斷，使其處于能力保持狀態(tài)，防止放電過量。

4 結(jié)語

本文簡要介紹了風(fēng)電場中的飛輪儲能系統(tǒng)相關(guān)研究歷程，繼而詳細(xì)分析了飛輪儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理，結(jié)構(gòu)上飛輪儲能系統(tǒng)主要由一種飛輪和電機(jī)組成。原理上，風(fēng)電場中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能，飛輪儲能系統(tǒng)將上述電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能進(jìn)行儲存，當(dāng)需要時(shí)，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。并分析了相較于其他儲能系統(tǒng)，飛輪儲能系統(tǒng)的優(yōu)勢。最后，對飛輪儲能系統(tǒng)與風(fēng)電場協(xié)調(diào)控制策略進(jìn)行了研究。