飛輪儲能參與風場調頻控制研究

張繼紅，崔天祥，熊 偉，吳振奎，張自雷

（1.內蒙古自治區光熱與風能發電重點實驗室（內蒙古科技大學），內蒙古 包頭 014010；2.陸軍裝備部駐包頭地區第一軍代室，內蒙古 包頭 014030）

0 引言

隨著國際社會對保障能源安全、保護生態環境、應對氣候變化等問題的日益重視，加快開發利用可再生能源已成為世界各國的普遍共識和一致行動。隨著可再生能源利用技術的進步和產業化的快速發展，我國可再生能源已具備規模化開發應用的基礎，并展示了良好的發展前景，同時也受到了可再生能源發電特性的明顯制約［1］。一方面，現有的電力運行機制難以適應可再生能源規模化發展需求，主要表現在以傳統能源為主的電力系統尚不能完全滿足風電、光伏等波動性可再生能源的并網運行要求［2］；另一方面，雖然可再生能源裝機容量逐年快速增長，但利用效率不高，“重建設、輕利用”的情況仍較為突出，供給與需求不平衡、不協調，致使可再生能源持續利用潛力未能充分挖掘，可再生能源占一次能源消費的比重與發達國家相比仍處于較低水平［3-4］。

隨著我國經濟的快速發展和“雙碳”戰略目標的提出，規模化可再生能源裝機容量進一步擴大，導致火電承擔電網深度調峰調頻的負擔日益沉重，傳統電力產業面臨嚴峻挑戰［5-6］。因此，國家電網有限公司和地方電力公司先后出臺了多項指導意見，明確了儲能系統參與風電、光伏聯合調節任務，旨在確保電力系統頻率穩定與電能質量水平［7］。

近年來，國內推出的儲能種類繁多、特性各異，但能夠較好擔任風電場聯合調頻任務的儲能設備并不多。其中，飛輪儲能具有壽命長、清潔無污染和充放電次數不受限制等突出優勢，可實現電力系統調頻、調峰、有功和無功調節等［8-9］。飛輪儲能的配置可有效支撐新型電力系統產業轉型，對推動能源行業低碳轉型具有建設性意義。另外，國家能源局發布《電力運行并網管理規定》［10］和《電力輔助服務管理辦法》［11］，將飛輪儲能納入并網主體管理參與電力輔助服務，為推進飛輪儲能的工程應用奠定了基礎。

目前，關于飛輪儲能聯合風場進行調頻的文獻報道相對較少，但預期的社會關注度將逐年提高。其中文獻［12］通過改進虛擬慣量自適應控制方法檢測飛輪儲能荷電狀態、自適應改變轉動慣量，實現輔助調頻目標，但控制結構較為復雜，不利于實際工程應用。文獻［13］提出了模糊控制和矢量控制算法，以減小風電輸出功率變化，這對于調頻具有一定指導價值。文獻［14］提出了一種基于風電最大跟蹤值運行聯合儲能的協調控制策略，從而提高了同步發電機參與有功功率調節的速度，但由于引入宏觀變量，系統呈現非線性關系，使得飛輪儲能難以具備調節的靈活性。文獻［15］采用火電機組協同飛輪儲能輔助風電一次調頻，并進行儲能容量優化配置，能夠有效抑制風電質量問題，減小頻率波動，但對于偏遠地區和缺乏火電機組配置區域實現調頻功能存在一定的局限性。

本文采用飛輪儲能裝置輔助風電機組參與一次調頻，提出了一種基于飛輪儲能的風電場調頻控制策略。建立飛輪儲能的基本結構和數學模型，詳細分析飛輪儲能用于平緩風電輸出功率的運行機理。根據儲能系統機側和網側變流器控制對象不同，給出相應控制方法。通過MATLAB/Simulink仿真平臺進行實驗分析，驗證了本文所提控制策略的有效性和正確性。

1 飛輪儲能概述

1.1 飛輪儲能基本結構

飛輪儲能系統由飛輪轉子、軸承、電動/發電機、雙向功率變流器和真空腔室組成［16-17］。飛輪儲能結構示意圖如圖1所示。其中，飛輪轉子是儲能系統的主體，其利用高速旋轉的飛輪轉子，能量以動能的形式進行儲存；軸承采用磁懸浮支撐轉子高速旋轉，以減小機械損耗、增加轉子動能、提高儲能密度；電動/發電機是儲能系統機械能與電能轉換的媒介，根據系統運行方式不同可以處于電動和發電兩種工作模式（由于永磁同步電機具備轉速范圍大、速度高、體積小和易維護等顯著特點，因而多用于飛輪儲能驅動設備）；雙向功率變流器是飛輪儲能的關鍵核心器件；真空腔室為飛輪提供了真空環境，盡可能降低系統運行損耗。

圖1 儲能結構示意圖

1.2 飛輪能量儲能

飛輪儲能轉子存儲的能量E由轉動慣量和角速度共同決定，可表示為：

式中：J為轉子轉動慣量；ω為轉子角速度。

若使飛輪安全穩定運行，首要條件是對其進行轉速限制，尤其不能處于超速運行狀態，系統存儲或釋放的最大能量Emax可表示為：

式中：ωmax為飛輪最大角速度；ωmin為飛輪最小角速度。

則能量利用率R可表示為：

2 飛輪儲能建模及其控制

2.1 永磁同步電機數學模型

飛輪儲能依靠永磁同步電機帶動轉子實現充電、放電和能量保持3種狀態切換。通過設置儲能電機側控制器id=0，在dq旋轉坐標系下建立定子電壓方程：

式中：ud和uq分別為定子直軸和交軸電壓；id和iq分別為定子直軸和交軸電流；Ld和Lq分別為電機直軸和交軸電感；Rs為定子等效電阻；ωe為電氣角速度；ψf為永磁體磁通。

電機驅動轉矩TL和電磁轉矩Te方程可表示為：

式中：Pm為電機極對數。

飛輪機械方程為：

式中：ωm為轉子機械角速度；B為摩擦系數。

飛輪儲能系統在忽略機械損耗的情況下，電機的輸出有功功率Pfw等于電磁功率Pe，則：

由式（5）和式（7）可知，電機電磁功率與q軸電流直接相關。

2.2 飛輪儲能電機側控制策略

飛輪儲能電機側采用id=0 矢量控制，該控制方式的優點在于結構簡單、電機銅耗較小，電流與轉矩呈線性關系，易于實現飛輪的轉速控制，并提高儲能運行效率。飛輪電機側控制系統示意圖如圖2所示。

圖2 飛輪電機側控制系統示意圖

由圖2可知，電機側變流器由轉速外環和電流內環構成雙閉環控制系統，控制原理為：利用轉子位置傳感器獲取轉子角位置θm，由式（6）計算得出轉子機械角速度ωm，將其轉化為電氣角速度ωe，與輸入的有功功率計算得到參考轉矩Teref，從而獲得轉矩電流參考值iqref，可表示為：

控制的實施過程中，將電機的定子電流ia、ib和ic經Park 變換得到兩相同步旋轉坐標系d、q軸分量id和iq，將其與給定參考值進行比較，并經過PI 變換得到電壓值ud和uq；將電壓輸出值通過dq/αβ坐標變換得到αβ靜止坐標系下電壓值uα和uβ，并輸入給SVPWM（空間矢量脈寬調制）獲得變流器控制脈沖信號，從而控制電機充、放電運行。

2.3 飛輪儲能網側控制策略

電網側變流器采用電網電壓定向矢量控制策略，網側電流iabc經坐標變換得到dq坐標系下d、q軸電流分量，通過控制id和iq電流，使直流母線電壓保持恒定，電流輸出與電網同步，并且實現對有功功率和無功功率的單獨控制。

網側變流器在dq坐標系下的數學模型可表示為：

式中：R和L分別為網側電抗器的電阻和電感；ud和uq分別為網側變流器d、q軸電壓分量；id和iq分別為電網d、q軸電流分量；ed和eq分別為電網d、q軸電壓分量，其中eq=0。

由式（9）可知，d、q軸電流分量id和iq存在耦合關系，通過電流前饋解耦方式，使系統對有功和無功單獨控制，其解耦方程為：

式中：KdP和KdI分別為電流環d軸下比例和積分增益；KqP和KqI分別為電流環q軸下比例和積分增益；idref和iqref分別為電流環d、q軸下電流參考值。由式（10）可知，實現對d、q軸下電流解耦，則有功功率P和無功功率Q可以表示為：

系統采用電壓電流雙閉環結構，電壓外環通過調節網側dq坐標系下電流分量id和iq，以控制直流母線電壓恒定，令iqref=0，使系統在單位功率因數下運行；通過前饋解耦方式得到ud和uq，經SVPWM 對網側變流器進行控制。設計的飛輪儲能網側控制系統示意圖如圖3所示。

圖3 飛輪電網側控制系統示意圖

該控制方式的優點在于能使網側變流器有效減小電壓脈動，使系統具有較好的穩態和動態性能，并使系統處于單位功率運行方式，減小了無功分量。

2.4 電機轉速控制

飛輪在充電或放電狀態下均需要設定轉速限制。當飛輪處于最高轉速時，若繼續進行充電增加轉速，不僅影響儲能系統使用壽命，還可能使飛輪轉子面臨裂解風險，存在較大安全隱患；相反，當飛輪達到最低轉速時，若系統繼續放電，可能導致飛輪停止運行，從而延遲飛輪再啟動時間，降低系統運行效率。為解決上述問題，本文通過設定邏輯函數方式，并結合飛輪實際轉速和功率情況，限制電機電磁轉矩，防止儲能系統出現過充或過放的情況。

設計的限制飛輪轉子轉速邏輯函數可表示為：

式中：nmin為電機最低轉速；nmax為電機最高轉速；為電機參考功率；X的取值只有0 或1，如表1所示。飛輪儲能裝置隨X的取值運行狀態如圖4所示。

表1 電機運行狀態

圖4 轉速控制流程

飛輪儲能裝置因有最高轉速和最低轉速限制，則儲能在運行時，輸出能量百分比為：

式中：n為轉子實際轉速。

3 飛輪儲能參與風電機組調頻

3.1 風-儲系統

飛輪儲能為風力發電提供瞬時功率支撐，有效提高風電利用率，減少棄風。在風能充足時，滿足飛輪儲能充電狀態，則電機作為電動機，將風能轉化為機械能，儲存于飛輪轉子當中；在風能不足或發生電力缺額時，儲能處于發電狀態，將機械能轉化為電能回饋電網。飛輪儲能接入風電系統的方式主要有兩種，如圖5 所示。其中圖5（a）將飛輪儲能接入變流器直流側，該方式結構簡單，需要3個變流器工作，但對網側變流器的容量要求較高，并且對于已建成的風場接入比較困難；圖5（b）為給出的飛輪儲能接入風電箱變低壓側，該接入方式的優點是實現風電機組和飛輪儲能裝置獨立運行，不受風電機組與儲能裝置容量限制，提高了系統靈活性。由于風電場風機數量較大，分布在廣闊區域，且每臺風機地處區域不同，所受風速也不盡相同，因此造成每臺風機輸出功率波動不一致。但從風電場整體來講，每臺風機對其造成的影響相對較小，因而采取圖5（b）的接入方式更為合理。

圖5 風-儲并網示意圖

3.2 儲能與風電協調控制

飛輪儲能參與風電系統一次調頻的關鍵為獲得合適的飛輪轉速外環參考量。本文通過獲取風電系統發出的有功功率和電網頻率，設計功率計算模塊，將其輸送至儲能電機側變流器控制系統，以達到一次調頻的目的。首先，設定風電系統參考有功功率為Pg；其次，將參考功率與風電實際輸出功率Pω進行比較；最后，將差值作為儲能系統參考有功功率，可表示為：

風電系統參考有功功率由風電輸出有功功率和電網頻率測算獲得功率共同構成。

將風電輸出有功功率與期望功率相比較，并將聯合采樣電網頻率與額定頻率相比較，獲得風電系統期望功率。當期望功率大于0時，向電機側控制器輸出充電的電信號，電機側控制器控制飛輪儲能裝置處于充電模式，將電能轉換為動能儲存于轉子當中；當期望功率小于0時，向電機側控制器輸出放電的電信號，電機側控制器控制飛輪儲能裝置處于放電模式，儲能通過機械能轉化電能反饋至電網，彌補風電系統功率缺額。功率計算結構如圖6所示。

圖6 功率計算結構

圖6中，fref為額定頻率50 Hz；f為電網實際頻率；K為頻率調差系數；Pgref為風電系統期望功率；Pf為電網測算獲得的功率。風電系統輸出有功功率通過濾波器獲得，因此，儲能系統參考有功功率Pref可表示為：

通過計算得到飛輪儲能裝置實際充、放電控制功率值，將其輸入至儲能機側變流器控制系統參與風電場調頻。

4 仿真驗證

為了驗證本文所提控制策略的有效性，按照圖5（b）結構在MATLAB/Simulink 仿真平臺搭建容量為18 MW 的風電場，配備最大容量為6 MW的飛輪儲能系統，電網用容量為100 MW 的同步發電機代替。飛輪儲能系統參數如表2所示，風電系統參數如表3 所示，同步發電機參數如表4所示。

表2 飛輪儲能系統參數

表3 風電系統參數

表4 同步發電機參數

圖7 為自然風速模型，該模型由基本風、陣風、漸變風和隨機風構成。

圖7 風速曲線

圖8中藍色實線為無儲能系統電網頻率波動曲線，可以看出在24 s 時電網偏差大約為0.85 Hz，在34 s電網偏差大約為0.7 Hz；紅色虛線為加入飛輪儲能系統后電網頻率波動曲線，大約在24 s 和31 s時波動較大，但都控制在±0.2 Hz之內，滿足并網條件。

圖8 電網頻率

圖9為功率波形，藍色實線為風電場實際發出功率，紅色虛線為期望功率曲線。圖10 為飛輪轉子轉速。在實際發出功率大于期望功率時，儲能系統在充電模式下運行，飛輪轉子轉速增加；當實際發出功率低于期望功率時，儲能系統在放電模式下運行，飛輪轉子轉速降低。結合圖9、圖10可知，大約在18—23 s 滿足儲能系統放電條件，轉子轉速下降；大約在23—35 s 滿足儲能系統充電條件，轉子轉速上升。

圖9 功率波形

圖10 飛輪轉子轉速

5 結語

針對風力發電的隨機性與間歇性問題，圍繞儲能，配合風電場調頻的關鍵技術，通過風電場引入飛輪儲能裝置抑制風電頻率波動，建立儲能系統物理和數學模型，提出了網側變流器采用電壓定向矢量控制策略和機側變流器采用電流矢量控制，使儲能系統具有較好的靈活性和可控性。儲能系統網側變流器通過采用電壓電流雙閉環結構抑制直流母線電壓波動，并使系統處于單位功率因數狀態下運行。通過將功率計算模塊的參考功率輸入至儲能系統機側控制器，使飛輪儲能裝置精準跟蹤風電功率變化和并網點頻率波動，從而達到一次調頻的目的。