飞轮电池提高离网型风力发电系统稳定性研究

飞轮储能系统是一种机电能量转换与储能装置，它突破了化学电池的局限，用物理方法实现储能，其基本原理是在储能时，电能通过电力转换器变换后驱动电机运行，电机带动飞轮加速转动，飞轮以动能的形式把能量储存起来，从而完成电能到机械能转换的储存能量的过程，能量储存在高速旋转的飞轮体中；之后，电机维持一个恒定的转速，直到接收到一个能量释放的控制信号；在释能时，高速旋转的飞轮带动电机发电，从而完成机械能到电能转换的释放能量过程。由此，整个飞轮储能系统实现了电能的输入、储存和输出过程[4]。
2 系统结构和工作原理
采用飞轮储能系统作为调节单元的离网型风力发电系统的结构如图2所示。其中，风电机组主要由风轮机、永磁同步发电机等部分组成。储能单元为飞轮储能系统，它利用感应电机带动金属飞轮，将电能转化为机械能，实现能量的存储。

由于风力发电机发出的能量随风速的变化而变化，并且实际的负载也是随时变化的，所以直流总线上的电压会出现波动，从而造成系统不稳定。
在这个系统里，当风能不足或负载较大时，直流总线电压EDC将减小，飞轮储能系统里的感应电机作为发电机，将储存于飞轮中的机械能转换成电能补偿给整个系统；当风能充足或负载较小时，直流总线电压EDC将增大，飞轮储能系统里的感应电机作为电动机，将电网上多余的能量存储到飞轮储能系统里。这样,通过飞轮的不断释放和吸收能量达到维持直流侧电压EDC在预定范围内的目的[5]。
3 飞轮电池的充电控制
配备有飞轮储能电池的独立运行式风力发电系统，当风速变大或者负载减小时，系统直流侧电压EDC将上升，飞轮储能电池的电机运行于电动状态，将电能转换成机械能储存于飞轮中。此时PWM双向逆变器工作在逆变状态。为了满足飞轮电池充电的快速性、稳定性等要求，这里采用了电机转子磁链定向的矢量控制策略[6-7]。为此，建立永磁同步电动机的d-q轴数学模型如下：


飞轮电池充电时，采用d-q轴的前馈解耦和id=0的矢量控制，如图3所示。该控制框图采用转速外环、电流内环的双闭环控制。当系统直流侧电压EDC上升时，飞轮电池充电，PWM变流器工作在逆变状态。直流电经过逆变器的变压变频后给飞轮电池的电动机供电，并且通过调节电动机转速来控制飞轮电池的充电电流大小。将电动机转速的给定信号与反馈信号进行比较，之后经过转速调节器，转速调节器的输出为电流调节器的输入。定子相电流的d-q轴分量和它们的反馈量进行比较，经过电流调节器的校正，电压解耦，得到d-q轴的电压控制量，再运用矢量反变换获得需加在电动机上的输出电压，然后再用SPWM调制技术得出对逆变器的驱动脉冲。id、iq的反馈量由电动机定子得到。通过电机转速也可知道飞轮电池的能量状态。abc三相电流经过坐标变换得到。坐标变换中的θ和电机转速可由转子位置检测单元得到。

4 飞轮电池的放电控制
在配备有飞轮储能电池的离网型风力发电系统中，当风速变小或者突加负载时，系统直流侧电压EDC将下降，飞轮储能电池的电机运行于发电状态，将储存于飞轮中的机械能转换成电能补偿给系统。此时PWM双向逆变器工作在整流状态。永磁同步发电机发出的三相正弦交流电经过PWM整流之后得到稳定的直流电。根据是否选取瞬态输入交流电流作为反馈控制量，PWM 整流器控制分为间接电流控制和直接电流控制两种。间接电流控制基于系统的静态模型设计，其动态特性较差；直接电流控制由于动态响应快、控制精度高的优点，成为 PWM 整流器控制策略的主流。所以本系统采用直接电流控制，图4所示是本系统所采用的电流滞环比较方式的控制系统结构图。

5 系统的仿真结果及分析
采用Matlab/Simulink对系统进行仿真，其中风力发电系统的参数参照参考文献[8]和参考文献[9]。飞轮储能系统的仿真参数如下：电机参数R1=2.875 ?赘；L-M=8.5 mH；p=4；J=0.8×10-3 kg/m2。分别对风速突然增大和突然减小两种情况进行了仿真分析，给定直流母线电压为400 V，仿真结果如图5和图6所示。