楊鋒 于飛 張曉鋒 賀慧英
(海軍工程大學電氣與信息工程學院, 武漢 430033)
飛輪儲能系統(tǒng)是一種以動能方式存儲能量的機械電池,它由高速飛輪、電動/發(fā)電機、軸承支承系統(tǒng)、功率電子變換器、電子控制設備以及附加設備(如真空泵、緊急備用軸承)等組成[1]。飛輪電池在“充電”時,利用現(xiàn)代功率電子技術,由工頻電網提供的電能,經功率電子變換器,驅動電機帶動飛輪高速旋轉,飛輪以動能的形式把能量儲存起來,從而完成電能—機械能轉換的儲存能量過程。當需要給負載供電,即“放電”時,高速旋轉的飛輪作為原動機拖動電機發(fā)電,經功率變換器輸出適用于負載的電流與電壓,從而完成機械能—電能轉換的釋放能量過程。
整個飛輪儲能系統(tǒng)實現(xiàn)了電能的輸入、儲存和輸出的全過程。正因為這個技術特點,目前國外將飛輪儲能用于不間斷電源[2]、電力系統(tǒng)調峰[3]、風力發(fā)電、太陽能發(fā)電、電動汽車[4]、低軌道衛(wèi)星、大功率調峰等方面[5]。在艦船上,飛輪儲能系統(tǒng)同樣可以作為不間斷電源使用,即當艦艇發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時,由飛輪儲能系統(tǒng)釋放能量,為重要負載提供持續(xù)電源。
在艦船等獨立電力系統(tǒng)為高能武備大功率脈沖負載供電時,為避免對電源瞬時沖擊過大,必須采用儲能系統(tǒng),采用飛輪儲能系統(tǒng)是一種有效途徑。但是,根據獨立電力系統(tǒng)容量小,負載大小與系統(tǒng)容量具有可比性等特點,需要根據不同負載大小來選擇飛輪儲能系統(tǒng)匹配,并且分析飛輪儲能系統(tǒng)在儲能狀態(tài)、放能狀態(tài)及兩者之間的轉換過渡時刻,對負載的影響和帶來的供電電能品質問題。為此,必須建立合適的飛輪儲能系統(tǒng)的全系統(tǒng)模型進行仿真分析。
典型的飛輪儲能系統(tǒng)的工作原理圖如圖1所示。當飛輪系統(tǒng)處于充電狀態(tài)時,PWM變流器1起整流作用,主要將工頻交流電整流為恒定電壓的直流電;PWM變流器 2起逆變作用,將直流電源經過脈寬調制變?yōu)轭l率可變及電壓大小也可變的交流電,驅動電機帶動飛輪高速旋轉,電機工作在電動狀態(tài),把電能轉化為飛輪動能存儲起來。
圖1 飛輪儲能系統(tǒng)的工作原理圖
當需要飛輪提供能量時,飛輪電池工作于放電狀態(tài),飛輪充當原動機,電機工作在發(fā)電狀態(tài),PWM變流器 2起整流作用,將發(fā)電機發(fā)出的交流電整流為直流電,PWM變流器1起逆變作用,將直流電源經過脈寬調制變?yōu)轭l率及電壓大小恒定的工頻交流電供給用電設備。
儲能/放能控制器的作用是在儲能或放能時,采用不同的控制方法,控制主電路半導體元件的開通和關斷,完成脈寬調制,使逆變器輸出電壓符合需要的頻率大小和波形,滿足飛輪加速(儲能)或減速(放能)的需要。
由于數(shù)值計算技術和計算機技術的發(fā)展,基于圖形的模塊化仿真方法已經成為電力系統(tǒng)仿真的主導方向,為電力系統(tǒng)數(shù)字仿真提供了非常強大的工具。PSCAD/EMTDC計算軟件是其中比較典型的代表。
圖2 三相PWM變流器仿真模型
PSCAD/EMTDC是專業(yè)用于電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)計算的圖形化仿真工具,其中集成了包括發(fā)電機、電動機負荷、輸電線路、變壓器以及電力電子器件與裝置在內的電力系統(tǒng)絕大多數(shù)元件的詳細時域模型,并提供用戶自定義模型接口??捎糜谶M行一定規(guī)模的交直流電力系統(tǒng)詳細時域電磁暫態(tài)仿真。由于考慮本飛輪儲能系統(tǒng)應用于獨立電力系統(tǒng)中,需充分考慮其儲能和放能的動態(tài)過程,故采用了PSCAD/EMTDC軟件搭建其仿真模型。
飛輪儲能系統(tǒng)仿真模型按照圖1的工作原理框圖而建立,其中兩個PWM變流器建立的模型如下:
三相逆變器是由六個全控型器件構成。另外為了給負載能量回饋提供通路,每個全控器件都要反并聯(lián)一個二極管,模型中的全控器件采用IGBT,由軟件自帶。該模型可以對器件的吸收電路進行設置。建立的仿真模型主電路如圖2所示。
為減小輸出電壓的諧波,逆變器一般采用PWM 控制方式,本模型采用的是正弦 PWM(SPWM)控制方式,即逆變器的觸發(fā)信號由正弦參考波與三角載波相比較獲得,逆變器輸出電壓的幅值與頻率由參考波確定,逆變器的開關頻率由三角波確定,觸發(fā)控制電路的仿真模型由圖3所示。
圖3 三相PWM變流器觸發(fā)控制信號仿真模型
飛輪儲能系統(tǒng)中永磁電機采用軟件自帶模型,由于飛輪與電機同軸,且一般采用磁懸浮技術減小其摩擦阻力,因此飛輪轉子可以采用具有大轉動慣量、小摩擦系數(shù)和小阻力轉矩的負載模擬。
永磁電機在儲能階段作為電動機運行,采用矢量控制技術,其中在電機額定轉速以下,采用恒轉矩加速模式,在額定轉速以上采用恒功率加速模式。為此需要斷開變流器1的控制信號使其由反并聯(lián)二極管工作在整流狀態(tài),變流器2工作在逆變狀態(tài),控制信號按照電機的加速控制要求給定。
永磁電機在放能階段作為發(fā)電機由飛輪作為原動機帶動其運行,變流器2的控制信號封鎖,由其反并聯(lián)二極管工作在整流狀態(tài);變流器1工作在逆變狀態(tài),采用負反饋方式根據負載要求提供三相交流電源。
設置交流電源電壓為50 Hz、3300 V;電機轉速給定為4000 r/min;飛輪負載轉矩為2 N·m,轉動慣量為50 kg·m2;系統(tǒng)在t=100 s時由儲能狀態(tài)轉換到放能狀態(tài),釋放的電能提供給50 kW的恒功率負載,要求輸出給負載的電壓為400 V,為降低輸出電壓諧波,在PWM變流器1的交流輸出側側接三相 LC濾波器,直流輸出側接大電容濾波。
(注:實際系統(tǒng)的轉速和轉動慣量要大很多,因此系統(tǒng)加速時間將非常長,為縮短仿真時間,這里轉速和轉動慣量設置較小,但是并不影響對仿真模型的驗證。)
得到的仿真結果如圖4所示。
從仿真結果可以看出:
(1) 永磁電機在0~5 s工作在電動機狀態(tài),電機轉速按控制要求加速;
(2) 在t=0~1.2 s之間,在矢量控制技術下,電機采用恒轉矩加速方式,電機始終控制在最大轉矩下,電機電流也一直保持在最大值,因此轉速加速度較快;
(3) 在t=1.2 s時,電機轉速和反電勢達到額定值,不能再提供最大輸出電流,因此控制電機工作在恒功率加速方式下,在該方式下,隨電機的轉速不斷升高,電機的電磁轉矩和電樞電流不斷減小,保持輸出功率在額定功率不變,由于電磁轉矩和電樞電流不斷減小,因此在該階段電機的加速度不斷減?。?/p>
圖4 飛輪電機的轉速、轉矩、電流及母線直流電壓響應曲線
(4) 在t=3.4 s時,電機轉速達到設定值4000 r/min,電機電流和轉矩迅速減小,只以較小的值和飛輪阻力轉矩平衡,維持飛輪穩(wěn)定運行,因此穩(wěn)態(tài)情況下,飛輪系統(tǒng)消耗的能量非常??;
(5) 在t=5 s時,電網電源與PWM變流器1斷開,停止給電機供電,此時電機立刻轉為發(fā)電機,由飛輪作為原動機拖動其運行,變流器2由逆變狀態(tài)轉為整流狀態(tài),把發(fā)電機發(fā)出的交流電轉變?yōu)橹绷麟姡兞髌?由整流狀態(tài)轉為逆變狀態(tài),把直流電調制為負載需要的電能提供給負載。
如仿真結果圖5所示,在放能過程中,飛輪(與電機同軸)轉速是不斷下降的,提供的能量逐漸減少,因此直流母線電壓也逐漸降低,只不過由于飛輪的轉動慣量非常大,轉速和能量的減小非常慢。
雖然直流母線電壓逐漸降低,但是變流器 1采用負反饋控制方式,因此其輸出電壓(見圖 6和圖7)按設置要求維持不變。
圖5 飛輪轉速與直流母線電壓變化曲線
圖6 飛輪儲能系統(tǒng)工作在放電狀態(tài)時的輸出電壓
圖7 飛輪儲能系統(tǒng)工作在放電狀態(tài)時的輸出電壓(局部放大圖)
本例要求輸出線電壓為400 V(峰值為565 V),由圖6和圖7可見,雖然轉速不斷降低,直流電壓不斷下降,但是變流器1輸出的電壓維持在400 V不變。
本文按照飛輪儲能系統(tǒng)實際組成搭建了飛輪儲能系統(tǒng)的全系統(tǒng)模型。仿真模型中變流器采用SPWM控制,飛輪轉子利用具有大轉動慣量、小摩擦系數(shù)和小阻力轉矩的負載模擬。為分析飛輪儲能系統(tǒng)在獨立電力系統(tǒng)中對于大功率負載的影響,仿真給出了系統(tǒng)在儲能狀態(tài)、放能狀態(tài)及兩者之間的轉換過渡時刻的轉速、轉矩、電流及母線直流電壓響應曲線,經過對仿真結果進行分析表明,轉速、轉矩、電流及母線直流電壓的匹配關系與理論情況完全一致,證明了本文利用特殊負載模擬飛輪轉子的方法是可行的,建立的飛輪儲能負載仿真模型是正確有效的。利用該仿真模型可用于應用飛輪儲能系統(tǒng)的電力系統(tǒng)計算與設計。
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