魏鯤鵬，汪 勇，戴興建

（清華大學工程物理系，北京 100084）

為了應對全球氣候變化、改善我國能源結構，風電作為新興的可再生能源被大力推廣。隨著技術的進步和制造能力的提高，我國風電建設規(guī)模逐步擴大，2013年風電發(fā)電機裝機容量超過7500萬千瓦，并且計劃在2020年裝機總量達到2億千瓦。風電迅速發(fā)展的同時面臨著許多挑戰(zhàn)，其中風電出力受系統(tǒng)運行條件限制的問題日益突出，這主要是因為風速的隨機性和間歇性使風力發(fā)電系統(tǒng)輸出存在較大波動。

并網(wǎng)導則規(guī)定了風力發(fā)電機的運行電壓和頻率范圍[1]：在規(guī)定的電壓和頻率范圍內(nèi)，即使風力發(fā)電機超出其額定工作點，也要處于運行狀態(tài)，但可以在一定時間內(nèi)減少輸出功率；如果超出規(guī)定的電壓和頻率范圍，風力發(fā)電機必須在規(guī)定時間內(nèi)自動脫離電網(wǎng)。此外，對于電網(wǎng)故障引起的電壓跌落，在電網(wǎng)電壓恢復穩(wěn)定之前，風力發(fā)電機必須保持不間斷并網(wǎng)運行。隨著分布式風力發(fā)電技術的發(fā)展和微電網(wǎng)的使用，解決風速波動和負載突變所帶來的系統(tǒng)頻率波動問題迫在眉睫。

根據(jù)運行特征風力發(fā)電機可分為恒速風力發(fā)電機和變速風力發(fā)電機。恒速風力發(fā)電機系統(tǒng)可以自然響應電網(wǎng)頻率的下降，其轉(zhuǎn)子在電網(wǎng)頻率下降時自動降速向電網(wǎng)輸送能量，無需控制器[2]；但恒速風力發(fā)電機系統(tǒng)并網(wǎng)運行時從電網(wǎng)吸收無功功率會惡化電網(wǎng)功率因數(shù)，影響電壓穩(wěn)定；而且風力機轉(zhuǎn)速不能調(diào)節(jié)導致系統(tǒng)不能捕獲最大風能，效率較低。

相較于恒速風力發(fā)電機系統(tǒng)，變速風力發(fā)電機系統(tǒng)適用的風速范圍廣、功率系數(shù)高且工作壽命長[3]。目前變速風力發(fā)電機可劃分為雙饋異步發(fā)電機、電勵磁同步發(fā)電機和永磁同步發(fā)電機三類。考慮風力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率和經(jīng)濟成本，目前大多數(shù)變速風力發(fā)電系統(tǒng)采用雙饋異步發(fā)電機，其在風力發(fā)電的商業(yè)市場上占統(tǒng)治地位[4]。變速風力發(fā)電機系統(tǒng)可根據(jù)風速大小調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速實現(xiàn)輸出功率最大化，并將輸出功率頻率與電網(wǎng)頻率匹配。系統(tǒng)通過控制器和功率調(diào)節(jié)裝置實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率的解耦，發(fā)電機輸出電壓、電流的幅值、頻率和相位不受轉(zhuǎn)子速度和瞬時位置影響；但變速風力發(fā)電機系統(tǒng)對電網(wǎng)頻率下降無法實現(xiàn)自然響應[5]。

隨著風電的大規(guī)模發(fā)展和應用，新的并網(wǎng)導則要求減小風電并網(wǎng)對電網(wǎng)頻率和電壓的影響。研究人員提出了多種控制器的設計方案，實現(xiàn)了變速風力發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)頻率下降的響應。在這些方案中，控制器能夠判斷電網(wǎng)頻率是否下降，并相應地降低轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速從而向電網(wǎng)輸送更多能量，但這會導致發(fā)電機在低功率因數(shù)下運行，損失了部分發(fā)電能力[2]。解決并網(wǎng)問題的另一種研究方向是在功率轉(zhuǎn)換器的直流母線上接入儲能裝置，控制輸送到電網(wǎng)的有功和無功功率。功率轉(zhuǎn)換器可以實現(xiàn)將交流電轉(zhuǎn)化為直流電、再將直流電轉(zhuǎn)化為電網(wǎng)頻率的交流電這一功能；儲能裝置的接入提高了系統(tǒng)對電網(wǎng)頻率下降的響應，其在電網(wǎng)頻率下降時可向電網(wǎng)提供額外的能量，而且風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)子不需要降速。

飛輪儲能可以滿足風力發(fā)電的需求：響應速度快，可在數(shù)分鐘內(nèi)完成充放電；工作效率高，一般效率可達到90%以上；能量密度高，可實現(xiàn)短時高功率輸出；使用壽命長，周期壽命在10年以上；環(huán)保無污染，機械儲能的方式不會產(chǎn)出污染物[6-9]。而且相較于超導儲能、大型電容器儲能和新型電池儲能，考慮儲能系統(tǒng)在電力品質(zhì)、頻率支持和負載變化三方面的經(jīng)濟性，飛輪儲能有極大優(yōu)勢[10]。但由于目前飛輪儲能容量相對小，更適合應用于小型孤島電網(wǎng)調(diào)峰、電網(wǎng)調(diào)頻和電網(wǎng)穩(wěn)定控制等方向[11]。

1 飛輪儲能系統(tǒng)

飛輪儲能系統(tǒng)主要由飛輪轉(zhuǎn)子、軸承、電動/發(fā)電機、功率轉(zhuǎn)換器、控制系統(tǒng)和保護外殼組成。飛輪轉(zhuǎn)子在軸承的支撐下通過其高速旋轉(zhuǎn)儲存能量，電動/發(fā)電機分別工作在充電和放電兩個狀態(tài)，可以適應較大范圍內(nèi)的風速變化；功率轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)了交流電和直流電之間的轉(zhuǎn)化，并使系統(tǒng)輸出與電網(wǎng)頻率相同的交流電；保護外殼在飛輪故障時提供安全保護，還可提供真空環(huán)境減小運行中的能量損耗。

飛輪儲能系統(tǒng)應用于風力發(fā)電中的原理：飛輪轉(zhuǎn)子與電動/發(fā)電機轉(zhuǎn)子同軸相連，當滿足充電條件時，系統(tǒng)通過功率轉(zhuǎn)換器吸收能量，電動/發(fā)電機作為電動機驅(qū)動儲能飛輪高速旋轉(zhuǎn)，將電能以動能形式存儲；當滿足放電條件時，儲能飛輪降低轉(zhuǎn)速并帶動發(fā)電機運行，將動能轉(zhuǎn)化為電能經(jīng)過功率轉(zhuǎn)換器調(diào)頻后輸送到電網(wǎng)。

存儲于飛輪轉(zhuǎn)子中的動能由轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量和角速度決定，可用式(1)表示三者之間的關系

式中，E是存儲于飛輪轉(zhuǎn)子中的動能，I是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，ω是轉(zhuǎn)子的角速度。飛輪轉(zhuǎn)子的最大能量密度Esp由轉(zhuǎn)子材料抗拉強度、轉(zhuǎn)子密度和轉(zhuǎn)子形狀決定

式中，σm是轉(zhuǎn)子材料的最大抗拉強度，ρ是轉(zhuǎn)子材料的密度，Ks是形狀因子。飛輪轉(zhuǎn)子的最大能量密度取決于材料自身特性，與材料的抗拉強度成正比，而與材料的密度成反比，材料的抗拉強度與密度之比越大，其最大能量密度就越大；因此相較于鋼，纖維復合材料制作的飛輪旋轉(zhuǎn)速度更快，儲存動能更多[12-14]。

目前長壽命的飛輪儲能系統(tǒng)容易獲得，在實驗室規(guī)模下已證明了其在調(diào)節(jié)頻率和平滑功率方向的可行性[7,15]，而且國外Beacon Power公司已從安全、高效平衡電網(wǎng)供需取得了一定的經(jīng)濟效益。飛輪儲能的研究方向主要集中于兩個方面：一是微損耗高速軸承，使用先進的超導磁懸浮軸承、永磁懸浮軸承、電磁懸浮軸承取代傳統(tǒng)的滾動軸承和流體動壓軸承；二是新型復合材料，使用高極限強度的纖維復合材料等取代傳統(tǒng)的鋼、鋁。除此之外，在低能耗真空的獲得與維持、大功率高速電機的研發(fā)、電機控制和功率轉(zhuǎn)換等方向的研究也取得了一定進展[11]。

2 研究進展

風速的隨機性和間歇性導致風力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率和電壓存在較大的波動，風力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)問題亟待解決。飛輪儲能系統(tǒng)可以參與系統(tǒng)動態(tài)行為，響應電網(wǎng)快速的頻率波動，解決電網(wǎng)有功負荷變化導致的電網(wǎng)頻率波動，使系統(tǒng)恢復穩(wěn)定狀 態(tài)[16-17]。飛輪儲能系統(tǒng)的控制方式會影響風力發(fā)電系統(tǒng)輸出的電力品質(zhì)，因此控制策略要綜合考慮系統(tǒng)的功率平滑和低電壓穿越能力，目前研究人員已經(jīng)研究了多種控制方案下飛輪儲能系統(tǒng)的效能。

Cimuca等[18]研究了直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）策略并通過模擬研究了飛輪儲能系統(tǒng)對風力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的影響。實驗結果如圖1所示，其中藍色曲線為風力發(fā)電機的輸出功率，紅色曲線為接入飛輪儲能系統(tǒng)后發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率；從圖1中可以看出飛輪儲能系統(tǒng)的使用明顯降低了系統(tǒng)輸出功率的波動，使輸出功率平滑。

圖1 飛輪儲能對系統(tǒng)輸出功率影響[18]Fig.1 Influence of FES on system output power[18]

而且他們比較了直接轉(zhuǎn)矩控制策略與磁場定向控制策略下系統(tǒng)的輸出功率，實驗結果如圖2所示。其中藍色曲線為磁場定向控制（FOC）策略下發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率，綠色曲線為直接轉(zhuǎn)矩控制策略下發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率；從圖2中可以看出直接轉(zhuǎn)矩控制相較于磁場定向控制可向電網(wǎng)輸送更多的功率，因此直接轉(zhuǎn)矩控制策略可能是一種更好的選擇。

采用正交試驗L9(34)[15-16]設計，采用種實采后處理(A)、播種時間(B)、播種方式(C)3個因素，每個因素設置3個水平(表1)，試驗共設置9個處理，以各處理播種小區(qū)(2 m2)為1次重復，重復10次，不考慮互作。

圖2 不同控制策略（DTC和FOC）下系統(tǒng)輸出功率[18]Fig.2 System output power under different control strategies[18]

Diaz-Gonzalez等[19]針對飛輪儲能系統(tǒng)設計了一套基于反饋控制技術的能量管理算法，實現(xiàn)了對輸出功率的波動補償，并且其控制器經(jīng)過設計和調(diào)諧確保了儲能裝置的魯棒性和時間響應期望。其算法在保證飛輪可以快速充放電以降低輸出功率波動的前提下，可使飛輪保持在最佳轉(zhuǎn)速，避免了運行過程中飛輪連續(xù)放電，也驗證了飛輪儲能系統(tǒng)可有效補償因輪換采樣效應導致的輸出功率波動現(xiàn)象。

歐陽慧珉等[20]研究了一種基于飛輪儲能裝置對系統(tǒng)輸出功率進行柔性控制的解決方案，即通過雙脈沖寬度調(diào)制變流器將發(fā)電系統(tǒng)與儲能系統(tǒng)相連接，并控制系統(tǒng)間能量雙向流動，從而調(diào)節(jié)風力發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率。熊倩等[21]研究了一種適合直驅(qū)永磁風力發(fā)電系統(tǒng)的功率平滑控制策略，建立了控制系統(tǒng)小信號模型并對系統(tǒng)進行小擾動分析，證明了含飛輪儲能單元的發(fā)電系統(tǒng)可保持穩(wěn)定運行，而且儲能環(huán)節(jié)可以在最大限度利用風能的條件下實現(xiàn)系統(tǒng)功率輸出平滑。

Strachan等[22]也對飛輪儲能系統(tǒng)對發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的影響進行了類似研究，并比較了電網(wǎng)故障時儲能裝置的兩種控制策略。一是將飛輪中儲存的能量輸送到直流母線，因為儲能系統(tǒng)獨立于電網(wǎng)，系統(tǒng)可以在短時內(nèi)常規(guī)跟蹤輸出功率，但會導致直流母線電壓的升高并且將降低系統(tǒng)容錯能力，尤其在風速減小時可能耗盡飛輪儲存的能量；二是將直流母線的能量輸送到儲能飛輪，這會提高系統(tǒng)容錯和恢復能力，但在儲能系統(tǒng)完全耗盡時會威脅整個發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。優(yōu)先考慮發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性和風速隨機性，目前多采用第一種控制策略；為了解決第一種控制策略的弊端，追加模擬第二種控制策略故障響應覆蓋儲能系統(tǒng)參考電流，其實驗結果如圖3所示。圖3中紅色曲線為風力發(fā)電機輸出的有功功率，綠色曲線為儲能飛輪儲存的有功功率，藍色曲線為公共連接點處的有功功率；在25 s時電網(wǎng)發(fā)生了故障，公共連接點處功率下降為0，儲能飛輪儲存功率迅速上升，發(fā)電機輸出功率下降很小。研究人員提出的儲能控制策略保障了故障期間直流母線電壓處于可接受范圍，可能會發(fā)展為提高直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)容錯能力的有效技術，可進行深入研究。

圖3 低電壓穿越時系統(tǒng)有功功率輸出[22]Fig.3 System active power output at low voltage ride through[22]

Gayathri等[23]研究了飛輪儲能系統(tǒng)對雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng)的低電壓穿越能力的影響，采用兩級轉(zhuǎn)換器控制避免了轉(zhuǎn)子電流過大或直流環(huán)節(jié)電容過電壓，發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)故障期間的功率輸出如圖4所示。圖4中紅色曲線和藍色曲線分別為接入和未接入飛輪儲能系統(tǒng)的發(fā)電系統(tǒng)輸出功率，從圖中可以看出接入飛輪儲能系統(tǒng)大大提高了發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)故障期間的低電壓穿越能力。

圖4 低電壓穿越條件飛輪系統(tǒng)對輸出功率影響[23]Fig.4 Influence of FES on output power at LVRT[23]

朱小軍等[24]分析了電網(wǎng)故障下含飛輪儲能的永磁直驅(qū)風電系統(tǒng)直流母線的電壓波動機理，并提出了一種低電壓穿越增強運行控制策略，突破了傳統(tǒng)控制模式下網(wǎng)側(cè)變換器抑制直流鏈電壓波動能力的局限。在電網(wǎng)發(fā)生不對稱故障時，通過控制網(wǎng)側(cè)變換器實現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)的故障穿越運行，向電網(wǎng)提供一定的暫態(tài)無功支持以輔助電網(wǎng)電壓恢復。

Jerbi等[26]針對基于儲能系統(tǒng)的變速風力發(fā)電機系統(tǒng)提出了一種模糊邏輯控制策略，并實現(xiàn)了對飛輪儲能系統(tǒng)運行和直流母線電壓的控制。通過模擬仿真建立了相關模型，實驗結果如圖5所示。圖5中藍色曲線為模糊邏輯控制下發(fā)電系統(tǒng)輸出功率，紅色曲線為無飛輪儲能的發(fā)電系統(tǒng)輸出功率，顯然模糊邏輯控制下系統(tǒng)輸出功率波動較??；實驗結果證實了提出策略可以提高輸出電力品質(zhì)，并降低連接節(jié)點處負載電壓的波動。模糊控制需要將長期實踐積累的經(jīng)驗模型化以解決非線性問題，模型建立過程較為復雜且存在一定的主觀性，目前難以實際應用于飛輪儲能系統(tǒng)控制。

圖5 飛輪儲能對連接節(jié)點處有功功率影響[26]Fig.5 Influence of FES on active power at connected node[26]

風速與有功功率的管理、風力發(fā)電機的動態(tài)控制和發(fā)電系統(tǒng)的整體效率都有很大關系，因此風速預測至關重要。Islam等[27]在小容量飛輪儲能系統(tǒng)方向提出了一種基于風速預測的控制策略。傳統(tǒng)風速預測方法可分為三類：一類是基于持續(xù)觀察，一類是基于物理模型，一類是基于統(tǒng)計分析。研究中基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡提出的風速預測模型相較于傳統(tǒng)的風速預測模型更具優(yōu)勢，飛輪儲能系統(tǒng)通過延時函數(shù)忽略較高的切換頻率，并通過預測風速獲得的輸出功率參考提供或吸收有功功率，使輸送到電網(wǎng)的功率平滑。實驗結果如圖6所示，點線為輸出功率參考，綠色曲線為最終輸出功率參考，黃色曲線為電網(wǎng)輸出功率，藍色曲線為風力發(fā)電機輸出功率。從圖6中可以看出其提出的風速預測模型和控制模型可以提高小容量飛輪儲能系統(tǒng)效率并使電網(wǎng)輸出功率波動更平滑。

圖6 含飛輪儲能的風力發(fā)電系統(tǒng)四種功率比較[27]Fig.6 Comparison of four wind turbine powers with FES[27]

王磊等[28]針對風力發(fā)電系統(tǒng)儲能需求進行研究，并設計了一種基于網(wǎng)絡拓撲結構的飛輪儲能矩陣系統(tǒng)。飛輪儲能矩陣有分布式和集成式兩種連接方案，相較于分布式結構，集成式結構可以減少充放電切換頻率，降低系統(tǒng)運行損耗并調(diào)高系統(tǒng)工作的協(xié)調(diào)性。研究中采用集成式連接拓撲結構的飛輪儲能矩陣系統(tǒng)按照主從控制模式，即上層控制器根據(jù)充放電和安全控制策略向下層子控制器分配充放電功率，實現(xiàn)了系統(tǒng)與風力發(fā)電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運行；證明了飛輪儲能矩陣可以使發(fā)電系統(tǒng)輸出功率平滑，并有助于穩(wěn)定母線電壓。

非并網(wǎng)風力發(fā)電系統(tǒng)往往會接入柴油發(fā)電機以保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定，而飛輪儲能系統(tǒng)的使用可以減小風電發(fā)電系統(tǒng)輸出功率對系統(tǒng)電壓和功率的影響，避免柴油發(fā)電機的頻繁啟動，進而提高了風能利用效率。

Carrillo等[29]研究了基于靜壓傳動的變速飛輪在非并網(wǎng)風力發(fā)電系統(tǒng)中的使用，為了評估靜壓傳動控制效果，將其與速度幾乎不變的常速飛輪和基于功率電子轉(zhuǎn)換器的變速飛輪做比較。通過模擬研究得出三種不同結構飛輪的主要區(qū)別在于儲能容量；變速結構更適用于抵抗風速變化，而常速結構在抵抗負載變化上響應更好；雖然基于靜壓傳動和基于功率轉(zhuǎn)化器的飛輪儲能系統(tǒng)響應相近，但基于靜壓傳動的儲能系統(tǒng)魯棒性好，而基于交流/交流變頻器的儲能系統(tǒng)效率更高。

俞斌等[30]研究了一種基于飛輪儲能輔助的非并網(wǎng)風力發(fā)電系統(tǒng)，提出了一種飛輪儲能系統(tǒng)對于非并網(wǎng)風力發(fā)電系統(tǒng)直流母線電壓和輸出功率的控制方法并建立了相應的仿真模型，模擬結果證實了飛輪儲能系統(tǒng)在穩(wěn)定非并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率，可以滿足終端負荷對功率平穩(wěn)的要求；此外，在直流母線發(fā)生故障導致母線電壓下降時，飛輪儲能系統(tǒng)能利用自身的儲能向系統(tǒng)輸出功率以穩(wěn)定整個發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率。

Sebastian等[31]針對非并網(wǎng)風力柴油混合發(fā)電系統(tǒng)提出了使用低成本飛輪儲能系統(tǒng)提升電力品質(zhì)。使用磁場定向控制策略管理電網(wǎng)和飛輪之間的能量輸送，分別在0.1 s和8.1 s時增加負載和風速，實驗結果如圖7、圖8所示。圖7中藍色曲線為含有飛輪儲能系統(tǒng)的發(fā)電輸出頻率波動，可以明顯看出飛輪儲能系統(tǒng)減小了非并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)輸出頻率的波動。圖8中綠色曲線為飛輪儲能的有功功率，藍色曲線為負載消耗的有功功率，可以看出當負載增加時飛輪有功功率降低向外輸出能量，而風速升高時飛輪有功功率升高以儲存能量，而負載有功功率波動很??；證明了飛輪儲能系統(tǒng)有效降低負載有功功率的波動，提高了非并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的電力品質(zhì)。

圖7 飛輪儲能系統(tǒng)對非并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)頻率的影響[31]Fig.7 Influence of FES on frequecy of grid power system[31]

圖8 負載消耗、飛輪儲存或釋放的有功功率[31]Fig.8 Active power of load consumption and flywheel storage or release[31]

3 結 語

隨著風電的大規(guī)模發(fā)展，風電并網(wǎng)難題亟待解決。飛輪儲能系統(tǒng)可以參與發(fā)電系統(tǒng)動態(tài)行為，因此其控制策略會直接影響發(fā)電系統(tǒng)的輸出電壓和頻率的波動。雖然飛輪儲能技術具有儲能效率高、運行壽命長、使用無污染等特點，但其大規(guī)模商業(yè)化應用仍需在儲能容量、自放電率等方面取得進步，而且其制造成本較高也是一大制約因素。

此外本文回顧了近年來在風力發(fā)電領域飛輪儲能系統(tǒng)控制策略的相關研究，并分析了相關控制策略的有效性和優(yōu)缺點。目前常規(guī)控制策略，如轉(zhuǎn)矩控制、磁場控制、矢量控制、功率控制等都可以有效降低發(fā)電系統(tǒng)輸出波動，但用于非線性的風電系統(tǒng)有一定的局限性。而基于風速預測、模糊算法和神經(jīng)網(wǎng)絡等人工智能控制策略仍存在技術上的難點，需要進一步完善和發(fā)展。

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