馮 奕，顏建虎

(1.南京工程學(xué)院, 江蘇 南京 211167；2.南京理工大學(xué)，江蘇 南京 210094)

基于飛輪儲(chǔ)能的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真

馮 奕1，顏建虎2

(1.南京工程學(xué)院, 江蘇 南京 211167；2.南京理工大學(xué)，江蘇 南京 210094)

針對(duì)離網(wǎng)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)存在電能波動(dòng)大、供電可靠性差等問題，提出采用基于無刷直流電機(jī)(BLDC)驅(qū)動(dòng)的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)來提高離網(wǎng)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電能質(zhì)量。通過 Matlab/Simulink 對(duì)含有飛輪儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的離網(wǎng)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，給出仿真參數(shù)。仿真結(jié)果表明，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)可有效抑制風(fēng)速變化帶來的電能波動(dòng)，保證供電的可靠性。

風(fēng)力發(fā)電；飛輪；離網(wǎng)式；無刷直流電機(jī)；仿真

0 引言

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)分為并網(wǎng)型和離網(wǎng)型兩種形式[1]。在偏遠(yuǎn)地區(qū)，離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)更有應(yīng)用價(jià)值。由于風(fēng)速具有隨機(jī)性，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能有很大的波動(dòng)，故需要儲(chǔ)能環(huán)節(jié)來提高電能質(zhì)量。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)以其能量密度高、效率高、壽命長(zhǎng)、維護(hù)費(fèi)用低、無污染等優(yōu)點(diǎn)，成為解決電能波動(dòng)問題的理想選擇[2-4]。

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的轉(zhuǎn)子、電動(dòng)/發(fā)電機(jī)、電力轉(zhuǎn)換器組成。飛輪儲(chǔ)能的基本原理是：電能充足時(shí)，電機(jī)電動(dòng)運(yùn)行，由電能驅(qū)動(dòng)飛輪升速，電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能儲(chǔ)存；電能短缺時(shí)，電機(jī)發(fā)電運(yùn)行，飛輪的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能，飛輪減速。無刷直流電機(jī)(BLDCM)具有控制簡(jiǎn)單、調(diào)速范圍寬、高效率、高功率密度的優(yōu)點(diǎn)，故常用它作為驅(qū)動(dòng)飛輪的電機(jī)[5-9]。美國、英國、德國、日本、瑞士、加拿大等國家已就飛輪儲(chǔ)能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電、電動(dòng)汽車、不間斷電源、衛(wèi)星姿態(tài)控制等方面的應(yīng)用開展了廣泛的研究[5]。國內(nèi)的清華大學(xué)、華北電力大學(xué)、中科院電工所、北京航空航天大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、東南大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)和高校已有從事與飛輪研究相關(guān)的工作[2]。清華大學(xué)的黃宇淇等研究了飛輪并聯(lián)運(yùn)行于放電模式時(shí)的控制策略，并進(jìn)行了仿真。隨后提出了飛輪儲(chǔ)能能量回饋控制的新方法“新六拍 PWM”，縮短了電流的建流時(shí)間，進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[6-7]。深圳航天科技研究院的蒙永民等先后對(duì)飛輪的充電過程和放電過程進(jìn)行了仿真研究[8-9]，放電時(shí)額外增加了升壓電路。河海大學(xué)的陳定宙分別建立了永磁同步電機(jī)充電過程和放電過程的仿真模型，未涉及發(fā)電機(jī)部分[10]。文獻(xiàn)[11]給出了一般的飛輪控制的流程圖，并對(duì)直流母線及飛輪和負(fù)載的部分進(jìn)行了仿真。文獻(xiàn)[12]提出了一種無傳感器的磁場(chǎng)定向控制算法，進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。華北電力大學(xué)的阮軍鵬對(duì)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在風(fēng)電系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行兩種情況下的充電過程進(jìn)行了研究和仿真

本文采用永磁同步電機(jī)(PMSM)作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)，采用永磁無刷直流電機(jī)(PMBLDCM)作為驅(qū)動(dòng)飛輪的電機(jī)。仿真研究包括 PMSM 模塊、最大功率跟蹤(MPPT)控制模塊、PMBLDCM 及其控制模塊、負(fù)載端的逆變模塊、卸荷控制模塊。給出了系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)特性。研究表明，飛輪可有效抵制電能的波動(dòng)，提高電能的質(zhì)量。

1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

離網(wǎng)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由 PMSM、可控 IGBT 整流橋、直流母線電容卸荷電阻負(fù)載端 IGBT 逆變器、與飛輪同軸連接的BLDCM及變換器等組成。其工作原理是：發(fā)電機(jī)將吸收的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能；可控整流橋?qū)崿F(xiàn)風(fēng)機(jī)的最大功率跟蹤；儲(chǔ)存能量，平穩(wěn)直流母線電壓逆變器將直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)載所需的三相交流電壓。無飛輪時(shí)，直流母線上即能量過剩時(shí)，直流母線電容將被過度充電，將升高，反之則降低。加入飛輪后，通過控制BLDCM 的運(yùn)行方式改變的流向，可吸收母線上多余的能量或向其回饋能量。若飛輪已達(dá)最大轉(zhuǎn)速而能量仍過剩，則必須導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)分流。如此可實(shí)現(xiàn)的恒定。

圖1 含飛輪儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的離網(wǎng)式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)圖Fig. 1 Standalone wind power system with flywheel

2 控制策略

2.1 最大功率追蹤控制

風(fēng)力機(jī)是整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換的首要部件，其輸出功率為

根據(jù)式(2)、式(3)繪制出 CP-λ曲線如圖2，本文取 β=0，λopt=8.1，CPmax=0.48。

圖2 風(fēng)機(jī)在不同槳距角時(shí)的曲線Fig. 2curve of wind turbine with different β

發(fā)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程為

圖3 最大功率追蹤控制框圖Fig. 3 Control scheme of maximum power point tracking

2.2 負(fù)載側(cè)電壓控制

負(fù) 載 側(cè) 的 交 流 電 壓 幅 值為 311 V 、頻 率 為50 Hz。本仿真將實(shí)測(cè)電壓與參考電壓波形作滯環(huán)比較，給出逆變器各管的 PWM 信號(hào)。這樣得到的電壓波形諧波含量較大，采用電感濾波方式可控制電壓波形畸變率在3%以下。

2.3 飛輪充放電控制

飛輪充電模式控制策略為直流電壓-轉(zhuǎn)矩(電流)雙閉環(huán)控制，如圖4。直流母線電壓的偏差值經(jīng) PI調(diào)節(jié)后作為電磁轉(zhuǎn)矩的參考值此值需進(jìn)行限幅：飛輪轉(zhuǎn)速在以下時(shí)，不超過額定轉(zhuǎn)矩在以上時(shí)，不超過因經(jīng)比例運(yùn)算得到梯形波電流的參考幅值。與換相信號(hào)相乘后得到三相電流的參考值。與實(shí)測(cè)電流進(jìn)行滯環(huán)比較即得到變換器各管的通斷信號(hào)。

圖4 飛輪充電模式控制策略Fig. 4 Flywheel charging control strategy

圖5 BLDCM 控制電路圖Fig. 5 Control circuit of BLDCM

圖6 飛輪放電模式控制策略Fig. 6 Flywheel discharging control strategy

2.4 卸荷控制

當(dāng)飛輪已達(dá)最大轉(zhuǎn)速，而母線上的能量仍有剩余時(shí)，就需要導(dǎo)通卸荷電阻，消耗多余能量。本仿真中，每相負(fù)載，濾波電感采用的

3 仿真結(jié)果

本仿真的風(fēng)力模型由基本風(fēng)、隨機(jī)風(fēng)和陣風(fēng)組成，建立的風(fēng)速模型如圖7 所示。3~3.1 s 風(fēng)速的突然降落將造成發(fā)電機(jī)功率的跌落，故造成直流母線電壓的跌落。在該風(fēng)速狀況下，系統(tǒng)的各狀態(tài)特性如圖8—圖12。

圖7 風(fēng)速Fig. 7 Wind speed

圖8 風(fēng)能利用系數(shù)Fig. 8 Cpcurve

圖9 直流母線電壓Fig. 9 DC bus voltage

圖10 負(fù)載側(cè)電壓Fig. 10 Load voltage

圖11 飛輪轉(zhuǎn)速Fig. 11 Speed of flywheel

圖12 輸出功率Fig. 12 Output power

為節(jié)省仿真時(shí)間，BLDCM 的初始角速度為150 rad/s。結(jié)合圖9 和圖11 可得，前 0.18 s 內(nèi)，系統(tǒng)未達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，處于上升中，飛輪放電。一超過 600 V，就對(duì)飛輪進(jìn)行充電，起著調(diào)節(jié)直流電壓的作用，飛輪轉(zhuǎn)速在波動(dòng)中增加。3 s 時(shí)風(fēng)速突然下降，發(fā)電機(jī)側(cè)功率驟減，飛輪轉(zhuǎn)速從 1 940 r/min降至 1 869 r/min，向母線提供功率 148 W。3.1 s 時(shí)風(fēng)速恢復(fù)后飛輪繼續(xù)充電，于 3.72 s 到達(dá)最大轉(zhuǎn)速，不再上升。此時(shí)母線上的盈余能量由卸荷電阻承擔(dān)，流過卸荷電阻的電流如圖13。

圖13 卸荷電流Fig. 13 Dumping current

4 結(jié)論

飛輪儲(chǔ)能技術(shù)具有使用壽命長(zhǎng)、功率密度和儲(chǔ)能密度高、充放電次數(shù)不受限制、安裝維護(hù)方便、對(duì)環(huán)境無危害等優(yōu)點(diǎn)，顯示其具有無可比擬的優(yōu)越性。本仿真的結(jié)果顯示：將飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)用于離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，可有效抵制電能的波動(dòng)，提高電能的質(zhì)量。

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Simulation of wind energy generation system with flywheel storage system

FENG Yi1, YAN Jianhu2
(1. Nanjing Institute of Technology, Nanjing 211167, China; 2. Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

A flywheel energy storage system (FESS) driven by the brushless DC machine (BLDCM) applied in the off-grid wind energy generation system (WEGS) is adopted to solve the electricity fluctuation and the power supply reliability in the off-grid WEGS. The off-grid WEGS including a FESS driven by a BLDCM is simulated by Matlab/Simulink, and the parameters are given. The simulation result shows that the FESS is effective to eliminate the fluctuation of energy caused by wind velocity variation so as to ensure the reliability of power supply.

This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51407094).

wind power generation; flywheel; off-grid; BLDCM; simulation

10.7667/PSPC151820

2015-10-15

馮 奕(1987-)，女，通信作者，博士，講師，研究方向?yàn)轱w輪儲(chǔ)能與微網(wǎng)控制；E-mail: fengyi@njit.edu.cn

(編輯 周金梅)

國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(51407094)；江蘇省自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(BK20140785)；南京工程學(xué)院引進(jìn)人才科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(YKJ201534)

顏建虎(1983-)，男，博士，講師，研究方向?yàn)橛来烹姍C(jī)驅(qū)動(dòng)。E-mail: yanjianhu@njust.edu.cn