趙晗彤，張建成（華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003）

基于飛輪儲能穩(wěn)定光伏微網(wǎng)電壓策略的研究

趙晗彤，張建成
（華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003）

由于受到自然因素的影響，離網(wǎng)運行的光伏微網(wǎng)輸出功率具有間歇性和隨機(jī)性。因此需配置一定容量的儲能設(shè)備，以確保供電的可靠性和持續(xù)性。提出一種采用飛輪儲能系統(tǒng)輔助的光伏發(fā)電方案，研究了穩(wěn)定光伏微網(wǎng)直流母線電壓的控制方法。在Matlab/Simulink仿真軟件中搭建了基于飛輪儲能的光伏微網(wǎng)離網(wǎng)運行仿真模型。仿真結(jié)果驗證了策略的有效性和靈活性，實現(xiàn)了直流母線電壓的穩(wěn)定控制。

光伏發(fā)電；隨機(jī)性；飛輪儲能；穩(wěn)定；電壓

在眾多的新能源發(fā)電技術(shù)里，光伏發(fā)電備受矚目［1］，在微網(wǎng)中的應(yīng)用較多。但由于光伏發(fā)電受光照強(qiáng)度、溫度等的影響，會產(chǎn)生比較大的功率波動［2］，使微網(wǎng)不能穩(wěn)定、持續(xù)地輸出電能，難以準(zhǔn)確地跟蹤負(fù)荷變化。因此，為了保證供電的可靠性和電能質(zhì)量，在光伏微網(wǎng)中配置一定容量的儲能設(shè)備是非常必要的。本文的主要內(nèi)容是對光伏微網(wǎng)離網(wǎng)運行下的直流母線電壓控制策略進(jìn)行研究。

在實際應(yīng)用的光伏微網(wǎng)中儲能裝置多采用蓄電池。蓄電池能夠較長時間為負(fù)荷提供電能，但它同時又有著循環(huán)利用壽命短、功率密度低等缺點。飛輪儲能作為新型的儲能元件［3］，具有動態(tài)響應(yīng)快，功率密度大，使用壽命長，充放電時間短，無充放電循環(huán)次數(shù)的限制，環(huán)境友好等特點。相比較于蓄電池，可靠性更加優(yōu)越，預(yù)期壽命更長。將飛輪儲能與蓄電池相互配合使用，儲能系統(tǒng)將會同時具備大功率充放電和大儲能量的特性，蓄電池的使用壽命也會得到有效延長。二者的結(jié)合非常適宜于用在對微網(wǎng)內(nèi)功率波動的平抑，擁有廣闊的應(yīng)用前景。

文中提出了一種飛輪儲能輔助的離網(wǎng)運行下光伏微網(wǎng)方案。在光伏獨立微網(wǎng)的輸出功率或負(fù)荷發(fā)生短時波動時，由飛輪儲能系統(tǒng)補充功率缺額或吸收多余的功率，以此來提高微網(wǎng)的可靠性和電能質(zhì)量。

1　系統(tǒng)構(gòu)成

本文系統(tǒng)的主電路元件包括光伏陣列、蓄電池、飛輪儲能系統(tǒng)、負(fù)載以及相應(yīng)的變換器，如圖1所示。實現(xiàn)最大功率的跟蹤是BOOSTDC/DC變換器的主要作用，與此同時它將光伏陣列由較低的電壓升到較高的電壓以滿足需要。直流母線能夠直接向直流負(fù)載用戶供電，亦或通過DC/ AC逆變器為交流負(fù)載用戶供電。蓄電池作為主要的儲能元件，經(jīng)由雙向DC/DC變換器與直流母線相連。飛輪儲能系統(tǒng)直接連接于直流母線上，由雙向AC/DC變換器和飛輪系統(tǒng)構(gòu)成，用于實現(xiàn)對微網(wǎng)內(nèi)短時功率波動的平抑。

圖1　光伏微網(wǎng)離網(wǎng)運行時的模型圖Fig.1　Model diagram of off-grid PV microgrid

2　光伏獨立微網(wǎng)直流母線電壓的控制

根據(jù)國標(biāo)要求，直流母線電壓允許的波動范圍為-5%Un到+5%Un。為了避免功率的浪費，提高能源利用率，采用分段穩(wěn)定電壓的策略。當(dāng)Udc低于0.95Un時，飛輪儲能系統(tǒng)開始減速放電，穩(wěn)定電壓于0.95Un。當(dāng)Udc高于1.05Un時，投入飛輪儲能系統(tǒng)加速充電穩(wěn)壓，穩(wěn)定值為1.05Un。

3　光伏發(fā)電電源

3.1光伏電池的特性

光伏電池的輸出特性曲線［4］如圖2所示。從圖2中可以很明顯地看出，光伏電池的輸出特性具有很強(qiáng)的非線性特點。

圖2　光伏電池的輸出特性曲線Fig.2　Output characteristic curves of photovoltaic cell

3.2最大功率點跟蹤

在圖2中光伏電池的P—U特性曲線里，當(dāng)功率達(dá)到最大值時，它對應(yīng)著一個電壓值。此處的功率和電壓對應(yīng)于坐標(biāo)系上的點即為最大功率點。外界環(huán)境的變化會導(dǎo)致光伏電池的輸出也發(fā)生改變。為了能夠隨時地輸出最大功率來提高發(fā)電效率，常常采用最大功率點跟蹤（MPPT）的方式?？v觀為數(shù)眾多的MPPT控制方法，最為廣泛應(yīng)用的是電導(dǎo)增量法和擾動觀察法［5］。

本文選擇變步長擾動觀察法［6］作為MPPT控制方法。在遠(yuǎn)離和靠近最大功率點的區(qū)域里分別使用較大和較小的擾動步長進(jìn)行跟蹤。采用這種控制方法的優(yōu)點是可以提高最大功率點的跟蹤速度和精度，增大效率，減小震蕩。

4　飛輪儲能系統(tǒng)

4.1飛輪儲能系統(tǒng)的組成

圖3［7］所示為一種飛輪儲能系統(tǒng)的示意圖。

圖3　飛輪儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)Fig.3　Structure of FESS

飛輪儲能系統(tǒng)是一類新型的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換與存儲的裝置［8］。其工作原理為：當(dāng)系統(tǒng)處于儲能階段的時候，電機(jī)運行在電動機(jī)模式。電能經(jīng)由雙向DC/AC變換器驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行加速旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而電機(jī)拖動與其同軸轉(zhuǎn)動的飛輪進(jìn)行加速儲能，能量便以動能的形式得以儲存。當(dāng)飛輪的轉(zhuǎn)速達(dá)到其最大轉(zhuǎn)速后，系統(tǒng)便從此進(jìn)入了能量保持階段，轉(zhuǎn)速維持恒定不變。直到接收到控制信號，被要求釋放能量，系統(tǒng)才會轉(zhuǎn)入釋能階段，在這個釋放動能的過程中，飛輪利用其自身的慣性拖動電機(jī)減速發(fā)電，通過雙向DC/AC變換器輸出滿足電力供應(yīng)要求的電能，從而完成動能到電能的轉(zhuǎn)換過程。以上就是飛輪儲能系統(tǒng)自能量輸入、存儲到輸出的完整過程。圖4所示為飛輪儲能系統(tǒng)的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由電機(jī)、飛輪轉(zhuǎn)子和雙向DC/AC變換器組成。

圖4　飛輪儲能系統(tǒng)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.4　Main circuit topology of FESS

4.2永磁無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

對于永磁無刷直流電機(jī)，采用交、直軸坐標(biāo)變換的分析方法不再有效，這是因為它的氣隙磁場、電流和反電動勢都是非正弦的。因此在建立數(shù)學(xué)模型的時候，選擇直接利用電機(jī)本身的相變量的方式。假設(shè)條件是磁路非飽和，三相繞組是完全對稱的，渦流和磁滯損耗不被計算在內(nèi)。由于轉(zhuǎn)子位置變化的時候，轉(zhuǎn)子磁阻不隨之發(fā)生改變，所以定子繞組的自感和互感均為常數(shù)。相繞組的電壓平衡方程式可以表示為

式中：ua，ub，uc為定子繞組相電壓；R為定子繞組相電阻；ia，ib，ic為定子繞組相電流；ea，eb，ec為定子繞組相電動勢；L為定子繞組自感；M為定子繞組互感。

反電動勢幅值的計算公式［9］為

式中：Ep為反電動勢幅值；Kep為反電動勢系數(shù)。永磁無刷直流電機(jī)的機(jī)械運動方程［9］為

式中：Te為電磁轉(zhuǎn)矩；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；J為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量；f為阻尼系數(shù)。

4.3飛輪驅(qū)動電機(jī)的控制策略

當(dāng)微網(wǎng)直流母線電壓高于1.05Un時，若要使其繼續(xù)穩(wěn)定在允許范圍內(nèi)，則要求直流母線通過DC/AC變換電路向飛輪儲能端輸送能量。

當(dāng)檢測到飛輪轉(zhuǎn)速n小于其極限值n*時，飛輪便進(jìn)入充電模式。飛輪充電時，控制策略采用轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)控制。速度環(huán)是外環(huán)，電流環(huán)是內(nèi)環(huán)，均采取PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)。速度調(diào)節(jié)器的給定誤差信號為（n*-n），其輸出量為電流環(huán)的給定信號i*?？刂瓶驁D如圖5所示。

在加速儲能階段，若在轉(zhuǎn)速n達(dá)到極限轉(zhuǎn)速n*后，能量仍有富余，在這種情況下，因飛輪儲能具有無過充、放電的優(yōu)點，其轉(zhuǎn)速將一直維持在n*不變，不會對飛輪的自身產(chǎn)生損害。但此后儲能環(huán)節(jié)將不再起作用。為了繼續(xù)穩(wěn)定直流母線電壓，則必須啟動主要儲能元件蓄電池。這也充分說明了飛輪儲能適宜于作為短期的輔助性儲能元件來調(diào)節(jié)電壓。

圖5　飛輪儲能的充電控制框圖Fig.5　Charge control diagram of FESS

當(dāng)微網(wǎng)直流母線電壓低于0.95Un時，若要其繼續(xù)穩(wěn)定于允許范圍內(nèi)，飛輪儲能端要經(jīng)由AC/ DC變換電路向直流母線輸送能量。飛輪進(jìn)入放電模式后，永磁無刷直流電機(jī)采取回饋制動工作方式［10］。飛輪放電時的控制策略采用電壓-電流雙閉環(huán)控制。外環(huán)是電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)，均選擇PI調(diào)節(jié)方式。電壓調(diào)節(jié)器的給定誤差信號為（U*dc-Udc），其輸出量是電流環(huán)的給定信號i*?？刂瓶驁D如圖6所示。

圖6　飛輪儲能的放電控制框圖Fig.6　Discharge control diagram of FESS

當(dāng)微網(wǎng)直流母線電壓一直處于±5%Un范圍內(nèi)時，發(fā)出功率與所需功率基本平衡。飛輪不需要吸收或者釋放能量，處于恒速運轉(zhuǎn)狀態(tài)。

5　仿真分析

為了驗證文中所設(shè)計的控制策略的可行性，在Matlab/Simulink軟件中進(jìn)行了相關(guān)內(nèi)容的仿真。系統(tǒng)參數(shù)如下：在標(biāo)準(zhǔn)日照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下，光伏陣列的開路電壓353.6 V，短路電流21.16 A，最大功率點電壓283.2 V，直流母線額定電壓為500 V；飛輪驅(qū)動電機(jī)的基本參數(shù)：R=2.875 0Ω，L=8.5mH，M=8.5mH，p=4，J=0.8e-3kg·m2，nN=12 000 r/m in。

光伏獨立微網(wǎng)運行時，受到的外界干擾主要是光照的變化和負(fù)載的突變。因此在仿真過程中分別對這2種情況進(jìn)行模擬。

1）模擬光照突然變強(qiáng)，持續(xù)一段時間后恢復(fù)正常；后又受到云朵的遮擋，導(dǎo)致光照下降，持續(xù)一段時間再次恢復(fù)正常的情況。仿真結(jié)果見圖7和圖8。

圖7　直流母線電壓Fig.7　The DC bus voltage

圖8　飛輪轉(zhuǎn)速Fig.8　Speed of the flywheel

由圖7可以看出，在飛輪儲能裝置接入前，由于光照的變化，直流母線電壓在5.1 s左右超出電壓上限525 V；11.8 s左右越過電壓下限475 V。接入飛輪儲能裝置后，直流母線電壓一直穩(wěn)定于上下限之間，滿足了電能質(zhì)量的要求。圖8為飛輪的轉(zhuǎn)速曲線，飛輪在5.1 s前處于充電并保持狀態(tài)，5.1～7 s期間進(jìn)行加速充電，7～8.32 s內(nèi)轉(zhuǎn)速下降至額定轉(zhuǎn)速，11.74～12.5 s時減速放電，12.5 s后再次充電。

2）模擬負(fù)載突變的過程。仿真結(jié)果見圖9和圖10。

圖9　直流母線電壓Fig.9　The DC bus voltage

圖10　 飛輪轉(zhuǎn)速Fig.10　Speed of the flywheel

由圖9可以看出，接入飛輪儲能裝置前，由于負(fù)載的突變，直流母線電壓在3.23 s左右超過電壓上限525 V；11.25 s左右越過電壓下限475 V。飛輪儲能裝置接入后，直流母線電壓在負(fù)載變動過程中，一直能夠穩(wěn)在上限和下限之內(nèi)，符合要求。圖10為飛輪的轉(zhuǎn)速曲線，在3.23 s前處于充電并保持狀態(tài)，3.23～4.5 s期間進(jìn)行加速充電，4.5～6.5 s內(nèi)轉(zhuǎn)速下降至額定轉(zhuǎn)速，11.24～12 s時減速放電，12 s后再次充電。

由上述仿真結(jié)果可知，飛輪儲能作為短期儲能元件，能夠很好地調(diào)節(jié)直流母線的即時變化電壓。離網(wǎng)運行下，光伏微網(wǎng)的電壓質(zhì)量得到了有效的提高。

6　結(jié)論

本文將飛輪儲能系統(tǒng)作為輔助性能量調(diào)節(jié)單元，應(yīng)用于離網(wǎng)運行的光伏微網(wǎng)中。制定了通過調(diào)整光伏發(fā)電直流母線與飛輪儲能之間的能量流動來穩(wěn)定微網(wǎng)母線電壓的相關(guān)控制策略。利用軟件Matlab對文中提出的控制方案進(jìn)行了仿真研究。仿真結(jié)果表明，采用所設(shè)計的控制策略后，微網(wǎng)直流母線電壓在光照和負(fù)載發(fā)生變化的情況下，均能被控制在電能質(zhì)量所允許的范圍內(nèi)。從而驗證了策略的可行性和有效性。

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Research on Voltage Control Strategy of PV Microgrid Based on Flywheel Energy Storage System

ZHAO Hantong，ZHANG Jiancheng
（School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，Hebei，China）

Off-grid photovoltaic power generation system is affected by the natural environment，its output power is intermittent and random.So configuring a certain capacity of storage devices in order to ensure the supply reliable and continuous is necessary.Presented a PV program which the flywheel energy storage system was applied to as an auxiliary.Studied the control strategy to stabilize the DC bus voltage of the photovoltaic micro-grid.Using Matlab/ Simulink software，a simulation module for PV microgrid which is off-grid based on FESS was constructed.In the end，the effectiveness and flexibility of the control strategy is verified and the stability of the DC bus voltage is regulated.

photovoltaic power generation；random；flywheel energy storage system（FESS）；stability；voltage

TM615；TM76

A

2015-09-30

修改稿日期：2016-02-22

國家自然科學(xué)基金資助項目（51177047）

趙晗彤（1989-），女，碩士研究生，Email：zhaohantong111@163.com