劉 平，李樹(shù)勝

(1.中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京 100048；2.北京泓慧國(guó)際能源技術(shù)發(fā)展有限公司，北京100035)

0 引 言

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，磁懸浮飛輪儲(chǔ)能技術(shù)與其它方式儲(chǔ)能(電化學(xué)儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、抽水蓄能、超導(dǎo)儲(chǔ)能、超級(jí)電容儲(chǔ)能等)相比，具有充放電迅速、功率密度和能量密度高、循環(huán)效率和放電深度高、壽命長(zhǎng)、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，在諸多領(lǐng)域展示出較好的應(yīng)用前景[1-9]。目前，國(guó)外對(duì)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的研究正逐步進(jìn)入熱潮，美國(guó)Active Power和Vycon，德國(guó)Piller、加拿大Temper Power等，國(guó)內(nèi)飛輪研究單位包括清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)以及北京泓慧國(guó)際能源技術(shù)發(fā)展有限公司等，正致力于將飛輪技術(shù)真正民用化，產(chǎn)品不斷迭代，已在多個(gè)方向發(fā)揮重要作用，目前飛輪技術(shù)在港口方向還沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用案例。

對(duì)于不依賴(lài)市政電網(wǎng)的港口自備電站而言，岸橋負(fù)載的起重大小直接影響了港口的吞吐量和經(jīng)濟(jì)效益。從供電來(lái)源方面，港口電站通常采用柴油發(fā)電機(jī)組或者燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組作為主動(dòng)力來(lái)源，為應(yīng)對(duì)岸橋沖擊負(fù)荷需求，需要配置遠(yuǎn)超過(guò)岸橋負(fù)荷需求的主發(fā)電機(jī)組和備用發(fā)電機(jī)組。發(fā)電機(jī)組加載能力受限，即使增大主發(fā)電機(jī)組容量，也無(wú)法滿(mǎn)足岸橋負(fù)荷起升和下降加減速時(shí)間的需求，造成整個(gè)港口運(yùn)行效率下降，同時(shí)降低燃油利用率，油耗增大，經(jīng)濟(jì)性較差。因此，解決岸橋沖擊性負(fù)荷問(wèn)題、提高發(fā)電機(jī)組燃料利用率，成為港口自備電站長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)的迫切需求。

為解決港口岸橋沖擊負(fù)荷問(wèn)題，需要增加儲(chǔ)能裝置，由儲(chǔ)能裝置的快速釋能和吸能，自行消納岸橋負(fù)載中的短期沖擊負(fù)荷，發(fā)電機(jī)組穩(wěn)步加減載，以滿(mǎn)足長(zhǎng)期負(fù)荷需求?？紤]到飛輪的諸多優(yōu)點(diǎn)，將磁懸浮飛輪儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于港口領(lǐng)域，以微網(wǎng)控制系統(tǒng)形式平抑岸橋沖擊負(fù)荷是非常理想的選擇。當(dāng)岸橋突提集裝箱時(shí)，負(fù)荷突加，飛輪快速放電，以抵消部分沖擊功率，此后發(fā)電機(jī)組緩慢加載，以應(yīng)對(duì)長(zhǎng)時(shí)間平穩(wěn)負(fù)荷需求；當(dāng)發(fā)電機(jī)組功率超過(guò)負(fù)載功率或者負(fù)荷突減時(shí)，飛輪迅速由放電轉(zhuǎn)為充電，以維持發(fā)電機(jī)組減載功率需求。

基于此，本文搭建了基于磁懸浮儲(chǔ)能飛輪陣列的岸橋微網(wǎng)控制系統(tǒng)，并給出了飛輪陣列的功率和容量配置策略，依次采用Simulink搭建了系統(tǒng)仿真模型，對(duì)整個(gè)岸橋微網(wǎng)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性。

1 港口岸橋微網(wǎng)控制系統(tǒng)模型

1.1 系統(tǒng)組成和工作原理

如圖1所示，港口岸橋微網(wǎng)控制系統(tǒng)主要由四部分組成：發(fā)電機(jī)組(以燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組為例)、岸橋負(fù)載、升壓變壓器和飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)。其中，發(fā)電機(jī)組、岸橋負(fù)載組和升壓變壓器組并聯(lián)在同一交流母線(xiàn)上，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)升壓變壓器組與交流母排進(jìn)行能量交互。飛輪充電時(shí)能量由交流母排流入儲(chǔ)能系統(tǒng)，飛輪放電時(shí)能量由儲(chǔ)能系統(tǒng)流入交流母排(如圖1中箭頭所示)。

圖1 岸橋微網(wǎng)控制系統(tǒng)組成圖

系統(tǒng)工作原理如下：初始工作，發(fā)電機(jī)組緩慢加載，飛輪系統(tǒng)以設(shè)定功率儲(chǔ)能至滿(mǎn)電狀態(tài)。當(dāng)岸橋負(fù)載開(kāi)始工作并提取較大負(fù)荷的集裝箱時(shí)，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)迅速放電釋能，以補(bǔ)償燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組無(wú)法短時(shí)過(guò)負(fù)荷加載的問(wèn)題，從而發(fā)電機(jī)組可按照設(shè)定功率緩慢加載，隨著發(fā)電機(jī)組輸出功率增加，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)放電功率逐漸降低，以防止儲(chǔ)能系統(tǒng)出現(xiàn)電量過(guò)低現(xiàn)象。當(dāng)岸橋負(fù)載負(fù)荷逐步降低或者集裝箱下放時(shí)，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)檢測(cè)到岸橋負(fù)荷低于此時(shí)發(fā)電機(jī)組輸出功率，則迅速由放電釋能狀態(tài)轉(zhuǎn)為充電蓄能狀態(tài)，以保證發(fā)電機(jī)組輸出功率不變，同時(shí)可以緩慢減載。隨著發(fā)電機(jī)組輸出功率降低，飛輪充電功率逐漸降低，以防止儲(chǔ)能系統(tǒng)出現(xiàn)電量過(guò)高現(xiàn)象。以此循環(huán)，隨著岸橋負(fù)載提升、平移和下放集裝箱，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)周期性地充電和放電，確保電量始終維持在中間狀態(tài)，從而發(fā)電機(jī)組可始終以理想曲線(xiàn)進(jìn)行加減載，避免功率過(guò)負(fù)荷突加和突減。

圖2為岸橋微網(wǎng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組可以采用多個(gè)機(jī)組并聯(lián)，負(fù)載組一般可由多個(gè)岸橋組成，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)由多組飛輪單機(jī)組成陣列系統(tǒng)，飛輪陣列系統(tǒng)可由一組或多組網(wǎng)側(cè)PCS系統(tǒng)(AC/DC)并聯(lián)于升壓變壓器端，飛輪單機(jī)系統(tǒng)由機(jī)側(cè)變流器(DC/AC)和飛輪本體組成。微網(wǎng)控制器用于采集各單元狀態(tài)和數(shù)據(jù)信息，并形成飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電控制策略和功率控制命令，即完成四遙功能。交流母排通常采用11 kV母線(xiàn)，飛輪單機(jī)可采用常用的690 V電壓等級(jí)，即升壓變壓器的變壓等級(jí)為11 kV/690 V。

圖2 岸橋微網(wǎng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 飛輪單機(jī)系統(tǒng)組成

如圖2所示，飛輪單機(jī)系統(tǒng)由機(jī)側(cè)變流器和飛輪本體組成，其中機(jī)側(cè)變流器通常采用常規(guī)的基于IGBT單元的雙向功率變換器(充電時(shí)為逆變器，放電時(shí)為整流器)，飛輪本體是微網(wǎng)系統(tǒng)的儲(chǔ)能單元，其內(nèi)部組成如圖3所示[10-13]。

如圖3所示，飛輪本體由同軸的電動(dòng)/發(fā)電一體機(jī)、高速轉(zhuǎn)子、五自由度全懸浮電磁軸承、高壓真空電極、備用軸承和密封殼體等組成。其中，飛輪電機(jī)通常采用高性能的三相永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，由電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子軸永磁體和高壓真空電極組成，用于完成電能—?jiǎng)幽堋娔艿母咝兽D(zhuǎn)換；全懸浮電磁軸承由徑向和軸向磁軸承以及備用機(jī)械軸承組成，用于保持高速轉(zhuǎn)子徑向和軸向的全懸浮狀態(tài)；飛輪殼體同時(shí)具有高強(qiáng)度和高密封性，用于保護(hù)轉(zhuǎn)子并保持腔體真空狀態(tài)。

圖3 磁懸浮儲(chǔ)能飛輪本體示意圖

1.3 飛輪永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型

根據(jù)經(jīng)典永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型，首先給出三相永磁同步電機(jī)在三相靜止A,B,C坐標(biāo)系下的電壓方程如下[13-15]：

(1)

式中：ua,ub,uc為定子三相電壓；ia,ib,ic為定子三相電流；Ls,Rs為定子電感和電阻；φf(shuō)為永磁體磁鏈；θr,ωr為轉(zhuǎn)子角位置和電角速度。

采用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方式，將三相靜止坐標(biāo)系分別轉(zhuǎn)換為兩相靜止和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，得到d,q坐標(biāo)系下的電壓和轉(zhuǎn)矩方程如下[13-15]：

(2)

式中：ud,uq分別為直軸和交軸電壓；id,iq分別為直軸和交軸電流；p為電機(jī)極對(duì)數(shù)；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；Pe為電機(jī)輸出功率；Ld,Lq分別為直軸和交軸電感。

對(duì)于經(jīng)典的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)，控制結(jié)構(gòu)通常有兩個(gè)電流回路：iq電流和id電流回路，其中可采用id=0進(jìn)行磁鏈控制，iq電流回路的外環(huán)可作功率閉環(huán)，即飛輪儲(chǔ)能體采用恒功率充放電控制，其控制結(jié)構(gòu)圖如圖4所示[2]。

圖4 飛輪電機(jī)恒功率控制結(jié)構(gòu)圖

2 飛輪陣列的充放電控制策略

2.1 岸橋負(fù)載特性分析

在港口用電負(fù)荷中，岸橋用電占據(jù)絕大部分負(fù)荷，其它廠(chǎng)用電和生活用電占據(jù)小部分比例。其中，岸橋等港口起重設(shè)備為短時(shí)周期性重復(fù)工作制，造成整個(gè)港口的用電負(fù)荷是持續(xù)性的變負(fù)荷，作業(yè)時(shí)間負(fù)荷較大，非作業(yè)時(shí)間負(fù)荷較小，而且具有明顯的突加、突減負(fù)荷特性[14-16]。

岸橋在對(duì)集裝箱作業(yè)時(shí)一般需要幾個(gè)過(guò)程：提取加速、勻速、減速，下放加速、勻速和減速等。以一臺(tái)岸橋提取集裝箱為例說(shuō)明，在岸橋由靜止到加速階段，在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)第一次功率突加沖擊；在岸橋勻速階段，會(huì)出現(xiàn)第二次較長(zhǎng)時(shí)間功率突減沖擊；在減速階段，仍然出現(xiàn)功率突減沖擊。下放過(guò)程類(lèi)似。以實(shí)際某港口運(yùn)行數(shù)據(jù)為例，整個(gè)沖擊過(guò)程如圖5所示。第一階段功率沖擊1 600 kW左右，維持時(shí)間2s；第二階段功率1300kW左右，維持時(shí)間8s (10～18 s)；第三階段功率在1 100 kW左右，維持時(shí)間2 s左右 (18～20 s)。

圖5 岸橋沖擊負(fù)荷圖

從圖5可以看出，岸橋負(fù)荷呈現(xiàn)短時(shí)大功率和周期性沖擊特性，而港口通常配置多臺(tái)岸橋裝置，岸橋同時(shí)工作，對(duì)港口電站發(fā)電機(jī)組影響較大。一般而言，三臺(tái)及以上岸橋同頻起動(dòng)的概率較小(可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度實(shí)現(xiàn))，在進(jìn)行發(fā)電機(jī)組配置時(shí)可適當(dāng)降低容量。

2.2 燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組加載特性分析

無(wú)論柴油發(fā)電機(jī)組或者燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組都需要一定的加載時(shí)間，且一般不能一步加載至100%功率，而需要分步實(shí)施，每步都需要一定的電壓及頻率的穩(wěn)定時(shí)間。相較于柴油發(fā)電機(jī)組，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組在經(jīng)濟(jì)性和燃料供應(yīng)方面占據(jù)一定的優(yōu)勢(shì)，是目前發(fā)展前景較好的發(fā)電機(jī)組方案，本文用的是燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組加儲(chǔ)能裝置的混合發(fā)電方案[17-19]。

以美國(guó)品牌康明斯為例，其生產(chǎn)的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組加載能力較強(qiáng)且恢復(fù)時(shí)間較短，缺點(diǎn)是成本較高。表1為康明斯天然氣發(fā)電機(jī)組(型號(hào)HV P80W)在母線(xiàn)10.5 kV下的加載特性。

表1 康明斯天然氣機(jī)組加載特性

從表1可以看出：負(fù)載突加25%以下時(shí)，電壓降低6.39%，電壓恢復(fù)時(shí)間1.18 s，頻率降低3.92%，頻率恢復(fù)時(shí)間為4.13 s；負(fù)載突加50%～75%時(shí)，電壓降低5.85%，電壓恢復(fù)時(shí)間為2.78 s，頻率降低4.30%，頻率恢復(fù)時(shí)間為6.85 s。負(fù)載突加量越大，電壓和頻率的恢復(fù)時(shí)間均加長(zhǎng)，當(dāng)負(fù)載突加100%時(shí)，恢復(fù)時(shí)間增加到8 s以上，而且在恢復(fù)時(shí)間內(nèi)燃?xì)鈾C(jī)組不宜再次加載。

基于此，對(duì)于港口岸橋短時(shí)大功率工作特性，機(jī)組的一步加載特性無(wú)法滿(mǎn)足需要，即使可以強(qiáng)制加載，如果機(jī)組長(zhǎng)時(shí)期處于突加突減在狀態(tài)，壽命將會(huì)大為縮短，同時(shí)加大燃料消耗量和降低經(jīng)濟(jì)性。因此，增加飛輪儲(chǔ)能裝置用于消納岸橋沖擊性負(fù)荷，降低機(jī)組燃料消耗，提高能源利用率，具有明顯的實(shí)際需求和顯著經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 飛輪陣列容量及充放電功率配置策略

采用飛輪儲(chǔ)能陣列系統(tǒng)平抑岸橋功率沖擊，需要對(duì)飛輪陣列進(jìn)行容量配置，包括總的儲(chǔ)能功率和儲(chǔ)電量。飛輪儲(chǔ)能陣列既要滿(mǎn)足岸橋負(fù)荷功率需求，同時(shí)又要具備足夠的儲(chǔ)電量以保證飛輪裝置不會(huì)出現(xiàn)過(guò)充或過(guò)放現(xiàn)象。

根據(jù)岸橋工作特性可知，一般可以考慮兩臺(tái)岸橋同頻起動(dòng)工況，即飛輪陣列總的儲(chǔ)能功率高于兩臺(tái)岸橋的最大功率沖擊。以圖5數(shù)據(jù)為例說(shuō)明，單臺(tái)岸橋最大功率沖擊1 600 kW，兩臺(tái)即3 200 kW，飛輪陣列總的儲(chǔ)能功率應(yīng)高于3 200 kW。

飛輪陣列的儲(chǔ)電量配置需考慮岸橋負(fù)荷消耗的總電量，同樣以圖5數(shù)據(jù)為例，兩臺(tái)岸橋同頻起動(dòng)時(shí)，3 200 kW維持2 s，2 600 kW維持8 s，2 200 kW維持2s，總的消耗電量：(3200×2+2600×8 + 2200×2)/3 600=8.78 kW·h。

再考慮飛輪放電深度不高于80%，則飛輪陣列總的儲(chǔ)電量應(yīng)高于8.78/0.8=10.97 kW·h。

得到飛輪陣列的儲(chǔ)能功率和儲(chǔ)電量后，需要確定飛輪陣列的充放電控制策略，用于得到飛輪陣列實(shí)時(shí)的充放電功率。

首先，通過(guò)高速采樣可以得到岸橋負(fù)載的實(shí)時(shí)功率值，用PL表示。設(shè)定微網(wǎng)控制器采樣周期為T(mén)P，則一個(gè)采樣周期內(nèi)岸橋負(fù)載消耗的電量：

EL=PL·TP/3 600

(5)

其次，通過(guò)高速采樣可以得到飛輪陣列系統(tǒng)的剩余電量，用EW表示，飛輪陣列系統(tǒng)總的電量事先已知，采用EM表示。則飛輪陣列系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)補(bǔ)充的電量：

EF=EM-EW

(6)

同時(shí)，岸橋負(fù)載遵循周期性運(yùn)行規(guī)律，假定運(yùn)行周期為T(mén)L。在計(jì)算飛輪陣列的充電功率時(shí)，原則是在岸橋負(fù)載一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)，飛輪陣列系統(tǒng)可以充電至接近滿(mǎn)電量狀態(tài)。因此，可計(jì)算出飛輪陣列的預(yù)設(shè)充電功率：

PF1=(EF+EL)/TL

(7)

進(jìn)而，通過(guò)高速采樣可以得到燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組當(dāng)前的輸出功率PGN，將式(7)中的PF1與PGN進(jìn)行比較，得到發(fā)電機(jī)組的預(yù)期輸出功率：

(8)

式中：PGM為燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組一步最大加載量。燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組按照式(8)進(jìn)行加載，則一步加載量不超過(guò)最大可允許的加載量。

根據(jù)岸橋負(fù)載功率PL和燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組預(yù)期輸出功率PG，可以得到飛輪陣列的充放電功率：

PF=PL-PG

(9)

式中:當(dāng)PF>0，飛輪陣列處于充電狀態(tài)；當(dāng)PF<0，則飛輪陣列處于放電狀態(tài)，充放電功率值為|PF|。

根據(jù)以上所述，基于岸橋負(fù)載實(shí)時(shí)功率、燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組當(dāng)前輸出功率、飛輪陣列剩余電量，以及發(fā)電機(jī)組一步最大加載量、負(fù)載運(yùn)行周期和微網(wǎng)控制器采樣周期等參數(shù)，可以獲取飛輪陣列的實(shí)時(shí)充放電功率。

2.4 飛輪陣列協(xié)同控制策略

如圖2所示，飛輪陣列中的各單機(jī)分別通過(guò)總線(xiàn)接口與微網(wǎng)控制器連接，微網(wǎng)控制器分別對(duì)各飛輪進(jìn)行協(xié)同控制，總線(xiàn)接口采用高速光纖通信或者工業(yè)以太網(wǎng)等，速率達(dá)到10 Mbit/s以上。

在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由微網(wǎng)控制器實(shí)時(shí)計(jì)算得到飛輪陣列總的充放電功率(式(9)中的PF)，采用等功率控制或等時(shí)間長(zhǎng)度控制策略。其中，等功率控制為飛輪充放電功率等于總功率除以飛輪個(gè)數(shù)，這種控制方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是容易造成飛輪之間的轉(zhuǎn)速差異；等時(shí)間長(zhǎng)度控制策略將各飛輪當(dāng)前剩余電量與陣列總電量的比值作為功率分配比例，這種控制策略可以獲取最長(zhǎng)的并網(wǎng)充放電時(shí)間，保證各飛輪之間的協(xié)同一致性。

如圖6所示，ΔE為飛輪陣列總的剩余電量(所有飛輪剩余電量之和)，ΔEi為第i飛輪剩余電量，ωi為第i飛輪當(dāng)前轉(zhuǎn)速，Pi為第i飛輪充放電功率，Ti為第i飛輪電磁轉(zhuǎn)矩。其中：

圖6 等時(shí)間長(zhǎng)度充放電協(xié)同控制策略

(10)

微網(wǎng)控制器采用等時(shí)間長(zhǎng)度協(xié)同控制策略，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)飛輪剩余電量和運(yùn)行狀態(tài)，一旦某個(gè)飛輪故障，迅速關(guān)閉這系統(tǒng)，同時(shí)更新陣列的總電量和飛輪個(gè)數(shù)，以實(shí)時(shí)協(xié)同控制在線(xiàn)飛輪系統(tǒng)。

3 飛輪岸橋微網(wǎng)控制系統(tǒng)仿真分析

3.1 飛輪單機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置

本文在作者單位的支持下，以自研的250kW/3 kWh磁懸浮儲(chǔ)能飛輪為實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行了岸橋微網(wǎng)控制系統(tǒng)仿真分析，飛輪單機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示。實(shí)驗(yàn)裝置的組成部分包括飛輪本體、充放電變流器、磁懸浮控制系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)系統(tǒng)以及主控屏幕系統(tǒng)等。飛輪單機(jī)系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

圖7 磁懸浮儲(chǔ)能飛輪單機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置

表2 飛輪單機(jī)系統(tǒng)參數(shù)

參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值最大儲(chǔ)電量EN/(kW·h)3電機(jī)極對(duì)數(shù)p2最高轉(zhuǎn)速nr/(r·min-1)11 000電機(jī)類(lèi)型三相PMSM轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JN/(kg·m2)16.2額定電流iN/A251額定功率PN/kW300額定電壓uN/V690

3.2 系統(tǒng)仿真模型

基于前文所述，飛輪陣列儲(chǔ)能功率應(yīng)高于3 200kW，儲(chǔ)電量高于10.97kW·h，而表2中飛輪單機(jī)額定功率為300kW，最大儲(chǔ)電量為3kW·h。因此，可選擇12臺(tái)飛輪單機(jī)組成陣列系統(tǒng)，總的儲(chǔ)能功率為3 600kW，最大儲(chǔ)電量36kW·h，完全滿(mǎn)足系統(tǒng)需要。為驗(yàn)證所述微網(wǎng)控制系統(tǒng)的有效性，本文搭建了基于MATLABSimulink模塊的系統(tǒng)仿真模型，分三部分：燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組簡(jiǎn)易模型、岸橋負(fù)載模型和飛輪陣列系統(tǒng)模型。

燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的實(shí)際模型難以獲取，本文按照表1給出的一步加減載特性和公式給出的燃?xì)鈾C(jī)組預(yù)期功率，建立簡(jiǎn)易的燃?xì)鈾C(jī)加減載函數(shù)，采用M函數(shù)編寫(xiě)并進(jìn)行封裝以生成Simulink模型。岸橋負(fù)載模型同樣采用M函數(shù)編寫(xiě)，依據(jù)為某港口提供的單臺(tái)岸橋單個(gè)電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，如圖8所示。標(biāo)題欄分別為運(yùn)行過(guò)程、運(yùn)行距離、用時(shí)、消耗功率、電機(jī)轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)矩；數(shù)據(jù)欄為電機(jī)運(yùn)行過(guò)程，分為九個(gè)過(guò)程，每個(gè)過(guò)程都分為加速(acc)、穩(wěn)速(ss)和減速(dec)階段，對(duì)應(yīng)岸橋?qū)b箱的提升、平移和下放過(guò)程；表中相關(guān)符號(hào)DH,DT,TW1,TR等為自定義變量，無(wú)實(shí)際意義。通過(guò)表2中的用時(shí)和消耗功率這兩列數(shù)據(jù)即可以得到單個(gè)電機(jī)的功率-時(shí)間曲線(xiàn)。

圖8 單臺(tái)岸橋單個(gè)電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)

飛輪陣列模型有兩個(gè)單元組成：1200kW和2 400kW單元，每個(gè)單元采用300kW為一個(gè)單機(jī)，4臺(tái)單機(jī)組成1 200kW和8臺(tái)單機(jī)組成2 400kW單元。每個(gè)300kW單機(jī)均采用經(jīng)典的永磁同步電機(jī)矢量控制數(shù)學(xué)模型，由MATLAB自帶的Simulink模塊組成，其仿真模型如圖9所示。

(a) 2 400 kW單元

(b) 300 kW單機(jī)

3.3 仿真結(jié)果

基于圖8的單臺(tái)岸橋單個(gè)電機(jī)數(shù)據(jù)，每臺(tái)岸橋有兩個(gè)電機(jī)組成，兩臺(tái)岸橋同頻起動(dòng)有四個(gè)電機(jī)同時(shí)運(yùn)行，運(yùn)行周期為82.8s。同時(shí)，選用四臺(tái)1 800kW燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，一步最大加減載能力為25%(即1 800kW)，恢復(fù)周期為3s。為提高仿真效率，將仿真運(yùn)行周期進(jìn)行壓縮，壓縮比為1∶200，則一個(gè)仿真周期為0.414s，仿真總時(shí)長(zhǎng)設(shè)為3s，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)一步加減載恢復(fù)時(shí)間0.015s。

將圖8中功率數(shù)據(jù)乘以4，得到兩臺(tái)岸橋共四個(gè)電機(jī)負(fù)載的總功率曲線(xiàn)如圖10所示。從曲線(xiàn)可看出，總仿真時(shí)長(zhǎng)3s內(nèi)包含8個(gè)運(yùn)行周期，岸橋負(fù)載存在階躍式功率沖擊。

飛輪陣列系統(tǒng)按照設(shè)定控制算法進(jìn)行充放電，功率為正則放電，為負(fù)則充電，以抵消部分負(fù)載消耗功率，削峰填谷，平抑燃?xì)鈾C(jī)組出力。如圖11所示，Pr為飛輪陣列給定功率，Pm為實(shí)際輸出功率，輸出功率很好地跟蹤給定功率。

圖10 岸橋負(fù)載功率曲線(xiàn)

圖11 飛輪給定和輸出功率曲線(xiàn)

根據(jù)岸橋負(fù)載功率和飛輪陣列輸出功率，得到燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組實(shí)際加減載曲線(xiàn),如圖12所示。從圖12可以看出，燃?xì)鈾C(jī)組功率在500～1 800kW附近按小范圍波動(dòng)，每步加減載較上一次不超過(guò)500kW，完全滿(mǎn)足燃?xì)鈾C(jī)組理想加載特性。

為對(duì)比明顯，圖13分別給出在仿真過(guò)程中負(fù)載、飛輪和燃?xì)鈾C(jī)組功率曲線(xiàn)，其中PL-m為負(fù)載功率，Pf-m為飛輪輸出功率，Pg-m為燃?xì)鈾C(jī)組期望輸出功率。從圖13可以看出，存在負(fù)載沖擊時(shí)，飛輪平抑多數(shù)負(fù)載功率突變，燃?xì)鈾C(jī)組保持在理想的功率范圍。負(fù)載突加時(shí)，飛輪放電；負(fù)載突減時(shí)，飛輪以燃?xì)鈾C(jī)組功率充電，從而保證燃?xì)鈾C(jī)組平滑功率。

圖12 燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組加載曲線(xiàn)

圖13 飛輪陣列、岸橋和燃?xì)鈾C(jī)組功率曲線(xiàn)

同時(shí)，從飛輪陣列穩(wěn)定運(yùn)行方面，飛輪充電時(shí)電量增加，放電時(shí)電量降低，正常工作期望飛輪系統(tǒng)保持在中間電量運(yùn)行，飛輪可以保持周期性充放電。圖14為飛輪陣列總的剩余電量曲線(xiàn)，可以看出，飛輪陣列總的剩余電量保持在12～31kW·h范圍，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖14 飛輪陣列總剩余電量曲線(xiàn)

從以上仿真結(jié)果可以看出，對(duì)于給定的兩臺(tái)岸橋同頻起動(dòng)工況，3 600kW飛輪陣列系統(tǒng)可完全補(bǔ)償岸橋負(fù)載功率突變，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組保持理想的一步加減載曲線(xiàn)，完全滿(mǎn)足系統(tǒng)運(yùn)行需要，從而驗(yàn)證了本文所述基于飛輪陣列的岸橋微網(wǎng)控制系統(tǒng)的有效性。

3.4 飛輪對(duì)拖實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證飛輪陣列系統(tǒng)的有效性，采用飛輪兩兩對(duì)拖控制方式進(jìn)行充放電測(cè)試實(shí)驗(yàn)，一臺(tái)飛輪充電(模擬負(fù)載沖擊性負(fù)荷)，另一臺(tái)飛輪放電，以驗(yàn)證飛輪充放電響應(yīng)時(shí)間、功率值和維持時(shí)間等性能指標(biāo)。

以其中飛輪1和飛輪2對(duì)拖實(shí)驗(yàn)為例，飛輪1充電，飛輪2放電。具體控制過(guò)程：對(duì)拖控制之前，飛輪1和飛輪2分別充電至4 500r/min，10 500r/min；在t=49.056s時(shí)刻發(fā)送對(duì)拖控制指令，飛輪1接收到控制指令后以額定功率充電，飛輪2以額定功率放電。在t=79.056s時(shí)刻對(duì)拖結(jié)束，飛輪1充電至10 400r/min，飛輪2放電至4 500r/min。實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)分別如圖15、圖16所示，其中圖15(a)為飛輪1充電功率和轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)，15(b)為飛輪1充電轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)；圖16(a)為飛輪2放電功率和轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)，16(b)為飛輪2放電轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)，16(c)為飛輪2放電響應(yīng)時(shí)間和控制信號(hào)曲線(xiàn)。

(a) 充電功率和轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)

(b) 充電轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)

(a) 放電功率和轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)

(b) 放電轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)

(c) 放電響應(yīng)時(shí)間曲線(xiàn)

從圖15、圖16中可知，在接收到控制指令信號(hào)后，飛輪1功率迅速達(dá)到300kW，飛輪2功率迅速達(dá)到-300kW，總的充放電時(shí)間為30s，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于岸橋沖擊性負(fù)荷作用時(shí)間；圖16(c)中飛輪2放電時(shí)刻坐標(biāo)x1=49.056s，y1=3.14kW，達(dá)到滿(mǎn)功率時(shí)刻坐標(biāo)為x2=49.071s，y2=-307.35kW，即飛輪2從待機(jī)到滿(mǎn)功率放電響應(yīng)時(shí)間為15ms，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的3s恢復(fù)周期，可忽略不計(jì)。綜上，飛輪單機(jī)以及陣列系統(tǒng)的充放電功率、響應(yīng)時(shí)間和維持時(shí)間等性能指標(biāo)均能滿(mǎn)足所設(shè)計(jì)的岸橋微網(wǎng)控制系統(tǒng)需求。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文將磁懸浮飛輪儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于港口岸橋平抑負(fù)荷沖擊的領(lǐng)域，開(kāi)展了基于飛輪陣列的岸橋微網(wǎng)控制系統(tǒng)建模與仿真研究。首先給出了岸橋微網(wǎng)控制系統(tǒng)的組成和工作原理，以及飛輪陣列系統(tǒng)的儲(chǔ)能和釋能過(guò)程，并據(jù)此對(duì)飛輪單機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模。分別對(duì)岸橋負(fù)荷特性和燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的加載特性進(jìn)行了分析，對(duì)飛輪陣列的充放電控制策略進(jìn)行了設(shè)計(jì)。最后，針對(duì)某港口具體運(yùn)行數(shù)據(jù)搭建了Simulink仿真模型，并對(duì)兩臺(tái)岸橋同頻起動(dòng)工況進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果表明了系統(tǒng)可穩(wěn)定運(yùn)行，加入飛輪陣列后可有效平抑岸橋負(fù)荷沖擊對(duì)發(fā)電機(jī)組的影響，發(fā)電機(jī)組可按照理想的加載特性運(yùn)行。同時(shí)，采用飛輪兩兩對(duì)拖控制方式對(duì)飛輪特性進(jìn)行了充放電實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，所采用的飛輪陣列系統(tǒng)的性能指標(biāo)均能滿(mǎn)足岸橋微網(wǎng)控制系統(tǒng)的需要。