摘 要 微電網(wǎng)作為可操縱的單元，它與大電網(wǎng)相連接，在發(fā)生臨界負(fù)荷故障時(shí)，能夠保證發(fā)電效率和供電能力。本文針對(duì)在微電網(wǎng)中飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)做了概述，提出了一種飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，為微網(wǎng)孤島的運(yùn)行提供穩(wěn)定的電能支持，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的可靠性、經(jīng)濟(jì)性和應(yīng)用效率，研究了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的特性，描述了飛輪儲(chǔ)能裝置的特性，提高了微電網(wǎng)的魯棒性。

關(guān)鍵詞 微電網(wǎng);飛輪儲(chǔ)能;儲(chǔ)能系統(tǒng);研究

引言

如果將電池作為儲(chǔ)能設(shè)備的微型智能電網(wǎng)，穩(wěn)定輸出功率，保持內(nèi)部穩(wěn)定供電，電池就會(huì)來(lái)回循環(huán)無(wú)限次地充放電，壽命不長(zhǎng)而且不經(jīng)濟(jì)，整個(gè)微型智能電網(wǎng)都會(huì)出現(xiàn)這種情況。

若把微電網(wǎng)建設(shè)在負(fù)荷相對(duì)來(lái)說(shuō)較集中的一些地方，再利用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)將電能儲(chǔ)存，那么在短時(shí)間故障不能供電的情況下，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)便能夠順利供電，讓系統(tǒng)繼續(xù)正常運(yùn)行。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)是一種比較優(yōu)勢(shì)的儲(chǔ)能元件。儲(chǔ)能不高，充放電功率大，充放電量大，壽命長(zhǎng)，時(shí)間短，充放電周期無(wú)限制。與其他儲(chǔ)能裝置相比，它更可靠、更經(jīng)濟(jì)。研究發(fā)現(xiàn)，飛輪儲(chǔ)能裝置與電池的結(jié)合，不但能夠滿(mǎn)足微電網(wǎng)電力的需求，還能夠使電池的壽命變長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)性更好。在考慮微電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，也要合理配置微電網(wǎng)元件。當(dāng)外網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，微電網(wǎng)會(huì)自動(dòng)與外網(wǎng)斷開(kāi)，造成功率不足和電壓不穩(wěn)定，內(nèi)部微電網(wǎng)將自動(dòng)切斷負(fù)載并穩(wěn)定微電網(wǎng)。儲(chǔ)能裝置的使用提高了微電網(wǎng)供電的可靠性[1]。

1飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)不局限于傳統(tǒng)化學(xué)電池儲(chǔ)能的約束，是一種能夠利用物理方式進(jìn)行儲(chǔ)能的裝置。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)由飛輪轉(zhuǎn)子、電機(jī)、控制系統(tǒng)（電力電子轉(zhuǎn)換器等）以及外部網(wǎng)絡(luò)等幾部分組成。創(chuàng)新性的打破了化學(xué)電池方法進(jìn)行儲(chǔ)能的約束，能夠采用物理方法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的能量攝入、存儲(chǔ)和釋放。當(dāng)外部控制系統(tǒng)向電機(jī)發(fā)送加速度信號(hào)時(shí)，電力電子轉(zhuǎn)換器等使電機(jī)工作，通過(guò)電機(jī)給飛輪加速，這時(shí)電能就能夠轉(zhuǎn)換為機(jī)械能儲(chǔ)存在轉(zhuǎn)動(dòng)的飛輪中。若控制系統(tǒng)向電機(jī)發(fā)送減速信號(hào)，在飛輪的慣性帶動(dòng)下，電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電，這時(shí)就能實(shí)現(xiàn)機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)速大小處于和中間。整個(gè)系統(tǒng)的能量：

1-1

其中，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為飛輪最大轉(zhuǎn)速，為飛輪最小轉(zhuǎn)速。由公式1-1可知，增大飛輪的慣量和轉(zhuǎn)速是提高儲(chǔ)能效率的最有效方法，但大功率高速旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行成本過(guò)高。因此，一般真正應(yīng)用在工程中的均是采用飛輪轉(zhuǎn)速小不大于10000rpm為主。

為了滿(mǎn)足上述要求，需要選擇飛輪系統(tǒng)的電機(jī)和飛輪轉(zhuǎn)子。電動(dòng)機(jī)不僅要保持可逆性，還要考慮經(jīng)濟(jì)性，選用的電機(jī)不僅運(yùn)行速度快，而且在充放電過(guò)程中轉(zhuǎn)速變化范圍還要大。由于利用飛輪進(jìn)行儲(chǔ)能，整個(gè)裝置的工作特性：處于電機(jī)狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)能夠擁有非常大的轉(zhuǎn)矩和功率;而且壽命久，空載損耗低，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高，具有較高的轉(zhuǎn)化率。電機(jī)的選用還需要能夠顯示出飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)能耗高效率、維修方便等優(yōu)點(diǎn)。通常有四種類(lèi)型的電動(dòng)機(jī)滿(mǎn)足上述特性：感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、同步磁阻電動(dòng)機(jī)、永磁電動(dòng)機(jī)以及開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)。由于飛輪和電機(jī)的連接和控制方式不同，控制目的也不同，所選用的電機(jī)和控制方法也不同。電動(dòng)機(jī)一般采用永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)和內(nèi)置感應(yīng)電動(dòng)機(jī);飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)接入電網(wǎng)后，一般采用PQ控制，孤島運(yùn)行一般采用V/F控制[2]。

2仿真分析

根據(jù)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)原理圖，采用仿真系統(tǒng)軟件建立相應(yīng)的仿真模型，如圖1所示。

在系統(tǒng)中電機(jī)選用永磁同步電動(dòng)機(jī)，永磁同步電動(dòng)機(jī)具有勵(lì)磁損耗低、調(diào)節(jié)控制方便、功率雙向轉(zhuǎn)換等優(yōu)點(diǎn)，它是飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的電動(dòng)機(jī)。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)逆變器的控制來(lái)確定飛輪的儲(chǔ)能和釋放量。

從仿真模擬中得到，直流母線(xiàn)電壓始終處于穩(wěn)定狀態(tài)，說(shuō)明飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率穩(wěn)定，保證了電源的電能質(zhì)量和可靠性。

在飛輪速度模擬中，選用梯形信號(hào)，在060秒內(nèi)，飛輪加速充電;在60120秒內(nèi)，飛輪保持相同的速度，保持能量，并等待外部控制信號(hào)釋放能量;在120180秒之間，施加給飛輪一個(gè)控制信號(hào)，該信號(hào)會(huì)降低速能量放出的速度;180秒以后，保持轉(zhuǎn)速處于最小狀態(tài)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)一次充電并釋放的目的，同時(shí)對(duì)所建立的仿真模型的正確性做出了檢驗(yàn)[3]。

3結(jié)束語(yǔ)

在微電網(wǎng)中進(jìn)行必要的配置優(yōu)化，不僅可以降低微電網(wǎng)系統(tǒng)的干擾，而且可以合理調(diào)整微電網(wǎng)的電壓和頻率，使其更加靈活、環(huán)保、高效，滿(mǎn)足負(fù)荷要求。通過(guò)對(duì)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的網(wǎng)側(cè)變流器進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果表明，合理的控制信號(hào)可以使飛輪實(shí)現(xiàn)合理的加減速、及時(shí)充放電，能夠增加能量轉(zhuǎn)化率，使得電能質(zhì)量得到更好的保障。一旦電網(wǎng)不能正常工作，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)便能夠在短時(shí)間內(nèi)繼續(xù)提供動(dòng)力支持，提高了微電網(wǎng)的應(yīng)變能力。

參考文獻(xiàn)

[1] 蘇猛，李鳳霞.微電網(wǎng)中飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)能優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2018，35（11）：94-97.

[2] 丁尚.微電網(wǎng)分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)化方法研究[D].南京：南京郵電大學(xué)，2018.

[3] 李和豐.微電網(wǎng)沖擊性負(fù)荷下飛輪儲(chǔ)能與電源的運(yùn)行優(yōu)化[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2018.

作者簡(jiǎn)介

魏民（1985-），男，北京人;學(xué)歷：碩士，現(xiàn)就職單位：沈陽(yáng)遠(yuǎn)大電力電子科技有限公司，參與多項(xiàng)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)專(zhuān)項(xiàng)、多次獲得省級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)項(xiàng)。