飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的并網(wǎng)控制方法設(shè)計(jì)

中國科學(xué)院電工研究所的研究人員劉文軍、唐西勝等，在2015年第16期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，采用帶LCL濾波器的背靠背雙PWM變流器作為飛輪電機(jī)與電網(wǎng)進(jìn)行能量交換的接口，提出一種飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)控制方法。

該方法由電網(wǎng)側(cè)變流器控制和電機(jī)側(cè)變流器控制兩部分組成，并經(jīng)過充電、預(yù)并網(wǎng)和并網(wǎng)運(yùn)行三個(gè)階段。

在充電和預(yù)并網(wǎng)階段，電網(wǎng)側(cè)變流器采用不控整流方式，電機(jī)側(cè)變流器先后采用速度外環(huán)和電壓外環(huán)控制方式；

在并網(wǎng)運(yùn)行階段，電網(wǎng)側(cè)變流器控制采用基于電網(wǎng)側(cè)電流外環(huán)、變流器側(cè)電流內(nèi)環(huán)的直接功率控制策略，控制并網(wǎng)有功功率的大小及流向；電機(jī)側(cè)變流器控制采用直流母線電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，維持直流母線電壓恒定。

采用零極點(diǎn)對(duì)消降階法及對(duì)稱優(yōu)化函數(shù)等效法分別設(shè)計(jì)電機(jī)側(cè)內(nèi)外環(huán)控制器參數(shù)。進(jìn)行了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電、預(yù)并網(wǎng)和并網(wǎng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)控制方法的可行性。

飛輪儲(chǔ)能由于具有無環(huán)境污染、使用壽命長、充放電次數(shù)無限制等特點(diǎn)，且與傳統(tǒng)化學(xué)電池相比優(yōu)勢明顯，已得到了國內(nèi)外研究學(xué)者的廣泛關(guān)注。采用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行，可以主動(dòng)調(diào)節(jié)電網(wǎng)有功功率，確保系統(tǒng)供需平衡，減少有功負(fù)荷變化、間歇性可再生能源接入電網(wǎng)等對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性的影響，在電力系統(tǒng)調(diào)頻、間歇式可再生能源發(fā)電等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

飛輪儲(chǔ)能并網(wǎng)控制方法作為飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，是飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)成功參與電網(wǎng)功率調(diào)節(jié)的關(guān)鍵，具有重要意義。

背靠背雙PWM變流器目前在具有再生能量反饋的交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。文獻(xiàn)采用背靠背變流器將電機(jī)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量回饋給電網(wǎng)，其直流母線電壓由電網(wǎng)側(cè)變流器控制，電機(jī)側(cè)變流器采用速度外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)，但由于該控制方法以電機(jī)轉(zhuǎn)速為控制目標(biāo)，其從電網(wǎng)吸收和回饋給電網(wǎng)的功率不可控。

近來，背靠背雙PWM變流器在飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行中被廣泛采用，其控制方法得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究。文獻(xiàn)采用經(jīng)背靠背變流器并網(wǎng)的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)助風(fēng)電場進(jìn)行有功和頻率控制，其直流母線電壓由電網(wǎng)側(cè)變流器控制，但并網(wǎng)功率由電機(jī)側(cè)變流器間接控制，響應(yīng)速度慢，且電機(jī)轉(zhuǎn)矩參考指令值由并網(wǎng)功率與轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度之比求得，實(shí)際并網(wǎng)功率值易受轉(zhuǎn)速測量誤差的影響。

對(duì)用于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的背靠背變流器進(jìn)行了仿真研究，但當(dāng)系統(tǒng)在放電與充電之間切換時(shí)，其直流母線電壓的控制需由電機(jī)側(cè)變流器控制切換到由電網(wǎng)側(cè)變流器控制，控制較為復(fù)雜。

采用基于背靠背變流器的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)來平抑風(fēng)力發(fā)電輸出功率的波動(dòng)并進(jìn)行了仿真研究，其直流母線電壓由電網(wǎng)側(cè)變流器控制，并網(wǎng)功率由電機(jī)側(cè)與電網(wǎng)側(cè)變流器共同控制，控制較為復(fù)雜。

此外，上述文獻(xiàn)中背靠背變流器均經(jīng)過L濾波器或LC濾波器與電網(wǎng)相連，與這兩種濾波器相比，LCL濾波器可以在較小電感的情況下獲得較理想的諧波抑制效果，已在風(fēng)能、太陽能等可再生能源并網(wǎng)發(fā)電中被廣泛采用。

為抑制飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)注入電網(wǎng)電流的諧波，本文在背靠背變流器與電網(wǎng)之間串入LCL濾波器。為避免直流母線電壓在由電網(wǎng)側(cè)變流器控制與由電機(jī)側(cè)變流器控制之間來回切換，以及為解決并網(wǎng)功率易受轉(zhuǎn)速測量誤差影響的問題，本文提出了一種飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)控制方法。

該控制方法由電網(wǎng)側(cè)變流器控制和電機(jī)側(cè)變流器控制兩部分組成，并先后經(jīng)過充電、預(yù)并網(wǎng)和并網(wǎng)運(yùn)行三個(gè)階段。在充電、預(yù)并網(wǎng)階段，電網(wǎng)側(cè)變流器均采用不控整流方式；電機(jī)側(cè)變流器在充電階段采用速度外環(huán)控制方式，在預(yù)并網(wǎng)階段采用電壓外環(huán)控制方式。在并網(wǎng)運(yùn)行階段，電網(wǎng)側(cè)變流器控制采用基于電網(wǎng)側(cè)電流外環(huán)、變流器側(cè)電流內(nèi)環(huán)的直接功率控制策略，控制并網(wǎng)有功功率；電機(jī)側(cè)變流器控制采用直流母線電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，控制直流母線電壓。

首先建立了永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，接著給出了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)控制方法的工作原理，然后給出了電機(jī)側(cè)內(nèi)外環(huán)控制器參數(shù)的設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，并給出了設(shè)計(jì)實(shí)例。最后進(jìn)行了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)充電、預(yù)并網(wǎng)和并網(wǎng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。

圖1飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)充電與預(yù)并網(wǎng)階段控制方法

圖2飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行階段控制方法

結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行，本文提出了一種飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)控制方法。該方法由電網(wǎng)側(cè)變流器控制和電機(jī)側(cè)變流器控制組成。整個(gè)控制過程先后經(jīng)過充電、預(yù)并網(wǎng)和并網(wǎng)運(yùn)行三個(gè)階段。

在充電和預(yù)并網(wǎng)階段，電網(wǎng)側(cè)變流器均采用不控整流的方式；電機(jī)側(cè)變流器分別采用速度外環(huán)和電壓外環(huán)的控制方式。

在并網(wǎng)運(yùn)行階段，電網(wǎng)側(cè)變流器控制采用基于電網(wǎng)側(cè)電流外環(huán)、變流器側(cè)電流內(nèi)環(huán)的直接功率控制策略，控制并網(wǎng)有功功率；電機(jī)側(cè)變流器控制采用直流母線電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，控制直流母線電壓。

給出了電機(jī)側(cè)內(nèi)外環(huán)控制器參數(shù)的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)實(shí)例。進(jìn)行了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)充電、預(yù)并網(wǎng)和并網(wǎng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)控制方法的可行性。