基于等效电路的飞轮储能控制策略研究

基于等效电路的飞轮储能控制策略研究

0风力发电技术研究随着mw级太阳能机组的开发和制造，风能发电在能源系统中的比例日益提高。如此大容量的风电机组接入电网,对电力系统的电能质量、稳定性和安全运行都将造成无法忽略的影响。而由于风能是一种间歇性能源,而且风速的变化具有随机性,从而导致风电机组输出的有功和无功功率处于经常的波动之中,将其直接并网将会引起电网电能质量的下降,甚至危及电网的稳定运行。因此,研究并网风电场的运行特性以及如何改善其运行的稳定性是风力发电技术中的重要问题。目前正在研究和应用的风力/柴油供电、风力/蓄电池储能供电等运行方式都存在一定问题:为了连续供电,柴油机必然要不停地运转,以应付由于负载增大或风力减小而引起的输出功率缺额,运行费用昂贵,甚至有可能超过节省燃料的费用。风力/蓄电池储能供电方式中,由于蓄电池体积庞大且昂贵,充电/放电频繁故障率又非常地高,增加了系统运行的成本。正在研究的储能技术有超导储能技术、压缩空气储能技术、飞轮储能技术。超导储能技术很有吸引力,但近期难以取得突破性进展。飞轮储能技术被认为是近期最有希望和最有竞争力的新型储能技术。本文采用飞轮储能系统作为功率调节单元来实现风电机组输出功率补偿的方法。本方案能实现风电机组输出有功功率和无功功率的综合快速补偿,可有效地改善并网风电场的电能质量和稳定性。1可靠性管理系统的结构和原理1.1储能工作原理图1所示是一种飞轮和电机为一个整体的飞轮储能系统。飞轮储能系统是一种机电能量转换与储能装置,它突破了化学电池的局限,用物理方法实现储能,其基本原理是在储能时,电能通过电力转换器变换后驱动电机运行,电机带动飞轮加速转动,飞轮就以动能的形式把能量储存起来,从而完成电能到机械能转换的储存能量过程,能量储存在高速旋转的飞轮体中;之后,电机维持一个恒定的转速,直到接收到一个能量释放的控制信号;当释能时,高速旋转的飞轮带动电机发电,从而完成机械能到电能转换的释放能量过程。由此,整个飞轮储能系统实现了电能的输入、储存和输出过程。1.2电机的性能要求飞轮储能系统的运行特点以及对飞轮电机的要求主要有:(1)飞轮电机应具有可逆性,能运行于电动和发电两种工作状态;(2)电机易于高速运行;(3)能够适应大范围的速度变化;(4)要求电机有较大的输出转矩和输出功率;(5)要求电机结构简单、运行可靠、易于维护等优点。本文选择了永磁无刷直流电机作为飞轮电机。2电容器组部分组成采用飞轮功率调节单元的风电场如图2所示。其中,风电机组主要由风轮机、齿轮箱、异步发电机、并联电容器组等部分组成。并联电容器组的作用是为感应电机的起动和运行提供足够的无功补偿,维持输出端电压的恒定。飞轮储能系统通过双电压源逆变器接入异步发电机母线上,用以改善系统的动态性能,并通过变压器T1并入高压电网。3数学模型3.1反c/d2d21对于稀土永磁无刷直流电动机,通常直接利用电动机本身的相变量来建立数学模型。假设磁路不饱和,不计涡流和磁滞损耗,三相绕组完全对称,则三相绕组的电压平衡方程可表示为式中a,b,c为定子相绕组电压;a,b,c为定子相绕组电流;a,b,c为定子相绕组反电势;为每相绕组的自感;为每两相绕组间的互感。由于三相绕组Y连接,且没有中线,则a+b+c=0,因而b+c=a,则可以得到电压方程为反c电势c的表达式为=e=dd(3)转矩方程为m=+dmd+d2d2(4)式中为负载(即输出)转矩;为转动部分(包括主转子、位置传感器转子和负载)的转动惯量;m为粘滞系数;为转角。此外,e与反电势系数在数值上差一个常数,这里的表示符号未变。3.2非线性数学模型分析三相PWM逆变电路的工作波形可知,各相输出的电压分别为式中为占空比;dc为直流侧输出电压;为调制波的相角。3.3电容器上电压在飞轮储能系统运行过程中,由于飞轮电机运行状态的变化,系统功率波动等动态过程使得直流环节电容器上的电压会有较大的波动,因此需要对电容器上的电流进行分析,根据等效电路图3可得式中dc为电容上的电压;1为从电机侧逆变器流出的电流;2为流入电网侧变流器的电流。4无功解耦控制方案设计风电场一般都由分散分布的风电机组构成,因此,在每台风电机组的出口处安装飞轮储能系统势必会增加系统的维护量,而且会降低系统的可靠性和经济性,因此,选择飞轮储能系统的安装地点为风电场变电站的低压侧,使飞轮储能系统对整个风电场的输出进行集中控制和调节。文献中研究了超导储能系统对风电场稳定性的改善,其有功控制器均采用了转速偏差量。这种方法适合对单个风电机组进行补偿,但不适合于整个风电场的集中控制。文献提出了利用储能单元接入点的电压偏差作为有功控制器的控制信号,但是不利于有功功率和无功功率的解耦,因而控制效果有限。本文选择风电场母线的输出有功功率和无功功率为控制信号,通过飞轮储能系统的作用,正常运行情况下对有功和无功功率分别进行控制,故障情况下则主要对对母线电压进行调节。系统的总体控制框图如图4所示。由图4可知,有功和无功功率解耦的思路为:网侧变流器采用常规逆变器的控制方法实现有功和无功功率的解耦控制,控制策略的实现在下文中给出。为了简化控制,引入直流环节电压的反馈控制以维持电容器电压基本恒定;电机侧变流器仅对电机和直流母线交换的有功功率进行控制,它的作用体现在两个方面:一方面是通过有功功率调节维持直流母线电压的恒定,另一方面跟踪由系统给出的有功功率参考信号,以实现两个PWM变流器的功率协调。在三相电网电压平衡条件下,取母线电压矢量为参考向量,并设其初相角为零,使d轴与母线电压矢量始终重合,则可得=m,=0。根据瞬时无功功率理论,可得:=,=。因此,通过控制,就可以实现对逆变器输出有功功率和无功功率的分别控制。根据电网侧变流器的dq轴数学模型式(7)可以建立如下的有功无功解耦控制策略,如图5所示。从图中可以看出,这里采用了,的状态反馈来实现电压电流dq轴分量的解耦,此外还引入了母线电压作为前馈补偿来提高系统的动态性能。5电网侧变压器风力发电机组的仿真模型和仿真参数见文献。飞轮储能系统的仿真参数如下:电机参数R1=0.03;LM=8.5mH;p=2;J=0.8×103kg/m2;电网侧逆变器的等效电阻和连接电抗器参数R2=0.05,L2=0.0339H。仿真结果如图6~8。仿真的风速模型模拟实际风速,风速由平均风速、渐变风、阵风及噪声风4部分组成。从仿真结果可以看出,飞轮储能系统能实现了风电机组输出有功功率和无功功率的综合快速补偿,在风速快速扰动的情况下平滑了风电场的输出,从而降低了风波动对电网的冲击,有效提高了电网的电能质量和并网风电机组自身的稳定性。6协同储能单元在并网风电场的能量缓冲装