微网中的储能设备及飞轮储能特性的研究

胡海松，张保会，张 嵩，张伟刚

（西安交通大学电气工程学院，西安 710049）

微网中的储能设备及飞轮储能特性的研究

胡海松，张保会，张 嵩，张伟刚

（西安交通大学电气工程学院，西安 710049）

0 引言

近年来，以风能、太阳能等可再生能源的分布式发电（DG）得到了广泛的研究和应用[1]，实现了“绿色电力”和节能减排，缓解了大电网的压力。在此基础上，将分布式发电系统与储能设备[2]、相关负荷、保护控制装置共同构成微网，作为一个可控单元，与大电网相互支撑[3]，充分发挥了分布式能源的效能，也提高大电网遭受灾难性故障时关键负荷的供电可靠性[4]。图1显示的是典型的微网结构图。

图1 典型的微网结结构图

从图1可以看出，微网及其内部的分布式电源一般采用就地电源，如风力发电、光伏发电[5]和微型燃汽轮机，可实现分区分片灵活供电，通过合理的规划设计，来满足微网的稳定和负荷需求。当微网处于并网运行状态，功率可双向流动，微网内的负荷根据用户情况从电网内部及外部吸收能量，这样有效降低了负荷对大电网的依赖，减小了远距离输电的损耗。此外，多余的能量可储存于储能设备中，便于在故障检修或特殊情况下应用（如黑启动等）。当配电系统工作不稳定或出现故障的情况下，微网与主网连接中断，在控制器的作用下解列形成孤岛，独立向其所辖重要负荷供电。多个分布式电源联网的微网增加了系统容量，而分布式储能设备的存在使系统惯性增大，可以提高微网的动态响应速度，改善电能质量，保证微网的安全稳定运行[6]。

本文主要对微网中的分布式储能设备进行了阐述，重点研究了飞轮储能设备的特性，并在DIgSILENT/Power Factory中进行了仿真，分析了其储释能的过程。

1 微网中的储能设备

由于微网概念的提出，大电网发生故障时，即微网与主网的连接通道因故障切除，就不需要强制将分布式电源切除，而是可以通过合理控制，让分布式电源继续向负荷供电。在这暂短的备用通道切换时间内，或者分布式电源的投入与退出过程中，其功率不平衡的时间短（一般为毫秒级），可以采用分布式储能设备，进行快速储放能控制，从而对有功进行紧急平衡控制，并保证重要负荷的电压稳定。

储能技术[7]目前在电力系统中的应用主要包括电力调峰（需要较大的储能容量）、提高系统运行稳定性和提高供电质量，主要应用方式有抽水储能、蓄电池、飞轮储能、超导储能、超级电容器储能、压缩空气储能等。微网的运行，为满足其特殊要求，可采用小容量的储能设备，通过快速的储放能，实现较大的功率调节，从而维持微网的安全稳定。由于微网中光伏电池、风力发电等产生的电能具有显著的不确定性特征，各类负荷的变化也存在一定的随机性，因此需要对储能设备进行合理控制，使它们起到抑制系统扰动、维持系统动态平衡、保持电压和频率稳定的重要作用。基于上述要求，可应用于微网的分布式储能设备主要有蓄电池、超级电容器储能和飞轮储能。

1.1 蓄电池

蓄电池是一种短时储能设备[8-9]，电能是以化学能的形式进行存储，且存储过程不会发生化学反应（通过重组电解液中化学元素的电力来存储电能），又因为其结构简单，使用方便，价格相对便宜，易分散安装，因此被广泛应用于电力系统中。随着科技的进步，蓄电池正朝着体积小、污染小、储能密度高、循环寿命长的方向发展，主要应用的有铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、氢化物-镍蓄电池以及钠硫蓄电池。与分布式发电相结合的蓄电池储能系统，由蓄电池、逆变器、控制装置和辅助设备等组成，能够快速的储放能，提供功率支持，在维持微网稳定运行中将会发挥重要作用。

1.2 超级电容器

超级电容器[10-11]是一种新型能源器件，它将活性炭材料作为极板，通过电荷在电极和电解质的界面吸附，自发分配形成阴阳离子层，从而将能量储存起来。实际应用中的超级电容器储能设备，都是由多个超级电容器阵列构成，将能量以电场能的形式存储。超级电容器具有功率密度很高、充放电时间短、寿命特别长等优异特性，相对于飞轮储能，由于它没有运动部件，维护工作少，因而可靠性高。为了充分发挥超级电容器的作用，可以将其与在市场上占有主要份额的蓄电池储能相联合。在微网中，该储能设备与分布式电源相结合，可以在短时内，完成储释能，抑制电压波动，提高电能质量，保证负荷的需求。

1.3 飞轮储能

飞轮储能系统主要由高速飞轮、电机、电力电子设备、轴承系统、控制设备以及真空泵等组成。飞轮储能突破了化学电池的局限，用物理方法实现能量的输入、储存和释放：电能经变换器驱动电机带动飞轮高速旋转，将能量储存起来，实现电能向机械能的转换；在接受能量释放的控制信号之前，电机会维持一个恒定的转速 （因此对转子的要求较高）；飞轮在给负载供电时会作为原动机拖动电机发电，转速逐渐下降，释放储存的能量，从而实现机械能向电能转换[13]。图2是飞轮储能系统工作的原理图。

图2 飞轮储能系统工作原理图

为了满足飞轮的需要[14]，要求选择的电机具有可逆性，除了经济方面的考虑外，电机的选取还应该考虑飞轮储能装置的运行特点：在电动机状态时能有较大的转矩和输出功率；转子能承受高转速，可适应较大范围的速度变化；能量转换效率高；具有结构简单、运行可靠等优点。可供选择的电机有永磁电机（无刷直流）、感应电机、开关磁阻电机、同步电机等。由于飞轮与电机的连接方式、集成方式或者控制目的不同，选择的电机也有所区别，常用的有永磁电机和双馈发电机[15]。

在实际中应用的飞轮储能主要有高速飞轮装置和低速飞轮装置。飞轮储能响应快，易安装，寿命长且环保。例如应用于商品化移动式UPS中3.6MV·A的低速飞轮装置，其效率可达98%，寿命为20a。

2 仿真分析

2.1 仿真模型

根据原理图2，飞轮储能系统的仿真模型如图3所示。由飞轮和电机输出的电压是3kV，以直流母线DC Node为中心，右侧是整流器，目的是将工频交流电整流为恒定电压（6kV）的直流电；左侧是逆变器（4MV·A），将直流电经过脉宽调制变为频率和电压都符合要求的交流电。

图3 飞轮储能系统模型

其中，为了便于仿真，采用了永磁同步电机（PMSM），并进行了相关的控制。从工作原理上说，PMSM与普通同步电机相同，不同的是PMSM输入定子的是三相正弦波电流，谐波含量较少，可降低铁磁损耗。与感应电机相比，PMSM不需要无功励磁电流，因此可以显著提高功率因数；另外PMSM减少了定子电阻损耗，其效率比同规格感应电动机高。

2.2 仿真方案和结果分析

图4所示为电网侧变换器的控制框图。其中左侧3个slot所需要的电气值都是直接测量得到的,分别是直流母线电压、逆变器交流侧电流、锁相环PLL。测得的直流电压udc与参考电压udc_ref相比较，得到的误差经一个PI控制器输出作为电流给定值id_ref,（简便起见，实现单位功率因数控制，设定iq_ref=0，使输入的无功功率为0），再与已测得电流id，iq进行比较,得到的误差经电流控制器输出PWM的脉冲宽度,即经过控制变换得到电网侧逆变器的控制信号。

图4 电网侧变换器的控制框图

为验证飞轮储能系统模型的正确性，简化起见，设定了对于飞轮充放电进行控制的信号S，当S=1,飞轮加速充电；S=0，飞轮减速放电。图5是根据要求得到的控制信号波形。

图5 控制信号S波形图

图6显示了在控制信号S作用下，飞轮转速的波形。我们可以看出，在充电阶段（0～60s），飞轮的转速不断上升，直到达到设定的3pu；此后，飞轮将维持在这一转速，直到接受放电信号；在120s时刻，控制信号为0，飞轮转速逐渐降低，将储存的能量释放出来。这样就模拟了飞轮储能设备完整的输入、储存和输出的过程。

在仿真过程中，以维持直流母线恒定为目的，制定了变换器的相关控制策略。

如图7所示，直流母线的电压很好地维持在额定值6kV，这也说明了飞轮储能对于保证电能质量起到重要作用。

图6 飞轮转速

图7 直流母线电压

3 结论

随着分布式供电系统的大规模应用，将其以微网的形式接入电网，有助于提高电力系统的安全性和可靠性，优化能源结构，增强电网抵御自然灾害的能力，对于电网乃至国家安全都有重大现实意义。微网中的储能装置与分布式电源相结合，通过合理的设置和储放能控制，可以平抑系统扰动，对微网电压、频率进行调节，保证负荷的需求，稳定微网的安全运行。

微网技术作为国际电力系统一个前沿研究领域，具备灵活、环保、高可靠性的特点，今后必将在我国得到广泛应用。微网的发展，依赖于分布式供电系统的成熟和相关储能设备的优良特性。分布式储能设备对微网安全稳定的综合作用，以及针对微网的运行，对其进行合理的优化配置，是今后研究的重点。

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Studies on the Characteristics of Energy Storage Devices and Flywheel Energy Storage in the MicroGrid

HU Hai-song,ZHANG Bao-hui,ZHANG Song,ZHANG Wei-gang
（School of Electrical Engineering,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,Shaanxi Province，China）

This paper an alyzes the energy storage devicesin the microgrid，focusing on the characteristics of the flywheel energy storage device.The findings are simulated in DIg SILENT/Power Factory,andprove to be correct.

microgrid;distributed energy storage;flywheel energystorage;DIgSILENT/PowerFactory

分析了在微网中的储能设备，重点研究了飞轮储能设备的特性，并在电力系统仿真软件DIgSILENT/Power Factory中进行了仿真，验证了其正确性。

微网；分布式储能；飞轮储能；DIgSILENT/Power Factory

国家重点基础研究发展计划（“973计划”）资助项目(2009CB219700)。

1674-3814（2010）04-0021-04

TM313；TM743

A

2009-11-02。

胡海松（1986—），女，硕士研究生，主要研究方向为储能设备及其在微网中的应用；

张保会（1953—），男，教授，博士生导师，主要研究方向为电力系统继电保护、安全稳定控制和电力系统通信等；

张 嵩（1986—），男，硕士研究生，主要研究方向为分布式电源系统中的保护原理；

张伟刚（1984—），男，硕士研究生，主要研究方向为小电流接地系统故障选线原理与装置开发。

（编辑 冯 露）