非并网风力发电系统飞轮储能控制策略

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（1.中国电力科学研究院 新能源所，江苏 南京 210003；2.南京航空航天大学 江苏新能源发电与电能变换重点实验室，江苏 南京 210016）

1 引言

风力发电与传统发电相比，最大特点是波动性大、无法直接储存，不能像传统的水力、火力发电那样对原动机输出功率进行控制[1-3]。非并网风电[4-6]即风电系统的终端负载不再是单一的电网，主要负载是一系列能适应风电特性的高能耗产业及其他特殊领域，如以电解铝为重点的有色冶金工业、氯碱工业、大规模海水淡化、制氢等。在这些高能耗产业就地建造风力发电机组，既能充分利用风能资源，减少对常规能源的消耗，又能避免采用并网型风电机组并网时对电网带来的冲击。

飞轮储能系统[7-10]是一种新兴的储能方式，通过飞轮转子旋转，实现动能与电能的转换。相比传统的蓄电池储能，飞轮储能系统有较快的充放电速度、使用寿命长、储能过程干净、清洁、对环境无任何不良影响且性能稳定[11-13]，总体效率达到90%以上。由于非并网风力发电机组的终端负荷，对电能质量有一定的要求，因此，本文提出一种基于非并网风力发电系统的飞轮储能系统控制方案，通过飞轮储能系统的充/放电控制，维持风力发电机组输出功率的稳定。

2 系统结构与控制策略

本文所提出的飞轮储能系统辅助的非并网风力发电机组系统结构图如图1所示，该系统由变桨距直驱风力发电机组、飞轮储能系统、电力电子变换器、负载等构成，其中，飞轮储能系统并联在直流母线上。

图1 系统结构图Fig.1 System structure

图2为飞轮储能系统控制策略示意图[14]。图2 中，Pf为

式中：Pref为非并网风力发电机组与飞轮储能系统共同输出的功率给定值，即终端负荷所需的功率值；Pw为非并网风力机组所发出的功率；Pv为维持直流母线电压在给定值所消耗的功率；Pf为飞轮储能系统输出/吸收的功率。

在理想情况下，Pref与Pw相等。

图2 飞轮储能系统控制策略示意图Fig.2 Graphic representation of the flywheel energy-storage system control strategy

当Pf＞0时，飞轮转子角速度下降，储能系统发出功率，弥补风力发电机组自身所发出功率的缺额，以满足负荷在给定功率下正常运行。当Pf＜0时，飞轮转子角速度上升，储能系统吸收风力发电机组发出的额外功率，防止用电负荷在超出给定的功率下运行。

3 直流母线电压与功率的综合控制策略

3.1 综合控制策略

本文主要目的是提出并验证利用飞轮储能系统对于稳定非并网风力发电系统的输出功率和参与直流母线电压控制这种方法的有效性，所以为了简化分析起见，在给定风况下，假设风轮机按恒定桨距角运行。

风力发电机组根据当前风速以及最大风能捕获原则进行变速运行，以获得最大的输出功率；风力发电-飞轮系统总输出功率参考值的设定，根据该非并网风力发电系统所接负荷的需求决定。

飞轮储能系统对于非并网风力发电系统直流母线电压与功率的综合控制框图如图3所示。

图3 风力发电系统直流母线电压与功率控制框图Fig.3 Block diagram of the synthesized DC-link voltage and power control of wind power

图3表明，根据风力发电机组输出功率Pw以及电压控制器输出的维持直流母线电压在给定值所消耗功率的参考值Pv，结合为了提供非并网风力发电机组所接负载稳定工作所需的功率参考值Pref，从而获得飞轮系统的功率参考值Pf。飞轮系统根据Pf的正负方向，来决定飞轮转子加速或减速，输出或吸收功率来维持负载正常工作。

3.2 风力机风轮的气动特性及最大功率捕获实现

风力机的风轮是风力发电机组实现能量转换的关键机构。风轮的气动特性可以用风能利用系数Cp(λ，β)来表示，Cp为叶片桨距角β和叶尖速比λ的函数。叶尖速比λ的定义如下：

式中：ω为风轮旋转的角速度，rad/s；R为风轮扫风半径，m；vw为风速，m/s。

风能利用系数Cp(λ，β)的近似计算公式[18]为

由式（3）获得的功率利用系数Cp(λ，β)曲线如图4所示。

图 4 Cp(λ，β)曲线Fig.4 Curves of Cp(λ，β)

由图4可以看出，对应不同桨距角，风能利用系数Cp(λ，β)总有一个最大值，相应的也存在一个最优叶尖速比。根据风能最大功率捕获原则，在给定桨距角的情形下，风力机根据风速的变化，不断调整风轮转速，以期运行在最优叶尖速比上，从而获得最大功率。

风力机所受到的气动转矩为

式中：Tm为作用在风力机上的气动转矩，N·m；ρ为空气密度，kg/m3。

3.3 传动链与风力发电机的动态特性

忽略传动链内部和发电机及其电力电子变换器的动态过程，将其简化为单质量块[19]。作用于单质量块传动链上的转矩有风力机风轮的气动转矩和风力发电机的电磁转矩。由于风力机组采用直驱式，故发电机转子的转速与风轮机风轮的转速一致，得到如下传动链运动方程：

式中：Te为发电机电磁转矩，N·m；J为风力发电机组的转动惯量(包括风轮转子的转动惯量和发电机转子的转动惯量)，kg·m2。

3.4 飞轮储能系统中飞轮的动态特性

忽略飞轮储能系统中电动/发电机及其电力电子变换器的动态过程，也可以将飞轮系统简化为单质量块[16]。作用在该单质量块飞轮储能系统上的转矩只有电动/发电机的电磁转矩，其运动方程为

式中：Tf为作用在飞轮转子轴上的电磁转矩，N·m；Jf为飞轮系统的转动惯量，kg·m2；ωf为飞轮的角速度，rad/s。

4 飞轮储能系统对于非并网风力发电机组控制的仿真模型

由式(2)～式(6)可分别得到风力机Simulink模型，传动链Simulink模型和飞轮储能系统Simulink模型，如图5～图7所示。

图5 风轮机Simulink模型Fig.5 Simulink model for wind turbine

图6 传动链Simulink模型Fig.6 Simulink model for drive train

图7 飞轮储能系统Simulink模型Fig.7 Simulink model for flywheel energy-storage system

联合式（1）并分别将上述3个Simulink模型合并，可获得完整的飞轮储能系统对于非并网风力发电机组控制的Simulink仿真模型，如图8所示。

图8 飞轮储能系统控制的Simulink模型Fig.8 Simulink model of the control of flywheel energy-storage system

5 仿真结果与分析

5.1 仿真原始数据及参数

仿真用的原始数据包括：模拟实际风速、预测风速、风力发电-飞轮储能系统总输出功率参考值、直流母线电压设定值和直流母线电压运行实际值。风力发电机组参数为：风力机扫风半径40 m，额定功率2 MW，切入风速5 m/s，切出风速25 m/s，风力发电机组的转动惯量15×107kg·m2。 钢制低速飞轮参数为：飞轮半径2m，额定功率300 kW，转动惯量 2×105kg·m2，最快转速 4 000 r/min，最慢转速1 500 r/min。

5.2 仿真结果及分析

根据图9给定的模拟实际风速曲线及风力发电-飞轮储能系统总输出功率给定值等数据，运行飞轮储能系统辅助的非并网风力发电机组Simulink仿真模型，即可得仿真结果。

图9 模拟实际风速曲线Fig.9 Curve of simulation actual wind speed

对模型采用时间长度为100 s的仿真。图10为风力发电机组及飞轮储能系统输出功率曲线（1）；图11为飞轮角速度变化曲线（1）。由图10可见，飞轮储能系统为了满足非并网风力发电机组终端负荷的功率要求，跟踪风力发电机组的输出功率情况，自身的输出功率时正时负上下波动，飞轮储能系统不停的充放电，以维持风力发电机-飞轮储能系统输出功率在给定参考值的水平上。图11所示的飞轮转子角速度也跟随飞轮储能系统输出/吸收功率的情况，相应的下降/上升。

图10 风力发电机组及飞轮储能系统输出功率曲线（1）Fig.10 Curves of the wind generation and flywheel energy-storage system output power（1）

图11 飞轮角速度变化曲线（1）Fig.11 Curve of the flywheel angular speed（1）

假设仿真时间t=75 s时，直流母线发生严重故障，电压瞬时跌落，t=85 s，母线电压恢复正常，如图12所示。

图12 假定直流母线电压跌落曲线Fig.12 Curve of supposed DC-link voltage

重新对原模型进行仿真，仿真结果如图13、图14所示。

图13 风力发电机组及飞轮储能系统输出功率曲线（2）Fig.13 Curves of the wind generation and flywheel energy-storage system output power（2）

图14 飞轮角速度变化曲线（2）Fig.14 Curve of the flywheel angular speed（2）

图13、图14中仍然按照图9给定的模拟实际风速曲线及图10所示的风力发电 -飞轮储能系统总输出功率值不变。

由图13可见，当直流母线在t=75 s电压跌落时，飞轮储能系统瞬间加快输出自身所储存的能量，参与到由直流母线电压跌落而引起的功率控制中来，此时飞轮储能输出功率恒为正。图14中所示的飞轮转子转速也随着飞轮储能系统快速的输出功率而急速下降。当母线电压在t=85 s恢复正常时，飞轮储能系统输出功率迅速减少，飞轮转子转速也随之停止急速下降。

另外，飞轮储能系统用于因直流母线电压跌落而引起的功率控制所输出的功率(1 MW)要高于用于正常情况下功率控制所输出的功率(0.3 MW)。所以，在本文给定的风况下，将飞轮储能系统用于因直流母线电压跌落而引起的功率控制更难，要求飞轮有更大的输出功率和储能。

6 结论

1）对于非并网风力发电机组，用飞轮储能系统辅助其工作，可以很好地稳定输出功率，满足终端负荷对功率平稳性的要求。

2）当直流母线发生故障，母线电压出现跌落时，飞轮储能系统能利用自身的储能向系统输出功率，以稳定终端负荷运行工况。

3）在文章给定的风况下，飞轮储能系统参与因直流母线电压跌落而引起的功率控制比正常情况下的功率控制所消耗的功率要大。

4）其他风况下，用飞轮储能系统辅助非并网风力发电系统的必要性和有效性值得进一步研究。

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