飞轮贮能机构在风电场中的应用及仿真分析

张树德

摘 要：基于数学模型构建了飞轮贮能机构接入风电场的仿真模型。仿真得到了采样时间不同的风速、输出功率波形曲线。通过对飞轮贮能机构接入前后输出功率波形曲线的比较，可以得知，飞轮贮能机构实现了对平稳功率与风电输出功率之间差值的误差率<2.0%，表明设计的飞轮贮能机构能够很好地对风电场输出功率进行跟踪调节与有效控制。

关键词：飞轮贮能；风电场；电网控制器；风电功率

1 前言

在风电系统中，由于飞轮贮能机构具有对输出功率快速响应和双向调节的能力，因此能够有效地削弱风能的波动对风电系统输出功率以及电力网络的不良影响[1]。并网型风电系统采用功率双向调节、响应迅速的飞轮贮能机构，能够达到综合地补偿风电场输出的有功、无功功率，从而减小风电系统输出功率对电力网络的波动[2-3]。

2 控制器模型

电网侧控制器的实际功能为：⑴响应速度快，保障电网的安全；⑵维持电流正弦、使电压电流相位差保持一个较大值；⑶确保电压电流相位反相。

为了实现功率双向流动的目的，要求电网侧控制器必须能够随时工作在整流和逆变两个过程中。目前，定矢量控制方式广泛用于电网侧控制器中，即满足一般的条件：d轴滞后q轴900并且dq坐标系均以相同速度旋转，电压矢量的方向在d轴上，这样其在q轴上的投影是0。

所以，控制id、iq就能够单独控制电网侧控制器的有功、无功功率。将闭环PI控制调节应用于d、q轴电流分量上，能够得出ud、uq。最后对电网侧控制器实施PWM策略，就能够更好地对有功、无功进行补偿。

3 飞轮贮能机构的接入

将飞轮贮能机构并入双PWM控制器的直流侧，用于贮存能量，电能变换到动能贮存在飞轮极速转动的转子内；需要释放能量时，把飞轮转子中的动能变换为电能输出，反馈回电力网络。可以得到飞轮贮能机构并入电力网络的等效电路。

5 结论

介绍了飞轮贮能机构在并网型风电系统中的应用，分析了其控制策略；将飞轮贮能机构接入电力网络，并依次构建了电网侧控制器仿真模型和发电机侧控制器仿真模型；仿真得到了含有飛轮贮能机构的风电系统对输出功率追踪的波形曲线。结果显示，飞轮贮能机构能够有效地对风电系统输出功率实现跟踪与控制。

[参考文献]

[1]Bailey C，Saban D M，Guedes P P.Design of high-speed direct-connected permanent-magnet motor sand generators for the petrochemical industry.IEEE Transactions on Industry Applications.2009.

[2]王楠，李永丽，张玮亚，等。飞轮储能系统放电模式下的非线性控制算法[J].中国电机工程学报，2013，33（19）：1～7.

[3]B.Bolund， H.Bernhoff，M.Leijon.Flywheel energy and power storage systems[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews.2007