风力发电系统中飞轮储能装置的控制分析

李伟

（遵义师范学院，贵州 遵义 563006）

风能属于清洁能源，靠近沿海地区风力较为发达。在云贵地区的布局地方风能也较为集中，可发展分散式的风力发电。我国能源发展“十三五”规划中明确指出，大力发展分散式风电，稳步建设风电基地，积极开发风电项目，2020年风电装机规模达到2.1亿kW以上。风能的缺点是风能的产生有着周期性和不稳定性，导致发出的电能也带有周期性和不稳定性。这种不稳定性给电力系统带去了潜在的危机，降低了系统的安全性。学术界对于风力发电系统的不稳定性难题进行了攻克，诞生了飞轮储能系统。

1 风电场中飞轮储能系统研究

飞轮储能由机械装置和电力电子设备组成，其能量的转换不经过化学反应。因此，它具有寿命长、响应速度快和对环境友好的优点，并且具有制造成本低、建设周期短、后期维护少、成本低等优点。飞轮储能技术最早由美国Beacon Power公司进行研发，该公司通过不断地技术探索和更改设计，设计了一种双飞轮的储能结构。2011年，该公司试运营了20MW电网级的飞轮储能系统，由200个飞轮并联运行，最大储能容量达到25kWh，以100kW的功率可以持续放电15min，同年，北京奇峰公司宣布1kWh的磁悬浮飞轮储能系统研发成功，虽然与发达国家有一定差距，但该项技术填补了我国在该领域的空白。学术界对于飞轮储能技术的研究主要集中于飞轮充放电策略、风电系统的低电压穿越技术、飞轮储能UPS等。但学术界较为缺少的研究包括飞轮储能系统运用到风电场至今缺少完成的网络拓扑结构图和实际控制方案、飞轮储能系统与风电场的协调关系。飞轮储能技术相较于现今的储能供电设备，如柴油供电或蓄电池供电，依然具备强大的技术能力和成本优势。

2 飞轮储能系统的结构与原理

飞轮储能系统首先可根据转速分为两类，一类是最高转速控制在6000～60000r/min范围的低速飞轮系统；另一类是最高转速超过60000r/min高速飞轮系统。飞轮储能系统的结构简单，主要是飞轮、电机和电力电子转换装置组成。具体的组成部分是承担能量转换任务的电机、承担储存能量任务的转子轴承（支撑系统）以及电力转换设备。其他组成部分包括真空容器和飞轮。飞轮储能系统工作原理是，储能系统工作时，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，飞轮则将能量以动能的形式进行储存，从而完成电能到机械能转换的储存过程。当需要向外输送电能时，飞轮再带动电机做发电机运行工作，将已储存的机械能转换为电能向外输送。当飞轮空闲运转时，装置会自动将耗损降至最低状态，保证机械的耗损降到最小。经过这一过程，飞轮储能系统实现电能转换成机械能，进行储存，需要时将机械能再转换成电能。这种储能方式打破了化学电池的局限，实现了利用物理方法进行储能。飞轮储能系统相较于其他新型的储能系统，拥有较多的优点。首先，飞轮储能可进行快速并且无限次的充放电，其次，飞轮储能系统转换效率高，无论是电能转机械能，或机械能转电能，其效率都在90%以上。再者飞轮储能系统对于建造的地点、地理环境、气候变化、地质条件均无要求，最后，飞轮储能系统因自身是根据物理原理设计，工作时不会排放废气、废物和废液，对环境较为友好。飞轮储能系统具有使用寿命长，且维护简单，成本低廉的优点。当然飞轮储能也有着一些不足存在，其中最主要的问题就是静态消耗非常大，其自身储存的能量大约有20%都由于自放电现象而损失掉了。因此飞轮在长期储能装置上的应用无法取得较好的效果，然而其对于控制变化小的一次频率上却非常适合，可以将其与配电网进行连接，从而释放或吸收有功或者无功功率使电能的质量得到提高。飞轮储能系统储存能量的上限值取决于转速的最大值，受到材料和轴承技术的限制，目前风电场的电力系统调节更多使用低速飞轮系统；航天和军事领域的电力系统调节更多使用高速飞轮系统。

3 飞轮储能系统与风电场协调控制策略研究

（1）飞轮储能系统充放电控制策略。当飞轮储能系统首次进行工作时，各飞轮储能单元的转子和转速均设置为零，也就是飞轮储能系统储存能量为零。但能量为零时的飞轮储能系统无法进行工作。因此，首先需要对飞轮储能系统进行充电，使用风机系统进行充电。充电的过程才是飞轮储能系统的初始化过程。飞轮储能系统需要首次充电到70～80%的容量，保证飞轮储能系统可以继续吸收电能转换的机械能。飞轮储能系统在外界指令下，转换储存电能改为放电。储能系统的工作状态是接受风力发电机发出的电能，使各储存单元中的飞轮驱动电机处于电动机状态，将所接受的电能驱动飞轮转子加速，从而将电能转换为机械能进行储存；接受指令后，储存机械能改为放电。储能系统的其他单元的工作状态仍是发电机状态，采用能量回馈制动的模式向电网馈电，但飞轮转子会自动降速，储存的能量出现减少。在初始化的充电中，飞轮储能系统充电至70～80%的容量，可以选择将一部分飞轮充电至最大转速，另一部分预留出一定的容量；也可以选择对所有飞轮进行充电，并保持大致相同的转速。在放电过程中，采取按比例分配的方法，也就是按照所有储能单元当前储存能量的大小，以“能者多劳”为原则，按比例分配放电。在飞轮进行充电时，也可以按照“少者多补”的原则，以当前储能单元内已储存的能力作为基础，按照比例分配充电功率。此外还要注意，在飞轮的充电过程中，处于最高转速的飞轮转子不会参与充电，而是处在能量保持的状态，此时的充电功率会在其他的飞轮储能单元中进行分配。在飞轮储能系统运行时，各飞轮储能单元之间不会进行相互的充放电。当风电场的风速较为平稳时，飞轮储能单元的充放电深度会减少，也就不需要太多的飞轮储能单元进行工作，此时就需要由控制器将部分飞轮储能单元中的能量进行释放，然后将其关闭，从而使能量损耗减少。

（2）飞轮储能系统安全控制策略。飞轮储能系统需要避免过度充电和过度放电的情况。上述两种情况都会对系统带来不可预估的危害。比如在沿海地区，风季时间风能非常充足，风力发电系统会持续发出电能传送过飞轮储能系统，飞轮储能系统面对源源不断地能量不得不加快转子的运转速度，将电能转换为机械能进行储存。飞轮则会出现过度充电，飞轮的转速会超过限制的最高转速，对飞轮的寿命造成影响。如果超过一定时长，电机会烧坏。飞轮转子立即出现失控脱离轴承，引发安全事故。风能在某一段阶段严重不足，风力发电系统输送给飞轮的电能较少，但飞轮储能系统持续向外放电，这种情况下，飞轮则会过度放电，飞轮自身旋转失去了能量，处于最低转速状态，甚至超出了飞轮储能系统自行再储能的控制。这种情况，容易导致电机处于不稳定的非正常工作状态，严重影响系统运行效果，造成更加严重的能量耗损。因此，在风能资源充足的时候，要适当的提高电网的总输出功率。使飞轮储能系统处于放电状态，从而使储能系统充电饱和的程度得到缓解。如果风速过高，超过了额定风速，则要通过调动变桨控制，减少对风能的吸收，从而对电能的产出进行控制。当出现风能资源不足的时候，可能会导致飞轮系统濒临或者达到完全放电的状态。所以，如果风电机尚有部分电能产生，那么可以通过降低总输出功率，防止飞轮储能系统出现放电过量的现象。如果风速过低导致风电机无法进行电能产出，那么此时就要将风电场与电网的连接进行暂时分离，飞轮储能系统与外界的联系也要暂时切断，使其处于能力保持状态，防止放电过量。

4 结语

本文简要介绍了风电场中的飞轮储能系统相关研究历程，继而详细分析了飞轮储能系统的结构与原理，结构上飞轮储能系统主要由一种飞轮和电机组成。原理上，风电场中的风力发电机将风能转换为电能，飞轮储能系统将上述电能转换为机械能进行储存，当需要时，再将机械能转换为电能。并分析了相较于其他储能系统，飞轮储能系统的优势。最后，对飞轮储能系统与风电场协调控制策略进行了研究。