面向冲击性负载的飞轮储能调控策略

杨少波,胡文平,孟 良,周 文,胡雪凯,杜晓东

(国网河北省电力有限公司电力科学研究院,石家庄 050021)

经济社会的发展及人们生活水平的提升对电网供电品质提出了更高的要求。电压闪变、谐波等电能质量问题严重影响居民的用电质量,以及精密装备制造企业的生产。电能质量问题产生的根源之一是电网中城轨、电气化铁路、电动汽车充电站等高频、高幅值冲击性负载的接入。一方面电网常规电源无法快速响应冲击性负载的产生,造成电网的电压突变及频率的连续振荡,另一方面,电网电源的频繁快速响应会形成另一种形式的负荷冲击,同样威胁电网的安全稳定运行。储能技术的发展对电网负荷冲击的问题提供了新的解决思路,尤其是飞轮储能技术(Fly-wheel Energy Storage System,FESS)。依靠飞轮储能的能量时移和快充快放特性[1-2]并结合合理的控制策略可以很好地解决冲击性负载带来的电能质量问题。

1 飞轮储能工作模式及原理

1.1 工作模式

飞轮储能系统工作过程划分为3种工作模式[3]:

a.充电模式:电网通过电力变换器向飞轮储能系统输送功率,电能转化为旋转动能,飞轮转速上升,驱动电机工作在电动机状态。

b.能量保持模式:电网向飞轮储能系统提供基础电能,使在飞轮最高转速状态保持,驱动电机工作在电动机状态。

c.放电模式:飞轮储能系统向电网输出功率,旋转动能转化为电能,飞轮转速下降,驱动电机工作在发电机状态。

1.2 工作原理

飞轮储能系统充放电转换是驱动电机循环工作在电动机和发电机状态,经由电力电子变换器,通过电能和动能的双向变换实现的。

当飞轮储能系统充电时,飞轮的驱动电机工作在电动机状态,将电能转换为飞轮转子的动能,使飞轮转速升高实现能量存储。此时,电磁转矩与飞轮转速同向,根据力学定律得到电机机械方程为[4]

式中:Te为电磁转矩;T0为电机空载转矩;J 为电机转动惯量;α 旋转角加速度;ω 为飞轮转速。

当飞轮储能系统放电时,电动/发电一体化双向高效电机实现发电机运行状态,将高速旋转的飞轮转子动能转换为电能,飞轮转速下降实现能量的释放。此时,电磁转矩为Te与飞轮转速ω 反向,根据力学定律得到电机的机械方程为

1.3 电力电子变换器

电力电子变换器是飞轮储能与电网之间进行能量交换的枢纽,其凭借整流逆变和脉宽调制技术(Pulse Width Modulatio,PWM)通过驱动电机在电动机和发电机之间状态的转化,一方面实现飞轮储能系统在充放电状态下的交直流转换,另一方面维持变换器直流侧电压在某一恒定值,实现功率的100%转换。目前变换器的脉宽调制技术主要分为为正弦脉宽调制(SPWM)和空间矢量脉宽调制(SVPWM),后者应用更为广泛。常用的电力电子变换器为双PWM 变换器,见图1,其中以双电平电压型PWM 变换器[5-6]最为典型。

图1 双PWM 变换器示意

2 直流冲击性负载下的飞轮储能系统控制策略

电网中典型的直流冲击性负载主要包括电动汽车充电站、城轨交通、新能源发电系统等。光伏、风电等新能源发电系统因其随机性、波动性等特征,可被视作一种冲击性负载。直流冲击性负载主要通过将配电网中的交流电经过降压变压器和整流机组变换为相应电压等级的直流电进行供电。

2.1 电动汽车充电站冲击性负载控制策略

基于混合储能的控制策略[7]主要通过FESS和磷酸铁锂蓄电池作为混合储能,用以抑制光储式电动汽车充电站直流微网系统中功率和能量的波动,其中FESS用于平滑高频功率波动和部分低频功率波动,而蓄电池用于平衡低频功率波动,维持直流母线电压稳定;充电站并网备用时,蓄电池和FESS两者都进行充放电待用。

基于FESS 的快速充电站能量缓冲控制策略[8]则是将传统网侧变流器中的PI控制器改为斜率控制器,在充电瞬间,直流母线电压跌落,通过网侧变流器外环斜率控制器的作用,降低电网馈入充电站直流母线功率的速度,使瞬间的功率需求通过飞轮储能放电提供,与此同时直流母线电压随着飞轮储能放电转速降低逐步动态恢复。

基于负载电流与转速补偿的FESS放电算法和控制策略[9-12]通过限制电动汽车快速充电初始阶段电网功率爬坡率,降低直流母线电压跌落幅度,并引入电流内环解耦控制,提高飞轮电机电流及转速的控制精度。

2.2 城轨交通冲击性负载控制策略

城轨交通供电系统主要包含变压器和整流机组,供电方式为通过变压器将110 k V 高压转换为10 k V/35 k V 中压,再经过整流机组变换为750 V DC或1 500 V DC进行供电,其供电方案见图2。

图2 飞轮储能再生制动能量回收接入方案

目前城轨列车制动能量可达牵引用电的30%～40%,其中不能被其他列车利用而浪费的制动能量约占40%。城轨的启动、运行、制动过程相当于一个动态负荷,其在制动和启动过程中产生的功率冲击会造成电网电压的波动,影响电网的电能质量[13-14]。因此采用再生制动能量吸收利用装置对列车产生的制动能量进行吸收再利用,在实现节能环保的同时还能稳定直流牵引网压,降低闸瓦磨耗,减少环控系统的工作压力。

飞轮储能应用于城轨再生制动能量回收的传统控制策略[15]为基于直流母线电压的控制策略,该策略首先根据城轨运行全过程的电压变化设定飞轮储能的充放电压阈值Udc=UD～UC,然后再根据电流母线实际电压大小控制飞轮储能的工作状态。根据U-P 特性曲线将母线电压值转换为所需要的充放电功率值,然后通过功率限幅控制器得出给定功率数值,再根据功率-定子电流特性关系将功率需求转化为定子电流值,最后通过与定子电流反馈插值进行PID 控制产生PWM 控制量,对飞轮系统进行充放电控制,控制策略见图3。

图3 飞轮储能再生制动能量回收控制策略

该策略的缺点是交流配电网的电压波动同样会造成直流牵引网电压的波动,从而导致飞轮储能系统发生充放电误操作,消耗牵引网能量,影响配电网供电品质。因此基于充放电电压阈值对于充放电控制逻辑以及功率的影响提出改进控制策略[16],将固定电压阈值改为基于牵引网直流电压和FESS荷电状态(State of Charge,SOC)变化的充放电电压阈值函数。通过实时采集中压交流电压信号,结合牵引变压器及整流机组的原理及滤波算法,进行牵引网空载电压辨识,在综合分析飞轮储能系统SOC 的基础上,通过优化算法得出最优的充放电电压阈值,使FESS在整个运行过程中实现充放电电压阈值的动态调整,避免交流配电网电压波动时FESS的误动。

飞轮储能系统每完成一次充电操作,更新SOC参数为SOCE,则充放电电压阈值为

式中:t为充放电次数;UC、UD为飞轮储能充电、放电电压阈值;SOCE为每次充放电操作结束后飞轮储能荷电状态;uE为充放电电压阈值偏移量。

考虑列车运行状态的地面式FESS 控制策略[17],通过列车实时功率、位置数据,动态调整储能装置的充电电压指令,从而调整FESS的充电功率,使储能装置工作在最优状态。基于运行状态的在线优化能量管理策略[18],考虑发车间隔对储能系统节能效果的影响,主要体现在不同发车间隔下,列车间的交互能量不同,对应可以被FESS回收的能量也就不同。

2.3 新能源类冲击性负载控制策略研究

以光伏发电微网为例,混合储能并/离网控制策略[19]在并网方式运行时,电池储能和飞轮储能联合平抑光伏输出功率波动,提高可再生能源利用率,实现电网最优运行。利用飞轮储能系统的快速响应能力来平抑光伏输出的瞬时大功率波动;利用电池储能系统的高能量密度特点来平抑光伏输出的长时间尺度波动[19-24]。离网运行时,则主要通过电池储能与柴油发电机的配合来平抑光伏功率的波动并维持电压的稳定。

3 交流冲击性负载下的飞轮储能控制策略

目前电网中常规的冲击性负载主要包括电气化铁路、电弧炉、轧钢机等。现有研究中针对交流冲击性负载的飞轮储能控制研究多集中在电气化铁路方面,而在电弧炉、轧钢机等工业类冲击性负载方面的研究较少。

在间接供电方式下,飞轮储能应对冲击性负荷的控制策略为:在冲击性负载发生时,切断负荷与电网的连接,转由飞轮储能提供;冲击性负载没有发生时,电网给飞轮储能供电,避免冲击性负载对电网的冲击[25]。这种运行方式会带来频繁的储能设备投切操作,减缓电网连接设备寿命。

在并网供电模式下,飞轮装置变流器由电网侧变流器和电机侧变流器两部分组成。通过两部分变流器的控制电路独立设计并结合合适的控制略共同保证飞轮装置的稳定运行[26]。

3.1 电网侧变流器控制策略

电网侧变流器的控制策略以保持直流侧电压恒定,解耦有功功率和无功功率,实现独立控制为目的[27]。现阶段应用最为广泛的是基于坐标变化理论的电压和电流双闭环SVPWM 控制策略,其中基于网侧电压的控制策略以电网电压为控制基础分为电压定相控和直接功率控制。基于虚拟磁链的控制策略,以虚拟磁链的控制为前提,前者比后者的控制更为准确、直接。图4为电网侧变流器控制策略框图,该控制策略通过Clark变换和Park变换将电网侧三相电流转化成d、q 轴电流进行调节,以稳定直流侧电压,通过控制q 轴电流控制流向网侧的无功功率为0,变流器运行在全功率因数状态。Clark变换和Park变换公式见式(4)和式(5)。

通过式(4)和式(5)的变换网侧的有功功率和无功功率方程为

式中:ud、uq为网侧电压的d、q 轴分量;id、iq为网侧电流的d、q 轴分量。

图4 电网侧变流器控制策略

3.2 电机侧变流器控制策略

电机侧变流器主要负责按照上层控制器的指令实现对飞轮充放电的控制,传统能量环节以直流侧网压为控制对象[27]。其原理是根据网压指令和实际网压的偏差值直接控制储能装置的充放电,控制比较简单。其控制手段是利用了在传输功率时直流侧母线电压会发生波动的特点,但是这与网侧变流器要控制直流母线电压稳定的初衷相违背,即如果直流侧电压被控制得不再波动,则该能量控制环节将失效。

应用于电气化铁路的飞轮储能装置主要是为了利用飞轮的功率容量对牵引负荷进行削峰填谷,因此能量控制外环可将有功功率作为外环反馈量。相关学者提出利用牵引负荷功率来控制飞轮充放电的能量外环控制方式[28]。同时为了提高系统的响应,采用了电流环作为控制内环,见图5。

图5 电机侧变流器控制策略

通过仿真验证,基于双闭环的SPWM-SVPWM 电力电子变换器能够实现飞轮储能充放电功率的快速精准控制并维持直流母线电压的恒定。

4 结论与展望

a.飞轮储能系统的控制策略以电力电子变换器的控制策略为主,以直流冲击性负载和交流冲击性负载为主线,从飞轮储能的充放电功率控制和电力电子变换器直流侧电压稳定控制两方面对不同应用场景下的飞轮储能控制策略进行分析,并对同一控制对象的不同控制方法进行对比。

b.现有的控制策略中,控制对象和反馈参数主要以电压、功率和转速等线性变量为主,对于常规负荷波动和冲击性负载波动同时存在的应用场景,对2种负荷的辨识方法缺乏研究,后续研究中可以考虑加入微分反馈环节,加强对2种负荷的辨识能力,从而使飞轮储能精准响应冲击性负载。

c.现有的控制模型的研究集中于控制精度方面,在控制策略的经济性方面研究较少。应结合电网线损成本、飞轮储能充放电成本及功率控制的响应速度惩罚成本研究面向冲击性负载的飞轮储能控制策略,在保证控制精度的同时,提高控制的经济性。

d.在能源互联网发展的大背景下,基于综合能源服务和源网荷储协调发展应用场景下的飞轮储能控制策略研究前景广阔。