飞轮及柴油发电混合储能系统应用于微网的仿真研究

黄宇淇;董琴;诸嘉惠

【摘 要】性能及维护上的固有缺陷使蓄电池储能这种方式难以满足未来智能微网对储能系统的要求.本文利用飞轮储能系统具有无限次数的大功率充放电和柴油发电机组低成本、持续发电的特性,将飞轮及柴油发电混合储能系统应用于微网中;当微网正常并网运行时,通过控制飞轮储能系统及并网逆变器,可稳定网侧输入功率,起到平抑微型电源功率和负荷波动的作用;在主电网永久故障时,飞轮储能系统向微网短时提供大量功率,同时启动柴油发电机组,待其稳定运行后并入微网.理论分析及仿真实验表明,在微网中应用飞轮及柴油发电混合储能系统是经济的、高效的,可有效提高微网抗灾变能力,提高供电可靠性.%Due to the disadvantages of poor electrical characteristics and poor maintainability, the energy storage battery could not meet the demand of the intelligent microgrid in the future. The flywheel and diesel generators combined energy storage system is proposed to be applied in the microgrid. The flywheel, owing to the ability of high power and unlimited full power cycle, is used to stabilize the power fluctuations of micro sources and the load. Diesel generators, which are low cost, can provide uninterrupted backup power supply. When the fault occurs in the grid, the power shortage in the microgrid is temporarily provided by the flywheel and the most of the load is normally working waiting for the reclosing of the main grid. If the fault is permanent, the electrical controller starts diesel generators. Theoretical analysis and simulation show that the flywheel and diesel generators combined energy

storage system applied in the microgrid is feasible and efficient, and can improve the anti-accident ability of the microgrid. 【期刊名称】《电工电能新技术》 【年(卷),期】2011(030)003 【总页数】6页(P32-37)

【关键词】微网;飞轮储能;柴油发电机;抗灾变;供电可靠性 【作 者】黄宇淇;董琴;诸嘉惠

【作者单位】福州电业局,福建,福州,350009;福州电业局,福建,福州,350009;中国电力科学研究院,北京,100192 【正文语种】中 文

【中图分类】TM727;TM91 引言

微网是采用微型电源为区域内用户供热和供电的系统。它的主要特征是:配有储能装置，使用电力电子装置进行能量调节，分布式微型电源利用一次能源［1-3］。由于广泛采用风力发电、光伏电池等随机性大的分布式发电技术，为平稳控制配电网输入功率，提升电能质量，需要在微网内安装可频繁充放电的储能装置平抑功率波动，并在微型电源退出运行后为敏感负荷提供后备电源。因此，储能技术是微网的核心技术之一［4］。

近年来，一些新型的储能元件，如飞轮储能和超级电容得到了迅速的发展。特别是飞轮储能系统，可靠性高，现有的产品寿命可长达20年;可频繁充放电;维护性佳。

近年来随着新型复合材料的发展，飞轮储能系统的可靠性及性能均有了大幅度的提升，而价格则大幅度下降，在分布式发电、国防、卫星、电力系统方面均有应用［5-9］。然而，单一的储能元件仍很难同时满足大功率频繁充放电，储能密度高的要求。

采用多种储能装置组成混合储能系统是可行的方案［10，11］。近年来，在大型商业中心、银行、通讯公司，已广泛地采用了蓄电池和柴油发电机组成混合储能系统提供后备电源的方案，大大降低了建设成本。在大型风场，蓄电池和柴油发电机也被应用于平抑风场波动的输出功率。但由于蓄电池存在大电流充放电能力差，寿命短，充放电循环次数有限，维护成本高等缺点［12］，这种混合储能系统应用于需要频繁充放电电力领域的效果不佳。

飞轮储能代替蓄电池，与柴油发电机组成混合系统是较理想的储能方案。本文讨论飞轮和柴油发电机混合储能系统在微网中的应用，以采用风力发电微型电源的微网为例，建立微网的仿真模型，通过仿真研究微网抗外部电网故障的能力。 1 飞轮储能系统

飞轮储能是一种存储惯性机械能的蓄能技术，一次充放电循环的时间以分钟计。飞轮储能主电路拓扑如图1所示，由电机、飞轮转子、辅助运行系统(如水冷、真空泵等，图中略)，电力电子变流器(S1－S6)、升降压电路构成，其工作原理如下: (a)飞轮储能系统启动及充电

飞轮储能启动时，反电动势尚未建立，引入降压斩波电路的目的是使飞轮平稳启动。S7关断，当S8导通时，C1、S8、L1及 C2形成回路，电容 C2充电;当S8关断时，L1、C2及S7的反并联二极管形成续流回路。控制功率器件S8PWM的占空比，可将电容 C2的电压U2维持在设定值。在飞轮启动时，U2较小，随着飞轮转速的提升，逐渐抬高 U2，直至 S8恒通，此时 U1=U2。 图1 飞轮储能系统Fig.1 Flywheel energy storage system

(b)飞轮储能系统放电

波动的直流母线电压会恶化系统的控制性能，也不利于直流负载的稳定运行。由于飞轮储能系统放电时转速逐渐下降，电机反电动势降低，不控整流是无法满足要求的。要维持直流母线电压可采取的技术手段有引入升压电路和电机回馈制动两种。 S8关断，当 S7导通时，C2、L1及 S7形成导通回路，电流增大，能量存储于电感L1中;当S7关断时，L1通过 S8的反并联二级管续流为C1充电。控制S7的占空比，可维持U1在设定值。 飞轮的储能量由式(1)决定。

式中，J为飞轮转子的转动惯量;ω为飞轮转子转速;ωL为飞轮储能系统在充放电循环中设定的最低转速，一般为额定最高转速的ωH的一半。

飞轮储能系统的发电/电动机可选用多种电机，本文仿真建模采用无刷直流电机，建模可参考文献［13-15］。 2 微网建模

微网有多种拓扑结构。一种是微型电源通过电力电子器件实现交直交或直交变换后，直接接入交流母线。该拓扑系统效率低，电能质量问题突出。以微型燃气轮机为微型电源的微网，较适合采用该拓扑结构。

若微型电源非微型燃气轮机，可选择将微型电源、直流负荷通过接触器并接于直流母线，少数台大功率逆变器并联提供交流电源的拓扑结构。该拓扑也称为直流微网，其主要优点是:可直接为直流负载供电;控制策略成熟可靠;拓扑结构简单;电能质量问题容易治理。

本文采用直流微网的拓扑结构，如图2所示，主要包括:电网、配变、分布式电源、飞轮储能系统、负荷、电力电子开关SB1(或称为并网断路器)、并网逆变器、柴油发电机组及开关(SB2-SB5)等。在未获得电力公司入网许可前，还需在配变低压侧

安装潮流控制器，防止微网向电网倒送电。

电网正常供电时，SB1合，微网与电网并网运行;SB5分，柴油发电机未启动。电网发生故障后，控制器检测到微网处于孤岛运行状态，应立即断开SB1。若并网断路器 SB1未分开，则将形成电力公司无法控制的局部供电网络，使线路上仍然带电，威胁设备和检修人员的安全。微网孤岛检测算法要求可靠性高，检测速度快，按 IEEE 2009-929/UL1741标准严格测试、验收。

图2 直流微网的简化拓扑Fig.2 Simplified topology of a DC microgrid 2.1 电网、配变、微型电源及负荷建模 电网线电压为10kV，短路容量100MVA。

配变额定容量250kVA，一次绕组额定电压10kV，绕组接线方式为 D11;二次绕组额定电压380V，绕组接线方式Yn。

微型电源选择直驱永磁风力发电。风力发电具有较大随机性，为充分利用清洁的风能，采用最大风能追踪控制方法，让风力机运行于最大功率输出工作方式，由飞轮储能系统平抑功率波动。整体考虑风机、变流器及控制器，可等效为一输出功率波动较大的直流电流源。

微网内的负荷按其类型主要有线性负荷，非线性负荷和电机负荷等。感应电动机负荷是电网发生故障时引起微网暂态不稳定的主要因素，极易引起电压不稳定，电动机负荷所占比例越大，微网的临界故障清除时间需越短［16］，因此应通过变频器将电机负载接入微网。本文负荷建模时不考虑电机负载。 2.2 并网逆变器的控制策略

并网逆变器有三种工作模式，分别是定功率控制、整流控制和定电压控制(或称为逆变控制)。 a)定功率控制

定功率控制是指，并网逆变器输出设定的有功功率、无功功率，其控制原理如图3

所示。为避免LC滤波器发生谐振，在LC滤波器的电容支路串联较小的阻尼电阻Rd。ug为电网三相电压，经锁相及dq变换后得到电网电压的 d、q分量 ud和 uq。i为逆变器输出电流，以流出逆变器为正方向，其d、q轴分量分别为id和iq。ig为网侧电流，以流入微网为正方向，其 d、q轴分量为 igd、igq，其平均量分别为icf为滤波电容电流，以流向电容为正方向，其d、q轴分量分别为 icfd、icfq。SVM为空间电压矢量PWM控制模块。

控制算法采取了d、q轴解耦的控制策略，控制id可调节逆变器输出有功功率，控制iq可调节逆变器输出无功功率。d轴电流的设定值和q轴电流的设定值由输出功率估计模块生成，其控制原则是:考虑飞轮储能的储能量E，在微型电源输出功率或微网内负荷变化时，使电网向微网的供电功率基本稳定或缓慢变化。 图3 并网逆变器的定功率控制Fig.3 Invariable power control for grid-connected inverter b)整流控制

由于微型电源故障，风速过低等原因使微型电源完全退出或部分退出，使直流母线无法承担飞轮储能系统和直流负荷的功率需求时，并网逆变器应采用整流控制。具体原理及实现可参见文献［17］。 c)定电压控制

并网逆变器的定电压控制是指，由于故障或检修，电网失电，SB1分，此时逆变器输出三相正弦交流电压，其运行方式相当于不间断电源。定电压控制可采用d，q轴解耦的双闭环结构或虚拟同步发电机法，具体原理及实现可参见文献［18，19］。

孤岛运行时，并网逆变器失去了电网参考电压，由控制器自主产生50Hz的相位参考信号。当电网重合闸或经检修后恢复供电，并网逆变器输出电压与电网电压大小和相位均可能不同，若此时合SB1并网会产生很大冲击电流。应重新选择电网电

压为参考电压，逐步调整并网逆变器输出电压的大小与相位，使与电网电压达到同步状态后再并网，并网后逆变器以定功率控制运行。 2.3 飞轮及柴油发电机混合储能系统

柴油发电机功率价格比高，同等功率下远比蓄电池便宜，只要燃料充足，可以长时间运转。柴油发电机建模有多种方法，Matlab Simulink已提供了完善的同步发电机模型，其励磁调节器建模可参考文献［20，21］。仿真采用的柴油发电机为100kW，额定电压 400/230V，额定频率 50Hz，额定转速1.5krpm(千转/分)。 飞轮及柴油发电机混合储能系统的控制策略是: (1)微网正常运行时，飞轮做为能量缓冲器;

(2)网侧失电，则断开 SB1，微网转入独立运行，暂由飞轮提供功率支撑; (3)若在1.5s(重合闸典型时间)内，电网重合成功。则延时2s，微网与电网电压同步后合SB1重新并网。

(4)若超过重合闸时间网侧仍未恢复供电，则由控制器启动柴油发电机。柴油发电机的启动并稳定输出电压的典型时间约16s，在这段时间内，由飞轮储能提供功率支撑。柴油发电机启动成功后，延时2s，待并网逆变器与柴油发电机电压同步后合SB5。 3 仿真分析

本节利用仿真工具Matlab/Simulink研究应用飞轮及柴油发电混合系统的微网运行性能及抗电网灾变的能力。

飞轮储能系统的驱动电机选用无刷直流电机，1对极，相电阻0.247Ω，相等效电感 2.7mH，额定最高转速6krpm，初始转速4.5krpm。额定最高转速下梯形波反电动势最大值为380V，飞轮转子转动惯量4.68kg·m2。直流母线电压额定值750V。

3.1 飞轮储能平抑功率波动的仿真

本节仿真飞轮储能系统作为能量缓冲器平抑微网功率波动的能力。仿真的初始条件是:主电网无故障正常供电，微网并网运行，柴油发电机组接触器SB5断路，飞轮储能、风力发电微电源均并在直流母线上工作，并网逆变器以定功率控制运行，负荷为有功20kW无功8kVar的线性负载。

t＜0.5s时，微网中以风力发电为代表的微型电源正常工作，输出功率约为40kW，仿真还模拟了风力发电输出功率的波动。

0.5s≤t＜1s时，仿真模拟最严苛的情况:由于分布式发电故障或风力不足，微电源全部退出运行。

t≥1s时，另一组20kW负荷并入。 仿真结果如图4所示。

从仿真结果可知，采用飞轮储能系统作为能量缓冲器后，虽然微电源输出功率及负荷经历了阶跃性变化，但电网侧输入功率非常稳定，直流母线电压的波动不超过8%。微电源完全切除后，飞轮仍可持续输出功率数十秒至数分钟，随着飞轮转速的下降，可逐渐减小并网逆变器输出功率，随后切换至整流运行模式。 图4 网侧功率控制仿真Fig.4 Simulation for grid-side power control 3.2 电网永久故障下微网运行的仿真

在引入电力电子器件的情况下，Matlab/Simulink仿真软件仿真步长小，难以支持长时间的仿真，在系统已达到稳定的前提下，将仿真时间缩短，不影响仿真的准确性。

仿真的初始条件如3.1节仿真初始条件。仿真波形如图5所示。

图5 电网永久故障下微网孤岛运行的仿真Fig.5 Islanding operation while permanent fault occurred

t＜0.2s，主电网正常供电，微网并网运行，微型电源正常工作，输出功率约为40kW。

0.2s≤t＜1.8s，主电网断电，由于并网逆变器输出功率小于负荷，公共耦合点PCC处电压下降，孤岛检测控制器在半个周波时间内，断开并网断路器，微网转入孤岛运行状态。并网逆变器转入定电压控制运行，逆变输出三相交流工频电压。由于主电网断电时间超过1.5s，柴油发电机启动。本仿真中，t=0s时柴油发电机组已空载启动并达到稳定状态。在并网逆变器定电压控制期间，以柴油发电机输出电压为参考。

t≥1.8s，并网逆变器与柴油发电机组输出电压的大小及相位均达到同步后，SB5合。由柴油发电机及微型电源为微网提供功率，飞轮储能系统重新起到能量缓冲器的作用，同时充电升速。 3.3 分析讨论

仿真结果表明，飞轮储能系统应用到微网中后，直流母线电压波动较小。仿真还实现了网侧输入功率的控制，实现平抑微网功率波动的目的，避免产生如谐波、电压闪变等电能质量问题。

飞轮储能装置在电网故障期间可短时维持微网全负荷运行，若电网重合闸成功，则无需启动柴油发电机，直接合SB1重新并网即可。因电网和柴油发电机本质上都是电源，且电网的容量更大，鲁棒性更强，限于篇幅限制，本文略去微网重新与主配电网并网的仿真。

一旦电网无法重合闸，可通过能量管理系统自动启动柴油发电机。在20s内，就可将微网由并网状态切换至由柴油发电机为主要供电源状态的切换。虽然飞轮储能系统的功率需设计得较大，才能支撑微网大部分负荷，但因放电时间短，储能量可以设计得较小，目前市场上已有相应的飞轮产品满足要求。 4 结论

从经济运行的角度考虑，微型电源的输出功率一般小于微网内全部负荷，在微网运行方式改变时容易失去稳定。蓄电池的功率远不能满足要求。本文采用飞轮和柴油

发电机混合储能方案。仿真研究表明:在电网及微网正常运行时，可起到稳定微型能源输出功率和负荷波动的效果，避免引起电能质量问题;当与柴油发电机配合时，无需庞大昂贵的蓄电池组，减少了占地面积，降低了维护成本，性能上也更优，可长时间提供全负荷输出的能力，大幅提高了微网的供电可靠性，也更经济。 参考文献 (References):

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