基于飞轮储能的独立光伏发电系统的研究*

赵晗彤，张建成

（1.华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071003；2.国网赤峰供电公司，内蒙古 赤峰 024000）

0 引 言

随着全球能源使用量的不断增长，常规的化石能源面临资源短缺、日趋枯竭的问题。在这种严峻大形势下，新能源发电技术快速发展起来，其中光伏发电备受青睐［1-6］，具有广阔的应用前景。但是光照强度和温度的变化等因素会影响到光伏发电的输出功率，使之产生比较大的波动。如此，电能便不能稳定持续地输出，负荷突变的跟进不及时，供电质量下降。因此，十分有必要在光伏发电系统中配置一定容量的储能装置［6］，以提高电能质量和供电可靠性。

作为一种新型的储能元件［1］，飞轮储能具有许多特点，如功率密度大，使用寿命长，动态响应快，充放电时间短，充放电循环次数无限制，环保等。相对比于蓄电池，飞轮储能的预期寿命更长，可靠性也愈发优越。文章以独立光伏发电系统为供电主体，配置适当容量的飞轮储能系统作为能量调节单元，来保证供电可靠性和电能质量［2］。

1 基于飞轮储能的独立光伏发电系统

图1为系统的简易结构示意图，主要是由光伏阵列、BOOST DC／DC变换器、直流母线、负载和飞轮储能系统等几部分组成的。实现最大功率的跟踪是BOOSTDC／DC变换器的主要作用，用于调节光伏阵列的输出功率；与此同时，它将光伏阵列的电压由较低值提升至较高值来满足系统需要［6］。经BOOST DC／DC变换器这一桥梁，直流母线与光伏阵列相连接；对于直流负载用户，它能够直接进行供电，面对交流负载用户，可通过DC／AC逆变器进行供电。飞轮储能系统直接与直流母线相连，主要构成可分为两部分，分别是双向AC／DC变换器与飞轮系统，实现对供电系统的功率平抑，使之输出稳定的电能。

图1 基于飞轮储能的独立光伏发电系统的构成Fig.1 Structure of the stand-alone photovoltaic system based on FESS

2 光伏发电电源

2.1 光伏阵列的特性

光伏电池的输出特性具备非线性特征［6］，如图2所示。

图2 光伏电池的输出特性曲线Fig.2 Output characteristic curve of photovoltaic cell

2.2 最大功率点跟踪

在图2中的光伏电池P-U特性曲线上，存在着一个最大功率点，这个最大功率点的纵坐标为最大功率，横坐标为对应电压［6］。为了提高发电效率，常常采用最大功率点跟踪（MPPT）的方式［6］，力图随时输出最大功率。MPPT控制方法多样，其中电导增量法和扰动观察法［3］最为普遍采用，文中选用变步长扰动观察法［4］。

3 飞轮储能系统

3.1 飞轮储能系统的组成

飞轮储能属于一类具有广阔应用前景的新型储能装置［6-8］，如图3所示。它的工作原理是：系统储存能量时，电能借助双向DC／AC变换器这个通道对电机进行驱动，飞轮被电机带动加速储能；当飞轮的旋转速度上升至最大后，保持恒定不变，系统转至能量保持状态；系统进入释能阶段的标志是接收到相应的控制信号，飞轮基于转动惯性拖动电机减速发电，经DC／AC变换器输出符合要求的电能，这就是飞轮储能系统的电能-动能-电能的完整过程。飞轮储能的主电路拓扑结构如图4所示。

图3 飞轮储能系统的结构Fig.3 Structure of FESS

图4 飞轮储能系统主电路拓扑结构Fig.4 Main circuit topology structure of FESS

3.2 永磁无刷直流电机的数学模型

就永磁无刷直流电机来讲，采用交、直轴坐标变换的分析方法不再有效，这是因为它的气隙磁场、电流和反电动势都是非正弦的。因此，在建立数学模型时，选用电机本身的相变量形式进行［6］。定子绕组的自感和互感均为常数，这是因转子磁阻不随转子位置变化而改变之故。假设三相绕组呈完全对称的格局，磁路为非饱和型，涡流损耗和磁滞损耗不被计算在内，相绕组的电压平衡方程式可以表示为［3］：

式中u、i、R、e、L和M对应为定子绕组的相电压、相电流、相电阻、相电动势、自感和互感。

反电动势幅值计算公式［9］：

机械运动方程［9］：

式中Ep、Kep、Te、TL、J、f对应为反电动势幅值、反电动势系数、电磁转矩、负载转矩、转子转动惯量和阻尼系数［6］。

3.3 飞轮电机的控制策略

比例积分控制器（也称PI控制器）是目前应用最为广泛的控制器。它是一种线性控制器，具有原理简单、易于实现、应用面广、控制参数相互独立且参数的选定比较简单等优点；适用于具有大惯性、大滞后特性的被控对象，经常用在工业生产中的液位、压力、流量等控制系统。

飞轮储能系统在发电工况时，采用转速-电流双闭环调速系统，实现转速和电流两种负反馈分别起作用。飞轮储能系统在电动工况时，采用电压-电流双闭环控制系统，以保证直流侧电压的稳定，达到放电的目的。

当系统直流母线电压高于额定值时，需向飞轮储能端输送能量。若飞轮转速n小于其极限值n*，飞轮进入充电环节［6］。充电时，转速环与电流环均采用PI调节器进行调节。速度调节器进行调节时的给定误差信号为（n*-n），其输出信号为下一级电流环的给定信号，控制简图见图5。

图5 充电控制Fig.5 Charge control

当系统直流母线电压低于额定值时，需飞轮储能端向直流母线输送能量。飞轮处于放电环节时，永磁无刷直流电机运行于回馈制动工作模式［6，10］；选择这种控制方式不仅可以大大地简化电路，节省下相关的硬件设施，而且还提高系统的可靠性。放电时，外环电压环和内环电流环均采用PI调节器。电压调节器进行调节时的给定误差信号为（Udc*-Udc），其输出信号为下一级电流环的给定信号，控制简图见图6。

图6 放电控制Fig.6 Discharge control

当系统直流母线电压一直稳定于额定值时，发出功率与所需功率平衡，那么飞轮不需要吸收或者释放能量，此时飞轮处于恒速运行状态。

4 仿真分析

为了验证控制策略的可行性，在Matlab／Simulink软件中对相关内容进行了仿真，建立了图1所对应的仿真模型，主要组成部分如图7和图8所示。处于标准光照强度和环境温度时，系统参数为：直流母线额定电压为500 V；稳压电容为0.063 F；光伏阵列的开路电压、短路电流和最大功率点电压分别为353.6 V、21.16 A和283.2 V；负载用直流电阻代表；电机主要基本参数：R＝2.8750Ω，L-M＝8.5 mH，p＝4，J＝0.8e-3kg·m2，nN＝8 000 r／min［6］。

图7 光伏电源仿真模型Fig.7 Simulation model of PV power

独立光伏发电系统工作时，光照的变化和负载的突变为其所受到的主要外界干扰因素。因此在仿真过程中对这两种情况进行模拟。

图8 飞轮储能仿真模型Fig.8 Simulation model of FESS

（1）模拟由于受云朵遮挡的影响，造成光照下降，持续一段时间后恢复正常的情况。

初始光照强度为S＝1 000 W／m2，1 s时光照强度下降至900W／m2，2 s时光照强度恢复到正常情况下的1 000 W／m2。仿真结果见图9～图11。

图9 接入飞轮前直流母线的电压Fig.9 DC bus voltage without FESS

图10 接入飞轮后直流母线的电压Fig.10 DC bus voltage with FESS

由图9可看出，接入飞轮储能系统前，因光照的变化，直流母线电压在1 s时发生跌落，不能稳定于500 V，在2 s时开始回升。由图10可以看出，飞轮储能系统接入后，直流母线电压一直稳定于500 V左右，基本没有受到光照变化的影响。图11为转速曲线，1 s前为先充电再保持状态，1 s～2 s期间进入放电阶段，2 s后再次充电。

图11 飞轮转速Fig.11 Speed of the flywheel

（2）模拟负载突变的过程。

初始负载为1 800W，1 s时负载减少至1 300 W，2.5 s时恢复至1 800W，4.5 s时负载增加至4 100W。仿真结果见图12～图14。

从图12可看出，飞轮储能接入前，由于负载的突变，直流母线电压在1 s时有所升高，2.5 s时回落，4.5 s时跌落，整个过程中一直不能稳定于500 V。由图13可以看出，飞轮储能系统接入后，在负载变化的过程中，直流母线电压一直稳定于500 V左右。图14为转速曲线，1 s前为先充电再保持状态，1 s～2.5 s期间处于加速充电的状态，2.5 s～4.5 s期间转速下降至额定转速，4.5 s后开始放电。由上述仿真结果可知，飞轮储能系统有效地提高了独立光伏发电系统的电压质量。

图12 接入飞轮前直流母线的电压Fig.12 DC bus voltage without FESS

图13 接入飞轮后直流母线的电压Fig.13 DC bus voltage with FESS

图14 飞轮转速Fig.14 Speed of the flywheel

5 结束语

文中将飞轮储能系统作为能量调节单元应用于独立光伏发电系统中，制定了相关的控制策略，通过调整直流母线与飞轮储能之间的能量流动来稳定直流母线的电压，并利用软件Matlab对相应内容进行了仿真研究。仿真结果表明，在光照和负载发生变化的情况下，所设计的控制策略可以使直流母线电压稳定于额定值，从而验证了它的可行性与有效性。