浅析飞轮储能在分布式光伏发电系统的应用

摘 要 当分布式光伏系统向电网供电时，往往伴随着光线强度的波动，电网电压也会随之而改变。为了解决这一问题，本文研究了一种基于飞轮储能的分布式光伏发电系统，以保证能量连续稳定地输送到电网中。通过和传统的分布式光伏系统结合分析，得出飞轮储能在分布式光伏发电系統中发挥巨大作用的结论。

关键词 飞轮储能;分布式;光伏发电;功率转换

引言

飞轮储能是一种利用高速旋转飞轮储能的储能装置，其具有很多优点：效率高，清洁环保。在光伏微电网中加入飞轮储能，形成光能储能联合发电系统。通过为储能系统制定适当的控制策略，使并入电网的电能更加平滑。

1 传统的分布式光伏系统

（1）分布式光伏组网系统。MPPT方法用于实现最大功率跟踪，电流控制电压源逆变器（VSC），通过LCL滤波器和变压器由三相逆变器连接到电网。为了保证高质量的电能传输到电网，VSI的电流控制采用了三阶无源滤波器（LCL滤波器）。LCL滤波器的主动阻尼技术被用于静态αβ控制方案的框架中。VSC输出的三相电流由比例谐振（PR）控制器控制，利用脉冲不变法离散比例谐振控制器的离散形式。为了降低系统对传感器的依赖性，采用卡尔曼滤波算法对滤波电容电流进行估计，构成内环。

（2）传统分布式光伏系统的电压波动。分布式光伏系统的电力输出与阳光的光线强度、环境温度、气候等环境因素有关，这些因素是随机变化的[1]。由于这些环境因素，光伏阵列会向逆变器发送间歇性的、不稳定的能量。同时，由于这些因素，逆变侧母线电压会上下波动，不能保持在正常电压标准范围内，所以其供电不能满足供电的要求。

2 飞轮储能分布式光伏系统

（1）光伏发电系统特点。在相同温度下，光伏的最大输出功率随光强度的增加而增大，并且在相同的光强度下随着温度的升高而减小。白天的温度和光照强度并不总是一样的，所以光伏阵列不能稳定地向电网输送电力。

（2）飞轮储能系统。飞轮储能是一种利用高速旋转飞轮储能的储能装置，它通过发电机与外界交换能源，具有综合效率高、清洁环保等优点，但储能系统对电力的需求越来越大，单台大容量飞轮机组不仅成本高，而且技术要求高[2]。因此，多个飞轮单元可以并联形成飞轮储能阵列系统。

（3）飞轮储能分布式光伏系统。光伏阵列受自然环境的影响很大，且具有挥发性。为了降低其影响，需要对光伏输出功率预测值进行平滑处理。在实际运行过程中，飞轮阵列储能系统根据调度指令对光伏输出功率进行实时充放电，使光存储复合动力系统的输出功率更加平滑。光伏阵列的输出功率受光强的影响，光强有两种类型：单峰和多模。总输出功率白天高，晚上低。为了避免光伏输出功率直接并网影响电网和供电质量，需要根据天气情况预测未来24小时光伏输出功率，并提前一天利用输出功率平滑规划，飞轮储能阵列系统光伏阵列的输出实现了调度计划。

飞轮用作储能介质。飞轮储能系统的主要贡献如下[3]：①飞轮储存了太多来自光伏阵列的可用能量，以避免过电压。②飞轮为光伏电源提供必要的功率，以克服低电压条件。

在系统中，飞轮储能系统起着储能的作用，既能储能又能释放能量。飞轮与低速鼠笼式感应电动机相连。感应电动机在恶劣运行条件下具有良好的鲁棒性，是最佳的功率调节装置。感应电机与FESS背靠背逆变器相连，能使能量沿两个方向进入飞轮储能系统，采用飞轮储能系统作为过/低压调节器的关键设计。

3 飞轮储能系统控制

储能飞轮的功率表达式如式1-1所示。当PFW为正时，飞轮储存能量;为负则释放能量。

1-1

飞轮中储存的能量可以表示为：

1-2

其中，J是飞轮的转动惯量、和电荷的充放电速度，为放电时间。感应电动机驱动的飞轮控制基于传统的间接磁场定向控制（IFOC）。理想的控制量是定子电流的转矩分量（IQS），其参考值是根据DG的实际端电压产生的，以防止超过安全运行阈值。

4 仿真结果

将空间矢量PWM控制应用于电网侧和光纤逆变器。为了验证该方案不产生超过逆变器侧/低电压状态的电网（以确保从光伏获得可用功率以获得最大度数），对传统光伏接入电网进行功率仿真观测，使用此设计方案的电网电压和电流波形。研究发现，过电压/低电压状态影响最大功率空气入口，模拟结果不会产生过电压和低电压，确保了标准的安全水平，并为光伏侧的最大可用功率奠定了基础。

5 结束语

本文提出的控制系统可以缓解/降低向电网分布式能量注入的现象，解决这一问题。提出的FESS系统将电网逆变器的传输功率与终端电压之间的关系解耦。这使得光伏阵列能够按照MPPT算法在最大功率点工作。FESS系统存储器可以调节过欠现象引起的注入电网的过多或不足功率。本文的研究结果如下：①维持电力稳定和电网平衡;②功率与电压之间的关系是解耦的;③提高了并网运行的电能质量;④解决光伏波动大等技术问题。

参考文献

[1] 李瑞民.集成分布式可再生能源的混合储能系统研究[D].北京：中国科学院大学（中国科学院工程热物理研究所），2019.

[2] 刘建华.独立光伏飞轮发电系统设计与仿真研究[D].镇江：江苏大学，2018.

[3] 赵霁晴，张建成，宋兆鑫，等.基于飞轮储能阵列系统的分布式协调控制策略[J].华北电力大学学报（自然科学版），2018，45（6）：28-34.

作者简介

魏民（1985-），男，北京;学历：硕士，现就职单位：沈阳远大电力电子科技有限公司学历学位，参与多项国家重点研发专项、多次获得省级科技进步奖项。

*[基金项目] 本文系国家重点研发计划项目资助，项目编号：2018YFB0905500。