飞轮储能在风电系统中的应用及仿真分析

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由于不可再生能源消耗量的不断加剧，可再生能源的开发与利用被认为是解决能源问题的主要手段之-，研发新型储能技术以提供能源利用率便是其中-项重要的研究内容。目前储能技术主要分为 3类：机械储能、电磁储能和电化学储能。其中，机械储能中的飞轮储能技术在很多领域都有广阔的应用前景，例如航空航天领域，或是作为电源来代替传统的化学储能电池。在电力系统中，飞轮储能也有巨大的使用价值，其既可起到调峰的作用，也可与各类新型发电技术相配合，以保证出力的稳定 。

1 飞轮储能系统的基本结构及工作原理1.1 基本结构飞轮储能系统主要由定子、转子、能量转换器 、轴承和电动/发电机组构成。飞轮储能系统基本结构如图 1所示。

图 1 飞轮储能系统结构示意图1--保护轴承 ； 2-- 径向磁轴承；3--轴向磁轴承； 4--飞轮本体；5--电机/发电机 ； 6--传感器电动/发电机组是飞轮储能系统的核心部件，因此系统对电机的要求很高，不仅需要电机具有可逆性(可以在充 电和放 电两个状态下工作)，而且能够适应大范围的速度变化，寿命较长，空载损耗较小 。

1.2 工作原理飞轮转子与电机转子同轴相连。充电时，外部设备通过能量转换控制器给电机提供电能，电机作为电动机驱动飞轮高速旋转，能量以机械能的形式储存起来。放电时，飞轮减速旋转并带动电机发电运行，将机械能转换为电能再经能量转换控制器调频整流后提供给负载。由此 ，飞轮储能系统就完成了-个完整的充、放电过程 。

旋转的飞轮转子在转动过程 中可以吸收及释放的能量为 ：E÷ (1)其中E为存储的能量； 为飞轮转子的转动惯量(当飞轮转子加工好以后即为固定值，与飞轮转子的形状及材料等有关)；∞为角速度，rad/s。

飞轮能够存储的最大能量为：收稿日期：2012-11-04(修改稿)基金项目：黑龙江省普通高等学校新世纪优秀人才培养计划资助项目(1252-NCET-O06)第 2期 徐建军等.飞轮储能在风电系统中的应用及仿真分析AE：÷.，(cE，2-∞2 ) (2)其中OJ为飞轮转子转动速度最大时的转动角速度 ， 为飞轮转 子释放 出可 以利用 的 电能的最小转动角速度。

2 飞轮储能系统在风力发电系统中的应用2.1 独立运行风力发电系统中的应用风电机组输出的交流电经过整流电路和升压斩波电路后成为满足逆变器输入要求的直流电，直流电再经逆变器转换为工频交流电供负载使用。飞轮储能系统通过能量变换装置和电网侧直流线路并联，目的是实现能量的双向输送和变换。

采用飞轮储能的独立运行风力发电系统基本结构如图 2所示 。

图2 采用飞轮储能的独立运行风力发电系统基本结构2.2 并网型风力发电系统中的应用由于风电机组并网时的功率输出-定会对电网造成短时干扰，因此电网电压和功率的分布很难控制和预测 。小容量风电机组功率输出所造成的波动对电网的扰动极小，可以忽略。但是随着容量的不断增加，输出功率的间歇性和波动性对电网的稳定性和电能质量造成较严重的影响 。静止无功补偿器能够平滑、快速地吸收或释放无功功率，稳定接入点的电源电压，但是不能调节有功功率的输出，而飞轮储能系统能够克服这-缺点 。

系统采用永磁无刷直流电机，所以无需励磁装置，减少了励磁损耗和滑环的摩擦损耗。由于电机输出为频率不符的三相交流电，所以必须先整流。整流得到的直流电不能直接输入到逆变电路，而必须经过滤波电路滤去高频分量，以减少对后续电路的干扰。再通过逆变电路得到工频交流电，最后经由变压器并入电网。采用飞轮储能的并 网型风力发电系统基本结构如图 3所示。

[荔][ 。R， ][I至b][L 三 ；]·毋 嘲 ㈤- 旱堡 (4E。、E 、E 为三相定子绕组的反电动势，三者 ㈤ 转子的机械角速度化 工 自 动 化 及 仪 表 第 40卷飞轮的转子运动方程为：.， -曰∞ (6)式中 B--粘滞系数；，--飞轮和转子总的转动惯量；- - 电磁转矩；.- - 负载转矩。

3.2 位置检测拈无刷直流电机中逆变器的换相是通过位置检测拈来控制的，它的作用是把转子的位置检测出来，并将其变为电信号来控制功率管的导通和截止，从而使定子各相绕组中的电流随着转子位置的变化而变化，并按-定的顺序进行切换 ，实现无接触式的换向。本系统通过编写 S-Function函数来构成位置检测拈。

图4 系统控制器框图系统控制器采用内、外环控制，电流内环调节器和速度外环调节器分别调节电机的电流和转速。速度外环调节器的输出作为电流内环调节器的反馈输入，电流内环调节器的输出控制 PWM逆变器，从而控制电机带动飞轮以不同的转速旋转。

3.4 输出电压拈该拈采用上述拈输出的 PWM信号作为调制信号，来控制输出电压幅值。同时，相应的定子绕组相电流也能够得到控制，从而使整个系统成为-个闭环控制系统。

4 飞轮储能系统的仿真分析4.1 完整充、放电过程的仿真仿真之前，对各类参数作如下设定：直流母线电压 450V，定子每相电阻R 2.875Q，定子每相 电感 8.5×10～H，转 矩 常 数 K 1.4N·m，电机和飞轮的转动惯量 J0.8g·m ，电机磁极对数 P4，转速、相角和电流初始值均为零，各功率开关元件均工作在理想开关状态。

完整充、放电过程电机转子转速的仿真波形如图 5所示 。

在0.03s左右飞轮转速达到稳定值 2 000r/min，并保持此转速稳定旋转。0.15s时撤销外加电源，飞轮储能系统由充电过程进入放电过程。

.曼暑之2图 5 充、放电完整过程电机转子转速仿真波形4.2 参数变化对系统性能的影响研究参数对飞轮储能系统稳定性的影响，能够提高飞轮储能系统的利用率。笔者将分析转动惯量 .，、摩擦系数 F与磁极对数 P的变化对飞轮储能系统转子转速的影响。

4.2.1 改变转动惯量 .，假设飞轮转子和电机转子总的转动惯量为.，，给定 J ：0.8g·m ，J：1.6g·m ，其他参数均不变。仿真得到的转子转速波形如图6所示。由图可知，0.00～0.03s内，-，曲线和 .，：曲线的转速上升速率几乎相同。 ，曲线在此后达到稳定转速值，而 t， 曲线波动较大，在 0.08s时才达到稳定转速值。0.15s撤销电源，，，曲线和 曲线均呈下降趋势。但是，单位时间内，。曲线的转速下降速率较大。0.18s后 .， 曲线归零，而J：曲线直第 2期 徐建军等.飞轮储能在风电系统中的应用及仿真分析到0.25s时才归零，且其转速的波动较大。由此可知，转动惯量越大，转速的波动也越大，达到稳定转速所需要 的时间就越长 。

.量昌之t瑙蜱图 6 转动惯量变化时电机转子转速仿真波形4.2.2 改变摩擦系数 F给定摩擦 系数 F，0.001N ·m ·s，F：0.050N·m·s，其他参数均不变。仿真得到的转子转速波形如图 7所示。由图可知 ，0.O0-0.O1内，F，和F：曲线转速上升速率相同。此后在达到稳定转速值之前，F。曲线的上升速率略大于 F：曲线。0.03s时， 曲线达到稳定转速值，而F：曲线直到 0.05s才达到稳定值，且之后和曲线重合直到 0.15s时撤 销 电源。0.15s后撤销 电源，F曲线转速下降速率 大于 ， 曲线。F 曲线在0.18s归零，而 F：曲线直到0.20s才归零。由此可知，摩擦系数越大，转速变化率越小，达到稳定转速所需要 的时间越长 。

.曼昌七t警il挥图7 摩擦 系数变化时电机转子转速仿真波形4.2.3 改变磁极对数 P假设磁极对数 P。4、P 6，其他参数均不变。仿真得到的转子转速波形如图 8所示。由图可知，0.00-0.01a内P，和P 曲线转速上升速率相同。此后在达到稳定转速值之前 ，P。曲线的上升速率大于P 曲线。P 曲线在 0.04s时达到稳定转速值，而P 曲线直到0.06s才达到稳定值，之后P。、P：曲线几乎重合直到0.15s时撤销电源。

在 0.15s时撤销电源，P 曲线转速下降速率大于P 曲线。P 曲线在 0.17s归零，而 P：曲线直到0.23s才归零。由此可知，磁极对数越多，转速变化率越小，达到稳定转速所需要的时间越长。

.量昌t瑙图 8 磁极对数变化时电机转子转速仿真波形5 结束语在飞轮储能系统基本结构和工作原理的基础上，对其在风力发电系统中的应用进行了阐述，并利用 Matlab建立 了飞轮储能系统的仿真模型。

通过模型转动惯量、摩擦系数和磁极对数的变化得到不同的仿真波形，进而分析参数的变化对系统转速的影响。由于仿真结果与理论分析-致，证实了笔者建立的飞轮储能仿真系统的正确性。