飞轮储能系统应用于微网的仿真研究

黄宇淇;方宾义;孙锦枫

【摘 要】微网中的风力、光伏发电等微型电源随机性强、输出功率波动大,微型电源功率不足,微网抗扰能力弱,由并网状态转入孤岛运行时需切除大部分负荷甚至全部负荷.采用飞轮储能系统辅助的微网方案,利用飞轮储能系统大功率充放电及充放电次数无限制的特点,设计并网逆变器的定功率控制方法.通过网侧功率测量决定并网逆变器的输出电流,实现了平抑微型电源功率和负荷波动的功能.在主电网故障时,飞轮储能系统向微网短时提供大量功率,维持大部分负荷等待主电网重合闸.通过理论分析及仿真实验表明,在微网中应用飞轮储能系统是可行的、经济的、高效的,可提升微网的抗灾变能力.%Micro sources in the micro grid, represented by distributed wind power generations and photovoltaic generations, have such characteristics as the stochastic disturbance and output power fluctuations. When the grid-connected micro grid comes into the island operation mode, most of the load or even all have to be cut off due to weak anti-disturbance capability and the power shortage. The flywheel energy storage system ( FESS )assisted micro grid scheme is adopted, which utilizes the characteristic of high power charge and discharge ability and infinite charge and discharge numbers of FESS, to design the fixed power control method of grid-connected inverter. The output current of the grid-connected inverter is decided through measuring the grid side power, which can smooth the power and load fluctuations of micro sources. When the transient faults occur in the main grid, large amount of power can be provided to micro grid by FESS for a short time, keeping

most of the load normally work to wait for the reclosing of the main grid. The theoretical analysis and simulation experiment show that FESS applied in the micro grid is feasible, economic, and efficient, which can improve the anti-disaster ability of the micro grid. 【期刊名称】《电力系统保护与控制》 【年(卷),期】2011(039)009 【总页数】6页(P83-87,113)

【关键词】微网;飞轮储能;抗灾变;供电可靠性 【作 者】黄宇淇;方宾义;孙锦枫

【作者单位】福州电业局,福建福州350009;福州电业局,福建福州350009;福州电业局,福建福州350009 【正文语种】中 文

【中图分类】TM727;TM91 0 引言

微网是将区域内拥有的微型电源联合起来共同向用户供电、供热的配电子系统，主要包括分布式电源、负荷、储能装置、保护测控装置等配套的电气设备[1-4]。微网可运行于并网及独立运行（也称孤岛运行）两种状态。

在微网中应用的分布式电源技术较成熟的有：微型燃气轮机、生物能发电、内燃机、风力发电、光伏发电等。其中风力发电和光伏发电的一次能源分别是风能和太阳能，是清洁的可再生能源。然而风能与太阳能受到地理分布，季节变换、昼夜更替、天

气的影响，随机性强，稳定性差，供电可靠性差，需配备储能装置构成多能源供电系统以提供稳定可靠的供电[5]。若用蓄电池稳定输出功率，在频繁充放电的使用环境下蓄电池寿命急剧下降，并不经济。

结合我国实际情况，在未获得电力公司入网许可的前提下，不允许微网向主电网倒送电，即微网正常运行时并网不上网。因此从经济运行的角度出发，微网内规划的微型电源发电功率通常要小于总负荷需求。当主电网发生故障，微网与主电网解列，由于功率不足，受到剧烈扰动的微网电压大幅度下降，甚至不得不切除全部负荷，再根据负荷的重要程度逐步带载运行。这说明，微网的抗扰动能力较弱，目前国内微网示范工程的负荷以照明，制冷，供热为主。

飞轮储能系统（Flywheel Energy Storage System，FESS）是新型的储能元件，储能量不高，功率极大，使用寿命极长，无充放电循环的限制，充放电时间短，与超级电容相比，可靠性更优，占地面积小。与传统的阀控铅酸蓄电池相结合，可使储能系统同时具备大储能量和大功率充放电的特性，非常适合用于平抑微网内的功率波动或短时提供大量功率支撑，可有效延长蓄电池的使用寿命，具有很广阔的应用前景。

本文提出了一种飞轮储能辅助的微网方案，建立微网的仿真模型，通过仿真研究飞轮储能平抑分布式电源输出功率波动和负荷需求波动，以及抗主电网瞬时故障的能力。

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。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地提升，价格则大幅度下降，目前在电能质量改善、分布式发电、国防、卫星、电力系统调峰、机车牵引和电动汽车方面均有应用[6-10]。

飞轮储能系统主电路拓扑如图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构成。 图1 飞轮储能系统主电路Fig.1 Flywheel energy storage system

飞轮充电时，变流器驱动电机以电动机状态运行，拖动大转动惯量的飞轮转子高速旋转，电能转换为旋转的动能。

飞轮放电时，因电机端电压小于直流母线电容C1上的电压U1而无法直接放电。若等U1下降后以不控整流方式放电，会使直流母线电压不稳定。波动的直流母线电压影响并网逆变器的控制特性，恶化逆变器的输出性能。目前有两种放电方式，一种在主电路中加一级DC/DC升压电路[11]，如图2所示。

另一种通过控制变流器使电机以回馈制动状态运行[10]，飞轮转子旋转机械能转换为电能，维持直流母线电压恒定。电机回馈制动本质上是将电机电感作为储能电感的升压电路，可省略升压电路的硬件，大大简化了电路，提高了系统的可靠性，仿真中采用该控制方式。飞轮储能系统的发电/电动机可选用多种电机，本文采用无刷直流电机，飞轮建模可参考文献[12-13]。

图2 带直流升压电路的飞轮储能系统主电路Fig.2 Flywheel energy storage system with a DC/DC booster circuit 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；Lω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。当ω=ωH 时，飞轮达到设计的最大储能量Emax。从式（1）可知，提高飞轮转速是增加飞轮储能量最有效手段，但大功率高速飞轮储能系统造价很昂贵。在工程应用中，以10000 rpm以下的钢转子飞轮储能为主。 2 微网建模

微网可有多种拓扑结构。微型电源非微型燃气轮机时，将各种分布式能源如风力发

电、光伏发电并联于同一直流母线是一种较好的方案，能直接为微网内的直流负载供电。微网内仅一台或几台大功率的并网逆变器提供交流输出。该结构技术成熟易实现，必要时可采用双直流母线结构避免发生直流接地短路故障后被迫切除所有微型电源。微网拓扑图如图3所示。

图3 一种微网的简化拓扑Fig.3 Simplified topology of a microgrid

微网主要包括：主电网、配变、分布式电源、飞轮储能系统、负荷、并网断路器（或电力电子开关）SB1、并网逆变器等。配变低压侧视情况安装潮流控制开关，禁止微网向主电网输送功率。

正常运行时，并网断路器合，微网与主电网并网运行，微型电源和电网同时为负荷供电；当主电网发生故障后，孤岛检测控制器应能迅速检测出微网处于孤岛状态，并网断路器分，微网独立运行。 2.1 主电网、配变及负荷

主电网线电压为10 kV，短路容量100 MVA。本文不研究发生故障后主电网运行状态。

配变额定容量100 kVA，一次绕组额定电压10 kV，绕组接线方式为D11；二次绕组额定电压380 V，绕组接线方式Yn。

交流负荷为三相阻感线性负载，在额定线电压（380 V）下，其有功功率为20 kW，无功功率为2 kvar。直流负荷为1 kW阻性负载。微网内不建议直接带电机负载。这是由于微网由并网运行切换为独立运行时，在数个周波内电压波动大，电机很容易失稳或低压脱扣。 2.2 微型电源及储能元件

微型电源以风电发电或光伏发电为例，为充分利用清洁能源，风机及光伏发电均采用最大功率跟踪控制算法，运行于最大功率输出工作方式。可将风机（或光伏组件）及相应的AC/DC（或DC/DC）电力电子装置视为一体，可等效于输出电流波动

较大的直流电流源。

正常运行时，蓄电池处于浮充状态，充电电流可忽略。仅当主电网故障后重合失败，主电网长期停电时才投入运行。本文研究对象是主电网故障后数秒内微网运行情况，在引入飞轮储能系统的前提下，蓄电池不工作，因此不对蓄电池及其变换电路进行仿真研究。飞轮储能系统并联于直流母线，控制飞轮吸收或释放能量可维持直流母线电压稳定。 2.3 并网逆变器

并网逆变器有三种工作模式，分别是定直流母线电压控制，定功率控制和定交流电压控制。

2.3.1 定直流母线电压控制

定直流母线电压控制是指，并网逆变器以相当于电压型有源整流器（Voltage Source Active Rectifier，VSR）的状态运行。VSR具备四象限运行的能力，控制输出交流电流可维持稳定的直流母线电压。其控制策略可参见文献[14]。 在微型电源全部退出运行后，为维持直流母线电压及飞轮储能系统的运行，并网逆变器以这种模式工作。 2.3.2 定功率控制

定功率控制是指，微网并网后，并网逆变器输出设定的有功、无功功率，其控制原理如图4所示。图中ug为电网电压，经dq变换及锁相环后得到电网电压的d、q分量ud和uq；i为逆变器输出电流，以输出逆变器为正方向，其d、q轴分量分别为id和；ig为网侧电流，以输入电网为正方向；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d轴电流id可控制逆变器输出的有功功率，控制q轴电流iq可控制逆变器输出的无功功率。为避免LC滤波器发生谐振，在滤波电容Cf支路可串联较小的阻尼电阻Rd。 图4 并网逆变器的定功率控制Fig.4 Invariable power control for grid-

connected inverter

d轴电流的设定值和q轴电流的设定值由功率测量单元产生，其原则是：在微型电源输出功率及负荷变化时，通过设定及使主电网输入功率基本恒定或缓慢变化。 2.3.3 定交流电压控制

并网逆变器的定交流电压控制是指，由于故障或检修，主电网失电，并网断路器分，微网进入孤岛运行状态，此时并网逆变器输出三相正弦交流电压，其功能相当于不间断电源。定电压控制策略可采用多环控制结构，外环是输出电压环，内环是滤波电容电流环，增大带宽，提供极佳的动态响应性能[15-16]。

孤岛运行时，并网逆变器失去了主电网参考电压，由控制器通过微处理器的定时器产生50 Hz的相位参考信号。当主电网重合闸成功或经检修后恢复供电，并网逆变器输出电压与主电网电压相位不同，若强行并网会产生很大冲击电流，损坏逆变器。应重新选择主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，使与主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。 3 仿真及分析

仿真采用Matlab/Simulink软件。飞轮的驱动电机为无刷直流电机，1对极，相电阻0.247 Ω，相等效电感2.7 mH，额定最高转速6000 rpm，额定最高转速下梯形反电动势最大值为300 V，飞轮转子转动惯量6.54kg·m2。直流母线电压额定值600V。

3.1 网侧功率控制的仿真 仿真条件如下：

（1）初始状态：主电网无故障正常供电，并网断路器SB1合，微网并网运行。并网逆变器以定功率控制运行，交流负荷的有功功率为20 kW，无功功率为2 kvar，直流电阻负载1 kW。

（2）0.5 s时，并入另一组20 kW负荷。

（3）1.0 s时，模拟最严苛的条件：由于故障，或风力、太阳光源不足，微型电源退出运行。

仿真波形如图5所示。

图5 网侧功率控制仿真Fig.5 Simulation for grid-side power control

由于0.5 s时负荷突变，并网逆变器在约1个周波时间内同步增大输出功率，网侧电流基本维持不变。虽然微网中经历了负荷突变及微型电源切除等两次剧烈扰动，但并网逆变器输出功率动态响应性能好，网侧输入功率基本稳定，直流母线电压波动约3%。

飞轮储能系统的储能量不高。微型电源完全退出运行后，短时间内可由飞轮储能系统提供全部负荷功率，飞轮的转速下降很快，此时控制器逐渐减小并网逆变器输出功率，由主电网承担大部分负荷。当飞轮转速下降到设定的运行最低转速时，并网逆变器需以定直流母线电压控制方式运行，稳定直流母线电压，维持直流负荷及飞轮储能系统正常运行。 3.2 孤岛运行及并网仿真

电力线路故障多是瞬时故障，目前架空线路广泛采用重合闸策略，重合闸成功率较高。本节仿真模拟主电网瞬时故障并重合闸成功条件下微网运行状态。仿真条件如下。

（1）初始状态同3.1仿真初始状态。

（2）0.5 s时主电网因故障而断电，控制系统侦测到微网处于孤岛运行状态，跳开并网断路器。此后，并网逆变器以定交流电压控制运行。

（3）2.0 s时主电网重合成功，控制系统检测电网电压及相位，并重新以主电网电压为参考电压，当2.1 s逆变器输出电压和主电网电压同步时，合并网断路器，微网重新并网，并网逆变器以定功率控制运行。

仿真结果如图6所示。图6（b）中，逆变器输出电压是经低通滤波器后绘制的波

形。

从图6可看出，并网逆变器动态响应性能好，在并网状态切换到独立运行状态时，逆变器输出功率阶跃性增加，导致直流母线电压下跌，同时公共耦合点PCC处a相电压uga下降约5%。飞轮储能系统放电维持直流母线电压恒定，同时逆变器的输出在一个周期内恢复至额定电压。微网由独立运行状态重新并网时，微型电源的输出功率大于逆变器的输出功率，使直流母线电压上抬，飞轮升速充电消耗部分功率。由于飞轮储能系统的引入，在两种运行状态之间切换时，微网的稳定性获得较大提升。 3.3 仿真结果讨论

与超级电容器及超导储能相比，飞轮储能系统的动态响应性能略差。但仿真结果表明，飞轮储能系统采用能量回馈制动控制后，直流母线电压波动较小，能达到平抑微网功率波动的目的。仿真还实现了网侧输入功率的控制，避免产生如谐波、电压闪变等电能质量问题；在主电网短时故障时，飞轮提供缺额功率，无需切除大量负荷。运行方式变化时，微网运行稳定，抗扰动能力大大增强。

图6 孤岛运行及并网仿真Fig.6 Simulation for islanding and integrated operation 4 结论

本文采用飞轮储能系统作为微网的缓冲及支撑，设计了并网逆变器的三种控制方式，通过仿真研究表明：在主电网及微网正常运行时，可稳定网侧功率，防止电能质量恶化；在主电网瞬时故障时，可起到功率支撑作用，有助于提高微网抗灾变的能力。 参考文献

【相关文献】

[1]Lasseter R H，Paigi P.Microgrid： a concept solution[C].// IEEE Power Electronic Conference，Aachen，2004.

[2]Hatziargyriou N，Asano H，Iranvani R，et al.Microgrids[J].IEEE Power and Energy Magazine，2007，5（4）：78-94.

[3]盛鹍，孔力，齐智平，等.新型电网—微网（Microgrid）研究综述[J].继电器，2007，35（12）：75-81.SHENG Kun，KONG Li，QI Zhi-ping，et al.A survey on research of microgrid-a new power system[J].Relay，2007，35（12）：75-81.

[4]苏玲, 张建华, 王利, 等.微电网相关问题及技术研究[J].电力系统保护与控制, 2010, 38(19): 235-239.SU Ling, ZHANG Jian-hua, WANG Li, et al.Study on some key problems and technique related to microgrid[J].Power System Protection and Control, 2010, 38(19):235-239. [5]李继方, 高明远, 陈杰, 等.一种基于神经网络的多能源共直流母线混合供电控制策略[J].电力系统保护与控制, 2010, 38(20): 141-147.LI Ji-fang, GAO Ming-yuan, CHEN Jie, et al.A control strategy for multi-energy hybrid power supply based on neural network[J].Power System Protection and Control,2010, 38(20):141-147.

[6]Samineni S，Johnson B K，Hess H L，et al.Modeling and analysis of a flywheel energy storage system for voltage sag correction[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2006，42（1）：42-52.

[7]Cimuca G O，Saudemont C，Robyns B，et al.Control and performance evaluation of a flywheel energy storage system associated to a variable-speed wind generator[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2006，53（4）： 1074-1085.

[8]Cardenas R，Pena R，Asher G，et al.Power smoothing in wind generation systems using a sensorless vector controlled induction Machine driving a flywheel[J].IEEE Transactions on Energy Conversion，2004，19（1）：206-216.

[9]Briat O，Vinassa J M，Lajnef W.Principle，design and experimental validation of a flywheel-battery hybrid source for heavy-duty electric vehicles[J].Electric Power Applications，2007，1（5）：665-674.

[10]Acarnley P P，Mecrow B C，Burdess J S.Design principles for a flywheel energy store for road vehicles[J].IEEE Transactions on Industry Applications，1996，32（6）： 1402-1408.

[11]Weissbach R S，Karady G G，Farmer R G.A combined uninterruptible power supply and dynamic voltage compensator using a flywheel energy storage system[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2001，16（2）：265-270.

[12]黄宇淇，姜新建，邱阿瑞.飞轮储能能量回馈控制方法[J].清华大学学报：自然科学版，2008，48（7）：1085-1088.HUANG Yu-qi，JIANG Xin-jian，QIU A-rui.Energy feedback control for flywheel energy storage system[J].Journal of Tsinghua University：Science and Technology，2008，48（7）：1085-1088.

[13]蒙永民，李铁才，荀尚峰.飞轮储能分布式电能控制技术放电部分的仿真研究[J].电网技术，

2008，32（24）：60-64.MENG Yong-min, LI Tie-cai, XUN Shang-feng.Simulation of discharge section in flywheel energy storage using distributed electric energy control technology[J].Power System Technology，2008，32（24）：60-64. [14]张崇巍，张兴.PWM整流器及其控制[M].北京：机械工业出版社，2003.

[15]Vilathgamuwa M，Ranjith Perera A A D，Choi S S.Performance improvement of the dynamic voltage restorer with closed-loop load voltage and current-mode control[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2002，7（5）：824-833.

[16]Abdel-Rahim N M，Quaicoe J E.Analysis and design of a multiple feedback loop control strategy for single-phase voltage-source UPS inverters[J].IEEE Transactions on Power Electronics，1996，11（4）：532-541.