淺析飛輪儲能在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用

摘 要 當(dāng)分布式光伏系統(tǒng)向電網(wǎng)供電時(shí)，往往伴隨著光線強(qiáng)度的波動，電網(wǎng)電壓也會隨之而改變。為了解決這一問題，本文研究了一種基于飛輪儲能的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，以保證能量連續(xù)穩(wěn)定地輸送到電網(wǎng)中。通過和傳統(tǒng)的分布式光伏系統(tǒng)結(jié)合分析，得出飛輪儲能在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)揮巨大作用的結(jié)論。

關(guān)鍵詞 飛輪儲能;分布式;光伏發(fā)電;功率轉(zhuǎn)換

引言

飛輪儲能是一種利用高速旋轉(zhuǎn)飛輪儲能的儲能裝置，其具有很多優(yōu)點(diǎn)：效率高，清潔環(huán)保。在光伏微電網(wǎng)中加入飛輪儲能，形成光能儲能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)。通過為儲能系統(tǒng)制定適當(dāng)?shù)目刂撇呗?，使并入電網(wǎng)的電能更加平滑。

1 傳統(tǒng)的分布式光伏系統(tǒng)

（1）分布式光伏組網(wǎng)系統(tǒng)。MPPT方法用于實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤，電流控制電壓源逆變器（VSC），通過LCL濾波器和變壓器由三相逆變器連接到電網(wǎng)。為了保證高質(zhì)量的電能傳輸?shù)诫娋W(wǎng)，VSI的電流控制采用了三階無源濾波器（LCL濾波器）。LCL濾波器的主動阻尼技術(shù)被用于靜態(tài)αβ控制方案的框架中。VSC輸出的三相電流由比例諧振（PR）控制器控制，利用脈沖不變法離散比例諧振控制器的離散形式。為了降低系統(tǒng)對傳感器的依賴性，采用卡爾曼濾波算法對濾波電容電流進(jìn)行估計(jì)，構(gòu)成內(nèi)環(huán)。

（2）傳統(tǒng)分布式光伏系統(tǒng)的電壓波動。分布式光伏系統(tǒng)的電力輸出與陽光的光線強(qiáng)度、環(huán)境溫度、氣候等環(huán)境因素有關(guān)，這些因素是隨機(jī)變化的[1]。由于這些環(huán)境因素，光伏陣列會向逆變器發(fā)送間歇性的、不穩(wěn)定的能量。同時(shí)，由于這些因素，逆變側(cè)母線電壓會上下波動，不能保持在正常電壓標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，所以其供電不能滿足供電的要求。

2 飛輪儲能分布式光伏系統(tǒng)

（1）光伏發(fā)電系統(tǒng)特點(diǎn)。在相同溫度下，光伏的最大輸出功率隨光強(qiáng)度的增加而增大，并且在相同的光強(qiáng)度下隨著溫度的升高而減小。白天的溫度和光照強(qiáng)度并不總是一樣的，所以光伏陣列不能穩(wěn)定地向電網(wǎng)輸送電力。

（2）飛輪儲能系統(tǒng)。飛輪儲能是一種利用高速旋轉(zhuǎn)飛輪儲能的儲能裝置，它通過發(fā)電機(jī)與外界交換能源，具有綜合效率高、清潔環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，但儲能系統(tǒng)對電力的需求越來越大，單臺大容量飛輪機(jī)組不僅成本高，而且技術(shù)要求高[2]。因此，多個飛輪單元可以并聯(lián)形成飛輪儲能陣列系統(tǒng)。

（3）飛輪儲能分布式光伏系統(tǒng)。光伏陣列受自然環(huán)境的影響很大，且具有揮發(fā)性。為了降低其影響，需要對光伏輸出功率預(yù)測值進(jìn)行平滑處理。在實(shí)際運(yùn)行過程中，飛輪陣列儲能系統(tǒng)根據(jù)調(diào)度指令對光伏輸出功率進(jìn)行實(shí)時(shí)充放電，使光存儲復(fù)合動力系統(tǒng)的輸出功率更加平滑。光伏陣列的輸出功率受光強(qiáng)的影響，光強(qiáng)有兩種類型：單峰和多模?？傒敵龉β拾滋旄?，晚上低。為了避免光伏輸出功率直接并網(wǎng)影響電網(wǎng)和供電質(zhì)量，需要根據(jù)天氣情況預(yù)測未來24小時(shí)光伏輸出功率，并提前一天利用輸出功率平滑規(guī)劃，飛輪儲能陣列系統(tǒng)光伏陣列的輸出實(shí)現(xiàn)了調(diào)度計(jì)劃。

飛輪用作儲能介質(zhì)。飛輪儲能系統(tǒng)的主要貢獻(xiàn)如下[3]：①飛輪儲存了太多來自光伏陣列的可用能量，以避免過電壓。②飛輪為光伏電源提供必要的功率，以克服低電壓條件。

在系統(tǒng)中，飛輪儲能系統(tǒng)起著儲能的作用，既能儲能又能釋放能量。飛輪與低速鼠籠式感應(yīng)電動機(jī)相連。感應(yīng)電動機(jī)在惡劣運(yùn)行條件下具有良好的魯棒性，是最佳的功率調(diào)節(jié)裝置。感應(yīng)電機(jī)與FESS背靠背逆變器相連，能使能量沿兩個方向進(jìn)入飛輪儲能系統(tǒng)，采用飛輪儲能系統(tǒng)作為過/低壓調(diào)節(jié)器的關(guān)鍵設(shè)計(jì)。

3 飛輪儲能系統(tǒng)控制

儲能飛輪的功率表達(dá)式如式1-1所示。當(dāng)PFW為正時(shí)，飛輪儲存能量;為負(fù)則釋放能量。

1-1

飛輪中儲存的能量可以表示為：

1-2

其中，J是飛輪的轉(zhuǎn)動慣量、和電荷的充放電速度，為放電時(shí)間。感應(yīng)電動機(jī)驅(qū)動的飛輪控制基于傳統(tǒng)的間接磁場定向控制（IFOC）。理想的控制量是定子電流的轉(zhuǎn)矩分量（IQS），其參考值是根據(jù)DG的實(shí)際端電壓產(chǎn)生的，以防止超過安全運(yùn)行閾值。

4 仿真結(jié)果

將空間矢量PWM控制應(yīng)用于電網(wǎng)側(cè)和光纖逆變器。為了驗(yàn)證該方案不產(chǎn)生超過逆變器側(cè)/低電壓狀態(tài)的電網(wǎng)（以確保從光伏獲得可用功率以獲得最大度數(shù)），對傳統(tǒng)光伏接入電網(wǎng)進(jìn)行功率仿真觀測，使用此設(shè)計(jì)方案的電網(wǎng)電壓和電流波形。研究發(fā)現(xiàn)，過電壓/低電壓狀態(tài)影響最大功率空氣入口，模擬結(jié)果不會產(chǎn)生過電壓和低電壓，確保了標(biāo)準(zhǔn)的安全水平，并為光伏側(cè)的最大可用功率奠定了基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語

本文提出的控制系統(tǒng)可以緩解/降低向電網(wǎng)分布式能量注入的現(xiàn)象，解決這一問題。提出的FESS系統(tǒng)將電網(wǎng)逆變器的傳輸功率與終端電壓之間的關(guān)系解耦。這使得光伏陣列能夠按照MPPT算法在最大功率點(diǎn)工作。FESS系統(tǒng)存儲器可以調(diào)節(jié)過欠現(xiàn)象引起的注入電網(wǎng)的過多或不足功率。本文的研究結(jié)果如下：①維持電力穩(wěn)定和電網(wǎng)平衡;②功率與電壓之間的關(guān)系是解耦的;③提高了并網(wǎng)運(yùn)行的電能質(zhì)量;④解決光伏波動大等技術(shù)問題。

參考文獻(xiàn)

[1] 李瑞民.集成分布式可再生能源的混合儲能系統(tǒng)研究[D].北京：中國科學(xué)院大學(xué)（中國科學(xué)院工程熱物理研究所），2019.

[2] 劉建華.獨(dú)立光伏飛輪發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2018.

[3] 趙霽晴，張建成，宋兆鑫，等.基于飛輪儲能陣列系統(tǒng)的分布式協(xié)調(diào)控制策略[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，45（6）：28-34.

作者簡介

魏民（1985-），男，北京;學(xué)歷：碩士，現(xiàn)就職單位：沈陽遠(yuǎn)大電力電子科技有限公司學(xué)歷學(xué)位，參與多項(xiàng)國家重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)、多次獲得省級科技進(jìn)步獎項(xiàng)。

*[基金項(xiàng)目] 本文系國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目資助，項(xiàng)目編號：2018YFB0905500。