基于新型仿真軟件DIgSILENT的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)建模

歐陽(yáng)玉蘭

（國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司黃石供電公司，湖北黃石435100）

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力供應(yīng)問(wèn)題日益凸顯：（1）系統(tǒng)裝機(jī)容量難以滿(mǎn)足峰值負(fù)荷需求；（2）在進(jìn)行遠(yuǎn)距離、大容量輸送電能時(shí)，電力系統(tǒng)的安全問(wèn)題日益突出；（3）大規(guī)模可再生能源并網(wǎng)，對(duì)系統(tǒng)造成了諧波，電壓、頻率、功率波動(dòng)等受到影響[1-2]。

儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展為解決上述問(wèn)題提供了有效途徑。儲(chǔ)能系統(tǒng)可以有效地實(shí)現(xiàn)需求側(cè)管理，其不僅可以提高電力設(shè)備利用率，降低供電成本，還可以促進(jìn)可再生能源的利用，同時(shí)也是提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、調(diào)整頻率、補(bǔ)償負(fù)荷波動(dòng)的一種手段[3]。儲(chǔ)能技術(shù)主要分為物理、化學(xué)、電磁三大類(lèi)型，包括抽水蓄能儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、電池儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能等[3]。其中，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)可以利用高速旋轉(zhuǎn)的飛輪將能量以動(dòng)能的形式儲(chǔ)存起來(lái)，當(dāng)能量緊急缺乏或有需要時(shí)，飛輪減速運(yùn)行，將存儲(chǔ)的能量釋放出來(lái)[4]，具有高效率、無(wú)污染、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

1 仿真軟件DIgSILENT

電力系統(tǒng)仿真軟件DIgSILENT全稱(chēng)為DIgital SImuLation and Electrical NeTwok，最早于1976年投入使用，自1993年開(kāi)始，全面引入面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)概念，并對(duì)算法和元件模型進(jìn)行了較大改進(jìn)，允許用戶(hù)在單一的數(shù)據(jù)庫(kù)中創(chuàng)建詳盡的電力系統(tǒng)元件模型，包括穩(wěn)態(tài)、時(shí)域、頻域等計(jì)算用的一系列參數(shù)。其還擁有較為全面的電力系統(tǒng)元件模型庫(kù)，包括同步電機(jī)、異步電機(jī)、逆變器、負(fù)荷、線(xiàn)路、變壓器模型等，以及上述元件在諧波情況下的模型。同時(shí)，用戶(hù)還可以利用軟件中的DPL、DSL編程語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)自定義的模型和計(jì)算等功能，具有較大的靈活性。

軟件主要功能包括[5]：（1）交直流潮流計(jì)算；（2）故障分析；（3）動(dòng)態(tài)仿真；（4）保護(hù)功能；（5）諧波分析；（6）可靠性計(jì)算；（7）經(jīng)濟(jì)調(diào)度。

2 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)建模

2.1 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)模型

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由四部分組成[6]：（1）儲(chǔ)存能量用的飛輪轉(zhuǎn)子；（2）支撐轉(zhuǎn)子的軸承系統(tǒng)；（3）負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換能量和功率的異步電機(jī)；（4）電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)AC-DC-AC。將飛輪等效為電機(jī)軸上的一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量負(fù)載T。

根據(jù)力學(xué)的一般原理可知，以角速度ω旋轉(zhuǎn)的飛輪可儲(chǔ)存的能量為：

不平衡轉(zhuǎn)動(dòng)力矩T是飛輪轉(zhuǎn)速改變的根本原因，關(guān)系如式（2）所示：

當(dāng)轉(zhuǎn)矩T的方向與飛輪的方向一致時(shí)，飛輪受到正向不平衡轉(zhuǎn)矩的作用而加速，將能量轉(zhuǎn)化為飛輪的動(dòng)能儲(chǔ)存起來(lái)。反之，當(dāng)T與飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反時(shí)，飛輪受到反向不平衡轉(zhuǎn)矩的作用而減速，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化成其他形式的能量。

異步電機(jī)模型采用DIgSILENT元件庫(kù)中的Asynchronous machine模型，能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的變流器采用庫(kù)中的PWM Converter模型，F(xiàn)ESS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 FESS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 控制策略

2.2.1 并網(wǎng)側(cè)DC/AC控制策略

d-q坐標(biāo)系下電網(wǎng)側(cè)控制器的電壓方程為：

式中：ud、uq為控制器控制電壓d、q軸分量；ugd、ugq為并網(wǎng)側(cè)電壓d、q軸分量。

由此可見(jiàn)，通過(guò)控制d、q軸電流分量，能夠?qū)崿F(xiàn)有功、無(wú)功的解耦控制，而對(duì)電流分量可進(jìn)行閉環(huán)PI調(diào)節(jié)。在DIgSILENT平臺(tái)中，PWM Converter模型帶有自動(dòng)生成PWM波的功能，用戶(hù)用DSL語(yǔ)言編寫(xiě)控制模塊控制該變流器時(shí)，只需將調(diào)制因數(shù)Pmr、Pmi的信號(hào)輸出給Converter元件即可。

2.2.2 電機(jī)側(cè)AC/DC控制策略

電機(jī)側(cè)變流器采用磁場(chǎng)矢量控制，電氣方程如下：

式中：PIM為異步電機(jī)功率；Te為電磁功率；ω為角速度；p為極對(duì)數(shù)；Lr為轉(zhuǎn)子自感；M為互感；ψ為磁鏈；isq為轉(zhuǎn)子q軸電流?？傻玫饺缦孪盗泄剑?/p>

參考磁鏈Reference flux：

式中：PIMr為異步電機(jī)額定功率；isqmax為異步電機(jī)定子q軸最大電流。

磁鏈估算Flux estimator：

參考力矩Reference torque：

電子電流d軸分量isqrefcomputer：

電機(jī)側(cè)AC/DC控制器框圖如圖2所示。

圖2 電機(jī)側(cè)AC/DC控制器

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)飛輪儲(chǔ)能建?？煽闯?，DIgSILENT有逆變器的模塊，無(wú)需像PSCAD一樣建立三相橋式逆變電路，也無(wú)需建立PWM波生成模塊控制各個(gè)開(kāi)關(guān)器件的關(guān)斷，節(jié)省了用戶(hù)的工作量。因此，DIgSILENT在FACTS建模方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。