中國儲能網訊：中國科學院電工研究所的研究人員劉文軍、唐西勝等，在2015年第16期《電工技術學報》上撰文，采用帶LCL濾波器的背靠背雙PWM變流器作為飛輪電機與電網進行能量交換的接口，提出一種飛輪儲能系統(tǒng)并網控制方法。
該方法由電網側變流器控制和電機側變流器控制兩部分組成，并經過充電、預并網和并網運行三個階段。
在充電和預并網階段，電網側變流器采用不控整流方式，電機側變流器先后采用速度外環(huán)和電壓外環(huán)控制方式；
在并網運行階段，電網側變流器控制采用基于電網側電流外環(huán)、變流器側電流內環(huán)的直接功率控制策略，控制并網有功功率的大小及流向；電機側變流器控制采用直流母線電壓外環(huán)、電流內環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，維持直流母線電壓恒定。
采用零極點對消降階法及對稱優(yōu)化函數(shù)等效法分別設計電機側內外環(huán)控制器參數(shù)。進行了飛輪儲能系統(tǒng)的充電、預并網和并網運行實驗。實驗結果驗證了所提飛輪儲能系統(tǒng)并網控制方法的可行性。
飛輪儲能由于具有無環(huán)境污染、使用壽命長、充放電次數(shù)無限制等特點，且與傳統(tǒng)化學電池相比優(yōu)勢明顯，已得到了國內外研究學者的廣泛關注。采用飛輪儲能系統(tǒng)并網運行，可以主動調節(jié)電網有功功率，確保系統(tǒng)供需平衡，減少有功負荷變化、間歇性可再生能源接入電網等對系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性的影響，在電力系統(tǒng)調頻、間歇式可再生能源發(fā)電等領域具有廣闊的應用前景。
飛輪儲能并網控制方法作為飛輪儲能系統(tǒng)的關鍵技術之一，是飛輪儲能系統(tǒng)成功參與電網功率調節(jié)的關鍵，具有重要意義。
背靠背雙PWM變流器目前在具有再生能量反饋的交直交變頻調速系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。文獻采用背靠背變流器將電機制動時產生的能量回饋給電網，其直流母線電壓由電網側變流器控制，電機側變流器采用速度外環(huán)、電流內環(huán)，但由于該控制方法以電機轉速為控制目標，其從電網吸收和回饋給電網的功率不可控。
近來，背靠背雙PWM變流器在飛輪儲能系統(tǒng)的并網運行中被廣泛采用，其控制方法得到了國內外學者的廣泛研究。文獻采用經背靠背變流器并網的飛輪儲能系統(tǒng)協(xié)助風電場進行有功和頻率控制，其直流母線電壓由電網側變流器控制，但并網功率由電機側變流器間接控制，響應速度慢，且電機轉矩參考指令值由并網功率與轉子機械角速度之比求得，實際并網功率值易受轉速測量誤差的影響。
對用于飛輪儲能系統(tǒng)的背靠背變流器進行了仿真研究，但當系統(tǒng)在放電與充電之間切換時，其直流母線電壓的控制需由電機側變流器控制切換到由電網側變流器控制，控制較為復雜。
采用基于背靠背變流器的飛輪儲能系統(tǒng)來平抑風力發(fā)電輸出功率的波動并進行了仿真研究，其直流母線電壓由電網側變流器控制，并網功率由電機側與電網側變流器共同控制，控制較為復雜。
此外，上述文獻中背靠背變流器均經過L濾波器或LC濾波器與電網相連，與這兩種濾波器相比，LCL濾波器可以在較小電感的情況下獲得較理想的諧波抑制效果，已在風能、太陽能等可再生能源并網發(fā)電中被廣泛采用。
為抑制飛輪儲能系統(tǒng)注入電網電流的諧波，本文在背靠背變流器與電網之間串入LCL濾波器。為避免直流母線電壓在由電網側變流器控制與由電機側變流器控制之間來回切換，以及為解決并網功率易受轉速測量誤差影響的問題，本文提出了一種飛輪儲能系統(tǒng)并網控制方法。
該控制方法由電網側變流器控制和電機側變流器控制兩部分組成，并先后經過充電、預并網和并網運行三個階段。在充電、預并網階段，電網側變流器均采用不控整流方式；電機側變流器在充電階段采用速度外環(huán)控制方式，在預并網階段采用電壓外環(huán)控制方式。在并網運行階段，電網側變流器控制采用基于電網側電流外環(huán)、變流器側電流內環(huán)的直接功率控制策略，控制并網有功功率；電機側變流器控制采用直流母線電壓外環(huán)、電流內環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，控制直流母線電壓。
首先建立了永磁同步電機的數(shù)學模型，接著給出了飛輪儲能系統(tǒng)并網控制方法的工作原理，然后給出了電機側內外環(huán)控制器參數(shù)的設計方法，進行了穩(wěn)定性分析，并給出了設計實例。最后進行了飛輪儲能系統(tǒng)充電、預并網和并網運行實驗。
圖1飛輪儲能系統(tǒng)充電與預并網階段控制方法
圖2飛輪儲能系統(tǒng)并網運行階段控制方法
結論
為實現(xiàn)飛輪儲能系統(tǒng)的并網運行，本文提出了一種飛輪儲能系統(tǒng)并網控制方法。該方法由電網側變流器控制和電機側變流器控制組成。整個控制過程先后經過充電、預并網和并網運行三個階段。
在充電和預并網階段，電網側變流器均采用不控整流的方式；電機側變流器分別采用速度外環(huán)和電壓外環(huán)的控制方式。
在并網運行階段，電網側變流器控制采用基于電網側電流外環(huán)、變流器側電流內環(huán)的直接功率控制策略，控制并網有功功率；電機側變流器控制采用直流母線電壓外環(huán)、電流內環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，控制直流母線電壓。
給出了電機側內外環(huán)控制器參數(shù)的設計方法和設計實例。進行了飛輪儲能系統(tǒng)充電、預并網和并網運行實驗。實驗結果驗證了所提飛輪儲能系統(tǒng)并網控制方法的可行性。
原標題:學術︱基于背靠背雙PWM變流器的飛輪儲能系統(tǒng)并網控制方法研究
