飛輪儲能在光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用范文

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摘要：

分布式光伏系統(tǒng)向電網(wǎng)注入功率時，由于光照強(qiáng)度變化，常導(dǎo)致并網(wǎng)電壓波動。為解決這個問題，文中研究基于飛輪儲能式逆變的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)確保向電網(wǎng)持續(xù)穩(wěn)定的輸送能量。提出的方法在MTALAB／SIMULINK和實(shí)驗(yàn)中已得到驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：

光伏發(fā)電；飛輪儲能；分布式系統(tǒng)；電壓調(diào)節(jié)；功率轉(zhuǎn)換

分布式發(fā)電的間歇特性易受光照因素影響其系統(tǒng)輸出，采用儲能系統(tǒng)能夠很好地解決逆變母線電壓波動和不穩(wěn)定并網(wǎng)等問題。目前蓄電池儲能是主要的儲能方式。但蓄電池存在響應(yīng)速度慢，充放電次數(shù)少以及壽命短等缺點(diǎn)。本文采用飛輪儲能技術(shù)，具有效率高、壽命長、高儲能量、充電快捷以及充電次數(shù)無限等突出優(yōu)點(diǎn)。利用基于飛輪儲能逆變的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，在太陽充足時，光伏陣列發(fā)出的功率并網(wǎng)的同時也向飛輪系統(tǒng)儲能；在太陽不充足或沒有時，將飛輪存儲的能量再通過雙向背靠背變換器輸送給電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)向電網(wǎng)的不間斷逆變。本文分析了傳統(tǒng)的分布式光伏系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、逆變器以及傳統(tǒng)系統(tǒng)不可避免的電壓波動和不穩(wěn)定供能的問題；給出了本文設(shè)計(jì)的改進(jìn)系統(tǒng)及其控制方法；最后，采用仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)理論的正確性。

1傳統(tǒng)的分布式光伏系統(tǒng)

1．1分布式光伏組網(wǎng)系統(tǒng)傳統(tǒng)的分布式光伏系統(tǒng)的模塊圖如圖1所示。采用MPPT法實(shí)現(xiàn)最大功率追蹤［1］，對于電流控制的電壓源逆變器（VSC），它通過LCL濾波器和變壓器由三相逆變器連接到電網(wǎng)，使用的VSC系統(tǒng)參數(shù)見表1。

1．2光伏逆變器的控制由于必須確保向電網(wǎng)傳送功率的高質(zhì)量，因此有關(guān)VSI的雙環(huán)電流控制采用了三階無源濾波器（LCL濾波器）。該控制方案已在靜態(tài)αβ框架中采用了對LCL濾波器的有源阻尼技術(shù)，正如文獻(xiàn)［2］所述。VSC輸出的三相電流通過一種比例諧振（PR）控制器的方式所控制，同樣來自文獻(xiàn)［2］，其中采用的比例諧振控制器的離散形式使用脈沖不變方法離散化。為了使系統(tǒng)較少的依靠傳感器，采用了卡爾曼濾波器算法［3］來估算濾波器電容的電流，構(gòu)建了內(nèi)環(huán)。圖2是VSC實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)框圖。

1．3傳統(tǒng)分布式光伏系統(tǒng)的電壓波動問題由于光伏系統(tǒng)的輸出功率與太陽能輻射強(qiáng)度、溫度及氣候等環(huán)境因素相關(guān)，并且這些因素是隨機(jī)變化的，導(dǎo)致光伏陣列受其環(huán)境因素向逆變側(cè)發(fā)出間斷、不穩(wěn)定的能量，同時逆變側(cè)終端母線電壓也會隨著這些因素而上下波動，不能維持在正常的電壓標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。而這樣的電能質(zhì)量是達(dá)不到逆變時基本的持續(xù)穩(wěn)定的要求，會給電網(wǎng)帶來很大的沖擊以及負(fù)載不正常供能等嚴(yán)重危害。

2帶飛輪儲能的分布式光伏系統(tǒng)

2．1飛輪儲能系統(tǒng)飛輪被利用做為儲能的中介，采用飛輪儲能系統(tǒng)的主要貢獻(xiàn)有：（1）飛輪存儲來自光伏陣列過多的可利用的功率，從而避免過電壓的發(fā)生。（2）飛輪提供必要的功率給光伏源達(dá)到克服低壓狀態(tài)。在設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，飛輪儲能系統(tǒng)（FESS）扮演一個能量儲存器的角色，要么儲存能量，要么釋放能量。系統(tǒng)框圖如圖3所示。飛輪與低速的鼠籠感應(yīng)電機(jī)相連，由于感應(yīng)電機(jī)在運(yùn)行劇烈變動時具有較好的魯棒性，因此作為最好的功率調(diào)節(jié)設(shè)備［4］。感應(yīng)電機(jī)與FESS背靠背逆變器相連，該逆變器可以使能量雙向流入／流出飛輪儲能系統(tǒng)，這也是本文利用飛輪儲能系統(tǒng)作為過／低壓調(diào)節(jié)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)所在。

2．2飛輪儲能系統(tǒng)的控制飛輪中存儲的功率表達(dá)式見式（7）。當(dāng)Pfw為正值，表明飛輪在儲能；相反，當(dāng)Pfw為負(fù)值，表明在釋放飛輪中的能量。參考分量的產(chǎn)生如圖5所示，表2和表3給出了感應(yīng)電機(jī)的額定值和參數(shù)，這些參數(shù)在下個環(huán)節(jié)的仿真中保持?jǐn)?shù)據(jù)不變。

3仿真結(jié)果

對電網(wǎng)側(cè)和FESS側(cè)的逆變器，采用空間矢量PWM控制。電網(wǎng)逆變器仿真的參數(shù)如表1所示。其中，光伏逆變器的控制見圖2，F(xiàn)ESS變換器的控制見圖4，為了證實(shí)所提出的方案不會在電網(wǎng)逆變側(cè)產(chǎn)生過／低壓狀態(tài)（以保證可以最大限度地從光伏側(cè)獲取可利用的功率），對常規(guī)光伏攝入電網(wǎng)的功率仿真進(jìn)行了觀測，仿真圖如圖6所示。采取本設(shè)計(jì)方案的電網(wǎng)電壓和電流波形如圖7所示。對比發(fā)現(xiàn)圖6中由于出現(xiàn)了過／低壓狀態(tài)，影響了最大功率的攝??；圖7中仿真結(jié)果并沒有過電壓以及低壓的產(chǎn)生，保證了維持在安全的規(guī)范等級，也給向光伏側(cè)攝取可利用的最大功率打下了基礎(chǔ)。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以TMS320F28335型DSP為主控芯片，設(shè)計(jì)額定功率為6kW的光伏模擬平臺，直流母線電壓Udc＝320V，逆變側(cè)過濾電感L＝5mH，過濾電容C＝30μF，得到電網(wǎng)側(cè)電壓和電流的實(shí)驗(yàn)波形如圖8所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒有出現(xiàn)過／欠電壓等電壓波動問題，與仿真結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性。

5總結(jié)

與傳統(tǒng)的低壓饋線調(diào)峰算法的控制策略相比較，本文所提出的控制系統(tǒng)能夠緩和來自分布式能源注入電網(wǎng)能量的過／低現(xiàn)象，為此解決了電網(wǎng)從分布式能源提供的可利用的最大功率的攝取。提議的FESS系統(tǒng)解耦了電網(wǎng)逆變器的傳輸功率和終端電壓的關(guān)系。這就使光伏陣列在最大功率點(diǎn)的運(yùn)行能夠真正地按照MPPT算法進(jìn)行。過／低現(xiàn)象引發(fā)的向電網(wǎng)注入功率的過?；蛉鄙伲涂梢酝ㄟ^FESS系統(tǒng)儲存起來達(dá)到調(diào)節(jié)作用。本文帶來的成果有：（1）維持電能穩(wěn)定與電網(wǎng)平衡；（2）解決光伏波動大等技術(shù)難題；（3）提高了并網(wǎng)運(yùn)行的電能質(zhì)量；（4）解耦了并網(wǎng)時功率與電壓的關(guān)系。

作者：黃芳辰 惠晶 單位：江南大學(xué) 輕工過程先進(jìn)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室