飞轮储能系统在微网下的特性研究.pdf

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1、第33卷第1／2期东北电力大学学报V01．33．No．1／22013年4月JournalOfNortheastDianiiUniversityApt．，2013文章编号：1005—2992(2013)01／02—0095—04飞轮储能系统在微网下的特性研究党克，许鑫，于吉庆2(1．东北电力大学电气工程学院，吉林吉林132012；2．吉林省电力勘测设计院，长春130000)摘要：为了更加准确的研究飞轮储能系统的自身特点及在微网中的动态特性，在PSCAD平台上，建立了基于永磁同步机的飞轮仿真模型，对

2、其自身特点和在微网中的运行特性进行了分析与探讨。并加入风损模块，以求得出结果更接近于飞轮的实际工作情况。通过与传统的直流机相比较，永磁机不需要无功励磁电流，因此可以显著提高功率因数；另外永磁式同步电机减少了定子电阻损耗，其效率比同规格感应电动机高。关键词：飞轮储能系统；微网；永磁同步机中图分类号：TM727；TM91文献标识码：A飞轮储能系统具有动态响应时间快，功率密度大，环境友好，使用寿命长等特点，非常适合在微电网中作为储能元件。随着磁悬浮技术和材料学的进步，飞轮储能系统的技术已经逐渐成熟，并

3、在微电网中得到了广泛应用。在微网正常运行时，飞轮系统往往需要频繁地吸收(发出)较大功率，因此研究其工作特性是很有必要的。研究飞轮储能系统的仿真模型可以近似看成是对电机模型的仿真研究。传统的飞轮储能研究多数都采用无刷直流电机为模型，而随着近年来高温超导永磁技术的发展，人们利用超导特性将一定质量的飞轮放于永磁体上，飞轮兼做电机转子。其与永磁机更为相近。因此本文选用的永磁式同步电机作为飞轮的研究模型。永磁式同步电机与感应电机相比，不需要无功励磁电流，因此可以显著提高功率因数；另外永磁式同步电机减少了定

4、子电阻损耗，其效率也比同规格感应电动机高。本文是在PSCAD平台上进行仿真实验，以基本算例为基础，不同于传统的仿真值针对理想状态下的飞轮模型，而是通过对输入量的修改及调整对实际中的飞轮系统进行研究。1微网建模分析1．1微网建模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，使得微网电压受到剧烈扰动后大幅度下降，甚至可能需要切除全部负荷，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

5、的负荷仅以照明、制冷及供热为主。微网主要包括：主电网、配变、分布式电源、储能系统、负荷、电力电子开关、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，并网断路器处于闭合状态，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，孤岛检测控制器需要收稿日期：2012—09—14作者简介：党克(1960一)，男，吉林省吉林市人，东E电力大学电气工程学院研究员，主要研究方向：新能源发电、电力系统电能质量及分布式发电．东北电力大学学报第33卷迅速检

6、测出微网处于孤岛状态，并网断路器断开，微网独立运行⋯。姜将等各)并种联分于布同式一电条源直(流风母力线发上麓电。设必备要，光时伏也发可电采设用量备双网H。～(1卜萄L三__．J一4【H古_／‘叫幂叁皇l逆变器母线直流母线结构，以避免发生直流接地短路故障而被图1微网的简化拓扑图迫切除所有微电源，微网拓扑结构图如图1所示。1．1．1主电网，配变及负载参数设定主电网线电压为1OkV，短路容量100MVA。本文不研究发生故障后主电网运行状态。配变额定容量100kVA，一次绕组额定电压10kV，绕组接线方

7、式为D11；二次绕组额定电压380V，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(380V)下，其有功功率为20kW，无功功率为2kvar。直流负荷为1kW阻性负载。1．1．2微型电源和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，经并网逆变器处理后输入永磁机。2飞轮储能系统建模及

8、仿真飞轮储能也称为飞轮电池，它是一种新型的机械储能技术，以高速旋转的具有一定转动惯量的飞轮质体作为机械能量储存的介质，利用驱动电机和能量转换控制系统来储能和释能。当飞轮的最高旋转角速度为OJ时，其储存的总能量为1E=÷，(1)二飞轮转矩的表达式为M=．，．(2)0当转矩的方向与飞轮的方向一致时，飞轮受到正向不平衡转矩的作用而加速，将能量转化为飞轮的动能储存起来。反之当与飞轮的转动方向相反时，飞轮受到反向不平衡转矩的作用而减速，将动能转化成其它形式的能量。飞轮始终在最高转速与最低转速之间循环旋转，