與傳統(tǒng)的大電網(wǎng)不同，微電網(wǎng)慣性小，其抗干擾能力弱;另外，微電網(wǎng)中接入了大量的可再生能源，如風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等，新能源特有的間歇性和隨機性特點使得微電網(wǎng)的電壓和頻率穩(wěn)定問題更加突出。而儲能系統(tǒng)動態(tài)性能好、效率高，能夠快速提供電網(wǎng)需要的有功及無功功率，因此，儲能已成為微電網(wǎng)中提高其穩(wěn)定性、安全性和電能質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)支撐。飛輪儲能系統(tǒng)具有壽命長、動態(tài)響應(yīng)快、無污染等優(yōu)勢，是適用于微電網(wǎng)的一種儲能技術(shù)。由于受技術(shù)和材料限制，飛輪儲能的單體容量有限，因此，更大容量的飛輪儲能系統(tǒng)由多個飛輪儲能單體組成飛輪陣列。目前，應(yīng)用于交流微電網(wǎng)的飛輪儲能陣列拓?fù)渲饕袃煞N：一是并聯(lián)到直流母線，即多個飛輪單體通過AC/DC變流器并聯(lián)到直流母線后，通過一個DC/AC變流器連接到交流母線;二是并聯(lián)到交流母線，即各個飛輪單體通過AC/DC-DC/AC變流器并聯(lián)到交流母線。

　　并聯(lián)到直流母線的飛輪陣列協(xié)調(diào)控制方式相對簡單，文獻研究了并聯(lián)到直流母線的飛輪陣列常用的功率控制策略：等功率、等轉(zhuǎn)矩、等放電時間，并進行了仿真驗證;對于多飛輪的優(yōu)化控制，文獻以盡量減少損耗為控制目標(biāo)分配功率：文獻采用盡量少飛輪單元在線運行;文獻提出了飛輪并聯(lián)到直流母線后通過一個逆變器并聯(lián)到交流電網(wǎng)的控制策略;文獻按照等增量速度原則分配功率指令。

　　并聯(lián)到交流母線的飛輪陣列協(xié)調(diào)控制方式相對復(fù)雜，需要考慮各個變流器的協(xié)調(diào)控制。交流微電網(wǎng)一般有并網(wǎng)和孤島兩種工作模式;并網(wǎng)模式下，由于有大電網(wǎng)的支撐，儲能系統(tǒng)通常作為PQ節(jié)點，控制策略較為簡單;孤島模式下，有通信線的控制方式包括主從、集中、3 C控制等，無通信線的控制方式主要為下垂控制。對下垂控制的研究主要有以下方面：包括有功和無功功率及輸出電壓頻率和幅值之間的耦合導(dǎo)致的功率分配不準(zhǔn)問題、傳統(tǒng)下垂控制次靜態(tài)誤差問題、下垂控制響應(yīng)慢以及多目標(biāo)控制要求時下垂控制的改進等。這些研究主要集中于可再生能源與單個儲能單元的并聯(lián)協(xié)調(diào)控制，而較少研究多個儲能單元并聯(lián)的協(xié)調(diào)控制及功率分配問題。

　　本文第一節(jié)給出了飛輪儲能陣列的拓?fù)?第二節(jié)對飛輪單體的充放電控制策略進行了研究;第三節(jié)研究了并聯(lián)到同一直流母線的飛輪的協(xié)調(diào)控制策略，推導(dǎo)了并聯(lián)到同一直流母線各個飛輪的剩余發(fā)電量(相當(dāng)于電池荷電狀態(tài)值，下文簡稱SOC)變化率與SOC值的函數(shù)關(guān)系，并進行了仿真驗證;第四節(jié)研究了并聯(lián)到同一交流母線的飛輪儲能單元的協(xié)調(diào)控制策略，考慮到微電網(wǎng)特性，采用了包含虛擬阻抗的改進系數(shù)下垂控制策略，并進行仿真驗證;第五節(jié)建立了風(fēng)儲微網(wǎng)模型，仿真驗證飛輪陣列在風(fēng)儲孤網(wǎng)中交流母線電壓幅值和頻率穩(wěn)定。

　　創(chuàng)新點及解決的問題

　　本文研究了并聯(lián)到同一直流母線的飛輪儲能陣列協(xié)調(diào)控制策略，對經(jīng)典的3種功率控制策略下的荷電狀態(tài)(SOC)變化率進行了推導(dǎo)和分析，提出改進系數(shù)的下垂控制策略，同時針對微網(wǎng)電壓低、阻抗小引起的靜態(tài)誤差控制問題，采取引入虛擬阻抗的改進系數(shù)下垂控制策略進行補償，從而改善了系統(tǒng)功率分配精度。最后建立了含風(fēng)電場的微電網(wǎng)模型，仿真驗證上述控制策略的有效性。

　　重點內(nèi)容導(dǎo)讀

　　1 飛輪儲能陣列拓?fù)?/p>

　　圖1 飛輪陣列儲能系統(tǒng)

　　2 直流并聯(lián)飛輪儲能陣列放電控制

　　2.1 直流并聯(lián)飛輪儲能陣列的放電控制策略分析

　　2.2 基于等轉(zhuǎn)矩的功率控制策略的仿真

　　圖2 等轉(zhuǎn)矩控制策略仿真結(jié)果

　　3 交流并聯(lián)飛輪儲能陣列協(xié)調(diào)控制策略

　　3.1 傳統(tǒng)的下垂控制策略

　　3.2 提出改進系數(shù)的下垂控制策略

　　3.3 引入虛擬電抗的改進系數(shù)下垂控制策略

　　圖3 引入虛擬阻抗的改進系數(shù)下垂控制

　　3.4 仿真驗證

　　圖4 引入虛擬阻抗的改進系數(shù)下垂控制的仿真結(jié)果

　　4 飛輪儲能陣列應(yīng)用于孤島狀態(tài)下的 微電網(wǎng)

　　4.1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

　　圖5 微網(wǎng)結(jié)構(gòu)

　　表1 風(fēng)電機組參數(shù)

　　圖6 微網(wǎng)仿真結(jié)果

　　5 結(jié) 論

　　本文主要討論了飛輪儲能陣列的協(xié)調(diào)控制方法。對于并聯(lián)到同一直流母線的飛輪的3種常見控制策略的SOC值變化率做了推導(dǎo)，包括等功率、等轉(zhuǎn)矩及等放電時間策略，等功率控制策略的SOC變化率與SOC值無關(guān)，等轉(zhuǎn)矩和等放電時間控制策略SOC值大的單元變化率更高、放電更快。考慮等放電時間策略進行功率分配時需要采樣轉(zhuǎn)速，最終選擇等轉(zhuǎn)矩控制策略。對于并聯(lián)到同一交流母線的多個直流飛輪陣列組成的交流飛輪陣列，提出改進系數(shù)的下垂控制策略，根據(jù)SOC的比例分配功率;同時考慮到微網(wǎng)輸電線電壓低且阻抗小的特點，進一步采取引入虛擬阻抗的改進系數(shù)下垂控制策略。建立了含風(fēng)電機組的微電網(wǎng)模型，仿真結(jié)果驗證了上述控制策略能夠應(yīng)用于孤島狀態(tài)下的微電網(wǎng)，并具有較好的控制效果。