飞轮储能在光伏发电系统的应用范文

摘要：

分布式光伏系统向电网注入功率时，由于光照强度变化，常导致并网电压波动。为解决这个问题，文中研究基于飞轮储能式逆变的分布式光伏发电系统确保向电网持续稳定的输送能量。提出的方法在MTALAB／SIMULINK和实验中已得到验证。

关键词：

光伏发电；飞轮储能；分布式系统；电压调节；功率转换

分布式发电的间歇特性易受光照因素影响其系统输出，采用储能系统能够很好地解决逆变母线电压波动和不稳定并网等问题。目前蓄电池储能是主要的储能方式。但蓄电池存在响应速度慢，充放电次数少以及寿命短等缺点。本文采用飞轮储能技术，具有效率高、寿命长、高储能量、充电快捷以及充电次数无限等突出优点。利用基于飞轮储能逆变的分布式光伏发电系统，在太阳充足时，光伏阵列发出的功率并网的同时也向飞轮系统储能；在太阳不充足或没有时，将飞轮存储的能量再通过双向背靠背变换器输送给电网，实现系统向电网的不间断逆变。本文分析了传统的分布式光伏系统的结构、逆变器以及传统系统不可避免的电压波动和不稳定供能的问题；给出了本文设计的改进系统及其控制方法；最后，采用仿真和实验验证了设计理论的正确性。

1传统的分布式光伏系统

1．1分布式光伏组网系统传统的分布式光伏系统的模块图如图1所示。采用MPPT法实现最大功率追踪［1］，对于电流控制的电压源逆变器（VSC），它通过LCL滤波器和变压器由三相逆变器连接到电网，使用的VSC系统参数见表1。

1．2光伏逆变器的控制由于必须确保向电网传送功率的高质量，因此有关VSI的双环电流控制采用了三阶无源滤波器（LCL滤波器）。该控制方案已在静态αβ框架中采用了对LCL滤波器的有源阻尼技术，正如文献［2］所述。VSC输出的三相电流通过一种比例谐振（PR）控制器的方式所控制，同样来自文献［2］，其中采用的比例谐振控制器的离散形式使用脉冲不变方法离散化。为了使系统较少的依靠传感器，采用了卡尔曼滤波器算法［3］来估算滤波器电容的电流，构建了内环。图2是VSC实现的控制系统框图。

1．3传统分布式光伏系统的电压波动问题由于光伏系统的输出功率与太阳能辐射强度、温度及气候等环境因素相关，并且这些因素是随机变化的，导致光伏阵列受其环境因素向逆变侧发出间断、不稳定的能量，同时逆变侧终端母线电压也会随着这些因素而上下波动，不能维持在正常的电压标准范围内。而这样的电能质量是达不到逆变时基本的持续稳定的要求，会给电网带来很大的冲击以及负载不正常供能等严重危害。

2带飞轮储能的分布式光伏系统

2．1飞轮储能系统飞轮被利用做为储能的中介，采用飞轮储能系统的主要贡献有：（1）飞轮存储来自光伏阵列过多的可利用的功率，从而避免过电压的发生。（2）飞轮提供必要的功率给光伏源达到克服低压状态。在设计的系统中，飞轮储能系统（FESS）扮演一个能量储存器的角色，要么储存能量，要么释放能量。系统框图如图3所示。飞轮与低速的鼠笼感应电机相连，由于感应电机在运行剧烈变动时具有较好的鲁棒性，因此作为最好的功率调节设备［4］。感应电机与FESS背靠背逆变器相连，该逆变器可以使能量双向流入／流出飞轮储能系统，这也是本文利用飞轮储能系统作为过／低压调节的关键设计所在。

2．2飞轮储能系统的控制飞轮中存储的功率表达式见式（7）。当Pfw为正值，表明飞轮在储能；相反，当Pfw为负值，表明在释放飞轮中的能量。参考分量的产生如图5所示，表2和表3给出了感应电机的额定值和参数，这些参数在下个环节的仿真中保持数据不变。

3仿真结果

对电网侧和FESS侧的逆变器，采用空间矢量PWM控制。电网逆变器仿真的参数如表1所示。其中，光伏逆变器的控制见图2，FESS变换器的控制见图4，为了证实所提出的方案不会在电网逆变侧产生过／低压状态（以保证可以最大限度地从光伏侧获取可利用的功率），对常规光伏摄入电网的功率仿真进行了观测，仿真图如图6所示。采取本设计方案的电网电压和电流波形如图7所示。对比发现图6中由于出现了过／低压状态，影响了最大功率的摄取；图7中仿真结果并没有过电压以及低压的产生，保证了维持在安全的规范等级，也给向光伏侧摄取可利用的最大功率打下了基础。

4实验结果

以TMS320F28335型DSP为主控芯片，设计额定功率为6kW的光伏模拟平台，直流母线电压Udc＝320V，逆变侧过滤电感L＝5mH，过滤电容C＝30μF，得到电网侧电压和电流的实验波形如图8所示。实验结果没有出现过／欠电压等电压波动问题，与仿真结果基本一致，验证了系统的有效性。

5总结

与传统的低压馈线调峰算法的控制策略相比较，本文所提出的控制系统能够缓和来自分布式能源注入电网能量的过／低现象，为此解决了电网从分布式能源提供的可利用的最大功率的摄取。提议的FESS系统解耦了电网逆变器的传输功率和终端电压的关系。这就使光伏阵列在最大功率点的运行能够真正地按照MPPT算法进行。过／低现象引发的向电网注入功率的过剩或缺少，就可以通过FESS系统储存起来达到调节作用。本文带来的成果有：（1）维持电能稳定与电网平衡；（2）解决光伏波动大等技术难题；（3）提高了并网运行的电能质量；（4）解耦了并网时功率与电压的关系。

作者：黄芳辰 惠晶 单位：江南大学 轻工过程先进控制教育部重点实验室