飛輪儲能在光伏發電系統的應用范文

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摘要：

分布式光伏系統向電網注入功率時，由于光照強度變化，常導致并網電壓波動。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電系統確保向電網持續穩定的輸送能量。提出的方法在MTALAB／SIMULINK和實驗中已得到驗證。

關鍵詞：

光伏發電；飛輪儲能；分布式系統；電壓調節；功率轉換

分布式發電的間歇特性易受光照因素影響其系統輸出，采用儲能系統能夠很好地解決逆變母線電壓波動和不穩定并網等問題。目前蓄電池儲能是主要的儲能方式。但蓄電池存在響應速度慢，充放電次數少以及壽命短等缺點。本文采用飛輪儲能技術，具有效率高、壽命長、高儲能量、充電快捷以及充電次數無限等突出優點。利用基于飛輪儲能逆變的分布式光伏發電系統，在太陽充足時，光伏陣列發出的功率并網的同時也向飛輪系統儲能；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，實現系統向電網的不間斷逆變。本文分析了傳統的分布式光伏系統的結構、逆變器以及傳統系統不可避免的電壓波動和不穩定供能的問題；給出了本文設計的改進系統及其控制方法；最后，采用仿真和實驗驗證了設計理論的正確性。

1傳統的分布式光伏系統

1．1分布式光伏組網系統傳統的分布式光伏系統的模塊圖如圖1所示。采用MPPT法實現最大功率追蹤［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，使用的VSC系統參數見表1。

1．2光伏逆變器的控制由于必須確保向電網傳送功率的高質量，因此有關VSI的雙環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αβ框架中采用了對LCL濾波器的有源阻尼技術，正如文獻［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［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，構建了內環。圖2是VSC實現的控制系統框圖。

1．3傳統分布式光伏系統的電壓波動問題由于光伏系統的輸出功率與太陽能輻射強度、溫度及氣候等環境因素相關，并且這些因素是隨機變化的，導致光伏陣列受其環境因素向逆變側發出間斷、不穩定的能量，同時逆變側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準范圍內。而這樣的電能質量是達不到逆變時基本的持續穩定的要求，會給電網帶來很大的沖擊以及負載不正常供能等嚴重危害。

2帶飛輪儲能的分布式光伏系統

2．1飛輪儲能系統飛輪被利用做為儲能的中介，采用飛輪儲能系統的主要貢獻有：（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生。（2）飛輪提供必要的功率給光伏源達到克服低壓狀態。在設計的系統中，飛輪儲能系統（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。系統框圖如圖3所示。飛輪與低速的鼠籠感應電機相連，由于感應電機在運行劇烈變動時具有較好的魯棒性，因此作為最好的功率調節設備［4］。感應電機與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，這也是本文利用飛輪儲能系統作為過／低壓調節的關鍵設計所在。

2．2飛輪儲能系統的控制飛輪中存儲的功率表達式見式（7）。當Pfw為正值，表明飛輪在儲能；相反，當Pfw為負值，表明在釋放飛輪中的能量。參考分量的產生如圖5所示，表2和表3給出了感應電機的額定值和參數，這些參數在下個環節的仿真中保持數據不變。

3仿真結果

對電網側和FESS側的逆變器，采用空間矢量PWM控制。電網逆變器仿真的參數如表1所示。其中，光伏逆變器的控制見圖2，FESS變換器的控制見圖4，為了證實所提出的方案不會在電網逆變側產生過／低壓狀態（以保證可以最大限度地從光伏側獲取可利用的功率），對常規光伏攝入電網的功率仿真進行了觀測，仿真圖如圖6所示。采取本設計方案的電網電壓和電流波形如圖7所示。對比發現圖6中由于出現了過／低壓狀態，影響了最大功率的攝??；圖7中仿真結果并沒有過電壓以及低壓的產生，保證了維持在安全的規范等級，也給向光伏側攝取可利用的最大功率打下了基礎。

4實驗結果

以TMS320F28335型DSP為主控芯片，設計額定功率為6kW的光伏模擬平臺，直流母線電壓Udc＝320V，逆變側過濾電感L＝5mH，過濾電容C＝30μF，得到電網側電壓和電流的實驗波形如圖8所示。實驗結果沒有出現過／欠電壓等電壓波動問題，與仿真結果基本一致，驗證了系統的有效性。

5總結

與傳統的低壓饋線調峰算法的控制策略相比較，本文所提出的控制系統能夠緩和來自分布式能源注入電網能量的過／低現象，為此解決了電網從分布式能源提供的可利用的最大功率的攝取。提議的FESS系統解耦了電網逆變器的傳輸功率和終端電壓的關系。這就使光伏陣列在最大功率點的運行能夠真正地按照MPPT算法進行。過／低現象引發的向電網注入功率的過?；蛉鄙伲涂梢酝ㄟ^FESS系統儲存起來達到調節作用。本文帶來的成果有：（1）維持電能穩定與電網平衡；（2）解決光伏波動大等技術難題；（3）提高了并網運行的電能質量；（4）解耦了并網時功率與電壓的關系。

作者：黃芳辰 惠晶 單位：江南大學 輕工過程先進控制教育部重點實驗室