CN101141066A - 一种利用飞轮储能装置调控可再生能源发电系统的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用飞轮储能装置调控可再生能源发电系统的方法，属控制技术领域。用于解决系统的能量补偿问题。其技术方案是，将飞轮储能装置接入可再生能源发电系统的电压中枢点；建立飞轮储能系统和可再生能源发电系统的广义动量模型；实时检测电压中枢点母线电压、飞轮角速度，计算发电系统等效惯性参数和飞轮储能装置瞬时动量；计算可再生能源发电系统相对于标准状态的动量增量；对飞轮角速度ω进行调节，使飞轮储能装置的动量增量等于可再生能源发电系统的动量增量。本发明不仅能实时计算电网能量的不平衡程度，对该电网系统进行快速、准确补偿，而且储能装置运行寿命长，对环境无污染。

Description

一种利用飞轮储能装置调控可再生能源发电系统的方法

技术领域

本发明涉及一种以飞轮作为可再生能源发电系统的储能装置时，飞轮储能系统和可再生能源发电系统之间能量交换的控制方法，属控制技术领域。

背景技术

可再生能源主要包括太阳能、风能、水能、生物质能、海洋能以及地热能等，利用可再生能源进行发电是可再生能源利用的一种最灵活方便的方式。除大型水力发电系统外，其他可再生能源发电系统一般具有能量分散、受气候和季节等因素影响较大的特点，致使系统供电持续性与稳定性较差。解决上述问题比较有效的办法是在可再生能源发电系统中安装一定容量的储能装置，利用储能装置提高可再生能源发电系统的供电可靠性和运行稳定性。

目前，国内外可再生能源发电系统一般采用蓄电池组作为储能装置，当发电系统能量充足时，可再生能源发电电源为电力用户和储能蓄电池组供电；当发电系统能量不足或无法发电时，蓄电池组放电为电力用户继续提供电能。采用蓄电池组进行储能存在一定缺陷，一方面，蓄电池内部存在电化学反应，充放电速度慢、充放电次数有限，蓄电池使用寿命短，废弃的蓄电池会对环境造成污染，经常更换蓄电池将使可再生能源发电系统运行成本增大；另一方面，常规蓄电池储能装置在运行过程中可控性能较差，这是因为其充放电状态完全由蓄电池端电压和发电系统连接处电压之差来决定，而蓄电池输出电压会随着其运行状态和寿命的缩短而发生变化。

飞轮储能装置具有充放电速度快、使用寿命长和无环境污染的优点，非常适合用做可再生能源发电系统的储能装置。将飞轮储能装置用于可再生能源发电和新能源发电系统的关键在于储能装置运行状态的控制方法，现有的控制方法主要包括直流母线电压门限值控制飞轮储能单元运行状态的方法和直流母线电压PI控制方法。直流母线电压门限值控制方法设定了一个飞轮储能装置启动门限电压，当电网电压低于该门限电压时，飞轮储能装置减速发电，当电网电压高于该门限电压时，飞轮储能装置加速储能。直流母线电压PI控制方法也是依靠飞轮储能装置对直流母线电压进行比例积分控制，对飞轮储能装置自身运行状态的调节未提出行之有效的技术方案。以上这些方法可在一定程度上提高可再生能源发电系统的电压稳定性，但因无法实时获得可再生能源发电系统能量的不平衡程度，因此无法实现飞轮储能装置对可再生能源发电系统的快速、准确的能量补偿。因此，将飞轮储能技术应用于可再生能源发电系统的关键问题集中在可再生能源发电系统能量状态的描述、实时测量与计算以及储能系统和可再生能源发电系统之间能量交换控制方法等方面。

发明内容

本发明用于克服现有技术的缺陷、提供一种能对可再生能源发电系统实施快速、准确能量补偿、利用飞轮储能装置调控可再生能源发电系统的方法。

本发明所称问题是以下述技术方案实现的：

一种利用飞轮储能装置调控可再生能源发电系统的方法，它按如下步骤进行：

a.将带有机电能量转化系统(电动/发电机)、电能转换系统及控制系统的飞轮储能装置接入可再生能源发电系统的电压中枢点；

b.建立飞轮储能系统广义动量模型，选取飞轮的角速度ω作为广义速度，飞轮储能系统的转动惯量J即为能量惯性参数，飞轮储能系统广义动量模型为P_s＝Jω；

c.建立可再生能源发电系统广义动量模型，选择可再生能源发电系统的电压中枢点母线电压U_rg作为广义速度，等效惯性参数C_rg主要由电网的构成形式、设备参数以及电网的结线方式所决定，可再生能源发电系统广义动量模型为P_rg＝C_rgU_rg；

d.由控制系统实时检测电网中枢点电压U_rg、飞轮的角速度ω、飞轮储能装置输出电压和电流，计算可再生能源发电系统的等效惯性参数C_rg和飞轮储能系统的瞬时动量；

e.控制系统将实时检测的电网中枢点电压U_rg值与标准值相比较，当偏差超过允许值时，计算可再生能源发电系统相对于标准状态的动量增量Δ(C_rgU_rg)；

f.控制系统对飞轮的角速度ω进行调节，使飞轮储能装置提供的补偿动量Δ(Jω)等于可再生能源发电系统相对于标准状态的动量增量Δ(C_rgU_rg)。

上述利用飞轮储能装置调控可再生能源发电系统的方法，所述可再生能源发电系统的等效惯性参数 $C_{\mathrm{rg}}=J\frac{\mathrm{d\ω}}{d{U}_{\mathrm{rg}}}.$

上述利用飞轮储能装置调控可再生能源发电系统的方法，所述飞轮为圆盘状飞轮，飞轮储能系统的转动惯量 $J=\frac{1}{2}{\mathrm{\π\ρhr}}^4,$ 式中，r为半径、ρ为密度、h为厚度。

本发明将物理学中两个独立的能量描述体系有机联系在一起，从而使能量交换的控制过程更具操作性。它采用高储能密度、大功率、长寿命的飞轮储能装置调控可再生能源发电系统，在建立飞轮储能系统和可再生能源发电电网广义动量模型的基础上，通过实时检测电网中枢点电压U_rg，计算电网动量的变化量，获得电网能量的不平衡程度，并实时控制飞轮储能装置的补偿动量。当可再生能源发电电网电压因各种原因引起电压质量不满足要求时，利用飞轮储能装置与可再生能源发电系统发生能量碰撞，通过碰撞使电网动量发生改变，从而使电网电压中枢点母线电压恢复到满足电能质量要求的水平。本发明不仅能实时计算电网能量的不平衡程度，对可再生能源发电系统进行快速、准确补偿，而且储能装置运行寿命长，对环境无污染。

附图说明

图1是本发明的原理框图；

图2是控制程序流程图。

附图及文中各标号含义：ω、飞轮角速度，J、飞轮储能系统转动惯量，P_s、飞轮储能系统广义动量，U_rg、系统电压中枢点母线电压，C_rg、可再生能源发电系统等效惯性参数，P_rg可再生能源发电系统广义动量，Δ(C_rgU_rg)、可再生能源发电系统广义动量增量，Δ(Jω)、飞轮储能系统广义动量增量，T、完整系统的动能函数，v_i、广义速度，p_i、广义动量，V、势函数，L、拉格朗日函数，T_s、飞轮储能系统能量函数，T_rg、可再生能源发电系统能量函数。

具体实施方式

本发明主要技术方案涉及：(1)飞轮储能系统广义动量模型：(2)可再生能源发电系统广义动量模型；(3)采用飞轮储能装置的可再生能源发电系统广义动量控制方法。

1.飞轮储能系统广义动量模型

完整系统的动能函数T对广义速度vi的偏导数称为广义动量，即

$p_i=\frac{\∂T}{{\∂v}_i}$

若V为势函数，系统的拉格朗日(Lagrange)函数L为

L＝T-V

如果系统为保守系统且系统的Lagrange函数L不显含时间t，则广义动量可以写为

$p_i=\frac{\∂L}{{\∂v}_i}$

对于飞轮储能系统，若能量函数为T_s，可以选取飞轮的角速度ω作为广义速度，飞轮储能系统的转动惯量J即为能量惯性参数。与之相应的飞轮储能系统广义动量模型为

$P_s=\frac{{\∂T}_s}{\∂\mathrm{\ω}}=\mathrm{J\ω}$

控制飞轮储能系统在一定时间内与可再生能源发电电网发生能量交换，储能系统从一种运行状态变化到另一种运行状态，与之相互作用的电网因获得了能量或失去了能量其运行状态也会发生变化。我们将这一过程描述为：飞轮储能系统与电网发生了能量碰撞，在碰撞过程中总的动量保持不变。实时测量飞轮储能系统状态参数ω的大小即可快速计算出飞轮储能系统的瞬时动量以及一定时间内动量的变化量。

飞轮储能系统的转动惯量J＝∫r²dm。对于半径为r、密度为ρ、厚度为h的圆盘形状飞轮， $J={\∫r}^2\mathrm{dm}=\frac{1}{2}{\mathrm{\π\ρhr}}^4.$

2.可再生能源发电系统广义动量模型

可再生能源发电系统中除大型水力发电系统外，其它形式的可再生能源发电系统惯性较小，自然环境因素及负荷扰动引起电网供电质量下降的时间常数比常规电网小很多。例如独立运行的太阳能光伏发电系统，任何时刻的阳光照度变化或负载变化均可造成供电电压的变化，因此这些供电系统的抗扰动能力比较弱。如果能够将飞轮储能装置接入这些惯性较小的发电系统的电压中枢点，控制好电压中枢点母线电压质量即可实现全网电压质量的有效控制。

该发明选择可再生能源发电系统电压中枢点母线电压U_rg作为广义速度，它既能反映可再生能源发电系统的运行状态又可方便测量。基于广义速度U_rg的可再生能源发电系统能量函数用T_rg表示，等效惯性参数采用C_rg表示。C_rg主要由电网的构成形式、设备参数以及电网的结线方式所决定。与之相应的可再生能源发电系统广义动量模型为

$P_{\mathrm{rg}}=\frac{{\∂T}_{\mathrm{rg}}}{\∂U_{\mathrm{rg}}}=C_{\mathrm{rg}}{U}_{\mathrm{rg}}$

采用霍尔电压传感器和程序控制的微处理器可以实现可再生能源发电系统电压中枢点母线电压U_rg的实时测量与快速计算，从而可以迅速地计算出可再生能源发电系统的瞬时动量以及一定时间内动量的变化量。

3采用飞轮储能装置的可再生能源发电系统广义动量控制方法

广义动量守恒理论为飞轮储能装置与可再生能源发电系统之间的能量交换控制提供了可靠依据。当外界环境因素发生变化或负载发生变化时，可以认为可再生能源发电系统与外界发生了能量碰撞，系统原来的平衡状态发生了变化，其动量发生了改变，电压U_rg也发生了相应的变化，从而影响了供电电压质量。同样，当电网因短路、断路等原因引起电网网络结构突然发生变化时，等效惯性参数C_rg发生了变化，系统为维持其广义动量守恒，U_rg也必然发生相应的变化，可能超出允许供电电压范围。

为了提高电压质量，该发明提出采用飞轮储能装置对可再生能源发电系统进行能量碰撞的方法，通过碰撞使电网动量发生改变，使电压中枢点母线电压恢复到满足电能质量要求的水平。如果电网电压降低，控制系统快速计算出电网动量缺乏量，同时计算出飞轮输出同样大小的补偿动量需要降低的转速和时间并对飞轮储能装置进行调节。若电网电压升高，控制系统快速计算出电网动量突升量，同时计算出飞轮获得同样大小的动量需要升高的转速和时间并对飞轮储能装置进行加速储能调节。

参看图1，图中Δ(C_rgU_rg)表示可再生能源发电系统的广义动量变化量，Δ(Jω)表示飞轮储能装置的广义动量变化量。飞轮储能装置主要包括储存能量用的飞轮转子、支撑转子的轴承系统、进行机电能量转化的电动/发电机和进行电能变换与传输控制的电能转换系统。电能转换系统和电动/发电机相结合，可以控制飞轮储能系统工作在升速储能、减速发电或恒速待机状态。控制系统主要包括霍尔电压、电流传感器和程序控制的微处理器等，以实现可再生能源发电系统和飞轮储能装置运行状态的计算、补偿动量的计算和对飞轮储能装置运行状态的控制。

运行过程中，控制系统的控制程序流程图如图2所示。控制系统实时检测电网中枢点电压质量，如电网中枢点电压U_rg、飞轮的角速度ω、飞轮储能装置输出电压和电流，计算驱动电机的电磁功率和转矩(调节飞轮转速时要用到这些量)、计算可再生能源发电系统的等效惯性参数C_rg和飞轮储能系统的瞬时动量。当U_rg不满足要求时，根据补偿动量分配计算结果实时控制飞轮储能装置的运行状态，使之与可再生能源发电系统发生动量交换，控制电压中枢点母线电压运行在额定值附近，从而保证了可再生能源发电系统的供电稳定性和电能质量。控制系统与电能转换系统协调控制电动/发电机，使飞轮储能装置可以灵活地运行在最大功率或最大转矩加速储能获得动量、减速发电释放动量或恒速待机运行状态。由于飞轮储能装置的动量变化过程完全可以控制，所以可再生能源电网的电压质量可以实现全程实时调节。

该方法从理论到技术实现均不受可再生能源发电系统类型的限制，对于太阳能光伏发电、风力发电、生物质能发电以及海洋能发电等可再生能源发电系统均具有广泛的适应性。

当外界环境发生变化或负载发生变化时，可再生能源发电系统原来的平衡状态发生了变化，其广义动量和电压U_rg均发生了改变，影响了供电电压质量。霍尔电压、电流传感器和转子位置传感器实时检测可再生能源发电系统中枢点电压U_rg、飞轮储能装置运行状态参数ω以及飞轮储能装置输出电压和电流，微处理根据这些信息快速计算出可再生能源发电系统需要补偿的动量和飞轮储能装置的动量状态，并计算出飞轮储能装置变压、变频控制规律和控制时间，实时控制飞轮储能装置向可再生能源发电电网注入适当的补偿动量Δ(Jω)，使电压中枢点母线电压U_rg恢复到额定电压附近。

当电网因短路、断路等原因引起电网网络结构突然发生变化时，系统为维持其广义动量守恒，U_rg也会发生相应的变化而影响供电电压质量。此时，控制系统同样根据图2中补偿动量计算结果实时调整飞轮储能装置的运行状态，向电网注入适当的补偿动量Δ(Jω)，使电压中枢点母线电压U_rg恢复到额定电压附近。

由此可见，无论可再生能源发电系统受到外部干扰还是内部网络变化扰动影响，飞轮储能装置均可实时地向可再生能源发电系统提供合适的补偿动量，对可再生能源发电系统电压进行快速、准确地调节。该方法实现了可再生能源发电系统与飞轮储能系统能量状态的合理描述、实时计算和能量交换全程控制。

Claims (3)

1.一种利用飞轮储能装置调控可再生能源发电系统的方法，其特征在于，它按如下步骤进行：

a.将带有机电能量转化系统、电能转换系统及控制系统的飞轮储能装置接入可再生能源发电系统的电压中枢点；

b.建立飞轮储能系统广义动量模型，选取飞轮的角速度ω作为广义速度，飞轮储能系统的转动惯量J即为能量惯性参数，飞轮储能系统广义动量模型为P_s＝Jω；

c.建立可再生能源发电系统广义动量模型，选择可再生能源发电系统的电压中枢点母线电压U_rg作为广义速度，等效惯性参数C_rg主要由电网的构成形式、设备参数以及电网的结线方式所决定，可再生能源发电系统广义动量模型为P_rg＝C_rgU_rg；

d.由控制系统实时检测电压中枢点母线电压U_rg、飞轮的角速度ω、飞轮储能装置输出电压和电流，计算可再生能源发电系统的等效惯性参数C_rg和飞轮储能系统的瞬时动量；

e.控制系统将实时检测的电网中枢点电压U_rg值与标准值相比较，当偏差超过允许值时，计算可再生能源发电系统相对于标准状态的动量增量Δ(C_rgU_rg)；

f.控制系统对飞轮的角速度ω进行调节，使飞轮储能装置提供的补偿动量Δ(Jω)等于可再生能源发电系统相对于标准状态的动量增量Δ(C_rgU_rg)。

2.根据权利要求1所述利用飞轮储能装置调控可再生能源发电系统的方法，其特征在于，所述可再生能源发电系统的等效惯性参数 $C_{\mathrm{rg}}=J\frac{\mathrm{d\ω}}{d{U}_{\mathrm{rg}}}\·$

3.根据权利要求1或2所述利用飞轮储能装置调控可再生能源发电系统的方法，其特征在于，所述飞轮为圆盘状飞轮，飞轮储能系统的转动惯量 $J=\frac{1}{2}\mathrm{\π\ρ}{\mathrm{hr}}^4,$ 式中，r为半径、ρ为密度、h为厚度。