基于飛輪儲能的新型動態電壓恢復器的研究

摘要：提出一種基于飛輪儲能的新型動態電壓恢復器(DVR)，其可對深度電壓暫降進行補償；大功率、高儲能量的飛輪儲能單元成本高昂，為提高飛輪的總儲能量，采用飛輪儲能陣列，各臺飛輪儲能單元并聯連接于同一直流母線。詳細分析該系統的工作原理和各部分的控制策略；對飛輪儲能陣列運行于放電狀態的控制策略進行了研究，提出了一種新型的放電控制策略。最后利用Matlab／Simulink對系統進行仿真，驗證了所提拓撲結構及控制策略的可行性。
關鍵詞：動態電壓恢復器；飛輪儲能陣列；并聯運行；放電控制

隨著工業規模的不斷擴大，接入電力系統的沖擊性負荷急劇增加，電能質量問題變得越來越嚴重，從而造成產品質量下降甚至生產過程中斷。根據各國學者和電力部門統計，在電力系統的各種電能質量問題中，電壓暫降的危害最大。目前，最有效的補償裝置是動態電壓恢復器(DVR)。
傳統的DVR在補償電壓暫降時，其所需能量由并聯于所補償電網的整流器提供，缺點是不能補償深度電壓暫降。因此有學者提出由儲能裝置來提供能量。常見的儲能裝置有：蓄電池、超級電容、超導儲能裝置以及飛輪儲能裝置。與其他幾種儲能方式相比，飛輪儲能具有高儲能量、長壽命、高效率、無污染等特性。因此在飛輪電池以及工業用UPS電源等領域得到廣泛應用。飛輪儲能是一高速旋轉的飛輪質體作為機械能量儲存的介質，利用電機和能量轉換控制系統來控制能量的輸入(儲存能)和輸出(釋放能)。目前，產品化的飛輪儲能單元最高指標通常為儲能量2～5 kWh，功率250 kW，若要求更高功率、更大儲能量則需采用飛輪儲能單元并聯運行來實現。文獻對多臺飛輪并聯運行的控制策略進行了研究，提出了一種以飛輪可釋放能量為比例分配各臺飛輪儲能裝置輸出功率的控制策略，此控制策略會導致各臺并聯飛輪的充放電次數不均勻。
針對以上不足，本文提出了一種基于飛輪儲能的新型動態電壓恢復器；詳細分析了該系統的工作原理和各部分的控制策略；針對飛輪并聯運行提出了一種新的放電控制策略；最后對系統進行了仿真驗證。

1 電路拓撲
基于飛輪儲能的DVR的拓撲結構如圖l所示，其主要由DVR變換器、濾波器、旁路開關、串聯變壓器、變換器A、電感L和飛輪儲能陣列(FESA)組成。

DVR變換器、濾波器、旁路開關和串聯變壓器一起組成串聯型電壓恢復器，變換器A和電感L構成PWM整流器，飛輪儲能陣列由多臺飛輪儲能單元(FESU)并聯組成，飛輪儲能單元由飛輪變換器、永磁無刷直流電機和飛輪3部分組成。電網電壓正常時，飛輪處于充電狀態：在電網電壓發生暫降時，DVR變換器經串聯變壓器向電網注入補償電壓，從而保證負載電壓是額定電壓。淺度電壓暫降時能量由電網提供；深度電壓暫降時能量由飛輪提供。
驅動電機采用三相永磁無刷直流電機，因其具有運行可靠、免維護、高效率以及調速性能好的特點，其主要參數如表l所示。

2 系統的控制策略
2．1飛輪充電控制
飛輪的充電控制采用雙環控制結構，外環是轉速環，內環是電流環。其中，速度調節器采用復合控制。在啟動階段，希望轉速快速上升，而對控制精度要求相對較低，采用恒轉矩限流啟動；在調速階段，采用恒功率充電模式，隨著轉速的升高，輸入電流反比減小，可以減小不平衡磁拉力對轉子穩定性的影響，恒功率充電以系統能承受的最大功率P*為加速度功率；當速度達到穩態時，希望有較高的穩態精度，采用PI控制。