基于飛輪儲(chǔ)能的新型動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的研究

摘要：提出一種基于飛輪儲(chǔ)能的新型動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)，其可對(duì)深度電壓暫降進(jìn)行補(bǔ)償；大功率、高儲(chǔ)能量的飛輪儲(chǔ)能單元成本高昂，為提高飛輪的總儲(chǔ)能量，采用飛輪儲(chǔ)能陣列，各臺(tái)飛輪儲(chǔ)能單元并聯(lián)連接于同一直流母線(xiàn)。詳細(xì)分析該系統(tǒng)的工作原理和各部分的控制策略；對(duì)飛輪儲(chǔ)能陣列運(yùn)行于放電狀態(tài)的控制策略進(jìn)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了所提拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略的可行性。
關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器；飛輪儲(chǔ)能陣列；并聯(lián)運(yùn)行；放電控制

隨著工業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，接入電力系統(tǒng)的沖擊性負(fù)荷急劇增加，電能質(zhì)量問(wèn)題變得越來(lái)越嚴(yán)重，從而造成產(chǎn)品質(zhì)量下降甚至生產(chǎn)過(guò)程中斷。根據(jù)各國(guó)學(xué)者和電力部門(mén)統(tǒng)計(jì)，在電力系統(tǒng)的各種電能質(zhì)量問(wèn)題中，電壓暫降的危害最大。目前，最有效的補(bǔ)償裝置是動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)。
傳統(tǒng)的DVR在補(bǔ)償電壓暫降時(shí)，其所需能量由并聯(lián)于所補(bǔ)償電網(wǎng)的整流器提供，缺點(diǎn)是不能補(bǔ)償深度電壓暫降。因此有學(xué)者提出由儲(chǔ)能裝置來(lái)提供能量。常見(jiàn)的儲(chǔ)能裝置有：蓄電池、超級(jí)電容、超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置以及飛輪儲(chǔ)能裝置。與其他幾種儲(chǔ)能方式相比，飛輪儲(chǔ)能具有高儲(chǔ)能量、長(zhǎng)壽命、高效率、無(wú)污染等特性。因此在飛輪電池以及工業(yè)用UPS電源等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。飛輪儲(chǔ)能是一高速旋轉(zhuǎn)的飛輪質(zhì)體作為機(jī)械能量?jī)?chǔ)存的介質(zhì)，利用電機(jī)和能量轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)來(lái)控制能量的輸入(儲(chǔ)存能)和輸出(釋放能)。目前，產(chǎn)品化的飛輪儲(chǔ)能單元最高指標(biāo)通常為儲(chǔ)能量2～5 kWh，功率250 kW，若要求更高功率、更大儲(chǔ)能量則需采用飛輪儲(chǔ)能單元并聯(lián)運(yùn)行來(lái)實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)對(duì)多臺(tái)飛輪并聯(lián)運(yùn)行的控制策略進(jìn)行了研究，提出了一種以飛輪可釋放能量為比例分配各臺(tái)飛輪儲(chǔ)能裝置輸出功率的控制策略，此控制策略會(huì)導(dǎo)致各臺(tái)并聯(lián)飛輪的充放電次數(shù)不均勻。
針對(duì)以上不足，本文提出了一種基于飛輪儲(chǔ)能的新型動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器；詳細(xì)分析了該系統(tǒng)的工作原理和各部分的控制策略；針對(duì)飛輪并聯(lián)運(yùn)行提出了一種新的放電控制策略；最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 電路拓?fù)?br /> 基于飛輪儲(chǔ)能的DVR的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖l所示，其主要由DVR變換器、濾波器、旁路開(kāi)關(guān)、串聯(lián)變壓器、變換器A、電感L和飛輪儲(chǔ)能陣列(FESA)組成。

DVR變換器、濾波器、旁路開(kāi)關(guān)和串聯(lián)變壓器一起組成串聯(lián)型電壓恢復(fù)器，變換器A和電感L構(gòu)成PWM整流器，飛輪儲(chǔ)能陣列由多臺(tái)飛輪儲(chǔ)能單元(FESU)并聯(lián)組成，飛輪儲(chǔ)能單元由飛輪變換器、永磁無(wú)刷直流電機(jī)和飛輪3部分組成。電網(wǎng)電壓正常時(shí)，飛輪處于充電狀態(tài)：在電網(wǎng)電壓發(fā)生暫降時(shí)，DVR變換器經(jīng)串聯(lián)變壓器向電網(wǎng)注入補(bǔ)償電壓，從而保證負(fù)載電壓是額定電壓。淺度電壓暫降時(shí)能量由電網(wǎng)提供；深度電壓暫降時(shí)能量由飛輪提供。
驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用三相永磁無(wú)刷直流電機(jī)，因其具有運(yùn)行可靠、免維護(hù)、高效率以及調(diào)速性能好的特點(diǎn)，其主要參數(shù)如表l所示。

2 系統(tǒng)的控制策略
2．1飛輪充電控制
飛輪的充電控制采用雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，外環(huán)是轉(zhuǎn)速環(huán)，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)。其中，速度調(diào)節(jié)器采用復(fù)合控制。在啟動(dòng)階段，希望轉(zhuǎn)速快速上升，而對(duì)控制精度要求相對(duì)較低，采用恒轉(zhuǎn)矩限流啟動(dòng)；在調(diào)速階段，采用恒功率充電模式，隨著轉(zhuǎn)速的升高，輸入電流反比減小，可以減小不平衡磁拉力對(duì)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性的影響，恒功率充電以系統(tǒng)能承受的最大功率P*為加速度功率；當(dāng)速度達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，希望有較高的穩(wěn)態(tài)精度，采用PI控制。