MW级飞轮阵列在新能源场站一次调频中的应用

针对新能源场站一次调频技术的迫切需求,本工作研究了MW级飞轮阵列在此场景下的创新应用,设计了飞轮储能阵列系统集成接入方案,提出了飞轮储能阵列参与新能源场站一次调频控制策略,并在新能源场站主变低压侧(35 kV)独立接入了一套5 MW/175 kWh的飞轮阵列系统。为了全面验证该方案的可行性与性能优势,本工作实施了一系列的试验测试,涵盖单机充放电快速切换、频率阶跃扰动响应、防扰动性能校验以及一次调频死区测试等多个维度的工况试验。此外,结合现场长期运行的实时监测数据,综合分析表明,采用MW级飞轮阵列显著增强了新能源场站的一次调频能力,提高了系统响应速度。

飞轮阵列储能系统的研究

飞轮储能系统将能量储存在高速旋转的飞轮转子中,具有高功率密度、无环境污染、使用寿命长、运行温度范围广、充放电次数无限制等优点,已获得了广泛的应用。将多台模块化的飞轮储能单元并联起来组成飞轮阵列储能系统,是获得大容量、高功率储能的解决方案。文章首先论述了飞轮阵列储能系统的国内外发展现状与要解决的关键问题,然后详细给出了飞轮阵列储能系统的设计方法、并联拓扑结构与控制策略。随着飞轮储能单元并联技术的逐渐成熟,飞轮阵列储能系统应用领域将逐步扩展到电力系统调频、间歇式可再生能源发电等领域,并将在提高电网对可再生能源的接纳能力等方面发挥重要作用。

基于粒子群算法的飞轮阵列协调控制策略

针对飞轮阵列储能系统中各个单体的功率分配问题,提出一种兼顾飞轮阵列效率与飞轮单体能量均衡的协调控制策略。首先对飞轮阵列储能系统的损耗优化问题建立数学模型,然后采用带等式约束的时变权重的粒子群优化算法,对阵列的运行效率进行优化。由于不同飞轮的效率曲线不同,在效率优化过程中,各个飞轮单体分配到的输出功率可能会出现较大差异,导致阵列单体间剩余能量出现较大的不平衡。该文提出对不同剩余能量的飞轮单体采取不同功率分配策略的方式,令剩余容量高的单体额定功率工作,剩余容量低的单体不工作,而剩余容量中等的单体采用上述粒子群优化算法实现效率优化。与传统的飞轮阵列功率分配策略相比,这种基于分组的粒子群算法可以协调飞轮单体的剩余能量均衡与系统的运行效率之间的关系,在保证阵列保持高效率运行的同时,避免系统中各个单体之间剩余能量出现较大差异。最后在Matlab/Simulink中建立仿真模型验证了算法的正确性。

基于磁悬浮储能飞轮阵列的地铁直流电能循环利用系统及实验研究

针对轨道交通再生制动能量问题,本文开展基于磁悬浮飞轮阵列储能型制动能回收节能系统研究。通过分析牵引供电系统结构,分别对列车进站的制动方式和能耗特性进行了分析,并给出了增加储能装置前后的耗能对比情况。在此基础上,设计一种基于飞轮储能阵列的直流电能循环利用系统,可实现车辆进站制动能量的快速吸收和出站时的功率补偿,通过对飞轮阵列关键指标进行论证,确定了飞轮并联方案和容量配置。最后,搭建了飞轮阵列储能实验系统,通过飞轮对拖充放电控制和性能测试验证了系统的有效性,为城市轨道交通再生制动能量的回收和节能奠定基础。

MW级飞轮阵列在风光储能基地示范应用

针对风光等新能源对短时高频次储能的需求,本文开展了MW级飞轮阵列在风光储能基地示范应用研究。基于飞轮储能阵列的系统组成、工作原理和拓扑结构,首先开展了飞轮储能阵列系统设计,并在此基础上对风光储能基地增加飞轮阵列方案进行介绍。最后,基于搭建的飞轮阵列系统,分别于天津和青海风光储能基地开展了实验测试。测试结果表明:经过上千次的充放电循环,飞轮阵列系统运行稳定、可靠,其功率、容量和响应速度等均具有显著优势,为参与新能源调频任务奠定基础。

飞轮储能阵列系统协调控制方法综述

因受材料、成本和技术等因素制约,提高单个飞轮储能装置的容量较为困难,难以满足长时间大功率的需求。对此提出使用飞轮阵列来提高飞轮系统的总储能容量,进而降低装置的研发和生产成本。对于飞轮阵列储能系统,研究各储能单元协调控制、相互配合的控制策略是实现阵列高效、安全运行的解决方案。从飞轮储能阵列系统拓扑结构、协调控制策略及协调控制算法进行全面的综述。从飞轮储能阵列不同并网拓扑结构出发,探讨了适用于直流母线并联和交流母线并联对应的功率分配控制策略;随后以飞轮储能阵列并行接入电网为切入点,分别对集中式、主从式与分布式协调控制算法进行比较研究和归纳总结,重点评述了分布式一致性算法优势,并在此基础上进一步总结基于智能算法高效率求解的功率分配控制策略。最后,指出了飞轮储能阵列系统并网运行协调控制面临的挑战。

辅助核电机组一次调频的飞轮储能阵列容量配置方法

针对核电机组一次调频能力不足的问题,采用飞轮储能阵列来辅助核电机组进行一次调频。首先,建立额定功率为1 MW、储存电量为250 kW·h的飞轮储能单元模型和额定功率4 MW、储存电量1 MW·h飞轮储能阵列,并分析其充放电特性;其次,基于粒子滤波方法,以提升核电机组一次调频积分电量贡献指数2倍为目标,提出了一种飞轮储能阵列容量配置方法;最后,根据某装机容量为1 250 MW的核电机组历史运行数据,通过仿真验证所提出的飞轮储能阵列容量配置方法。结果表明:与采用集合经验模态分解(EEMD)方法的飞轮储能阵列容量配置方法相比,基于粒子滤波方法的飞轮储能阵列容量配置方法具有更好的调频效果。

用于风电功率平滑的飞轮储能阵列协调控制策略

建立了飞轮储能阵列数学模型,分析了储能系统等电量分配功率和按转速分配功率的协调控制策略的优缺点,提出了基于荷电状态的优化型飞轮阵列控制策略,较好地解决了风电输出功率的平滑性问题,基本达到了削峰填谷的目的,保证了电能质量。通过数字化仿真软件MATLAB进行模拟仿真,验证了所提控制策略的有效性。

飞轮储能技术在断路器动态特性检测中的应用

在地铁列车断路器动态特性检测中,引入飞轮储能系统能够有效回收列车再生制动能量,稳定断路器开关动作电压,但单飞轮储能系统容量较小,难以满足列车再生制动能量利用需求,飞轮储能阵列(FESA)是解决这一问题的有效手段.首先,分析飞轮储能系统的数学模型和运行特性;然后,考虑稳压节能及弱磁需求,给出基于多电压阈值的单飞轮储能系统控制策略,并在此基础上针对飞轮阵列均速控制和工作模式管理等核心问题,提出基于转差修正控制和基于“电压-转速-电流”三闭环控制的两种飞轮储能阵列控制策略;最后,通过仿真和实验验证飞轮储能阵列控制策略的可行性.

飞轮储能阵列直流母线并联放电控制系统设计

为获取更大的储能容量,针对面向UPS应用的飞轮阵列储能系统,采用直流母线并联方式,给出了系统电路拓扑结构,对比分析了几种放电控制策略和逆变电源并机控制方式的优缺点,最终确定了等转矩放电控制和主从控制模式的并联方案。为验证方案的有效性,搭建了由2套电机对拖平台构成的模拟飞轮阵列试验平台。试验结果表明,该方案简单可行。

用于风电功率平抑的飞轮储能阵列功率协调控制策略

风电输出功率存在随机性和波动性的问题,使得电网调频难度加大。采用飞轮储能匹配风电的形式可以减小其功率波动,提高并网能力。以交流母线并联的飞轮储能阵列为研究对象,首先针对现有功率分配策略中存在的问题,提出一种考虑功率分配上限和能使各单元荷电状态(SOC)趋于一致的功率协调控制策略。同时为保证功率控制精度和储能系统的响应速度,采用对储能阵列进行分层分组控制的方法。然后建立了飞轮储能单元功率跟随控制模型和飞轮储能阵列功率控制模型,并通过一组飞轮储能单元的充放电仿真验证了所提协调控制策略的可行性和优势。最后基于飞轮储能实时补偿风电功率中高频成分的方法来平滑风电输出功率的波动。采用2 MW的飞轮储能阵列匹配10 MW风电,其中2 MW飞轮储能阵列由8台250 kW/50(kW·h)飞轮储能单元组成,10 MW风电由5台2 MW风电机组组成。飞轮储能阵列采用仿真模型,风电输出功率采用200 min的实测运行机组的数据。仿真结果验证了所提出的控制策略和分层分组控制方法的有效性,也表明了飞轮储能匹配风电可以显著降低风电功率的波动量,且能满足国家相关标准(GB/T 19963—2011)的要求。

针对并网型风储微网的飞轮储能阵列系统控制方法

由于新能源发电存在波动性和间歇性,其大量接入时会给电网运行带来新的困难,而利用储能技术提高新能源的可调度性是当前研究的热点。为缓解新能源并网对电力系统的不良影响,针对并网型风储微网提出了一种基于飞轮储能阵列系统的分层优化控制方法,上层优化中心根据功率缺额和各台飞轮的转速建立相应充/放电优化模型,并求解相应飞轮的功率参考值;下层飞轮控制器采用双模双环控制方法,实现飞轮转速和输出功率的控制,最后通过MATLAB/Simulink仿真验证了所提控制方法的有效性和可行性。

城轨交通用飞轮储能阵列控制策略

在城市轨道交通供电系统中引入飞轮储能系统能够有效回收列车再生制动能量,稳定直流接触网电压,但是单飞轮储能系统容量较小,难以满足列车再生制动能量利用需求。飞轮储能阵列是解决这一问题的有效手段,然而目前对飞轮储能阵列控制策略的研究还较少。该文首先分析飞轮储能系统的数学模型和运行特性;然后考虑稳压节能及弱磁需求,给出基于多电压阈值的单飞轮储能系统控制策略;并在此基础上针对飞轮阵列均速控制和荷电状态(SOC)管理等核心问题,提出基于转差修正控制和基于"电压-转速-电流"三闭环控制的两种飞轮储能阵列控制策略;最后通过仿真和实验验证了飞轮储能阵列控制策略的可行性。

微电网飞轮储能阵列协调控制策略研究

本文研究了并联到同一直流母线的飞轮储能阵列协调控制策略,对经典的3种功率控制策略下的荷电状态(SOC)变化率进行了推导和分析,提出改进系数的下垂控制策略,同时针对微网电压低、阻抗小引起的静态误差控制问题,采取引入虚拟阻抗的改进系数下垂控制策略进行补偿,从而改善了系统功率分配精度。最后建立了含风电场的微电网模型,仿真验证上述控制策略的有效性。

基于飞轮储能阵列系统的分布式协调控制策略

针对光伏发电的波动性和随机性,提出一种基于一致性算法的分布式协调控制策略,同时加入最大功率约束,防止飞轮单元发生功率越限,利用飞轮储能阵列系统配合光伏发电,实现光伏飞轮联合系统依照调度计划输出。该策略不依赖于中央控制器或"领导者"单元,各飞轮单元只需与相邻飞轮单元交换信息即可实现功率协调分配,而各单元控制器则按照所分配功率指令控制其充放电,仿真结果表明了该控制策略的有效性和可行性。

基于飞轮储能阵列的岸桥微网控制系统建模分析

针对港口岸桥负荷冲击对发电机组的影响,开展基于磁悬浮飞轮储能阵列的岸桥微网控制系统研究。采用飞轮阵列快速储能和释能优势,用于平抑岸桥负荷冲击,保持发电机组的理想加减载运行需求。介绍了微网控制系统组成和飞轮阵列充放电原理,给出了飞轮单机系统模型。在分析岸桥负荷特性和发电机组的加减载特性基础上,针对飞轮阵列系统的容量配置和控制策略进行了设计,提出了一种基于飞轮剩余电量和发电机组预期加载特性的飞轮充放电控制功率计算方法。以实际岸桥运行数据为依据进行了仿真分析,结果表明,该岸桥微网控制系统可长期稳定运行,飞轮阵列能有效平抑岸桥负荷的功率冲击。为了验证了飞轮阵列的协同控制特性,进行了飞轮对拖充放电实验测试,结果表明,飞轮阵列的响应特性、容量和功率均能满足岸桥微网系统设计需求。

用于平抑风电波动的飞轮储能阵列容量配置方法

随着我国风力发电的快速发展,风电输出功率的随机性和波动性使得电网调频难度加大,为解决此问题,可采用大容量高功率飞轮储能系统进行平抑,因此亟需研究飞轮储能阵列的容量配置方法,增大系统的利用率并降低初始投资成本。通过建立250 kW/50(kW·h)大容量高功率飞轮储能单元模型,引入相应单元以及阵列控制策略。基于低通滤波方法,在考虑储能阵列的充放电效率以及荷电状态的条件下对储能阵列容量配置计算进行了研究。针对容量配置过程中由于充放电效率而引发的容量配置过大的问题,提出了一种电量调节控制策略,以及一种飞轮储能阵列容量配置方法,通过调整充放电功率指令,减少储能单元数量,实现储能阵列利用率的增大并降低初始投资成本。以储能配置不超过风电场装机容量的20%为约束条件,针对山东某风电场实际输出功率数据,仿真验证了本文提出的飞轮储能阵列容量配置方法。

基于飞轮储能的新型动态电压恢复器的研究

提出一种基于飞轮储能的新型动态电压恢复器(DVR),其可对深度电压暂降进行补偿;大功率、高储能量的飞轮储能单元成本高昂,为提高飞轮的总储能量,采用飞轮储能阵列,各台飞轮储能单元并联连接于同一直流母线。详细分析该系统的工作原理和各部分的控制策略;对飞轮储能阵列运行于放电状态的控制策略进行了研究,提出了一种新型的放电控制策略。最后利用Matlab/Simulink对系统进行仿真,验证了所提拓扑结构及控制策略的可行性。

基于模型预测算法的网侧改进直接功率控制策略研究

为了改善飞轮储能阵列系统网侧变换器在充放电模式下的稳态性能、减少网侧三相电流的谐波含量、加快系统的动态响应,以三相两电平电压型变换器为研究对象,提出了一种基于模型预测算法的网侧变换器改进直接功率控制策略。首先建立了网侧功率预测模型,然后根据上述预测模型计算出了相应的交流侧参考输出电压以使下一采样周期中的功率偏差为零,最后经空间矢量脉宽调制模块生成开关信号控制网侧变换器。此外,该策略采用了直流母线电压平方的外环结构,控制目标是迅速稳定直流母线电压。同时在PSCAD/EMTDC仿真平台对所提控制策略进行了验证。结果表明:与传统直接功率控制策略相比,所提控制策略不仅稳态性能优越、电能质量与预期相符,而且动态响应迅速。