基于飞轮储能的新型动态电压恢复器的研究

摘要：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。
关键词：动态电压恢复器；飞轮储能阵列；并联运行；放电控制

随着工业规模的不断扩大，接入电力系统的冲击性负荷急剧增加，电能质量问题变得越来越严重，从而造成产品质量下降甚至生产过程中断。根据各国学者和电力部门统计，在电力系统的各种电能质量问题中，电压暂降的危害最大。目前，最有效的补偿装置是动态电压恢复器(DVR)。
传统的DVR在补偿电压暂降时，其所需能量由并联于所补偿电网的整流器提供，缺点是不能补偿深度电压暂降。因此有学者提出由储能装置来提供能量。常见的储能装置有：蓄电池、超级电容、超导储能装置以及飞轮储能装置。与其他几种储能方式相比，飞轮储能具有高储能量、长寿命、高效率、无污染等特性。因此在飞轮电池以及工业用UPS电源等领域得到广泛应用。飞轮储能是一高速旋转的飞轮质体作为机械能量储存的介质，利用电机和能量转换控制系统来控制能量的输入(储存能)和输出(释放能)。目前，产品化的飞轮储能单元最高指标通常为储能量2～5 kWh，功率250 kW，若要求更高功率、更大储能量则需采用飞轮储能单元并联运行来实现。文献对多台飞轮并联运行的控制策略进行了研究，提出了一种以飞轮可释放能量为比例分配各台飞轮储能装置输出功率的控制策略，此控制策略会导致各台并联飞轮的充放电次数不均匀。
针对以上不足，本文提出了一种基于飞轮储能的新型动态电压恢复器；详细分析了该系统的工作原理和各部分的控制策略；针对飞轮并联运行提出了一种新的放电控制策略；最后对系统进行了仿真验证。

1 电路拓扑
基于飞轮储能的DVR的拓扑结构如图l所示，其主要由DVR变换器、滤波器、旁路开关、串联变压器、变换器A、电感L和飞轮储能阵列(FESA)组成。

DVR变换器、滤波器、旁路开关和串联变压器一起组成串联型电压恢复器，变换器A和电感L构成PWM整流器，飞轮储能阵列由多台飞轮储能单元(FESU)并联组成，飞轮储能单元由飞轮变换器、永磁无刷直流电机和飞轮3部分组成。电网电压正常时，飞轮处于充电状态：在电网电压发生暂降时，DVR变换器经串联变压器向电网注入补偿电压，从而保证负载电压是额定电压。浅度电压暂降时能量由电网提供；深度电压暂降时能量由飞轮提供。
驱动电机采用三相永磁无刷直流电机，因其具有运行可靠、免维护、高效率以及调速性能好的特点，其主要参数如表l所示。

2 系统的控制策略
2．1飞轮充电控制
飞轮的充电控制采用双环控制结构，外环是转速环，内环是电流环。其中，速度调节器采用复合控制。在启动阶段，希望转速快速上升，而对控制精度要求相对较低，采用恒转矩限流启动；在调速阶段，采用恒功率充电模式，随着转速的升高，输入电流反比减小，可以减小不平衡磁拉力对转子稳定性的影响，恒功率充电以系统能承受的最大功率P*为加速度功率；当速度达到稳态时，希望有较高的稳态精度，采用PI控制。