基于模糊控制的光伏飞轮储能系统有功平滑控制_马骏毅

１．３ 光 储 联 合 发 电 系 统 结 构
图３为光储联合发电系统的典型结构。该系
统主要由发电单元光伏和储能单元飞轮构成。光
伏将可再生能源 太 、飞 轮 储 能 系 统 释 放 或 吸 收 电 能 ，以 达 到 平
衡负荷和调节能量的目的。
输出电流带来了 附 加 损 耗，同 时 还 受 最 差 光 伏 电
池单元及电气绝缘和电池热膨胀效应等因素的影
收 稿 日 期 ：２０１２－１０－１６，修 回 日 期 ：２０１２－１２－１０ 基 金 项 目 ：国家自然科学基金资助项目（５１２７７０５２，５１１０７０３２，６１１０４０４５）；中央高校基本科研业务费基金资助项目（Ｂ１２０２００３５） 作 者 简 介 ：马 骏 毅 （１９８７－），男 ，硕 士 研 究 生 ，研 究 方 向 为 新 能 源 并 网 及 储 能 技 术 ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｕｎｙｉｍａ１９８７＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｍ 通讯作者：卫志农（１９６２－），男，教 授、博 导，研 究 方 向 为 电 力 系 统 运 行 分 析 与 控 制 、输 配 电 系 统 自 动 化 等，Ｅ－ｍａｉｌ： ｗｚｎ＿ｎｊ＠２６３．ｃｏｍ
低通滤波器是仅容许低于截止频率的信号通 过的电子滤波装置［１１］，利用 低 通 滤 波 器 良 好 的 过 滤谐波特性，可将 其 用 于 过 滤 光 伏 发 电 等 新 能 源 中的高频功率。图４为光储联合发电系统的功率 流动情况。由图 可 知，光 伏 发 电 产 生 的 电 能 在 飞 轮储能系统的调节下，经整流／逆变 器 和 ＬＣ 过 滤 器 ，最 终 流 向 电 网 或 小 型 工 业 负 荷 。
第 ３１ 卷 第 ３ 期
马 骏 毅 等 ：基 于 模 糊 控 制 的 光 伏 飞 轮 储 能 系 统 有 功 平 滑 控 制
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（３）模糊 控 制 规 则 和 模 糊 推 理。 所 谓 模 糊 控
制规则，实质上就 是 将 操 作 者 在 控 制 过 程 中 的 实
践经验加以总结而得到的若干模糊条件语句的集
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水 电 能 源 科 学 ２０１３ 年
响［９］，因此综合考虑所 有 的 功 率 损 失，光伏发电系 统日照强度与实际发电量的比率仅为１０∶１～１２∶１， 即ηＰＶ ＝８．３３％ ～１０．００％ 。 １．２ 飞 轮 储 能 特 性
Ｊ ＝ ＭＲ２／２
（６）
式中，Ｍ 为飞轮转 子 质 量；Ｒ 为 飞 轮 转 子 的 最 大
半径。
１．２．２ 飞 轮 储 能 系 统 的 功 率 特 性 飞轮储能系统的功率Ｐ 为：
Ｐ ＝ ｄＥ／ｄｔ
（７）
根 据 式 （４）、（７）可 得 ：
Ｐ ＝ ｄＥ／ｄｔ＝ ｄ（Ｊω２／２）／ｄｔ＝Ｊωｄω／ｄｔ （８）
太阳能电池方阵总的输出功率为：
ＰＭ ＝ ＭＡηＰＶ
（１）
其中
ηＰＶ ＝ Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎ
（２）
式中，Ｍ 为 太 阳 能 电 池 方 阵 的 电 池 组 件 个 数；Ａ
为每个组件的面积；ηＰＶ为每 个 组 件 的 光 电 转 换 效 率，是指在太阳能 光 伏 系 统 中 太 阳 能 电 池 板 将 太
飞轮储能系统可释放或储存的能量Ｅ 为：
Ｅ ＝Ｊω２／２－Ｊω２Ｌ／２
（４）
式中，ωＬ 为飞轮储能系统在 充 放 电 循 环 中 设 定 的 最低转速。若将额 定 最 低 转 速 ωＬ 设 定 为 额 定 最 高 转速ωＨ 的１／２，则当ω＝ωＨ 时飞轮达到设计的 最大储能量 Ｅｍａｘ为：
Ｅｍａｘ ＝Ｊ（２ωＬ）２／２－Ｊω２Ｌ／２＝３Ｊω２Ｌ／２ （５）
光伏飞轮储能系统有功平滑控 制，利 用 Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 平 台，通 过 算 例 仿 真 分 析 了 光 伏 飞 轮 储 能 系 统 的 飞
轮转速、功率输出状况及平滑系数，并与无飞轮储能、简 单 飞 轮 储 能 两 种 装 置 进 行 了 比 较。结 果 表 明，基 于 模
糊控制的光伏飞轮储能系统有功平滑控制方法较大程度 地 减 小 了 平 滑 系 数、有 效 提 高 了 功 率 的 平 滑 输 出、减
小 了 对 电 网 的 冲 击 ，验 证 了 模 糊 控 制 的 有 效 性 和 可 行 性 。
关 键 词 ：光 伏 发 电 ；飞 轮 储 能 ；模 糊 控 制 ；平 滑 系 数 ；有 功 功 率 平 滑
中 图 分 类 号 ：ＴＭ７４３
文 献 标 志 码 ：Ａ
光伏发电自身的间歇性和随机性带来的功率 波动对电力系统 的 冲 击 越 来 越 突 出，不 仅 影 响 了 电能质量，甚 至 会 影 响 电 力 系 统 的 稳 定 性。 为 平 抑功率波动，将储 能 应 用 于 间 歇 式 电 源 是 一 种 理 想的解决方 案。 飞 轮 储 能 系 统 是 ［１］ 由 高 速 飞 轮、 磁轴承系统、永 磁 电 动／发 电 机、能 量 转 换 控 制 系 统及附加设备 组 成［２］，它 是 以 高 速 旋 转 的 飞 轮 质 体作为机械能量 储 存 的 介 质，利 用 电 动 发 电 机 和 能量转换控制系统来控制能量的输入和输出以达 到充电和放电的 目 的，它 充 分 利 用 了 光 伏 发 电 的 互补性及飞轮储 能 元 件 调 节 功 率 的 特 性，可 使 储 能系统的总输出 有 功 功 率 保 持 相 对 平 稳，从 而 可 减 小 功 率 波 动 、提 高 电 能 质 量 ，进 而 降 低 对 电 网 的 冲击 。 ［３］ 光伏飞轮储能系统的控制策略直接 影 响 其有功功率特性，但 已 有 研 究 主 要 定 位 于 平 衡 功 率，即采用常规算法分析 减 小 功 率 波 动［４～６］，并 未 采 用 智 能 算 法 优 化 功率 输 出。 为 此，本 文 考 虑 控 制 策略对有功 功 率 波 动 的 影 响，提 出 一 种 基 于 模 糊 控 制的光伏飞 轮 储 能 系 统 有 功 平 滑 控 制，应 用 平 滑 系 数Ｓ 来判别功率波动，衡量总输出功率特性，并通过 实例仿真验证了所提控制方法的有效性和可行性。
第３１卷 第３期 ２ ０ １ ３ 年 ３ 月
文 章 编 号 ：１０００－７７０９（２０１３）０３－０１５９－０５
水 电 能 源 科 学 Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ
Ｖｏｌ．３１ Ｎｏ．３ Ｍａｒ．２ ０ １ ３
基于模糊控制的光伏飞轮储能系统有功平滑控制
马 骏 毅１，卫 志 农１，汤 同 峰２，李 瑞 洲２，景 巍 巍２，袁 阳１，孙 永 辉１，孙 国 强１
提高飞轮转速ω 是增加飞轮储能量的最有效 手 段 ，但 大 功 率 高 速 飞 轮 储 能 系 统 造 价 很 昂 贵 ，因
此在工程中以 １０ ０００ｒｐｍ 以 下 的 钢 转 子 飞 轮 储 能为主。此外，可 通 过 增 大 飞 轮 转 子 的 转 动 惯 量
Ｊ 来提高飞轮储能量，对均匀的圆柱体飞轮，有：
踪控制（ＭＰＰＴ）输 出 光 伏 发 电 的 相 应 功 率 曲 线，
然后飞轮储能系统采用功率控制器调节平抑光伏
发电的功率值波 动，最 后 通 过 交 直 流 母 线 控 制 整
流／逆 变 器 使 光 储 联 合 发 电 系 统 输 出 期 望 的 功 率
曲线。假设 Ｐｒｅｇ为 从 光 储 系 统 期 望 得 到 的 功 率， 而 Ｐｓｆ为光伏发电产生的有功功率，则从飞轮储 能 系统和直流 母 线 间 的 参 考 功 率 交 换 Ｐｒｅｆ（正 为 吸 收 功 率 ，负 为 释 放 功 率 ）为 ：
１ 光伏飞轮储能系统
１．１ 光 伏 发 电 特 性
光伏发电的有功功率特性主要取决于太阳日 照强 度，一 天 内 总 体 表 现 为 白 天 较 大、晚 上 较 小， 且白天易受云层及天气因素影响导致一些剧烈快速 的波动产生。图１为实测的太阳日照强度数据［７］。
图 １ 日 照 强 度 曲 线
Ｆｉｇ．１ Ｓｕｎｌｉｇｈｔ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｃｕｒｖｅ
飞轮储能技术 利 用 现 代 功 率 电 子 技 术，将 工 频电网提供的电能经功率电子变换器驱动电机带 动飞轮高速旋转，使 电 能 以 动 能 的 形 式 将 能 量 储 存起来，当能量 紧 急 缺 乏 或 需 要 时 再 将 飞 轮 的 动 能转化为电能释放出来［１０］。其能量示意图见图２。
图 ３ 光 储 联 合 发 电 系 统 结 构 Ｆｉｇ．３ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｓｏｌａｒ ｓｔｏｒａｇｅ ｃｏｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ
图 ４ 光 储 联 合 发 电 系 统 的 功 率 流 Ｆｉｇ．４ Ｐｏｗｅｒ ｆｌｏｗ ｏｆ ｓｏｌａｒ ｓｔｏｒａｇｅ ｃｏｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ
２．１ 不 计 及 飞 轮 转 速 的 直 接 能 量 控 制
图５（ａ）为 不 计 及 飞 轮 转 速 的 直 接 能 量 控 制
策略。图中，ＩＰＶ、ＵＰＶ分别为光伏阵列 输 出 的 电 流 与电压；Ｕｄｃ为直流侧电压；Ｕ１２为 电 网 侧 １、２ 相 之 间的线电压；Ｕ１３为 电 网 侧 １、３ 相 之 间 的 线 电 压； Ｉｇ１、Ｉｇ２分别为电网侧１、２ 相 电 流；Ω 为 飞 轮 转 速。 由图可知，首先光 伏 阵 列 通 过 最 大 功 率 点 闭 环 跟
Ｐｒｅｆ＝Ｐｒｅｇ－Ｐｓｆ
（９）
２．２ 计 及 飞 轮 转 速 的 间 接 能 量 控 制
模糊控制为一种不基于被控对象精确数学模
型 的 智 能 控 制 方 法 ，具 有 控 制 速 度 快 、鲁 棒 性 好 等
优点。将飞轮转速与经 ＬＣ 低通滤波器 得 到 的 功
率 Ｐｓｆ作为模糊控制输入量，通过模糊规则和解 模 糊，可 得 到 较 为 理 想 的 功 率 输 出，有 利 于 削 峰 填
图 ５ 能 量 控 制 图 Ｆｉｇ．５ Ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｔｒｏｌ
谷、平衡 负 荷。 因 此，本 文 在 原 控 制 策 略 的 基 础 上 ，将 控 制 器 替 换 为 模 糊 控 制 ，得 到 了 计 及 飞 轮 转 速 的 间 接 能 量 控 制 策 略 ，见 图 ５（ｂ）。