飞轮储能抑制舰船综合电力系统直流母线电压波动的研究

王瑞田 付立军 纪锋 方明 胡亮灯

(海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室， 武汉 430033)

1 引言

近年来，随着科学技术的不断发展，现代舰船的电气化程度越来越高，对电力供给的依赖也越来越强。为了实现电能的统一调度和集中控制，人们在电力推进的基础上提出了舰船综合电力系统（IPS）[1]。综合电力系统主要包括发电、变配电、能量管理、电力推进等部分，而储能模块被认为是未来综合电力系统的重要组成部分之一[2]。在现有的机械储能、电磁储能、电化学储能等储能技术中，飞轮储能(Flywheel Energy Storage，FES)具有工作温度范围广、可靠性高、使用寿命长、维护费用低、环境友好等优势，已经在陆地电力系统、航空航天、新能源分布式发电等方面取得了日益广泛的应用[3,4]。

飞轮储能在综合电力系统中的主要应用：快速而准确的潮流调控；重要负载的UPS；充当高能量密度武器的脉冲电源，提供短时强脉冲电流。

在飞轮储能的控制策略方面，文献[5]根据负载功率调节储能电机的有功功率，大大减少了20 kHz高频交流配电网的电压波动；文献[6]针对新能源分布式发电系统提出了基于感应电机矢量控制的能量互补控制策略，采用模糊控制算法实现直流母线电压的自动调整，并通过模拟风力发电系统验证了其方案；文献[7]中，飞轮储能装置通过变压器串联在交流电网中，起到了动态电压恢复器（Dynamic Voltage Restorer，DVR）的作用；文献[8]采用储能发电机为脉冲负载供电，将脉冲负载与舰船电力系统电气隔离，消除了脉冲负载对电力系统的不利影响。

与陆用电力系统相比，舰船电力系统的送电距离较短，总容量小，推进模块的容量比重大。舰船综合电力系统直流网络中，具有恒功率工作特性的推进电机在启动与调速时会对直流母线电压产生很大影响。本文分析了飞轮储能电机的运行方式，根据储能电机的三种工作模式设计了储能电机的综合控制策略，并针对突加恒功率负载时舰船电力系统直流网络的电压波动问题，进行了仿真研究。

2 系统结构及飞轮储能装置的工作原理

飞轮储能装置通过能量的存储和释放，可以起到平滑母线电压的作用。在起用大容量的用电设备时，储能装置可以为舰船电站提供一定的功率储备，将存储的动能转化为电能释放到直流电网中去。在突卸大容量用电设备时，储能装置从电网吸收能量，转化为飞轮的动能。因此，飞轮储能装置可以有效减少舰船综合电力系统电压波动，满足舰船电力系统在各种工况下对电力品质的要求。图1为具有飞轮储能装置的典型直流网络结构图。

3 储能装置的控制策略

3.1 储能装置运行特性分析

本系统中储能电机选取三相异步感应电机。

根据机械能与电能之间的转换关系，储能电机有三种工作状态：储能、释能、保持。储能状态下，电机作电动机运行，拖动飞轮加速，电能转化为机械能，从电网吸收能量；释能状态下，电机作发电机运行，飞轮转动惯量大，拖动电机转子旋转，随着飞轮转速下降，机械能转化为电能，向电网馈送能量；保持状态下，电机作电动机运行，飞轮转速保持不变，从电网吸收能量补充定转子铜耗、铁耗、以及杂散损耗，使得飞轮长时间存储额定设计的机械能。

图1 典型直流网络结构图

飞轮储能装置应用于舰船综合电力系统中，为减少直流母线的电压波动，需要有三种工作模式：启动、保持、调节。启动模式时，电机由静止拖动飞轮加速，直到飞轮达到额定设计的转速为止，电机工作在储能状态；保持模式时，飞轮转速保持不变，存储额定设计的能量持续运行，电机工作在保持状态；当电网功率流动不平衡以致电压波动较大时，储能电机由保持模式进入调节模式，通过快速控制感应电机的功率，从而控制飞轮与电网间能量的流动，调节母线电压，此时需要在储能、释能两种工作状态下动态切换。图 2为储能电机工作状态与工作模式切换示意图。其中，启动模式和保持模式需要对电机转速进行控制，而调节模式需要控制储能电机功率。

图2 储能电机工作状态与工作模式切换示意图

3.2 储能电机的转速控制

系统采用转子磁场定向矢量控制技术来控制转速。储能电机转速控制系统框图如图3所示[9]。

3.走技术进步之路。“科学发展观”的第一要义是发展，而技术进步是采油矿实现又好又快发展的坚定基石。为此，我们需要坚持在继承中发扬、在积累中提升的工作思路，大力实施科技兴油战略，始终以技术进步为重点，完善科技管理体系，加大科技投入，建立科技人才和特殊贡献激励机制，不断提高技术创新创效能力。同时，在自主开发的基础上，广泛应用新工艺、新技术，在滚动勘探、三次采油、稠油热采等方面力求实现新的突破，走出一条依靠科技进步提高开发水平的新路子。

图中转速控制器的观测量为飞轮转速，输出量为转矩指令T*e。采用PI控制。

图3 储能电机转速控制系统框图

3.3 储能电机的功率控制

图1中，直流电网输送的功率为

电网间的功率平衡关系为[5]

式中：PNet：直流电网输送功率；PFESS：储能电机的功率；PLOAD：负载功率；PLOSS：系统总损耗。

直流母线电压Udc会随着系统功率流动的变化而波动。当Udc降低至一定程度时，储能电机应作发电机减速运行，向电网馈送能量，此时PFESS＜0；当Udc升高至一定程度时，储能电机应作电动机加速运行，从电网吸收能量，此时PFESS＞0。通过控制储能电机的功率PFESS，实现舰船电网与飞轮储能装置间功率的双向流动，可以补偿发电和用电功率之间的不平衡，增大系统阻尼，从而抑制系统电压的波动。

根据

储能电机的转速ωm可以测量得到，通过控制储能电机的电磁转矩Te可以控制PFESS。

图4 储能电机的功率控制系统框图

4 仿真模型及结果分析

为验证储能装置控制策略的正确性，在PSCAD/EMTDC中分别对转速控制、功率控制进行仿真研究。简化直流网络仿真模型如图5所示，其中恒功率负载采用受控电流源实现。

4.1 储能装置的转速控制

转速给定值如式(4)所示

仿真波形如图6所示。图中Ngive为转速给定值；Nm为储能电机转速；Teref为转矩给定值；Te为储能电机转矩。

(1) 启动工作模式(4～12 s)

储能电机从4 s开始加速储能，储能电机从电网中吸收有功功率和无功功率。

(2) 保持工作模式(12～30 s)

当储能电机到达额定转速后，由启动切换至保持工作模式，储能电机处于空载运行状态，此时电机只需从电网中吸收少量的有功功率维持恒定转速。

4.2 储能装置的功率控制

为了对比说明储能装置对舰船电力系统电压波动的影响，设置以下两种情况：

A）储能装置不投入工作。系统在t=17 s时，突加6.0 kW恒功率负载，而后t=17.3 s时将此负载切除。直流母线的电压波形如图7示，图中可以看到，母线电压上下波动，幅值达到±14.8%。

B）储能装置投入工作。t=17 s时，在直流母线上突加6.0 kW恒功率负载，并在t=17.3 s时卸载。仿真结果如图8所示，Pmotor、Qmotor分别为储能电机入口侧的有功功率和无功功率。在此过程中，储能装置由保持工作模式进入调节工作模式，在储能装置的调节作用下，直流母线电压波动范围被控制在±3.7%以内；储能电机的转速由稳态时的1314 rpm降到1254 rpm。储能装置向直流母线回馈有功功率的峰值达到3.7 kW，瞬态过程结束后，储能装置从电网吸收能量，由调节工作模式过渡至保持工作模式。

由仿真结果对比可知，储能装置投入工作后，突加突卸恒功率负载所引起的直流母线电压波动大大减小。

图5 简化综合电力系统直流网络的PSCAD仿真模型

图6 储能电机的转速控制仿真波形

图7 储能装置不投入工作时直流母线电压波形

图8 储能装置投入工作时仿真波形

5 结束语

本文在分析储能电机运行方式的基础上，根据储能电机的三种工作模式设计了飞轮储能装置的综合控制策略，并针对突加恒功率负载时舰船综合电力系统直流网络的电压波动问题，在PSCAD/EMTDC中进行了仿真研究。研究表明，基于矢量控制的储能装置在三种工作模式下可以平滑快速切换，有效减小了直流母线电压暂态过程时的波动，提高了电能质量。

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[5] Alan I, Lipo T A. Induction Machine Based Flywheel Energy Storage System[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2003, 39(1):161-163.

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[7] Satish Samineni, B K Johnson, H L Hess. Modeling and Analysis of a Flywheel Energy Storage System for Voltage Sag Correction[C]. IEEE International Electronic Machines and Drives Conference, 2003:1813-1818.

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[9] 陈伯时. 电力拖动自动控制系统(第3版)[M].北京：机械工业出版社，2005.