[发明专利]一种飞轮储能系统并网控制方法及其储能系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种飞轮储能系统并网控制方法，特别是涉及采用LCL滤波器及背靠背变流器并网的飞轮储能系统并网控制方法，以及应用此控制方法的飞轮储能系统。

背景技术

飞轮储能将能量以机械能的形式储存在高速旋转的飞轮转子中，由于其具有高功率密度、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特点，且与传统化学电池相比优势明显,已得到了国内外广泛关注。采用飞轮储能系统并网运行，可以主动调节电网有功功率，确保系统供需平衡，减少有功负荷变化、间歇性可再生能源接入电网等对系统稳定性、可靠性的影响，在电力系统调频、间歇式可再生能源发电等领域具有广阔应用前景。飞轮储能系统并网控制方法作为飞轮储能系统的关键技术之一，是飞轮储能系统成功参与电网功率调节的关键，具有重要意义。

飞轮储能系统采用背靠背双PWM变流器实现飞轮电机与电网之间的能量交换。目前，这种形式的电路结构已在具有再生反馈能力的交直交变频调速系统中已得到广泛的应用。李时杰,李耀华、陈睿等在《中国电机工程学报》2006第26卷第22期所著《背靠背变流系统中优化前馈控制策略的研究》采用背靠背双PWM变流器将电机制动时产生的能量回馈给电网，其电网侧变流器采用直流母线电压外环、电流内环,用于稳定直流母线电压；电机侧变流器采用速度外环、电流内环，用于控制电机转速。但该控制方法以电机转速为控制目标，而不是以并网功率为控制目标，不适合控制以并网功率为主要控制目标的并网飞轮储能系统。Song Xu;Haifeng Wang等人在《Proceedings of15th International Conference on Electrical Machines and Systems(ICEMS)》上所著《Simulation and analysis of back-to-back PWM converter for flywheel energy storage system》采用背靠背变流器作为飞轮电机与电网进行能量交换的接口，但当系统由放电切换到充电时，其电机侧变流器控制由直流母线电压外环切换到速度外环，控制较为复杂。

中国发明专利201110023806.9公开了一种飞轮电池充放电控制系统及控制方法,但其电网侧变换器采用不控整流电路，飞轮电池的能量不能回馈给电网，该控制方法不能实现飞轮储能系统的并网放电运行，此外，系统控制目标为直流母线电压，主要面向不间断电源应用领域，其电机侧变换器的在充电时采用速度外环控制，在放电时采用直流母线电压外环控制，在充放电切换时存在控制环路切换，控制较为复杂。美国专利US6614132B2公开了一种多飞轮储能系统，该系统中的多个飞轮储能单元共同给直流负载供电，其控制目标为直流母线电压，主要用于不间断电源领域，该控制方法也不能实现飞轮储能系统的并网运行。

同时，为了抑制飞轮储能系统注入电网电流的谐波含量,可以在背靠背双PWM变流器与电网之间串入L滤波器或LCL滤波器。与L滤波器相比，LCL滤波器由于可以较小的总电感量实现较理想的谐波抑制效果，成本优势明显，已在电压源并网逆变器中成为首选。但是,LCL滤波器是一个三阶系统,对系统的控制策略提出了更高的要求。如果直接采用典型的电网侧电流直接闭环的控制策略，系统不稳定，且不利于功率开关的保护。如果采用逆变器侧电流闭环的控制策略，该策略易于系统稳定，且可以更有效地保护功率开关，但属于间接并网电流控制，在单独进行有功功率控制时，电容支路的分流作用会降低系统功率因数。此外，如果采用含有逆变器侧电流闭环的控制策略，控制过程中会存在逆变器侧交直轴电流间的交叉耦合，需加入变流器侧电流前馈解耦控制。

发明内容

为了克服现有飞轮储能系统并网控制技术存在的并网充放电功率不恒定，以及在并网充放电切换时电机侧变流器控制需要从速度外环控制切换到电压外环控制的不足,同时为了提高飞轮储能系统并网功率因数,本发明提出一种飞轮储能系统并网控制方法，以及应用此控制方法的飞轮储能系统。本发明可以实现飞轮储能系统的恒功率、单位功率因数并网运行。

本发明所采用的技术方案是：