第 1 章 绪论
1.1 课题的研究背景和意义
1.1.1 我国风电发展的现状和趋势
能源与世界经济的发展息息相关，可以说整个人类社会的发展都建立在能源基础之上。风能作为一种清洁的可再生能源，储量极为丰富，最具开发规模和应用发展前景。我国幅员辽阔，风能资源十分丰富，主要集中在“三北”和东南沿海地区。据中国气象局 2014 年底公布的风能资源评估数据显示，我国陆地 70 米高度风功率密度达到 150 瓦/平方米以上的风能资源可开发量高达 72 亿千瓦，达到 200 瓦/平方米以上的风能资源可开发量高达 50 亿千瓦[1]。合理开发利用风能资源，对于我国意义重大。
实现风能资源开发利用的最有效方式是风电并网发电。近年来，我国风电事业得到了国家的大力支持，发展迅速，早在 2010 年我国就已经成为世界上风电发电量最大的国家。2013 年，我国新增风电机组装机容量已经达到 16088MW，占世界新增风电机组装机容量的 45.6%，居世界第一位[2]。如图 1.1 所示。据国家能源局 2015 年的统计数据显示，2015 年上半年我国非化石能源发电量同比增长 16.0%，约占全国总发电量的22.9%，其中风电新增并网装机容量达到916万千瓦，累计并网装机容量达到10553万千瓦，同比增长 27.6%。风电发电量已经连续 3 年超过核电，成为名副其实的第三大主力电源。
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1.2 储能技术的概述
1.2.1 储能技术对新能源产业的影响
储能技术是伴随着新能源产业和现代电力系统的发展而逐渐发展起来的。传统电能输送长期以来以一种简单、单向的方式从生产端输往用户端，导致电力系统的经济性、效率和安全性受到很大的限制。在现代电力领域中，利用储能技术可以在电能富余的时候将电能转换后存储起来，在需要时再释放出来，从而解决电能供求在时间上和强度上的不匹配问题，提高能源体系的利用效率和供电灵活性。可以说储能技术极大地改善了电力系统的运行和管理模式，促进了可再生能源如风能、太阳能发电的发展。随着能源危机和环境污染问题的日益突出，储能技术的研究逐渐得到重视，其大规模应用必将对现代化的能源生产、输送、分配和利用产生深远影响。
1.2.2 储能技术的分类及其应用
不同的应用领域对储能技术的要求也有所不同。目前来看，铅酸电池技术在储能领域中应用最为广泛，钠硫电池在电网调峰和风电并网领域的应用比例最高，锂离子电池技术除了在电网调峰和新能源并网领域占有相当大的比例外，在电网调频方面的表现也非常突出。化学电池储能可靠性虽然较高，但其也存在着循环寿命短、不可深度放电及运行维护费用高等固有缺陷。飞轮储能和化学电池储能同样具备瞬时动态调节能力，在调频和抑制功率波动方面也有一些应用，但是由于造价过高，现在应用规模仍然较小。在大容量储能技术中，抽水储能和压缩空气储能比较成熟，运用也较多。从储能装置的功能特性上看，飞轮储能、化学电池储能、超级电容储能以及超导储能具有较高的功率密度和较快的响应速度，能为含风电的电力系统提供瞬时功率支持，常用来提高电能质量和系统稳定性。抽水储能和压缩空气储能储能容量大，但是响应速度比较慢，在电力领域主要用于电网能量管理。
总体来说，在实际运用中只靠一种储能技术很难同时满足各种指标要求，市场上的储能技术虽然多达十几种，但是它们都有各自的优点和缺陷，当前并没有一种技术在成本、安全、稳定性等各项指标上占有明显优势，而关键材料研制、产品制造工艺、安全可靠性能则是各种储能技术共同面临的难题。在电力领域中，将两种或两种以上的储能技术相互结合，组成复合储能装置，利用其互补性能，可以获得良好的技术性能和经济效益。因此，可以预见，在以后的很长一段时间内，储能技术仍将保持多种竞争形式并存的发展趋势，根据人们的需求，扩大各自在不同适用领域的推广应用。
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第 2 章 飞轮储能装置的结构组成及其驱动电机的建模仿真
2.1 飞轮储能装置的结构组成
飞轮储能具有功率密度高、无污染、能量转换效率高、响应速度快以及使用寿命长等优点，其非常适合于为风能等间歇式能源提供瞬时功率支持，具有巨大的应用发展潜力。飞轮储能装置示意图如图 2.1。主要由五部分组成：飞轮转子、支撑轴承、电力电子转换装置、驱动电机、真空系统。飞轮储能技术涉及机械科学与技术、电机学、电力电子技术、电磁学、传感技术与控制科学、材料科学等多学科诸方面的知识，其中复合材料技术和磁悬浮技术是飞轮储能的两个主要研究方向，磁悬浮技术是目前降低储能装置损耗的主要方法，而高能量密度的复合材料能够显著提高储能密度，减小储能装置的体积和重量。
将高能量密度、高功率密度的复合材料用于飞轮转子的制造是目前飞轮储能研究的热点之一。飞轮转子材料的选择直接影响着飞轮储能装置的性能，选用合适的材料可以提高飞轮旋转时的边缘线速度，提高其储能密度，飞轮转子材料通常以固体钢和复合材料居多，不同材料飞轮的最大储能能力如表 2.1 所示。目前国内关于飞轮转子材料的研究进展比较缓慢，与国外先进水平相比还有较大差距[34]。
为了避免高速旋转的飞轮转子因离心力过大而损坏，在设计飞轮储能装置时，除了要保证飞轮储能装置有较高的储能密度外，还必须考虑采用增强强度的材料和设计。比如为强化复合材料飞轮径向方向的强度，提高飞轮的速度，设计时常常使复合材料飞轮的径向方向排部纤维，形成三维编织结构。飞轮转子结构设计的最终目的是获得最大的比能量。我们可以通过设计飞轮转子的形状，提高其形状系数，增强飞轮储能装置的储能能力。飞轮转子有等应力圆盘、圆锥断面圆盘、薄轮缘、棒状等多种形状，以等应力圆盘的形状系数最高，比能量也最大。几种常见形状的飞轮转子比能量如表 2.2。
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2.2 飞轮驱动电机模型的研究
2.2.1 飞轮驱动电机的分类与物理模型
飞轮驱动电机选用永磁同步电机，永磁同步电机的转子用永磁体取代了电励磁机构、集电环和电刷，而定子绕组与电励磁三相同步电机相同，故称为永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）。永磁同步电机按照永磁体在转子上的位置不同可以分为面装式、插入式和内装式 3种类型，结构如图 2.2 所示。
插入式和内装式永磁同步电机转子上的永磁体位于转子内部，这类电机转子的结构强度较高。其中内装式永磁同步电机转子磁路具有不对称结构，磁阻转矩较大，电机功率密度也较高。不过飞轮驱动电机是电动/发电一体化电机，需要减弱磁阻转矩的作用。对于面装式永磁同步电机，由于永磁体的磁导率很小，与空气相近，电机气隙可以认为是均匀的，因此面装式永磁同步电机与三相隐极同步电机的物理模型基本相同，只是其永磁体励磁磁场不可调节。以二极面装式永磁同步电机为例。取 a 轴作为 abc空间坐标系的参考坐标轴，将定子三相绕组等效为位于 abc 轴上的线圈，将置于转子表面的永磁体等效为置于转子槽内的励磁绕组，图 2.3 为等效后的物理模型。
飞轮永磁同步电机是一个非线性耦合系统，通常不能像直流电机那样直接通过控制其转矩进行调速，交流电机矢量控制方法的出现解决了这一问题。矢量控制(VectorControl)理论是由德国学者 Hasse 和 Blaschke 在 1971 年提出的，其基本思想是：在转子磁场定向的旋转坐标系中，先把交流电机的三相定子绕组电流合成矢量分解成产生转矩的转矩电流分量和产生主磁场的励磁电流分量两个独立分量，然后将励磁电流沿转子永磁体磁链方向定向，对定子电流两个分量分别设计控制器控制其幅值和方向。通过矢量分解和磁场定向，交流电机的控制在原理上就和直流电机基本一样了。空间矢量变换和矢量方程是构成矢量控制理论的重要基础。
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第 3 章 含飞轮储能的并网风电系统有功功率波动抑制研究................... 28
3.1 飞轮储能装置在并网风力发电系统中的配置方式.......................... 28
3.2 基于 10kWh 飞轮储能的并网风力发电系统组成与工作原理 .............. 29
第 4 章 含飞轮储能的并网风电系统优化控制研究......................... 49
4.1 基于模糊推理的飞轮储能装置优化控制策略............................ 49
4.2 模糊推理输出波动功率 Pf*的确定................................... 50
4.3 基于模糊推理的飞轮转速与风电系统波动功率优化控制仿真分析.......... 53
4.4 本章小结........................................................ 54
第 5 章 结论............................................................ 55
第 4 章 含飞轮储能的并网风电系统优化控制研究
4.1 基于模糊推理的飞轮储能装置优化控制策略
实际中，以飞轮储能装置作为并网风力发电系统的功率波动补偿装置，其输入端控制对象的选择也会对储能装置造成影响。文献[42]提出对风速进行积分平均处理，然后根据处理后的风速来计算风力发电机组输出的平滑功率，最后以该有功功率与网侧有功功率之差作为飞轮储能装置的输入控制对象，实现机组输出功率波动抑制。由于风速测量准确度不高，直接以风速计算风力发电机组输出的平滑指令并不准确，文献[43]根据网侧有功功率的平均值和标准方差值来计算飞轮储能装置的输入给定功率，然后结合闭环控制策略实现功率波动抑制。文献[44]则是通过利用 GAMS 软件对风电系统的平均功率进行非线性积分优化，然后获得对应的飞轮电机的最佳平均转速，以该转速作为储能装置的控制对象，最后结合 PDF控制，实现功率平滑控制。
含飞轮储能装置的并网风力发电系统主要由风力发电机组，飞轮储能装置、电网三部分组成，实际上整个系统是一个高阶非线性、强耦合、大惯性的复杂控制系统，网侧功率调节与风力发电机组转速以及飞轮转速控制在时间上存在比较明显的响应滞后，单纯的以功率或者飞轮转速作为储能装置的控制对象往往很难同时满足功率和转速两个重要控制指标要求。文献[45]针对这种缺陷提出设置逻辑函数来实现飞轮转速控制，即根据飞轮电机的最高、最低转速、充放电状态以及摩擦损耗来确定电机转矩，实现风力发电机组输出功率波动补偿。文献[46]为了避免飞轮电机频繁过充、放电造成的电机转速过高或者过低损害，提出飞轮电机转速越限控制策略，给飞轮电机设定功率/电流双闭环控制和转速/电流双闭环控制两种控制策略。当飞轮电机工作于充电状态且速度上升到最高转速时，将电机外环的控制模式由功率/电流双闭环控制切换到转速/电流双闭环控制模式，以实现对电机的转速控制。这些方法理论上虽然较为成熟，但是在实际运用中也会带来很多问题，尤其当飞轮储能装置的容量较小时，网侧功率如果波动较大，需要频繁的切换开关来改变控制策略，切换开关的同时又会给整个系统带来扰动，系统的可靠性和稳定性都会变差。
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第 5 章 结论
本文针对并网双馈风力发电机组输出有功功率波动问题，研究了利用飞轮储能装置来抑制风力发电机组输出功率波动的控制策略，主要研究成果如下：
论文结合飞轮储能装置在风力发电中的应用，对其配置方式进行了简要分析。为了对基于 10kWh 飞轮储能的并网风力发电系统进行深入研究，分别建立风力机模型、双馈风力发电机模型、电网模型以及飞轮储能装置模型，设计了双馈风力发电机侧变流器、电网侧变流器、飞轮电机侧变流器的矢量控制策略，然后通过Matlab/simulink 进行仿真分析对比，仿真结果表明所提控制策略能够有效抑制风力发电机组输出功率波动。最后，为了解决飞轮转速越限问题，提出了基于模糊推理的飞轮储能装置优化控制策略，将飞轮转速和双馈风力发电机组输出有功功率与网侧有功功率之差引入模糊推理中，在满足功率调节的情况下，尽量避免了飞轮电机转速越限。
论文对含飞轮储能的并网风电系统整体控制策略进行了研究，涉及内容较多，这也导致对部分细节研究过于粗略，例如论文第四章部分关于模糊推理规则的制定，这些需要查阅大量的风电并网运行资料，根据实际经验才能制定出合理的推理规则。飞轮储能装置在风力发电领域中的应用还处于起步阶段，利用飞轮储能装置来减小并网风电系统功率波动涉及到多方面知识，鉴于作者水平和研究条件的局限性，还有很多问题需要探索，比如储能系统与风电系统容量匹配以及参数设计对并网风电系统功率波动抑制效果影响都很大，可以通过研究这些问题来改善系统功率波动问题。
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参考文献（略）
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参考文献（略）