與傳統(tǒng)的大電網(wǎng)不同，微電網(wǎng)慣性小，其抗干擾能力弱;另外，微電網(wǎng)中接入了大量的可再生能源，如風力發(fā)電、光伏發(fā)電等，新能源特有的間歇性和隨機性特點使得微電網(wǎng)的電壓和頻率穩(wěn)定問題更加突出。而儲能系統(tǒng)動態(tài)性能好、效率高，能夠快速提供電網(wǎng)需要的有功及無功功率，因此，儲能已成為微電網(wǎng)中提高其穩(wěn)定性、安全性和電能質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)支撐。飛輪儲能系統(tǒng)具有壽命長、動態(tài)響應快、無污染等優(yōu)勢，是適用于微電網(wǎng)的一種儲能技術(shù)。由于受技術(shù)和材料限制，飛輪儲能的單體容量有限，因此，更大容量的飛輪儲能系統(tǒng)由多個飛輪儲能單體組成飛輪陣列。目前，應用于交流微電網(wǎng)的飛輪儲能陣列拓撲主要有兩種：一是并聯(lián)到直流母線，即多個飛輪單體通過AC/DC變流器并聯(lián)到直流母線后，通過一個DC/AC變流器連接到交流母線;二是并聯(lián)到交流母線，即各個飛輪單體通過AC/DC-DC/AC變流器并聯(lián)到交流母線。

　　并聯(lián)到直流母線的飛輪陣列協(xié)調(diào)控制方式相對簡單，文獻研究了并聯(lián)到直流母線的飛輪陣列常用的功率控制策略：等功率、等轉(zhuǎn)矩、等放電時間，并進行了仿真驗證;對于多飛輪的優(yōu)化控制，文獻以盡量減少損耗為控制目標分配功率：文獻采用盡量少飛輪單元在線運行;文獻提出了飛輪并聯(lián)到直流母線后通過一個逆變器并聯(lián)到交流電網(wǎng)的控制策略;文獻按照等增量速度原則分配功率指令。

　　并聯(lián)到交流母線的飛輪陣列協(xié)調(diào)控制方式相對復雜，需要考慮各個變流器的協(xié)調(diào)控制。交流微電網(wǎng)一般有并網(wǎng)和孤島兩種工作模式;并網(wǎng)模式下，由于有大電網(wǎng)的支撐，儲能系統(tǒng)通常作為PQ節(jié)點，控制策略較為簡單;孤島模式下，有通信線的控制方式包括主從、集中、3 C控制等，無通信線的控制方式主要為下垂控制。對下垂控制的研究主要有以下方面：包括有功和無功功率及輸出電壓頻率和幅值之間的耦合導致的功率分配不準問題、傳統(tǒng)下垂控制次靜態(tài)誤差問題、下垂控制響應慢以及多目標控制要求時下垂控制的改進等。這些研究主要集中于可再生能源與單個儲能單元的并聯(lián)協(xié)調(diào)控制，而較少研究多個儲能單元并聯(lián)的協(xié)調(diào)控制及功率分配問題。

　　本文第一節(jié)給出了飛輪儲能陣列的拓撲;第二節(jié)對飛輪單體的充放電控制策略進行了研究;第三節(jié)研究了并聯(lián)到同一直流母線的飛輪的協(xié)調(diào)控制策略，推導了并聯(lián)到同一直流母線各個飛輪的剩余發(fā)電量(相當于電池荷電狀態(tài)值，下文簡稱SOC)變化率與SOC值的函數(shù)關(guān)系，并進行了仿真驗證;第四節(jié)研究了并聯(lián)到同一交流母線的飛輪儲能單元的協(xié)調(diào)控制策略，考慮到微電網(wǎng)特性，采用了包含虛擬阻抗的改進系數(shù)下垂控制策略，并進行仿真驗證;第五節(jié)建立了風儲微網(wǎng)模型，仿真驗證飛輪陣列在風儲孤網(wǎng)中交流母線電壓幅值和頻率穩(wěn)定。

　　創(chuàng)新點及解決的問題

　　本文研究了并聯(lián)到同一直流母線的飛輪儲能陣列協(xié)調(diào)控制策略，對經(jīng)典的3種功率控制策略下的荷電狀態(tài)(SOC)變化率進行了推導和分析，提出改進系數(shù)的下垂控制策略，同時針對微網(wǎng)電壓低、阻抗小引起的靜態(tài)誤差控制問題，采取引入虛擬阻抗的改進系數(shù)下垂控制策略進行補償，從而改善了系統(tǒng)功率分配精度。最后建立了含風電場的微電網(wǎng)模型，仿真驗證上述控制策略的有效性。

　　重點內(nèi)容導讀

　　1 飛輪儲能陣列拓撲

　　圖1 飛輪陣列儲能系統(tǒng)

　　2 直流并聯(lián)飛輪儲能陣列放電控制

　　2.1 直流并聯(lián)飛輪儲能陣列的放電控制策略分析

　　2.2 基于等轉(zhuǎn)矩的功率控制策略的仿真

　　圖2 等轉(zhuǎn)矩控制策略仿真結(jié)果

　　3 交流并聯(lián)飛輪儲能陣列協(xié)調(diào)控制策略

　　3.1 傳統(tǒng)的下垂控制策略

　　3.2 提出改進系數(shù)的下垂控制策略

　　3.3 引入虛擬電抗的改進系數(shù)下垂控制策略

　　圖3 引入虛擬阻抗的改進系數(shù)下垂控制

　　3.4 仿真驗證

　　圖4 引入虛擬阻抗的改進系數(shù)下垂控制的仿真結(jié)果

　　4 飛輪儲能陣列應用于孤島狀態(tài)下的 微電網(wǎng)

　　4.1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

　　圖5 微網(wǎng)結(jié)構(gòu)

　　表1 風電機組參數(shù)

　　圖6 微網(wǎng)仿真結(jié)果

　　5 結(jié) 論

　　本文主要討論了飛輪儲能陣列的協(xié)調(diào)控制方法。對于并聯(lián)到同一直流母線的飛輪的3種常見控制策略的SOC值變化率做了推導，包括等功率、等轉(zhuǎn)矩及等放電時間策略，等功率控制策略的SOC變化率與SOC值無關(guān)，等轉(zhuǎn)矩和等放電時間控制策略SOC值大的單元變化率更高、放電更快?？紤]等放電時間策略進行功率分配時需要采樣轉(zhuǎn)速，最終選擇等轉(zhuǎn)矩控制策略。對于并聯(lián)到同一交流母線的多個直流飛輪陣列組成的交流飛輪陣列，提出改進系數(shù)的下垂控制策略，根據(jù)SOC的比例分配功率;同時考慮到微網(wǎng)輸電線電壓低且阻抗小的特點，進一步采取引入虛擬阻抗的改進系數(shù)下垂控制策略。建立了含風電機組的微電網(wǎng)模型，仿真結(jié)果驗證了上述控制策略能夠應用于孤島狀態(tài)下的微電網(wǎng)，并具有較好的控制效果。