壓縮空氣儲能電站的市場前景概要.doc

壓縮空氣儲能電站的市場前景更新：2011-01-23 15:12:29作者：escn來源：中國儲能網(wǎng) 點擊：442次壓縮空氣蓄能電站是一種新的解決方案 世界電力供應(yīng)系統(tǒng)正趨向跨地區(qū)或全國聯(lián)網(wǎng)，甚至跨國聯(lián)網(wǎng)，實行全天候供電。然而供電與用電總是不匹配，尤其在深夜，過剩電力“大放空”幾乎無法避免。為改變這個局面，人們殫思竭慮地尋找蓄能“蓄電”方法。比如蓄電池組、機械飛輪、超級電容器堆、超導(dǎo)磁儲電，等等。終因效率不高，壽命短，存取不便，蓄能容量偏小，投資成本大等，難以運作。 目前已經(jīng)廣泛采用的是抽水蓄能電站和壓縮空氣蓄能電站。我國已建成投產(chǎn)的有：浙江安吉天荒坪電站、廣州（從化）抽水蓄能電站。天荒坪電站，2000年建，至今已成功運行6年，裝機容量為180萬KW，年發(fā)電量31.60億KWh，總投資63億人民幣，在調(diào)荷和回收電能方面發(fā)揮了重要功能。 壓縮空氣蓄能電站是一種新型蓄能蓄電技術(shù)。早在1978年，德國建成世界第一座示范性壓縮空氣蓄能電站獲得成功，緊跟其后的是美國、日本和以色列，都已建成使用，我國有識之士早已呼吁多年，但尚未引起決策者響應(yīng)。而國外的實踐告訴我們，這確實是一個新的解決方案。壓縮空氣蓄能發(fā)電技術(shù)具有顯著的比較優(yōu)勢和市場前景，請看壓縮空氣蓄能電站與抽水蓄能電站對比分析：1建電站地理條件要求 抽水電站：建站地理條件要求苛刻，上水庫建在面積較大的山頂上，高度、面積、地質(zhì)結(jié)構(gòu)要求嚴格。下水庫占地面積也大。并且水源、道路交通都有特定要求。 壓氣電站：無特定地理要求，山洞、山腳、荒灘、廢礦井，甚至海灘、海底都可以，儲氣庫深埋地下，幾乎不占用土地。 抽水電站：裝機容量180萬KW，投資額6590億元，建設(shè)周期68年。3611-5000元/kw 壓氣電站：裝機容量180萬KW，投資額5560億元，建設(shè)周期35年。3056-3333元/kw3建站占地面積與工程量 抽水電站：建站占地40005000畝，工程量包括上下兩個水庫、引水管、導(dǎo)流管、盤山公路、引水渠等等。 壓氣電站：占地少，廠房及設(shè)施只需占地10畝。儲氣庫深埋地下，地面可以種農(nóng)作物。4運行效率與成本 抽水電站：能量轉(zhuǎn)換效率7073%，水資源成本需支付費用，并需連續(xù)補充失耗的水量。 壓氣電站：能量轉(zhuǎn)換效率達到7790%，空氣不要付費，使用中沒有“相變”能量損失。5安全性 抽水電站：地震、滑坡、暴風雨、泥石流、巖石風化、壩體開裂、熱脹冷縮破裂等等都存在風險。 壓氣電站：儲氣庫深埋于地下，比較穩(wěn)定，溫差變化小，儲氣庫設(shè)置多道安全措施后，安全系數(shù)高。6能量載體特性 抽水電站：水分容易蒸發(fā)、流失，尤其是高溫季節(jié)，輸送成本高、粘度高，流速不快，水輪機響應(yīng)速度慢。 壓氣電站：能量載體空氣到處存在不怕流失，流速快，因而響應(yīng)速度快，能夠適應(yīng)冷啟動、黑啟動，尤其適合調(diào)控負荷平衡，其它任何能量載體無法達到。 德國建成的壓縮空氣蓄能電站，裝機容量29萬KW，換能效率高達77%，若再利用“渠氏超導(dǎo)熱管技術(shù)”，換能效率提升至90%。 美國壓縮空氣蓄能電站規(guī)模達到2700MW裝機容量，相當于2個核電站的發(fā)電量，可供給68萬戶居民兩天用電量。 壓縮空氣蓄能電站的關(guān)鍵設(shè)施是儲氣庫，通常深埋于地下，技術(shù)上沒有難度?？梢岳脠髲U礦井、山洞、廢氣井等。壓縮空氣蓄能電站示范效應(yīng)與深遠意義壓縮空氣蓄能電站的重要意義在于：1空氣是“能源多媒體”的最佳選擇大力開發(fā)太陽能、風能、波浪能以及核能是世界潮流，但往往都存在供需不同步、供需不均衡的狀態(tài)，能夠把各種形態(tài)能源轉(zhuǎn)換、儲存、取用的“能量多媒體”只有“空氣”，它是這個“角色”的“最佳人選”。2經(jīng)濟效益、社會效益巨大按發(fā)電量的三分之一計算，每年可節(jié)約四五億噸煤炭，相當于數(shù)十座中大型煤礦年產(chǎn)量，而且年年受益，經(jīng)濟效益、社會效益巨大，節(jié)約大量資源，促進經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展。3為“十一五”規(guī)劃作貢獻根據(jù)我國“十一五”規(guī)劃，節(jié)能降耗指標要達到20%，壓縮空氣蓄能發(fā)電技術(shù)是一個很好的選擇，而且會產(chǎn)生顯著的示范效應(yīng)。解讀物理儲能技術(shù)更新：2010-11-08 14:09:58作者：escn來源：中國儲能網(wǎng) 點擊：570次【字號：大 中 小】在各種儲能技術(shù)中，化學(xué)儲能的發(fā)展速度一直領(lǐng)先于物理儲能。但今年7月初，英利集團透露了下一個高投入、高風險和高產(chǎn)出項目飛輪儲能設(shè)備，預(yù)計今年年底將推出第一批樣機，“十二五”期間將生產(chǎn)至少45萬臺。除了飛輪儲能，抽水儲能一直以來被廣泛應(yīng)用，而另一種新的物理儲能方法壓縮空氣儲能也受到越來越多的關(guān)注，同時，中科院電工研究所的科學(xué)家對超導(dǎo)儲能的研發(fā)也取得進展?？梢哉f，隨著能源體系對儲能技術(shù)需求的提升，一直以環(huán)境污染小，運行穩(wěn)定性高著稱的物理儲能技術(shù)正在迅速升溫，開始與化學(xué)儲能競爭主角地位。飛輪儲能：充放快捷、能量密度最大早在上世紀50年代，瑞士歐瑞康公司就開發(fā)出飛輪儲能巴士。但此后三四十年間，由于高速旋轉(zhuǎn)飛輪驅(qū)動、飛輪軸承摩擦等問題都難以解決，飛輪儲能技術(shù)發(fā)展非常緩慢。飛輪儲能系統(tǒng)由高速飛輪、軸承支撐系統(tǒng)、電動機、發(fā)電機、功率變換器、電子控制系統(tǒng)和真空泵、緊急備用軸承等附加設(shè)備組成。谷值負荷時，飛輪儲能系統(tǒng)由工頻電網(wǎng)提供電能，帶動飛輪高速旋轉(zhuǎn)，以動能的形式儲存能量，完成電能到機械能的轉(zhuǎn)換；出現(xiàn)峰值負荷時，高速旋轉(zhuǎn)的飛輪作為原動機拖動電機發(fā)電，經(jīng)功率變換器輸出電流和電壓，完成機械能到電能的轉(zhuǎn)換。與其他形式的儲能技術(shù)相比，飛輪儲能具有使用壽命長、儲能密度高、不受充放電次數(shù)限制、安裝維護方便、對環(huán)境危害小等優(yōu)點。飛輪儲能功率密度大于5 kW/kg，能量密度超過20 Wh/kg，效率在90%以上，循環(huán)使用壽命長達20年，工作溫區(qū)為4050，無噪聲，無污染，維護簡單，可連續(xù)工作，積木式組合后可以實現(xiàn)兆瓦級，輸出持續(xù)時間較長，主要用于不間斷電源（UPS）、應(yīng)急電源（EPS）、電網(wǎng)調(diào)峰和頻率控制。目前，國外已有公司和研究機構(gòu)嘗試將飛輪儲能引入風力發(fā)電。其中，德國琵樂公司（Piller）的飛輪儲能具備在15秒內(nèi)提供1.65兆瓦電力的能力；美國Beacon power公司（BCON）的20兆瓦飛輪儲能系統(tǒng)已在紐約州史蒂芬鎮(zhèn)開建，用來配合當?shù)仫L場，建成后可以滿足紐約州10%的儲能需要。不過，飛輪儲能還具有很大的局限性。對于電網(wǎng)來說，可根據(jù)時間長短將儲能分為三大塊：時間最長的是能源管理，包括抽水儲能電站、壓縮空氣儲能和蓄電池。時間稍短的是過渡能源，通常靠蓄電池解決。然而，時間最短的則是超級電容和飛輪。據(jù)了解，飛輪儲能需要電能的持續(xù)輸入，以維持轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速恒定。一旦斷電，飛輪儲能通常只能維持一兩分鐘。這也意味著，飛輪儲能優(yōu)勢不在于時間的長短，而是充放的快捷。早在上世紀80年代初期，中國科學(xué)院電工研究所就開始了飛輪儲能系統(tǒng)的探索，但之后國內(nèi)沒有開展實質(zhì)性的研究工作。直到上世紀90年代中期，在國外技術(shù)進步的影響下，國內(nèi)的飛輪儲能技術(shù)研發(fā)才逐步興起。但有專家認為與國外技術(shù)水平差距在10年以上。不過，光伏巨頭英利集團涉足飛輪儲能消息的發(fā)布，與上述專家的觀點形成了鮮明的對比，立即引起了業(yè)界極大的興趣和關(guān)注。一向走在行業(yè)前沿、擅長“蛙跳”戰(zhàn)術(shù)的英利此舉，意味著中國的新能源企業(yè)正逐步走向行業(yè)最前沿的尖端領(lǐng)域。據(jù)財新網(wǎng)報道，其技術(shù)已經(jīng)超過了歐美，國產(chǎn)化率達到了80%。當前電機中飛輪轉(zhuǎn)速達6萬轉(zhuǎn)/秒，將來會達到14萬轉(zhuǎn)/秒，而僅耗費所儲能的2%以下。抽水儲能：大容量儲能技術(shù)技術(shù)成熟、低成本、循環(huán)水利用等優(yōu)勢，使得抽水儲能廣泛應(yīng)用。所謂抽水儲能是間接儲存電能的一種方式，其主要應(yīng)用領(lǐng)域包括調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用和提供系統(tǒng)的備用容量，還可以提高系統(tǒng)中火電站和核電站的運行效率，是電網(wǎng)運行管理的重要工具。據(jù)科學(xué)時報了解，抽水儲能利用下半夜過剩的電力驅(qū)動水泵，將水從下水庫抽到上水庫儲存起來，然后在次日白天和前半夜將水放出發(fā)電，并流入下水庫。在整個運作過程中，雖然部分能量會在轉(zhuǎn)化間流失，但相比之下，使用抽水儲能電站仍然比增建煤電發(fā)電設(shè)備來滿足高峰用電而在低谷時壓荷、停機這種情況來得便宜，效益更佳。上世紀六七十年代，日本、美國、西歐等國家和地區(qū)進入抽水儲能電站建設(shè)的高峰期。截至2008年，美國和西歐經(jīng)濟發(fā)達國家抽水儲能機組容量占世界抽水儲能電站總裝機容量55%以上，其中：美國約占3%，日本則超過了10%，中國、韓國和泰國3個國家在建抽水儲能電站17.53GW，加上日本后達到24.65GW。雖然，抽水儲能是目前唯一一種實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的大容量儲能技術(shù)，但由于建設(shè)抽水儲能需要特殊的地理條件，同時，效率僅有70%左右，建設(shè)期長達810年等因素，它的發(fā)展也受到了一定制約。在我國，抽水儲能電站的設(shè)計規(guī)劃已形成規(guī)范。機組由早期的四機、三機式機組發(fā)展為水泵水輪機和水輪發(fā)電電動機組成的二機式可逆機組，極大地減小了土建和設(shè)備投資。中國電力科學(xué)研究院張文亮在其論文儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用中認為，為進一步提高整體經(jīng)濟性，機組正向高水頭、高轉(zhuǎn)速、大容量方向發(fā)展，現(xiàn)已接近單級水泵水輪機和空氣冷卻發(fā)電電動機制造極限，今后的重點將立足于對振動、空蝕、變形、止水和磁特性的研究，著眼于運行的可靠性和穩(wěn)定性，在水頭變幅不大和供電質(zhì)量要求較高的情況下使用連續(xù)調(diào)速機組，實現(xiàn)自動頻率控制。同時，提高機電設(shè)備可靠性和自動化水平，建立統(tǒng)一調(diào)度機制以推廣集中監(jiān)控和無人化管理。中國南車集團株洲電力機車研究所風電事業(yè)部技術(shù)總監(jiān)郭知彼在接受媒體采訪時坦言，盡管其他新興儲能方式正在不斷取得發(fā)展，但短時間內(nèi)，由于其他儲能方式的污染和成本等問題，在大規(guī)模儲能領(lǐng)域，抽水儲能仍將是最主要的方式。壓縮空氣儲能：高效率儲能技術(shù)壓縮空氣儲能電站（CAES）是一種用來調(diào)峰的燃氣輪機發(fā)電廠，主要利用電網(wǎng)負荷低谷時的剩余電力壓縮空氣，并將其儲藏在典型壓力7.5 MPa 的高壓密封設(shè)施內(nèi)，在用電高峰釋放出來驅(qū)動燃氣輪機發(fā)電。在燃氣輪機發(fā)電過程中，燃料的2/3 用于空氣壓縮，其燃料消耗可以減少1/3，所消耗的燃氣要比常規(guī)燃氣輪機少40%，同時可以降低投資費用、減少排放。值得注意的是，壓縮空氣儲能電站建設(shè)投資和發(fā)電成本均低于抽水儲能電站，但其能量密度低，并受巖層等地形條件的限制。不過，壓縮空氣儲能電站的優(yōu)勢也非常明顯，其儲氣庫漏氣開裂可能性極小，安全系數(shù)高，壽命長，可以冷啟動、黑啟動，響應(yīng)速度快，主要用于峰谷電能回收調(diào)節(jié)、平衡負荷、頻率調(diào)制、分布式儲能和發(fā)電系統(tǒng)備用。盡管這種“壓縮氣體能源儲備”的概念已經(jīng)提出了30多年，但目前全世界僅有德國、美國兩家壓縮空氣發(fā)電廠。這兩家發(fā)電廠分別創(chuàng)建于19世紀中后期和19世紀末。目前，兩家壓縮空氣發(fā)電廠都運營正常。同時，美國艾奧瓦州正在建設(shè)全球第三家壓縮空氣發(fā)電廠，負責“艾奧瓦儲備能源公園”(ISEP)項目設(shè)計工作的美國圣地亞國家實驗室已經(jīng)得到了來自美國能源部的資金支持，預(yù)計將于2012年投入運營。據(jù)了解，艾奧瓦儲備能源公園是一個壓縮空氣發(fā)電廠，該發(fā)電廠將充分利用艾奧瓦州豐富的風力資源作為發(fā)電廠的運行能源，存儲容量可用于50小時發(fā)電。一旦該項目開始運營，其每年發(fā)電量將占艾奧瓦州用電量的20%左右，每年可以為艾奧瓦州節(jié)省大約500萬美元的能源成本。不過，建設(shè)壓縮空氣發(fā)電廠并非易事。建設(shè)的首要任務(wù)之一，就是必須找到一個支持空氣壓縮存儲的地質(zhì)空間，但這需要占用大面積土地，因此，選址也成為制約其發(fā)展的決定性因素之一。盡管在壓縮空氣儲能技術(shù)準備相關(guān)設(shè)施的時候產(chǎn)生很多費用，但是相關(guān)科學(xué)家還是認為這種形式的儲存模式比制造電池便宜得多。另外，它的高容量和高效率已成為其區(qū)別于其他儲能方式的決定性優(yōu)勢。美紐約州推進壓縮空氣儲能示范項目進程更新：2010-12-02 13:39:19作者：escn來源：中國儲能網(wǎng) 點擊：266次【字號：大 中 小】 中國儲能網(wǎng)訊：紐約州立電氣公司11月30日完成了此前與美國能源部（DOE）簽訂的2,960萬元的合作協(xié)議，作為該機構(gòu)的智能電網(wǎng)示范研究項目的一部分，紐約州立電氣公司推出了一種創(chuàng)新，環(huán)保的壓縮空氣儲能方式。并對在沃特金斯峽谷北，塞尼卡湖西部的某處建立壓縮空氣儲能電站進行了全面的可行性研究。 壓縮空氣如何儲能？ 壓縮空氣蓄能（CAES）指的是在高壓情況下通過壓縮空氣來存儲大量的可再生能源，然后將其存儲在大型地下洞室、枯竭井或蓄水層里。在非用電高峰期(如晚上或周末)，用電機帶動壓縮機，將空氣壓縮進一個特定的地下空間存儲。然后，在用電高峰期(如白天)，通過一種特殊構(gòu)造的燃氣渦輪機，釋放地下的壓縮空氣進行發(fā)電。雖然燃氣渦輪機的運行仍然需要天然氣或其他石化燃料來作為動力，但是這種技術(shù)卻是一種更為高效的能源利用方式。利用這種發(fā)電方法，將比正常的發(fā)電技術(shù)節(jié)省一半的能源燃料。 紐約州立電氣公司總裁Mark S.Lynch表示：“這是一項令人激動的技術(shù)，可以幫助我們解決持續(xù)增長的電力需求。以壓縮空氣儲能的方式來滿足用電高峰時刻的電力需求對環(huán)境幾乎是沒有破壞影響的。 支持可再生能源電力儲存和電網(wǎng)穩(wěn)定 壓縮空氣儲能有能力滿足清潔的用電低谷時發(fā)出的可再生能源電力的儲存需求。此外，由于其具有快速啟動功能，建議建設(shè)的壓縮空氣儲能項目可以把附件大型風電場釋放出的不穩(wěn)定電力平滑的持續(xù)性地輸入電網(wǎng)。同時，隨著風能繼續(xù)在中部和西部發(fā)展，對快速反應(yīng)并能夠穩(wěn)定電網(wǎng)的技術(shù)的需求越來越大。 紐約州立電氣公司提出的利用壓縮空氣儲能技術(shù)而建設(shè)的系統(tǒng)可以持續(xù)運轉(zhuǎn)長達16小時。美科學(xué)家欲用壓縮空氣儲能緩解能源短缺更新：2010-09-11 10:58:55作者：escn來源： 點擊：175次【字號：大 中 小】 據(jù)國外媒體報道，隨著國際石油價格最近不斷創(chuàng)出新高，如何解決未來的能源短缺問題再次成為科學(xué)家們關(guān)注的議題。美國科學(xué)家表示，壓縮空氣能源儲存(CAES)技術(shù)也許能有效地解決這一難題。 美國科學(xué)家稱，“壓縮空氣能源儲備”的功能類似于一個大容量的蓄電池。在非用電高峰期(如晚上或周末)，用電機帶動壓縮機，將空氣壓縮進一個特定的地下空間存儲。然后，在用電高峰期(如白天)，通過一種特殊構(gòu)造的燃氣渦輪機，釋放地下的壓縮空氣進行發(fā)電。雖然燃氣渦輪機的運行仍然需要天然氣或其他石化燃料來作為動力，但是這種技術(shù)卻是一種更為高效的能源利用方式。利用這種發(fā)電方法，將比正常的發(fā)電技術(shù)節(jié)省一半的能源燃料。 盡管這種“壓縮氣體能源儲備”的概念已經(jīng)提出了30多年，但目前全世界僅有兩家壓縮空氣發(fā)電廠。美國阿拉巴馬州的壓縮空氣發(fā)電廠創(chuàng)建于17年前，而德國的壓縮空氣發(fā)電廠則已有30年歷史。目前，兩家壓縮空氣發(fā)電廠都運營正常?，F(xiàn)在，美國愛荷華州正在建設(shè)全球第三家壓縮空氣發(fā)電廠。美國圣地亞國家實驗室已經(jīng)得到了來自美國能源部的資金支持，負責“愛荷華儲備能源公園”(ISEP)項目的設(shè)計工作?！皭酆扇A儲備能源公園”其實就是一個壓縮空氣發(fā)電廠，該發(fā)電廠將充分利用愛荷華州豐富的風力資源作為發(fā)電廠的運行能源。愛荷華發(fā)電廠的壓縮空氣存儲容量可用于50小時的發(fā)電。一旦ISEP開始運營，其每年發(fā)電量將占愛荷華州用電量的20%左右，每年可以愛荷華州節(jié)省大約500萬美元的能源成本。 壓縮空氣發(fā)電廠建設(shè)的首要任務(wù)之一，就是找到一個支持空氣壓縮存儲的地質(zhì)空間。經(jīng)過對廠址附近地區(qū)進行嚴密的地震檢測、反復(fù)的計算機模擬以及對其他壓縮空氣發(fā)電廠相關(guān)數(shù)據(jù)的認真分析，ISEP研究者稱目前他們已經(jīng)找到了合適的空氣存儲空間。圣地亞國家實驗室已從ISEP項目所在地提取了多種礦石樣本，并進行了認真的分析與反復(fù)評估。這些分析和評估數(shù)據(jù)將為項目的設(shè)計和發(fā)電廠的建設(shè)提供了最必要的原始信息。據(jù)圣地亞國家實驗室ISEP項目負責人匹克介紹，該項目目前進展順利，預(yù)計將于2012年投入運營。最近，圣地亞國家實驗室又開始研究風能利用與空氣壓縮能源儲備兩者組合技術(shù)。這種組合技術(shù)將首先應(yīng)用于ISEP項目中，繼爾可能推廣到全美其他發(fā)電廠。 但是大規(guī)模地儲藏壓縮空氣需要占用大面積土地。研究者們使用特殊材料制成一個50米寬，80米高的巨型風袋，將其置于600米以下的深水中，根據(jù)計算，這樣一個容積的袋子中，每立方米容積內(nèi)可以儲存25兆焦耳的能量。在CAES的儲存中，水下是關(guān)鍵，只有深水巨大的壓力才能使能源的儲量增大。盡管在準備相關(guān)設(shè)施的時候產(chǎn)生很多費用，但是科學(xué)家還是認為這種形式的儲存模式比制造電池便宜得多。另外，在使這些壓縮空氣產(chǎn)生動力時，普通大小的風機難以滿足其要求，所以更大更牢固的葉片需要被應(yīng)用在這種技術(shù)中。 現(xiàn)在，一般的渦輪機使用于40米深的水下，如何才能制造出可以在600米以下的深水處運行的渦輪呢？科學(xué)家指出，在法國、葡萄牙等地的大陸架上可以安裝渦輪，這些大陸架進入海洋深處，完全可以在那里形成能源轉(zhuǎn)換。研究人員說，“可再生能源的發(fā)展不僅在實際用途上為人類帶來了新的方向，也促進了科技的發(fā)展。海水中的儲風袋讓風能成為當今更加時尚和引人注目的能源。或許在今后，更多不可思議的技術(shù)將會給可在生能源更多的活力，也會給人們更多驚喜?！被陲w輪儲能的新型動態(tài)電壓恢復(fù)器的研究更新：2010-09-17 15:48:15作者：朱俊星，王同勛 來源： 點擊：201次【字號：大 中 小】摘 要：提出一種基于飛輪儲能的新型動態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)，其可對深度電壓暫降進行補償；大功率、高儲能量的飛輪儲能單元成本高昂，為提高飛輪的總儲能量，采用飛輪儲能陣列，各臺飛輪儲能單元并聯(lián)連接于同一直流母線。詳細分析該系統(tǒng)的工作原理和各部分的控制策略；對飛輪儲能陣列運行于放電狀態(tài)的控制策略進行了研究，提出了一種新型的放電控制策略。最后利用MatlabSimulink對系統(tǒng)進行仿真，驗證了所提拓撲結(jié)構(gòu)及控制策略的可行性。關(guān)鍵詞：動態(tài)電壓恢復(fù)器；飛輪儲能陣列；并聯(lián)運行；放電控制 隨著工業(yè)規(guī)模的不斷擴大，接入電力系統(tǒng)的沖擊性負荷急劇增加，電能質(zhì)量問題變得越來越嚴重，從而造成產(chǎn)品質(zhì)量下降甚至生產(chǎn)過程中斷。根據(jù)各國學(xué)者和電力部門統(tǒng)計，在電力系統(tǒng)的各種電能質(zhì)量問題中，電壓暫降的危害最大。目前，最有效的補償裝置是動態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)。 傳統(tǒng)的DVR在補償電壓暫降時，其所需能量由并聯(lián)于所補償電網(wǎng)的整流器提供，缺點是不能補償深度電壓暫降。因此有學(xué)者提出由儲能裝置來提供能量。常見的儲能裝置有：蓄電池、超級電容、超導(dǎo)儲能裝置以及飛輪儲能裝置。與其他幾種儲能方式相比，飛輪儲能具有高儲能量、長壽命、高效率、無污染等特性。因此在飛輪電池以及工業(yè)用UPS電源等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。飛輪儲能是一高速旋轉(zhuǎn)的飛輪質(zhì)體作為機械能量儲存的介質(zhì)，利用電機和能量轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)來控制能量的輸入(儲存能)和輸出(釋放能)。目前，產(chǎn)品化的飛輪儲能單元最高指標通常為儲能量25 kWh，功率250 kW，若要求更高功率、更大儲能量則需采用飛輪儲能單元并聯(lián)運行來實現(xiàn)。文獻對多臺飛輪并聯(lián)運行的控制策略進行了研究，提出了一種以飛輪可釋放能量為比例分配各臺飛輪儲能裝置輸出功率的控制策略，此控制策略會導(dǎo)致各臺并聯(lián)飛輪的充放電次數(shù)不均勻。 針對以上不足，本文提出了一種基于飛輪儲能的新型動態(tài)電壓恢復(fù)器；詳細分析了該系統(tǒng)的工作原理和各部分的控制策略；針對飛輪并聯(lián)運行提出了一種新的放電控制策略；最后對系統(tǒng)進行了仿真驗證。1 、電路拓撲 基于飛輪儲能的DVR的拓撲結(jié)構(gòu)如圖l所示，其主要由DVR變換器、濾波器、旁路開關(guān)、串聯(lián)變壓器、變換器A、電感L和飛輪儲能陣列(FESA)組成。 DVR變換器、濾波器、旁路開關(guān)和串聯(lián)變壓器一起組成串聯(lián)型電壓恢復(fù)器，變換器A和電感L構(gòu)成PWM整流器，飛輪儲能陣列由多臺飛輪儲能單元(FESU)并聯(lián)組成，飛輪儲能單元由飛輪變換器、永磁無刷直流電機和飛輪3部分組成。電網(wǎng)電壓正常時，飛輪處于充電狀態(tài)：在電網(wǎng)電壓發(fā)生暫降時，DVR變換器經(jīng)串聯(lián)變壓器向電網(wǎng)注入補償電壓，從而保證負載電壓是額定電壓。淺度電壓暫降時能量由電網(wǎng)提供；深度電壓暫降時能量由飛輪提供。 驅(qū)動電機采用三相永磁無刷直流電機，因其具有運行可靠、免維護、高效率以及調(diào)速性能好的特點，其主要參數(shù)如表l所示。2、 系統(tǒng)的控制策略21飛輪充電控制 飛輪的充電控制采用雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，外環(huán)是轉(zhuǎn)速環(huán)，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)。其中，速度調(diào)節(jié)器采用復(fù)合控制。在啟動階段，希望轉(zhuǎn)速快速上升，而對控制精度要求相對較低，采用恒轉(zhuǎn)矩限流啟動；在調(diào)速階段，采用恒功率充電模式，隨著轉(zhuǎn)速的升高，輸入電流反比減小，可以減小不平衡磁拉力對轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性的影響，恒功率充電以系統(tǒng)能承受的最大功率P*為加速度功率；當速度達到穩(wěn)態(tài)時，希望有較高的穩(wěn)態(tài)精度，采用PI控制。22 飛輪放電控制 在飛輪放電過程中，電機運行于制動狀態(tài)，隨著轉(zhuǎn)速的降低，電壓也隨之降低。為了得到恒定的直流母線電壓，采用電機回饋制動的半橋調(diào)制方式。 各臺并聯(lián)飛輪屬于同一規(guī)格，電氣參數(shù)基本一致；前后兩次電壓暫降間隔足以讓所有飛輪轉(zhuǎn)速都上升到額定轉(zhuǎn)速，故功率和儲能量相等；為了減少系統(tǒng)損耗，每次放電時投入運行的飛輪個數(shù)應(yīng)盡可能少。飛輪放電控制的關(guān)鍵點是如何計算放電的飛輪臺數(shù)以及每臺飛輪的輸出電流指令值。 各臺飛輪的充放電次數(shù)為：T1T2，TN，則放電控制策略如下： 1)按照充放電次數(shù)由少到多依次給各臺飛輪排序，如充放電次數(shù)相同，則轉(zhuǎn)速高者序列號小。 2)根據(jù)式(1)確定進入放電狀態(tài)的飛輪臺數(shù)m。 式中，Pmaxi為i臺飛輪的最大輸出功率；P*是需要輸出的功率指令值。 3)當P*Pmax1，輸出功率指令值超出任意一臺飛輪儲能單元的最大輸出功率。因此，需多臺飛輪進入放電狀態(tài)，F(xiàn)ESU1至FESUm-1的輸出電流指令值為：，F(xiàn)ESUm的輸出電流指令值為。 隨著能量的釋放，飛輪轉(zhuǎn)速下降，故儲能量和輸出功率隨之減小，當原有投入放電的飛輪不能滿足負載需求時，投入放電的飛輪臺數(shù)以及各臺飛輪的輸出電流指令值需重新計算。 將之前進入放電狀態(tài)的飛輪的序列號都增加1，然后返回1)重新計算。當電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常時，投入放電狀態(tài)的飛輪的充放電次數(shù)都增加1。由上述分析可得飛輪放電的控制框圖如圖2所示。23 DVR變換器的控制 補償電壓的輸出需同時實現(xiàn)兩個目標：高動態(tài)響應(yīng)速度和高穩(wěn)定精度。前饋控制可以顯著提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，縮短補償電壓發(fā)出的時間。反饋控制可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度。因此，采用由前饋控制、電壓瞬時值和濾波電容電流瞬時值反饋控制構(gòu)成的復(fù)合控制策略。24 變換器A的控制 變換器A的控制目的是控制直流母線電壓恒定的同時，實現(xiàn)交流側(cè)輸入電流的正弦化且與電網(wǎng)電壓同相位。 變換器在abe三相靜止坐標系下的方程為： 式中，L為與電網(wǎng)相連的濾波電感的電感值，將功率開關(guān)管損耗等效電阻同濾波電感等效電阻合并為R，usa、usb、usc為電網(wǎng)三相電壓，ia、ib、ic為變換器交流側(cè)三相電流，ea、eb、ec為變換器輸出的三相電壓。 通過坐標變換將該數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換至同步旋轉(zhuǎn)坐標系中，變換器在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學(xué)模型為： 式中，ud、uq為三相電網(wǎng)電壓在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的投影；id、iq為變換器交流側(cè)三相電流在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的投影。 選取同步旋轉(zhuǎn)坐標系的d軸與電網(wǎng)a相電壓矢量重合，則uq=O，式(3)可進一步簡化為： 這說明當電網(wǎng)電壓穩(wěn)定時，控制了變換器d軸電流即控制了輸入的有功功率；控制了變換器q軸電流即控制了輸入的無功功率。若要實現(xiàn)單位功率因數(shù)控制，即輸入的無功功率為零，只要令變換器q軸電流設(shè)定值即可。 由式(4)可知，該數(shù)學(xué)模型存在交叉耦合項，因而給控制器設(shè)計造成一定難度。為此，采用前饋解耦控制策略，當電流調(diào)節(jié)器采用PI控制器時，則uid和uiq的控制方程如下： 式中，Kp、Ki為電流內(nèi)環(huán)比例系數(shù)和積分系數(shù)；為電流指令值。 將式(5)代人式(4)，并化簡得： 式(6)實現(xiàn)了電流內(nèi)環(huán)的解耦控制。由上述分析可得變換器A的控制框圖如圖3所示。3、 仿真結(jié)果 針對提出的拓撲結(jié)構(gòu)和控制策略，利用MatlabSimulink進行仿真研究。系統(tǒng)主要參數(shù)如表2所示。其中，F(xiàn)ESA由2臺FESU并聯(lián)組成。31 飛輪充電狀態(tài) 圖4是飛輪充電時變換器A交流側(cè)的電壓和電流波形，由圖4中可以看出電流與電壓同相，實現(xiàn)了電流對電壓功率因數(shù)控制。圖5是飛輪充電過程中，電機A相電流波形。相電流波形為方波，在換相過程中，相電流有一定的波動。32 淺度電壓暫降補償狀態(tài) 在淺度電壓暫降補償狀態(tài)時，能量由變換器A提供。圖6給出了電壓暫降時的動態(tài)補償波形，由圖6可以看出系統(tǒng)補償動態(tài)響應(yīng)速度快，同時具有良好的穩(wěn)定性和跟蹤性能。33 深度電壓暫降補償狀態(tài) 在深度電壓暫降補償狀態(tài)時，能量由飛輪提供。圖7給出了動態(tài)補償波形。圖8和