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大容量儲能裝置的應用對電網的安全、穩(wěn)定運行，提升電能質量等方面有重要作用。飛輪儲能技術作為一種新型物理儲能技術，與傳統(tǒng)的化學電池相比，具有無污染、使用壽命長、儲能密度高等優(yōu)點。然而，飛輪單體受到材料、成本、技術等因素的影響，大幅提升其容量還是比較困難的，這也限制了其在大容量場合的應用。

一種擴大飛輪系統(tǒng)容量的有效方法是采用多個飛輪單體并聯(lián)組成飛輪陣列儲能系統(tǒng)，這種方法降低了對飛輪單體容量的要求，并且容量配置更加靈活。而這也需要一種合理的功率分配策略對陣列中各個單體輸出功率進行分配，從而提高系統(tǒng)性能。

實際飛輪陣列系統(tǒng)運行過程中，飛輪陣列中各個單體的剩余容量均衡及系統(tǒng)的效率優(yōu)化對提高系統(tǒng)性能有重要意義。單體剩余容量均衡可以有效提高系統(tǒng)的最大功率運行時間，同時延長系統(tǒng)的整體壽命。優(yōu)化系統(tǒng)的運行效率則可以減少系統(tǒng)的運行損耗。

但是，受到每臺飛輪單體損耗曲線不同的影響，飛輪單體的剩余容量均衡與效率優(yōu)化往往無法同時實現(xiàn)，目前飛輪陣列中常見的功率分配策略有等功率分配、等轉矩分配、等時間長度分配。然而這些控制策略都沒有考慮到系統(tǒng)運行時的效率問題。有學者針對系統(tǒng)的運行效率進行優(yōu)化，卻會導致陣列單體之間的剩余能量出現(xiàn)較大差異。

針對飛輪陣列儲能系統(tǒng)中各個單體的功率分配問題，北京理工大學自動化學院的研究人員任京攀、馬宏偉、姚明清，在2021年《電工技術學報》增刊1上撰文，提出一種兼顧飛輪陣列效率與飛輪單體能量均衡的協(xié)調控制策略。

科研人員首先對飛輪陣列儲能系統(tǒng)的損耗優(yōu)化問題建立數(shù)學模型，然后采用帶等式約束的時變權重的粒子群優(yōu)化算法，對陣列的運行效率進行優(yōu)化。由于不同飛輪的效率曲線不同，在效率優(yōu)化過程中，各個飛輪單體分配到的輸出功率可能會出現(xiàn)較大差異，導致陣列單體間剩余能量出現(xiàn)較大的不平衡。

圖1 協(xié)調控制策略流程

他們提出對不同剩余能量的飛輪單體采取不同功率分配策略的方式，令剩余容量高的單體額定功率工作，剩余容量低的單體不工作，而剩余容量中等的單體采用上述粒子群優(yōu)化算法實現(xiàn)效率優(yōu)化。與傳統(tǒng)的飛輪陣列功率分配策略相比，這種基于分組的粒子群算法可以協(xié)調飛輪單體的剩余能量均衡與系統(tǒng)的運行效率之間的關系，在保證陣列保持高效率運行的同時，避免系統(tǒng)中各個單體之間剩余能量出現(xiàn)較大差異。

而針對傳統(tǒng)PSO算法尋優(yōu)速度較慢的問題，研究人員則采用時變權重的PSO算法減少尋優(yōu)迭代次數(shù)，提高尋優(yōu)速度。

以上研究成果發(fā)表在2021年《電工技術學報》增刊1，論文標題為“基于粒子群算法的飛輪陣列協(xié)調控制策略”，作者為任京攀、馬宏偉 等。