CN102130610A - 飞轮储能系统恒压放电控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电力的发电、变电或配电技术领域，涉及一种飞轮储能系统恒压放电控制方法：设置一个电压调节单元，将DC/DC电路的直流输出电压与设定电压进行比较，当输出电压与设定电压的差值较大时，按最大最小输出调节，当差值较小时进行比例积分调节输出；设置一个电流调节单元，将采样电流平均值与电流设定值进行比较：当二者相差较大时，进行最大最小输出调节；当二者相差较小时进行比例积分调节，同时对输出进行限幅；并根据电流调节单元的输出，通过数字控制芯片的比较器与计数器进行驱动信号的占空比D的调节，进而驱动大功率DC/DC电路。本发明能够实现快速放电的同时在一定放电深度条件下维持输出直流电压恒定。

Description

飞轮储能系统恒压放电控制方法
技术领域
本发明属于电力的发电、变电或配电技术领域，涉及一种飞轮储能系统控制方法。
背景技术
随着全球资源和环境压力不断增大，开发绿色能源、实现可持续发展已成为各国关注的焦点。飞轮储能电源作为一种清洁、环保、大功率的储能方式，具有使用寿命长、稳定性高，充放电速度快等优点，在电力行业中的能量转换与存储、维持供电可靠性等方面得到越来越多的推广应用。
无刷直流电机具有可靠性高、工作寿命长、效率高、控制性能好的优点，被大量应用于飞轮储能装置中来实现电能与机械能的相互转换。目前，含三相无刷直流电机的飞轮储能装置包括电机，高速飞轮，三相全桥电路及其驱动电路，DC/DC斩波电路及驱动控制和数字控制平台。在放电过程中，电机将高速飞轮的机械能转化为电能，通过三相全桥电路和DC/DC电路将电能进行输出，随着能量减少，飞轮转速下降，电机的电压不断下降，并且电压的下降速度随着释放能量的速度而变化，对保持飞轮储能系统输出电压的恒定造成一定困难。
目前，飞轮储能系统放电时，电压调节主要通过三相全桥电路进行不控整流将交流电压变为直流电压，然后通过DC/DC电路进行PWM斩波控制、调节电压，使得输出直流电压恒定。在飞轮储能的应用中，往往要求输出直流电压恒定且响应快，在整流测直流电压下降速率变化的情况下仍能通过对DC/DC电路的调节，实现一定放电深度条件下稳定输出电压并保持电压恒定的功能。考虑到电力电子元件的非线性及其电压下降速率的变化情况，传统的线性控制方法难以适应飞轮储能装置的恒压放电要求，而滑模控制又需要不断改变DC/DC电路中开关管的开关频率，使得电路的滤波变得更加困难，其最高开关频率还需要接近无穷大，使得实际应用存在技术障碍；非线性的神经网络控制方法的实现需要进行大量实验，不断优化神经元权重来实现神经元参数的调整。因此飞轮储能装置的应用的关键技术之一在于通过简单可靠的控制算法对DC/DC进行控制来实现快速恒压放电。
当前，电能质量问题是用户最为关心的，而电压跌落是影响电力系统中的电能质量的主要因素，它的发生往往是因为电机负荷的突然启动、加速或系统的扰动。为了解决电压跌落这一问题，需要储能系统补偿跌落部分电压以维持系统电压恒定。飞轮储能系统在不控情况下放电时，随着电机转速的不断下降，其端电压也在不断降低，使得补偿效果差；因而需要调节电机输出端电压，使其保持恒定，在飞轮系统的输出电压恒定后在逆变时进行相应的电压补偿，补偿效果好，易于实现。
发明内容
为了实现含三相无刷直流电机的飞轮储能装置的恒定电压放电，本发明提出一种飞轮储能系统恒压放电控制方法，实现快速放电的同时在一定放电深度条件下维持输出直流电压恒定。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种飞轮储能系统恒压放电控制方法，用于包括DC/DC电路、三相全桥电路和三相无刷直流电机的飞轮储能系统，采用下列的恒压放电控制方法：
对DC/DC电路的电感电流进行实时采样，对单开关周期内的电流采样值进行平均计算得到Icy；对DC/DC电路的直流输出电压Udc1实时采样，得到采样值Ucy；
设置一个电压调节单元，设定参数包括：电流设定值I，最大输出Ioutmax，最小输出Ioutmin，最小差值Imax，最大差值Imin，；
通过对DC/DC的输出电压的采样值Ucy与电压设定值U进行比较，得到电压差，当电压差大于最大差值Uerrmax，电压调节单元输出最大输出值Uoutmax，当电压差小于最小差值Uerrmin，电压调节单元输出最小输出值Uoutmin；当电压差在其他范围内，进行比例积分调节，并对电压比例积分调节的输出Uout进行限幅。
设置一个电流调节单元，设定参数包括：设定电流值I，最大输出Ioutmax，最小输出Ioutmin，最小差值Imax，最大差值Imin；
将电压调节单元的输出Uout赋值给电流调节单元的设定电流值I，再与采样电流值Icy进行比较，得到电流差值，当电流差值大于电流调节单元的最大差值Imax，就进行输出最大输出Ioutmax，调节DC/DC电路使电压快速上升；当电流差值小于电流调节单元的最小差值Imin，就输出最小输出Ioutmin，调节DC/DC电路使电压下降；在其他范围内进行比例积分调节，同时对电流比例积分调节的输出Iout进行限幅；
根据电流调节单元的输出Iout，进行驱动信号的占空比调节，进而驱动大功率DC/DC电路。
本发明通过数字平台进行飞轮储能装置快速恒压放电控制，考虑飞轮放电的电机电压变化的不定性，通过电压调节单元的最大最小输出进行限制电路电流，有效防止线路过流；同时实现快速放电的功能。与此同时，电流调节单元对DC/DC的能量传递核心——电感的电流进行最大最小占空比调节提高了电路响应能力，实现在电机转速快速下降时保持输出电压恒定。
附图说明
图1含无刷直流电机的飞轮储能控制原理图。
图2恒压放电的控制算法框图。
图3电压调节单元框图。
图4电流调节单元框图。
附图中及文字中各标号的含义；D为占空比；Udc为飞轮储能电池的直流输出电压；I1为DC/DC电路的电感电流；Ucy为输出电压的采样值，电感测量值的平均值Icy。
电压调节单元中各标号含义：U为设定电压值，最大输出Uoutmax，最小输出Uoutmin，输出Uout，最小差值Uerrmin，最大差值Uerrmax，设定电压与采样电压的差值Uerr。
电流调节环节中各标号含义：电流设定值I，最大输出Ioutmax，最小输出Ioutmin，输出Iout，最小差值Imax，最大差值Imin，设定电流值与电感电流的平均值的差值。
具体实施方式
本发明针对含三相无刷直流电机的飞轮装置的放电控制，并要求DC/DC电路中由电感传递能量。本发明涉及的飞轮储能控制电机的DC/DC电路的快速放电控制以数字控制平台为依托，其控制方法主要通过以下两个环节来完成：电压调节单元，电流调节单元。
一次硬件电路包括DC/DC电路，三相全桥电路及电机及其驱动电路，如图1所示，其中三相全桥电路进行不控整流。数字控制平台，有数字处理器，高速A/D芯片。如图2所示，控制算法包括A/D采样，电压电流调节单元，驱动信号生成。
1A/D采样
通过高速A/D对DC/DC电路的电感电流进行实时采样，对单开关周期内的电流采样值进行平均计算得到Icy；通过高速A/D对DC/DC电路的直流输出电压Udc1实时采样，得到采样值Ucy。
2电压调节单元
电压调节单元，如图3所示，参数包括：电压设定值U，最大输出Uoutmax，最小输出Uoutmin，输出Uout，最小差值Uerrmin，最大差值Uerrmax，设定电压与采样电压的差值Uerr。
通过采样电压Ucy与设定电压U进行比较，得到电压差Uerr，当电压差Uerr小于最大差值Uerrmax，电压调节单元输出最大输出Uoutmax；当电压差Uerr小于最小差值Uerrmin，电压调节单元输出最小输出Uoutmin；当输出电压与设定电压差Uerr在其他范围内，进行比例积分调节输出Uout，并对电压比例积分调节的输出Uout进行限幅。
3电流调节单元
电流调节单元，如图4所示，参数包括：电流设定值I，最大输出Ioutmax，最小输出Ioutmin，输出Iout，最小差值Imax，最大差值Imin，设定电流与采样电流的差值Ierr。
将电压调节单元的输出Uout赋值给电流调节单元的设定值I，再与采样电流Icy进行比较，得到电流差值Ierr。当电流差值Ierr大于电流调节单元的最大差值，就进行输出最大输出Ioutmax，调节DC/DC电路使电压快速上升；当电流差值Ierr小于电流调节单元的最小差值，就输出最小输出Ioutmin，调节DC/DC电路使电压下降；在其他范围内进行比例积分调节，同时对电流比例积分调节的输出Iout进行限幅。
4驱动信号的生成
对电流调节环节的输出Iout，通过数字控制芯片的比较器与计数器来调节驱动信号的占空比为D，然后驱动大功率DC/DC电路。
在飞轮储能放电过程中，电机的直流电压值非线性下降，在一定的放电深度时，通过非线性的电压、电流调节单元的调节，一方面提高了输出电压达到设定值的速度，另一方面保持了飞轮储能装置的直流输出电压的恒定。

Claims (1)

1.一种飞轮储能系统恒压放电控制方法，用于包括DC/DC电路、三相全桥电路和三相无刷直流电机的飞轮储能系统，其特征在于，采用下列的恒压放电控制方法：
对DC/DC电路的电感电流进行实时采样，对单开关周期内的电流采样值进行平均计算得到Icy；对DC/DC电路的直流输出电压Udc1实时采样，得到采样值Ucy；
设置一个电压调节单元，设定参数包括：电流设定值I，最大输出Ioutmax，最小输出Ioutmin，最小差值Imax，最大差值Imin，；
通过对DC/DC的输出电压的采样值Ucy与电压设定值U进行比较，得到电压差，当电压差大于最大差值Uerrmax，电压调节单元输出最大输出值Uoutmax，当电压差小于最小差值Uerrmin，电压调节单元输出最小输出值Uoutmin；当电压差在其他范围内，进行比例积分调节，并对电压比例积分调节的输出Uout进行限幅；
设置一个电流调节单元，设定参数包括：设定电流值I，最大输出Ioutmax，最小输出Ioutmin，最小差值Imax，最大差值Imin；
将电压调节单元的输出Uout赋值给电流调节单元的设定电流值I，再与采样电流值Icy进行比较，得到电流差值，当电流差值大于电流调节单元的最大差值Imax，就进行输出最大输出Ioutmax，调节DC/DC电路使电压快速上升；当电流差值小于电流调节单元的最小差值Imin，就输出最小输出Ioutmin，调节DC/DC电路使电压下降；在其他范围内进行比例积分调节，同时对电流比例积分调节的输出Iout进行限幅；
根据电流调节单元的输出Iout，进行驱动信号的占空比调节，进而驱动大功率DC/DC电路。
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