CN103532159B - 基于飞轮储能的直流方式电压凹陷抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种基于飞轮储能的直流方式电压凹陷抑制装置及方法，包括飞轮、直流无刷电机、三相桥式变流器、直流接触器，飞轮与直流无刷电机同轴相连，直流无刷电机与三相桥式变流电路的交流侧相连，三相桥式变流电路串联直流接触器侧接到直流母线，三相桥式变流器的主电路采用半桥拓扑结构，主电路交流侧为三相对称的无中线连接方式接入到直流无刷电机交流侧，主电路直流侧通过直流接触器侧接到直流母线，变流电路的桥臂由功率开关管组成。控制电路包括直流电源、驱动电路、DSP、单片机、调理电路、温度检测单元、电压检测单元、电流检测单元、速度检测单元、键盘输入、液晶显示，该装置结合飞轮储能的特点，解决了电压凹陷问题。
Description
技术领域
本发明涉及电力设备领域,具体为一种基于飞轮储能的直流方式电压凹陷抑制装置及方法。
背景技术
随着我国国民经济和现代化工业生产的快速发展，用电规模越来越大，用电环境越来越复杂，无论是企业、政府还是普通用户，对提高供电的可靠性、改善电能质量都提出了越来越高的要求。在现代化企业中，大量的智能控制设备和自动化程度很高的用电设备相继投入使用，如变频器、机器人、自动生产线、精密加工设备以及计算机信息系统等，这些设备对电压凹陷十分敏感，甚至20ms左右的电压凹陷就可能造成停产或产品质量的下降，产生巨大的经济损失。据统计，一般自动化程度很高的工业用户每年要遭受1O～50次与电能质量问题有关的事故，而其中因电压凹陷造成的事故数约占事故总数的83％，因此电压凹陷已成为威胁许多重要用户供电可靠性的主要原因之一，必须对其进行有效、快速地检测和抑制。
交流机变频调速具有平滑、调速范围宽、效率高特性好、结构简单、机械特性硬、保护功能齐全等优点，运行平稳安全可靠，在生产过程中能获得最佳速度参数，是理想的调速方式。应用实践证明，交流电机变频调速一般能节电30％，变频调速技术在工农业生产中广泛使用。交直交变频器具有低电压保护的功能，对于具有直流侧低电压保护的交直交变频器可采用直流电压凹陷抑制技术。
发明内容
针对以上现有技术的缺点，本发明提供一种基于飞轮储能的直流方式电压凹陷抑制装置及方法解决电压凹陷问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于飞轮储能的直流方式电压凹陷抑制方法，该方法基于飞轮储能的直流方式电压凹陷抑制装置，该装置包括飞轮、直流无刷电机、三相桥式变流器、直流接触器和控制模块，飞轮处在真空中，飞轮与直流无刷电机同轴相连，直流无刷电机与三相桥式变流器的交流侧相连，三相桥式变流器的直流侧串联直流接触器后接到直流母线；所述的三相桥式变流器的主电路采用半桥拓扑结构，主电路交流侧采用三相对称的无中线连接方式接入到直流无刷电机交流侧，主电路直流侧通过直流接触器接到直流母线，主电路的每个桥臂由功率开关管组成；所述的功率开关管由绝缘栅双极晶体和二极管反并联连接组成；所述的控制模块包括直流电源、驱动电路、DSP、单片机、调理电路、温度检测单元、电压检测单元、电流检测单元、速度检测单元、键盘输入和液晶显示；温度检测单元、电压检测单元、电流检测单元、速度检测单元采集的信号分别通过调理电路传送给DSP，DSP通过驱动电路对三相桥式变流器进行控制，单片机分别与DSP、键盘输入和液晶显示连接；包括以下步骤：步骤1、充电模式，直流接触器闭合，三相桥式变流器的变流电路工作在逆变状态，直流无刷电机将电能转换为机械能，带动飞轮加速旋转，电能转换为机械能存储在飞轮中，当飞轮转速上升到额定转速，充电结束，装置转到保持模式；步骤2、保持模式，直流接触器断开，三相桥式变流器不工作，飞轮储能保持；步骤3、放电模式，电网电压发生凹陷使直流母线电压低于下限值时，直流接触器闭合，飞轮拖动直流无刷电机发出交流电，三相桥式变流器将交流电转换为直流电供给直流母线，维持直流母线电压稳定；所述的直流无刷电机既可运行在电动状态，也可运行在发电状态；运行在电动状态时将电能转换为机械能储存在高速旋转的飞轮上，运行在发电状态时，将储存在飞轮上的机械能转换为电能；所述三相桥式变流器可工作在逆变状态，将直流电转换为交流电，也可工作在整流状态，将交流电转换为直流电，直流接触器闭合，三相桥式变流器的直流侧接到直流母线；充电模式下，转速、电流双闭环控制飞轮的转速，用三相六开120°导通方式控制三相桥式变流器，对导通的器件用PWM脉冲控制；放电模式下，电压、电流双闭环控制直流母线电压，用三相六开120°导通方式控制三相桥式变流器，对导通的器件用PWM脉冲控制。
本发明的优点在于：(1)该装置结合飞轮储能的特点，解决了电压凹陷问题；(2)该装置安装在对直流电压具有低电压保护功能的对电压暂降敏感的交直交变频器的直流母线上，能够避免此类变频器由于电压凹陷停止工作对生产的影响；(3)单片机连接键盘和显示器，具有人机接口的作用；(4)本发明具有可靠性高、速度快、使用寿命长、损耗小、无污染等特点。(5)单片机与DSP采用Modbus协议进行通讯，传输可靠，信号稳定。
附图说明
图1基于飞轮储能的直流方式电压凹陷抑制装置的主电路原理图；
图2基于飞轮储能的直流方式电压凹陷抑制装置的控制电路框图；
图3基于飞轮储能的直流方式电压凹陷抑制装置充电模式控制结构框图；
图4基于飞轮储能的直流方式电压凹陷抑制装置放电模式控制结构框图；
图5基于飞轮储能的直流方式电压凹陷抑制装置应用于交直交变频器时的安装位置图。
具体实施方式
基于飞轮储能的直流方式电压凹陷抑制装置由主电路和控制电路组成，主电路负责能量的变换和传输，控制电路对主电路的能量传输和变换进行控制。
图1所示为基于飞轮储能的直流方式电压凹陷抑制装置的主电路原理图，主电路由飞轮、直流无刷电机(M)、采用全控器件的三相桥式变流器(V1～V6、VD1～VD6)、直流接触器(K)构成，其中：飞轮处在真空中，飞轮与直流无刷电机同轴相连，直流无刷电机可运行在电动状态将电能转换为机械能，也可运行在发电状态，将机械能转换为电能；三相桥式变流器可工作在逆变状态，将直流电转换为交流电，也可工作在整流状态，将交流电转换为直流电；直流接触器闭合，三相桥式变流器的直流侧接到直流母线(V+、V-)。
三相桥式变流器的主电路采用半桥拓扑结构，主电路交流侧为三相对称的无中线连接方式接入到直流无刷电机交流侧，主电路直流侧通过直流接触器侧接到直流母线，半桥的桥臂由功率开关管组成。功率开关管由绝缘栅双极晶体和二极管反并联连接组成。
图2为基于飞轮储能的直流方式电压凹陷抑制装置的控制电路框图，控制电路中的主芯片DSP对飞轮的速度闭环控制，通过驱动电路对三相桥式变流器进行控制。单片机用Modbus协议与DSP通讯，连接键盘和显示器，键盘用于设置或修改装置的参数，显示器用于显示装置的运行参数。
基于飞轮储能的直流方式电压凹陷抑制装置有如下三种工作模式：充电模式、保持模式、放电模式。
充电模式下，直流接触器闭合，三相桥式变流器工作在逆变状态，直流无刷电机将电能转换为机械能，带动飞轮加速旋转，电能转换为机械能存储在飞轮中。当飞轮转速上升到额定转速，充电结束，装置转到保持模式。充电模式用如图3所示的转速、电流双闭环控制飞轮的转速，均采用PI调节器，外环为转速环(ω)，内环为电流环(i)，用三相六拍120°导通方式控制三相桥式变流器，对导通的器件用PWM脉冲控制。三相桥式变流器输出交流电压和电流相位基本相同。
保持模式下，直流接触器断开，三相桥式变流器不工作，飞轮储能基本保持。
当由于电网电压发生凹陷使直流母线电压低于下限值，工作在放电模式，直流接触器闭合，飞轮拖动电机发出交流电，三相桥式变流器将交流电转换为直流电供给直流母线，维持直流母线电压稳定。当电网电压恢复正常时，装置转到充电模式。放电模式用图4所示的电压、电流双闭环控制直流母线电压，外环为电压环(ud)，采用PI调节器，内环为电流环(iabc)，采用跟踪控制，用三相六拍120°导通方式控制三相桥式变流器，对导通的器件用PWM脉冲控制。三相桥式变流器输出交流电压和电流相位基本相反。
基于飞轮储能的直流方式电压凹陷抑制装置安装在对直流电压具有低电压保护功能的对电压暂降敏感的用电设备的直流母线上，对电压凹陷进行抑制。装置保护交直交变频器时，如图5所示安装。
Claims (1)
1.一种基于飞轮储能的直流方式电压凹陷抑制方法，该方法基于飞轮储能的直流方式电压凹陷抑制装置，该装置包括飞轮、直流无刷电机、三相桥式变流器、直流接触器和控制模块，飞轮处在真空中，飞轮与直流无刷电机同轴相连，直流无刷电机与三相桥式变流器的交流侧相连，三相桥式变流器的直流侧串联直流接触器后接到直流母线；所述的三相桥式变流器的主电路采用半桥拓扑结构，主电路交流侧采用三相对称的无中线连接方式接入到直流无刷电机交流侧，主电路直流侧通过直流接触器接到直流母线，主电路的每个桥臂由功率开关管组成；所述的功率开关管由绝缘栅双极晶体和二极管反并联连接组成；所述的控制模块包括直流电源、驱动电路、DSP、单片机、调理电路、温度检测单元、电压检测单元、电流检测单元、速度检测单元、键盘输入和液晶显示；温度检测单元、电压检测单元、电流检测单元、速度检测单元采集的信号分别通过调理电路传送给DSP，DSP通过驱动电路对三相桥式变流器进行控制，单片机分别与DSP、键盘输入和液晶显示连接；该方法包括以下步骤：步骤1、充电模式，直流接触器闭合，三相桥式变流器的变流电路工作在逆变状态，直流无刷电机将电能转换为机械能，带动飞轮加速旋转，电能转换为机械能存储在飞轮中，当飞轮转速上升到额定转速，充电结束，装置转到保持模式；步骤2、保持模式，直流接触器断开，三相桥式变流器不工作，飞轮储能保持；步骤3、放电模式，电网电压发生凹陷使直流母线电压低于下限值时，直流接触器闭合，飞轮拖动直流无刷电机发出交流电，三相桥式变流器将交流电转换为直流电供给直流母线，维持直流母线电压稳定；所述的直流无刷电机既可运行在电动状态，也可运行在发电状态；运行在电动状态时将电能转换为机械能储存在高速旋转的飞轮上，运行在发电状态时，将储存在飞轮上的机械能转换为电能；所述三相桥式变流器可工作在逆变状态，将直流电转换为交流电，也可工作在整流状态，将交流电转换为直流电，直流接触器闭合，三相桥式变流器的直流侧接到直流母线；充电模式下，转速、电流双闭环控制飞轮的转速，用三相六开120°导通方式控制三相桥式变流器，对导通的器件用PWM脉冲控制；放电模式下，电压、电流双闭环控制直流母线电压，用三相六开120°导通方式控制三相桥式变流器，对导通的器件用PWM脉冲控制。
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