CN103904670A - 飞轮储能系统双向变换器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞轮储能系统双向变换器及其控制方法，所述飞轮储能系统双向变换器包括三相桥臂，与三相桥臂并联的中性点桥臂，中性点桥臂与电机绕组的中性点连接。本发明在充电时能使飞轮到达更高的转速，感应电动势的幅值将随之升高；放电时对半桥调制的升压要求将降低，更有利于能量回馈；而且更高的转速使飞轮储能系统的储能能力得到了提高，可实现单双极驱动并可以两种驱动模式间平滑切换，适用于飞轮储能系统及其它运行范围广且在高低速区间频繁切换的场合，特别适用于解决新能源发电系统随机性、波动性问题，实现能量的平滑输出，从而有效调节风力发电引起的电网电压、频率及相位的变化，使大规模新能源电能安全可靠地接入常规电网。

Description

飞轮储能系统双向变换器及其控制方法

技术领域

本发明涉及双向变换器及其控制方法，尤其是一种适用于无刷直流电机驱动并可以进行单双极驱动的飞轮储能系统双向变换器及其控制方法。

背景技术

随着技术的发展和成本的不断下降，风力发电、太阳能发电的装机容量正以每年30%的速度迅猛发展。然而，风能、太阳能自身所固有的随机性、间歇性特征，对电网调峰和系统安全运行带来了严重影响，制约了电网对新能源电能的接纳能力。

飞轮储能系统由驱动电机带动一个大转动惯量的飞轮本体，通过加速或减速实现能量的充电和放电。无刷直流电机转矩密度高、运行范围广、调节方便，故常被用来作驱动电机。传统的驱动方式为两相导通，每60°电角度进行一次换相。这样，直流电压值始终加在两相串联绕组的两端，因此直流电压必定大于2倍的感应电动势幅值。随着转速的升高，感应电动势幅值增加，忽略损耗，当直流电压值与2倍感应电动势幅值相等时，即到达了电机的最大转速。

在飞轮储能系统运行范围内，需要对直流母线上的能量进行电能补偿时，若无刷直流电机进行自由放电，较低的电动势无法向较高的直流母线输送能量。现有技术升压能力有限，特别是当飞轮处于最小工作转速附近时，需要接近1的占空比，甚至还可能馈电失败，威胁到整个新能源发电系统的安全。

发明内容

发明目的：提供一种适用于无刷直流电机驱动的飞轮储能系统双向变换器及其控制方法，以解决现有技术存在的问题。

技术方案：一种飞轮储能系统双向变换器，包括三相桥臂，与三相桥臂并联的中性点桥臂，且其中点与电机绕组的中性点连接。

在单极驱动时，感应电动势处于120°的平顶区中间的60°区间的某相对应半桥臂导通，所述中性点桥臂中的互补半桥臂导通。在双极驱动时，感应电动势处于正向和负向平顶区的两相绕组导通，所述中性点桥臂关断。

所述中性点桥臂的每个半桥臂有两只功率管反相串联组成。所述功率管为全控型器件，所述全控型器件包括IGBT或MOSFET。 

上述飞轮储能系统双向变换器的控制方法，判断系统的状态；在低速时，采用双极驱动；在高速时，采用单极驱动；在放电时，采用半桥调制方法。

单极驱动方式可使电机达到更高的转速，既扩大了飞轮储能能力，又可降低半桥调制放电时的占空比，有利于能量回馈。

有益效果：本发明提高了系统的升压能力。进一步的，在单极驱动时，电流仅流经一相绕组，通过电压平衡方程可知，在相同直流母线电压条件下，电枢电流幅值将大于双极驱动时电流幅值的2倍，从而得到更大的电磁转矩，有能力克服损耗转矩进行提速，直至一个新的电磁转矩和损耗转矩的平衡点，即新的最高转速。仿真结果可证明，单极驱动最高转速比双极驱动最高转速高40%左右，并且单双极控制方式和放电模式间可以自由切换。在本发明的部分方案中，在单极驱动或双极驱动换相时，非导通相会在电动势的作用下经续流二极管产生续流电流，将会影响导通相电流波形，降低电磁转矩值。两只功率器件反向串联组成的半桥臂，可以杜绝这一现象，修正相电流波形，获得最大电磁转矩。

附图说明

图1 是本发明的结构示意图。

图2 是本发明单极驱动电流路径图。

图3 是本发明双极驱动电流路径图。

图4a和图4b是本发明半桥调制电流路径图；其中，图4a为下半桥臂处于导通状态，图4b为上半桥臂处于导通状态。

图5 是飞轮储能系统整体控制策略图。

图6a和图6b分别是飞轮储能系统控制示意图。

图7a至图7d是飞轮储能系统不同控制方式下的仿真结果示意图：其中，图7a展示了单双极驱动方式下飞轮储能系统加速曲线，图7b展示了双极驱动转为单极驱动瞬间，图7c展示了双极驱动转为放电模式瞬间，图7d展示了单极驱动转为放电模式瞬间。

具体实施方式

如图1所示，本发明的双向变换器增加了中性点桥臂18，用以控制中性点电位。每只半桥臂13由两只功率管12反相串联组成，以防止非导通相在感应电动势的作用下经由反向二极管产生续流电流从而降低电磁转矩。功率管可采用IGBT或MOSFET等全控型器件，旨在消除非导通相在电动势的作用下产生的续流。驱动电机采用无刷直流电机14，每相绕组采用电阻15、电感16和感应电动势17等效。此双向变换器可以实现飞轮储能系统单极驱动、双极驱动和半桥调制放电三种工作状态。

转到图2，在单极驱动时，感应电动势处于120°的平顶区中间的60°区间的某相对应半桥臂导通，同时中性点桥臂18的互补半桥臂导通。以e _a 处于120°正向平顶区的中间60°为例，A相上半桥臂导通，同时中性点桥臂18的下半桥臂导通，即半桥臂1和半桥臂8导通，电流11流经直流侧的V _dc 端-A相绕组-中性点N-0电位端。

转到图3，在双极驱动时，感应电动势处于正向和负向平顶区的两相绕组导通，中性点桥臂关断。以e _a 处于正向平顶区、e _b 处于负向平顶区的60°区间为例，A相上半桥臂导通，B相下半桥臂导通，中性点桥臂关断，即半桥臂1和半桥臂4导通，电流11流经直流侧的V _dc 端-A相绕组-中性点-B相绕组-0电位端。

双极驱动时相电流峰值小且转矩脉动小，存在转速限制；单极驱动时电磁转矩增大，可达到更高转速，从而扩大储能能力。

如图4a和图4b所示，半桥调制方式放电时，感应电动势处于负向平顶区的某相下半桥臂恒通，处于正向平顶区的某相下半桥臂采用PWM调制，上半桥臂的PWM信号与下半桥臂互补，中性点桥臂关断。以e _a 处于正向平顶区、e _b 处于负向平顶区时的60°区间为例，B相下半桥臂导通，A相下半桥臂PWM调制，上半桥臂施以互补的PWM调制，中性点桥臂关断，即半桥臂4恒通，半桥臂1和半桥臂2互补PWM调制。管2导通时，在电动势作用下由功率管4-B相绕组-中性点-A相绕组-功率管2形成了短路电流，如图4a所示，在功率管2关断时该短路电流经功率管1续流如图4b所示，形成升压Boost电路，实现能量回馈。

图5所示为飞轮储能系统控制策略。以用于风力发电系统的飞轮储能为例，直流母线电压V _dc 可反应系统内的能量状态，和飞轮转速n _f 共同决定飞轮储能系统的工作状态。因双极驱动相电流峰值小且转矩脉动小，控制方法成熟，但能达到的最高转速受限制，单极驱动可达到更高转速但相电流峰值大，因此设定n _fcr 为单双极驱动的切换点，约为双极驱动能达到的最大转速的80~90%。能量充足即V _dc >V _dcmax 时，若n _f <n _fcr ，采用双极驱动方式；若n _fcr <n _f <n _fmax ，采用单极驱动方式；能量需要补偿时即V _dc <V _dcmin 时，若n _f >n _fmin ，则采用半桥调制方式进行能量回馈。

图6a和图6b为本双向变换器控制的以DSP为中心的具体硬件实现方法。无刷直流电机的霍尔传感器给出位置信号，经过计算可得到电机转速n _f 。直流母线的电压V _dc 由电压传感器测得。发电端能量大于用电端时，飞轮储能系统运行在电动状态进行储能，根据当前速度分为单极和双极驱动。V _dc 与额定值比较后输出的误差信号经电压PI调节器输出电流幅值参考信号，与当前电流幅值比较后，电流误差信号经电流PI调节器作用后输出开关占空比数值，与锯齿波比较后输出开关信号，和换相信号进行“与”作用后，输出双向变换器的控制脉冲，根据电机位置为各管分配相应的驱动信号。单极和双极驱动方式的控制框图一样，仅其中的电压、电流PI调节器的参数和换相信号不同。发电端能量小于于用电端时，飞轮储能系统运行在放电状态，对系统中缺少的能量进行补偿。V _dc 与额定值比较后输出的误差信号经电压PI调节器输出开关占空比数值，与锯齿波比较后输出开关信号，和换相信号进行“与”作用后，输出双向变换器的控制脉冲，根据电机位置为各管分配相应的驱动信号。

图7a和图7b为飞轮储能系统不同控制方式下的仿真结果。

图7a为单双极驱动方式下飞轮储能系统加速曲线，由图可见，双极驱动加速曲线在其最高转速的80%时趋缓，而单极驱动加速曲线仍以较高加速度进行加速，最终单极驱动方式能达到的最高转速比双极驱动最高转速高40%左右。

图7b为双极驱动转为单极驱动瞬间，可见单极驱动时电流幅值远大于双极驱动电流幅值，无非导通相续流现象，同时加速度明显增加。图7c、7d分别为双极驱动、单极驱动转为放电模式瞬间，可看出两种切换都是平稳可控的，而单极驱动方式能达到转速较高，因此提高了飞轮储能系统的储能能力。

由上可知，本发明在充电时能使飞轮到达更高的转速，则感应电动势的幅值将随之升高，放电时对半桥调制的升压要求将降低，更有利于能量回馈；而且，更高的转速使飞轮储能系统的储能能力得到了提高。可实现单双极驱动并可以两种驱动模式间平滑切换，适用于飞轮储能系统及其它运行范围广且在高低速区间频繁切换的场合，特别适用于解决新能源发电系统随机性、波动性问题，实现能量的平滑输出，从而有效调节风力发电引起的电网电压、频率及相位的变化，使大规模新能源电能安全可靠地接入常规电网。除此之外，本发明还可用于卫星姿态控制、电动汽车、UPS等场合。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种飞轮储能系统双向变换器，包括三相桥臂，其特征在于，还包括与三相桥臂并联的中性点桥臂，且其中点与电机绕组的中性点连接。

2.如权利要求1所述的飞轮储能系统双向变换器，其特征在于，在单极驱动时，感应电动势处于120°的平顶区中间的60°区间的某相对应半桥臂导通，所述中性点桥臂中的互补半桥臂导通。

3.如权利要求1所述的飞轮储能系统双向变换器，其特征在于，在双极驱动时，感应电动势处于正向和负向平顶区的两相绕组导通，所述中性点桥臂关断。

4.如权利要求1至3任一项所述的飞轮储能系统双向变换器，其特征在于，所述中性点桥臂的每个半桥臂有两只功率管反相串联组成。

5.如权利要求4所述的飞轮储能系统双向变换器，其特征在于，所述功率管为全控型器件，所述全控型器件包括IGBT或MOSFET。

6.权利要求1所述的飞轮储能系统双向变换器的控制方法，其特征在于，判断系统的状态；在低速时，采用双极驱动；在高速时，采用单极驱动；在放电时，采用半桥调制方法。

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