CN107508302A - 一种在飞轮储能系统中的电力节能控制方法 - Google Patents

一种在飞轮储能系统中的电力节能控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电力系统控制技术领域，尤其涉及一种在飞轮储能系统中的电力节能控制方法，具体说是一种在飞轮储能系统中的电力变频控制方法。本发明控制系统由动力电源、上位机、PLC、整流装置、现场总线、逆变装置A、逆变装置B、驱动电机、负载电机、电网、储能飞轮、以太网和网络模块组成。本发明充电时采用速度电流双闭环，放电控制时采用电压电流双闭环,正弦波调制SPWM。根据系统的运行特点选用异步电机作为飞轮电机，并分析了异步电机工作与电动和发电两种状态下的特性分析，以及根据实际运行情况提出了异步电机两种变频调速基本控制方式该技术在改善电能质量、电网调峰、不间断供电备用电源UPS等诸多领域都有广泛的应用前景。

Description

一种在飞轮储能系统中的电力节能控制方法
技术领域
本发明涉及电力系统控制技术领域，尤其涉及一种在飞轮储能系统中的电力节能控制方法，具体说是一种在飞轮储能系统中的电力变频控制方法。
背景技术
飞轮储能技术被认为是新型能量储存技术，飞轮储能技术在改善电能质量、电网调峰、不间断供电备用电源UPS等诸多领域都有广泛的应用前景。飞轮储能技术在电力变频控制方法上冗余繁琐，不利于广泛应用，因此，本发明采用了一种高效优化的电力变频控制方法来改善电力储能飞轮系统中的技术难题。
发明内容
针对上述现有技术部存在的问题，本发明提供了一种在飞轮储能系统中的电力节能控制方法。其目的是采用一种高效优化的电力变频控制方法来改善电力储能飞轮系统中的技术难题。
为了实现上述发明目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种在飞轮储能系统中的电力节能控制方法，其特征是：控制系统由动力电源分别与上位机、PLC、整流装置相连接，同时上位机同PLC相连接，为其实时供电；PLC另一端同整流装置相连接；整流装置分别连接逆变装置A和逆变装置B；PLC还通过现场总线与逆变装置相连接，PLC通过网络模块与以太网链接；逆变装置A通过驱动电机与电网相连接；逆变装置B的另一端通过负载电机和储能飞轮相连接；交流电通过整流装置变成中间直流母线电压，以数字寄存器的方式将信息实时反馈给PLC，PLC经判断后，发出指令控制中间直流电压大小，通过逆变装置A和逆变装置B来控制驱动电机和负载电机；
控制方法具体包括以下步骤：
(1)动力电源给系统供电，上位机采用通讯控制技术，以现场总线为控制平台，PLC为控制核心，链接通讯接口对整流装置和逆变装置A进行实时控制与数据采集；两套逆变装置通过系统直流部分衔接，同时带动驱动电机和负载电机运行，负载电机带动储能飞轮储能，将储存的能量通过中间直流电压回馈给电网，实现节能；
(2)通过中间直流电压控制逆变装置B带动负载电机运行，储能飞轮处于电动运行状态，控制方式采用速度电流双闭环，通过数字寄存器实施监控负载电机速度与电流大小，采用矢量控制技术，对电机的励磁电流和电枢电流进行实时控制；
(3)降低储能飞轮的速度，以能耗制动方式提升中间直流电压，采用电压电流双闭环、正弦波脉冲宽度调制SPWM带动驱动电机运行，将能量反馈给电网；
(4)驱动电机和负载电机均采用异步电机作为飞轮电机，并设计基于异步电机的飞轮储能系统的能量转换环节的控制系统，对电动发电控制进行控制，在飞轮储能系统发电控制中，实现电机能量回馈制动的升压控制方法；
(5)PLC为控制核心，通过进行编程及调试、对现场总线的参数设置及调试；
能量转换通过整流装置、逆变装置A来控制驱动电机和负载电机；飞轮储能系统发电时发出的电能也通过双向能量变换器反馈给中间直流环节，再经过逆变装置A逆变后供负载使用。
所述上位机采用通讯控制技术，以现场总线为控制平台，PLC为控制核心，链接通讯接口对整流装置和逆变装置进行实时控制与数据采集；逆变装置A和逆变装置B通过系统直流部分衔接，同时带动驱动电机和负载电机运行，负载电机带动储能飞轮储能，将储存的能量通过中间直流电压回馈给电网，实现节能。
所述PLC为变频控制系统，系统用PLC程序实时监控变频系统中间直流电压，实时通过与标准设定值相比较来判断电机处于何种工作状态，以改变输出频率的大小，并对输出进行调频和恒压控制，将能量稳定的回馈给电网，实现系统高效节能的运行；所述的PLC为控制核心，通过进行编程及调试、对现场总线的参数设置及调试；能量转换通过整流装置、逆变装置来控制驱动电机和负载电机；飞轮储能系统发电时发出的电能也通过双向能量变换器反馈给中间直流环节，再经过逆变装置逆变后供负载使用。
所述驱动电机和负载电机均采用异步电机作为飞轮电机，并设计基于异步电机的飞轮储能系统的能量转换环节的控制系统，对电动发电控制进行控制，在飞轮储能系统发电控制中，实现电机能量回馈制动的升压控制方法。
所述能量转换通过整流装置、逆变装置A来控制驱动电机和负载电机，具体是采用双变频供直流母线运行的方式做中间能量转化环节，即通过整流装置转换为中间直流电压部分，然后通过双逆变的方式变换，这种运行方式不但能充分利用现有资源而且可以实现整流和逆变的模块化和易控制性。
所述中间直流电压的控制采用了闭环控制，根据Ud的大小采用PID算法控制负载端变频器的频率输出，从而达到对Ud的反馈控制，Ud表示整流滤波后的中间直流电压。
本发明优点及有益效果是：
本发明提出了矢量控制方案，充电时采用速度电流双闭环，放电控制时采用电压电流双闭环,正弦波调制(SPWM)。提出了一种控制方法，并对控制系统的结构进行了设计。分析了飞轮储能工作原理，根据系统的运行特点选用异步电机作为飞轮电机，并分析了异步电机工作与电动和发电两种状态下的特性分析，以及根据实际运行情况提出了异步电机两种变频调速基本控制方式该技术在改善电能质量、电网调峰、不间断供电备用电源UPS等诸多领域都有广泛的应用前景。
下面结合附图对本发明一种在飞轮储能系统中的电力变频控制方法做进一步描述：
附图说明
图1是本发明的系统结构图。
图中：动力电源1，上位机2，PLC3，整流装置4，现场总线5，逆变装置A6，驱动电机7，负载电机8，电网9，储能飞轮10,以太网11、网络模块12和逆变装置B13。
具体实施方式
本发明是一种远程网络控制在飞轮储能系统中的电力节能控制方法，如图所示，图1是本发明的系统结构图。
一种在飞轮储能系统中的电力节能控制方法，其中系统由动力电源1、上位机2、PLC3、整流装置4、现场总线5、逆变装置A6、逆变装置B13、驱动电机7、负载电机8、电网9和储能飞轮10、以太网11和网络模块12组成，其中动力电源1分别与上位机2、PLC3、整流装置4相连接，同时上位机2同PLC3相连接，为其实时供电；PLC3另一端同整流装置4相连接；整流装置4分别连接逆变装置A6和逆变装置B13；PLC3还通过现场总线5与逆变装置A6相连接，PLC3通过网络模块12与以太网11链接；逆变装置A6通过驱动电机7与电网9相连接；逆变装置B13的另一端通过负载电机8和储能飞轮10相连接。交流电通过整流装置4变成中间直流母线电压，以数字寄存器的方式将信息实时反馈给PLC3，PLC3经判断后，发出指令控制中间直流电压大小，通过逆变装置A6和逆变装置B13来控制驱动电机7和负载电机8。
本发明一种在飞轮储能系统中的电力节能控制方法，具体包括以下步骤：
1、动力电源1给系统供电，上位机2采用通讯控制技术，以现场总线5为控制平台，PLC3为控制核心，链接通讯接口对整流装置4和逆变装置A6进行实时控制与数据采集。两套逆变装置通过系统直流部分衔接，同时带动驱动电机7和负载电机8运行，负载电机8带动储能飞轮储能，将储存的能量通过中间直流电压回馈给电网，实现节能。
2、通过中间直流电压控制逆变装置B带动负载电机运行，储能飞轮处于电动运行状态，控制方式采用速度电流双闭环，通过数字寄存器实施监控负载电机速度与电流大小，采用矢量控制技术，对电机的励磁电流和电枢电流进行实时控制。
3、降低储能飞轮的速度，以能耗制动方式提升中间直流电压，采用电压电流双闭环、正弦波脉冲宽度调制(SPWM)带动驱动电机运行，将能量反馈给电网。
4、驱动电机7和负载电机8均采用异步电机作为飞轮电机，并设计基于异步电机的飞轮储能系统的能量转换环节的控制系统，对电动发电控制进行控制，在飞轮储能系统发电控制中，实现电机能量回馈制动的升压控制方法。
5、PLC3为控制核心，通过进行编程及调试、对现场总线5的参数设置及调试。
能量转换通过整流装置4、逆变装置A6来控制驱动电机7和负载电机8；飞轮储能系统发电时发出的电能也通过双向能量变换器反馈给中间直流环节，再经过逆变装置A6逆变后供负载使用。
其硬件结构为上位机采用通讯控制技术，以现场总线5为控制平台，PLC3为控制核心，链接通讯接口对整流装置4和逆变装置进行实时控制与数据采集。逆变装置A6和逆变装置B13通过系统直流部分衔接，同时带动驱动电机7和负载电机8运行，负载电机8带动储能飞轮10储能，将储存的能量通过中间直流电压回馈给电网9，实现节能。
本发明采用PLC变频控制系统，系统用PLC程序实时监控变频系统中间直流电压，实时通过与标准设定值相比较来判断电机处于何种工作状态，以改变输出频率的大小，并对输出进行调频和恒压控制，将能量稳定的回馈给电网，实现系统高效节能的运行。所述的PLC3为控制核心，通过进行编程及调试、对现场总线5的参数设置及调试。能量转换通过整流装置4、逆变装置来控制驱动电机7和负载电机8；飞轮储能系统发电时发出的电能也通过双向能量变换器反馈给中间直流环节，再经过逆变装置逆变后供负载使用。
所述电机矢量控制在PLC变频控制系统中的应用为现有技术的改进与创新，所述的驱动电机7和负载电机8均采用异步电机作为飞轮电机，并设计基于异步电机的飞轮储能系统的能量转换环节的控制系统，对电动发电控制进行控制，在飞轮储能系统发电控制中，实现电机能量回馈制动的升压控制方法。
采用双变频供直流母线运行的方式做中间能量转化环节，即通过整流装置4转换为中间直流电压部分，然后通过双逆变的方式变换，这种运行方式不但能充分利用现有资源而且可以实现整流和逆变的模块化和易控制性，既能保证控制精度，又能易于采样和分析实验数据，提高了实验结果的可靠性。为了保证系统的稳定性、快速性和准确性，中间直流电压的控制采用了闭环控制，根据Ud的大小采用PID算法控制负载端变频器的频率输出，从而达到对Ud的反馈控制。Ud表示整流滤波后的中间直流电压。
在飞轮加速储能过程中，电机作为电动机运行，由于飞轮属于大惯性负载，其速度变化比较慢，为了获得尽可能快的储能速度，对电机的加速控制通常有恒定转矩和恒定功率两种控制方式。前者以系统允许的最大转矩为电磁转矩，加速过程保持系统的电磁转矩不变；后者以系统允许的最大功率为电机的电磁功率，加速过程保持电机的电磁功率不变。
对于恒定转矩控制方式，随着转速的升高，电机的电磁功率不断加大，导致转子高速时相对干扰较大，不利于飞轮运行的稳定性；对于恒定功率方式，转子在低速时升速率过快，也较容易引起振动过大现象，对于稳定运行也很不利。为保证系统运行的稳定性，也符合电机的理想运行特性，在飞轮升速过程中，可将两种控制方式结合起来：低速转矩恒定、高速功率恒定。在恒转矩控制方式下电机以最大的加速度快速起动，之后进入恒定功率控制方式可以有效降低电机的功率容量，这样，电机和控制器的利用率和效率得到提高。

Claims (6)

1.一种在飞轮储能系统中的电力节能控制方法，其特征是：控制系统由动力电源分别与上位机、PLC、整流装置相连接，同时上位机同PLC相连接，为其实时供电；PLC另一端同整流装置相连接；整流装置分别连接逆变装置A和逆变装置B；PLC还通过现场总线与逆变装置相连接，PLC通过网络模块与以太网链接；逆变装置A通过驱动电机与电网相连接；逆变装置B的另一端通过负载电机和储能飞轮相连接；交流电通过整流装置变成中间直流母线电压，以数字寄存器的方式将信息实时反馈给PLC，PLC经判断后，发出指令控制中间直流电压大小，通过逆变装置A和逆变装置B来控制驱动电机和负载电机；
控制方法具体包括以下步骤：
(1)动力电源给系统供电，上位机采用通讯控制技术，以现场总线为控制平台，PLC为控制核心，链接通讯接口对整流装置和逆变装置A进行实时控制与数据采集；两套逆变装置通过系统直流部分衔接，同时带动驱动电机和负载电机运行，负载电机带动储能飞轮储能，将储存的能量通过中间直流电压回馈给电网，实现节能；
(2)通过中间直流电压控制逆变装置B带动负载电机运行，储能飞轮处于电动运行状态，控制方式采用速度电流双闭环，通过数字寄存器实施监控负载电机速度与电流大小，采用矢量控制技术，对电机的励磁电流和电枢电流进行实时控制；
(3)降低储能飞轮的速度，以能耗制动方式提升中间直流电压，采用电压电流双闭环、正弦波脉冲宽度调制SPWM带动驱动电机运行，将能量反馈给电网；
(4)驱动电机和负载电机均采用异步电机作为飞轮电机，并设计基于异步电机的飞轮储能系统的能量转换环节的控制系统，对电动发电控制进行控制，在飞轮储能系统发电控制中，实现电机能量回馈制动的升压控制方法；
(5)PLC为控制核心，通过进行编程及调试、对现场总线的参数设置及调试；
能量转换通过整流装置、逆变装置A来控制驱动电机和负载电机；飞轮储能系统发电时发出的电能也通过双向能量变换器反馈给中间直流环节，再经过逆变装置A逆变后供负载使用。
2.根据权利要求1所述的一种在飞轮储能系统中的电力节能控制方法，其特征是：所述上位机采用通讯控制技术，以现场总线为控制平台，PLC为控制核心，链接通讯接口对整流装置和逆变装置进行实时控制与数据采集；逆变装置A和逆变装置B通过系统直流部分衔接，同时带动驱动电机和负载电机运行，负载电机带动储能飞轮储能，将储存的能量通过中间直流电压回馈给电网，实现节能。
3.根据权利要求1所述的一种在飞轮储能系统中的电力节能控制方法，其特征是：所述PLC为变频控制系统，系统用PLC程序实时监控变频系统中间直流电压，实时通过与标准设定值相比较来判断电机处于何种工作状态，以改变输出频率的大小，并对输出进行调频和恒压控制，将能量稳定的回馈给电网，实现系统高效节能的运行；所述的PLC为控制核心，通过进行编程及调试、对现场总线的参数设置及调试；能量转换通过整流装置、逆变装置来控制驱动电机和负载电机；飞轮储能系统发电时发出的电能也通过双向能量变换器反馈给中间直流环节，再经过逆变装置逆变后供负载使用。
4.根据权利要求1所述的一种在飞轮储能系统中的电力节能控制方法，其特征是：所述驱动电机和负载电机均采用异步电机作为飞轮电机，并设计基于异步电机的飞轮储能系统的能量转换环节的控制系统，对电动发电控制进行控制，在飞轮储能系统发电控制中，实现电机能量回馈制动的升压控制方法。
5.根据权利要求1所述的一种在飞轮储能系统中的电力节能控制方法，其特征是：所述能量转换通过整流装置、逆变装置A来控制驱动电机和负载电机，具体是采用双变频供直流母线运行的方式做中间能量转化环节，即通过整流装置转换为中间直流电压部分，然后通过双逆变的方式变换，这种运行方式不但能充分利用现有资源而且可以实现整流和逆变的模块化和易控制性。
6.根据权利要求5所述的一种在飞轮储能系统中的电力节能控制方法，其特征是：所述中间直流电压的控制采用了闭环控制，根据Ud的大小采用PID算法控制负载端变频器的频率输出，从而达到对Ud的反馈控制，Ud表示整流滤波后的中间直流电压。
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