CN107579594A - 一种磁悬浮飞轮储能ups系统集成应用方法 - Google Patents

Abstract

一种磁悬浮飞轮储能UPS系统集成应用方法，用于完成飞轮UPS系统的高效率充放电控制，实现电网能量与飞轮储能的无缝切换，保证负载不间断电力供应。该系统结构包括：UPS电力装置、飞轮电池、用电载荷、市电电网、柴电机组以及静态转换开关等。市电通过在线双变换供给负载，同时通过给飞轮电池充电，电能转化为动能存储；市电断电瞬间，飞轮放电动能转化为电能持续给负载供电，并启动柴油发电机；待柴油发电机启动后，静态转换开关切换至柴电机组，负载转由柴油机继续供电，飞轮充电并保护负载；市电恢复后，系统自动转由市电供电，柴油发电机延时停机，飞轮充电并持续保护负载。本发明用于磁悬浮储能飞轮UPS系统的高效率充放电控制。

Description

一种磁悬浮飞轮储能UPS系统集成应用方法

技术领域：

本发明涉及一种磁悬浮飞轮储能UPS系统集成应用方法。

背景技术：

传统不间断电源UPS(Uninterruptible Power Supply)系统多采用化学电池作为储能元件，而化学电池存在效率低、维护周期短、对环境有污染且对温度要求高等缺点，限制其进一步发展应用。磁悬浮飞轮储能技术是一种新兴的机械储能方式，具有能量和功率密度高、充放电迅速、无污染、寿命长且对易于维护等优点，可广泛应用于轨道交通制动能回收、电网调频调峰、不间断电源以及大功率充放电场合。

传统不间断电源多与化学储能电池组成UPS系统保证负载不间断供电，UPS系统通常配置电池管理器，可以实现对化学电池的充放电控制：当母线电压高于电池电压时，电池处于充电或浮充状态，当市电消失且母线电压低于电池电压时，化学电池自动对外放电，无需电池管理器参与放电控制。但是，对于磁悬浮飞轮系统，其充放电过程均需要外部控制指令或控制逻辑指示，从而控制飞轮变流器处于整流状态或逆变状态。因此，飞轮电池系统与传统UPS电力装置进行集成应用时，必须考虑飞轮充放电控制模式的特殊性，优化控制指令，并给出高效率、高可靠的通信方式。目前关于飞轮UPS系统专利研究较少，本发明旨在解决飞轮电池系统与UPS电力系统的集成与应用方法的问题。

发明内容：

本发明的目的是提供一种磁悬浮飞轮储能UPS系统集成应用方法，可以实现飞轮UPS系统的高效率充放电控制，为飞轮电池替代传统化学电池的拓展应用提供基础。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种磁悬浮飞轮储能UPS系统集成应用方法，其特征是：本发明的系统结构包括：UPS电力装置(1)、飞轮电池系统(2)、用电载荷(3)、市电电网(4)、柴电机组(5)、静态转换开关(6)。本方法包含三种工作模式：充电模式、保持模式和放电模式，具体实施步骤如下：

充电模式：第一步，静态转换开关与市电电网连接，UPS旁路装置开机，检测市电电压正常后，UPS通过干接点发送“开机正常”指令给飞轮。

第二步，飞轮控制系统接收到开机指令后，首先进行主控系统自检，并通过干接点给UPS发送“飞轮正常”指令；若飞轮长时间未发送系统正常指令，UPS发出报警信号，并切断电池管理器。

第三步，待飞轮系统正常后，自动开启充电模式：首先断开转速回路，并设定常值加速电流I_dref＝I_C，给定频率增量Δf，生成电频率值f＝f+Δf，输入到模拟角度单元生成角位置θ_sim＝θ₀+f*T，其中θ₀为初始角位置，T为采样周期。同时，令θ_r＝θ_sim，电机工作于开环启动状态。

第四步，在电机加速过程中，飞轮控制器输出转子角位置和转速的实时估计值当转速估计值大于给定阈值即则断开模拟角度单元并令同时闭合转速回路，电机工作于闭环加速状态。

第五步，当电机转速达到设定值n_ref时，飞轮控制系统向UPS发送充电结束指令，UPS接收到飞轮充电结束指令后，允许用户接入用电载荷。

保持模式：当飞轮转速达到设定值后，飞轮电池控制系统以最小电流驱动电机维持当前转速，为用电载荷提供保护。

放电模式：第一步，飞轮处于保持模式时，不断监测直流母线电压V_dc，当V_dc∈[V_down，V_up]，飞轮处于保持工作模式，其中V_down、V_up分别为设定充电和放电电压阈值。

第二步，当市电断开瞬间，UPS检测三相输入电压低于正常值20％时，通过干接点方式给飞轮发送“放电”指令。

第三步，飞轮控制系统接收到UPS放电指令后，立即转入发电模式，并维持直流母线电压保持不变；若飞轮未接收到UPS放电指令，同时直流母线电压低于放电电压，飞轮立即转入放电状态，供给并保护用电载荷。

第四步，飞轮电池放电的同时，通过总线通讯或干接点方式给柴油发电机组发送“启动发电”信号，此时静态转换开关已由市电电网切换至柴油机组供电状态。

第五步，待柴电机组稳定供电后，通过总线通讯或干接点方式给飞轮发送“充电”指令，飞轮重新进入充电模式；若柴电机组未给出充电指令，飞轮电池持续放电，转速低于设定阈值后，飞轮电池告警“电量过低”，并延迟几秒后停止发电，系统恢复初始状态。

所述的飞轮主控系统上电自检过程具体实施步骤如下：

第一步，主控系统上电，并通过CAN总线分别给磁悬浮系统和充放电系统发送“自检”指令。

第二步，各子系统接收到自检指令后，将所有传感器数据通过CAN总线传送给主控系统。

第三步，主控系统对传感器数据进行校验，包括真空度、温度、电压和电流信息等。若所有传感器数据正常，则主控界面所有状态均指示绿色，并允许悬浮，否则指示红色并告警。

第四步，待传感器数据均正常后，主控系统通过CAN总线给磁悬浮系统发送“启动悬浮”指令。

第五步，磁悬浮系统接收到主控系统的启动悬浮指令后，立即开启五自由度全悬浮模式；待成功悬浮后，磁悬浮系统通过CAN总线给主控系统发送“悬浮正常”指令。

第六步，主控系统接收到磁悬浮系统发送的悬浮正常指令后，通过干接点方式给UPS发送“飞轮正常”指令，同时解锁飞轮充放电控制系统，允许UPS对飞轮进行充放电控制。

有益效果：

1.本发明提供了一种磁悬浮飞轮储能UPS系统集成应用方法，实现了飞轮UPS系统的高效率充放电控制，解决了飞轮电池替代传统化学电池引入的集成与实现的问题。

2.本发明所采用的UPS电力装置不具备特殊性，可与现有的成熟UPS系统进行集成应用，进一步拓展了整个飞轮UPS系统的应用前景。

附图说明：

附图1是本发明的磁悬浮飞轮储能UPS系统结构示意图。

附图2为本发明的磁悬浮飞轮系统上电自检流程图。

具体实施方式：

实施例1：本方法包含三种工作模式：充电模式、保持模式和放电模式，具体实施步骤如下：

充电模式：第一步，静态转换开关与市电电网连接，UPS旁路装置开机，检测市电电压正常后，UPS通过干接点发送“开机正常”指令给飞轮。

第二步，飞轮控制系统接收到开机指令后，首先进行主控系统自检，并通过干接点给UPS发送“飞轮正常”指令；若飞轮长时间未发送系统正常指令，UPS发出报警信号，并切断电池管理器。

第三步，待飞轮系统正常后，自动开启充电模式：首先断开转速回路，并设定常值加速电流I_dref＝I_C，给定频率增量Δf，生成电频率值f＝f+Δf，输入到模拟角度单元生成角位置θ_sim＝θ₀+f*T，其中θ₀为初始角位置，T为采样周期。同时，令θ_r＝θ_sim，电机工作于开环启动状态。

第四步，在电机加速过程中，飞轮控制器输出转子角位置和转速的实时估计值当转速估计值大于给定阈值即则断开模拟角度单元并令同时闭合转速回路，电机工作于闭环加速状态。

第五步，当电机转速达到设定值n_ref时，飞轮控制系统向UPS发送充电结束指令，UPS接收到飞轮充电结束指令后，允许用户接入用电载荷。

保持模式：当飞轮转速达到设定值后，飞轮电池控制系统以最小电流驱动电机维持当前转速，为用电载荷提供保护。

放电模式：第一步，飞轮处于保持模式时，不断监测直流母线电压V_dc，当V_dc∈[V_down，V_up]，飞轮处于保持工作模式，其中V_down、V_up分别为设定充电和放电电压阈值。

第二步，当市电断开瞬间，UPS检测三相输入电压低于正常值20％时，通过干接点方式给飞轮发送“放电”指令。

第三步，飞轮控制系统接收到UPS放电指令后，立即转入发电模式，并维持直流母线电压保持不变；若飞轮未接收到UPS放电指令，同时直流母线电压低于放电电压，飞轮立即转入放电状态，供给并保护用电载荷。

第四步，飞轮电池放电的同时，通过总线通讯或干接点方式给柴油发电机组发送“启动发电”信号，此时静态转换开关已由市电电网切换至柴油机组供电状态。

第五步，待柴电机组稳定供电后，通过总线通讯或干接点方式给飞轮发送“充电”指令，飞轮重新进入充电模式；若柴电机组未给出充电指令，飞轮电池持续放电，转速低于设定阈值后，飞轮电池告警“电量过低”，并延迟几秒后停止发电，系统恢复初始状态。

实施例2：飞轮电池系统上电自检具体实施步骤如下：

第一步，主控系统上电，并通过CAN总线分别给磁悬浮系统和充放电系统发送“自检”指令。

第二步，各子系统接收到自检指令后，将所有传感器数据通过CAN总线传送给主控系统。

第三步，主控系统对传感器数据进行校验，包括真空度、温度、电压和电流信息等。若所有传感器数据正常，则主控界面所有状态均指示绿色，并允许悬浮，否则指示红色并告警。

第四步，待传感器数据均正常后，主控系统通过CAN总线给磁悬浮系统发送“启动悬浮”指令。

第五步，磁悬浮系统接收到主控系统的启动悬浮指令后，立即开启五自由度全悬浮模式；待成功悬浮后，磁悬浮系统通过CAN总线给主控系统发送“悬浮正常”指令。

第六步，主控系统接收到磁悬浮系统发送的悬浮正常指令后，通过干接点方式给UPS发送“飞轮正常”指令，同时解锁飞轮充放电控制系统，允许UPS对飞轮进行充放电控制。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims (2)

1.一种磁悬浮飞轮储能UPS系统集成应用方法，其特征是：本发明的系统结构包括：UPS电力装置(1)、飞轮电池系统(2)、用电载荷(3)、市电电网(4)、柴电机组(5)、静态转换开关(6)。本方法包含三种工作模式：充电模式、保持模式和放电模式，具体实施步骤如下：

充电模式：第一步，静态转换开关与市电电网连接，UPS旁路装置开机，检测市电电压正常后，UPS通过干接点发送“开机正常”指令给飞轮。

第二步，飞轮控制系统接收到开机指令后，首先进行主控系统自检，并通过干接点给UPS发送“飞轮正常”指令；若飞轮长时间未发送系统正常指令，UPS发出报警信号，并切断电池管理器。

第三步，待飞轮系统正常后，自动开启充电模式：首先断开转速回路，并设定常值加速电流I_dref＝I_C，给定频率增量Δf，生成电频率值f＝f+Δf，输入到模拟角度单元生成角位置θ_sim＝θ₀+f*T，其中θ₀为初始角位置，T为采样周期。同时，令θ_r＝θ_sim，电机工作于开环启动状态。

第四步，在电机加速过程中，飞轮控制器输出转子角位置和转速的实时估计值当转速估计值大于给定阈值即则断开模拟角度单元并令同时闭合转速回路，电机工作于闭环加速状态。

第五步，当电机转速达到设定值n_ref时，飞轮控制系统向UPS发送充电结束指令，UPS接收到飞轮充电结束指令后，允许用户接入用电载荷。

保持模式：当飞轮转速达到设定值后，飞轮电池控制系统以最小电流驱动电机维持当前转速，为用电载荷提供保护。

放电模式：第一步，飞轮处于保持模式时，不断监测直流母线电压V_dc，当V_dc∈[V_down，V_up]，飞轮处于保持工作模式，其中V_down、V_up分别为设定充电和放电电压阈值。

第二步，当市电断开瞬间，UPS检测三相输入电压低于正常值20％时，通过干接点方式给飞轮发送“放电”指令。

第三步，飞轮控制系统接收到UPS放电指令后，立即转入发电模式，并维持直流母线电压保持不变；若飞轮未接收到UPS放电指令，同时直流母线电压低于放电电压，飞轮立即转入放电状态，供给并保护用电载荷。

第四步，飞轮电池放电的同时，通过总线通讯或干接点方式给柴油发电机组发送“启动发电”信号，此时静态转换开关已由市电电网切换至柴油机组供电状态。

第五步，待柴电机组稳定供电后，通过总线通讯或干接点方式给飞轮发送“充电”指令，飞轮重新进入充电模式；若柴电机组未给出充电指令，飞轮电池持续放电，转速低于设定阈值后，飞轮电池告警“电量过低”，并延迟几秒后停止发电，系统恢复初始状态。

2.根据权利要求1所述的一种磁悬浮飞轮储能UPS系统集成应用方法，其特征是：所述的飞轮主控系统上电自检过程具体实施步骤如下：

第一步，主控系统上电，并通过CAN总线分别给磁悬浮系统和充放电系统发送“自检”指令。

第二步，各子系统接收到自检指令后，将所有传感器数据通过CAN总线传送给主控系统。

第三步，主控系统对传感器数据进行校验，包括真空度、温度、电压和电流信息等。若所有传感器数据正常，则主控界面所有状态均指示绿色，并允许悬浮，否则指示红色并告警。

第四步，待传感器数据均正常后，主控系统通过CAN总线给磁悬浮系统发送“启动悬浮”指令。

第五步，磁悬浮系统接收到主控系统的启动悬浮指令后，立即开启五自由度全悬浮模式；待成功悬浮后，磁悬浮系统通过CAN总线给主控系统发送“悬浮正常”指令。

第六步，主控系统接收到磁悬浮系统发送的悬浮正常指令后，通过干接点方式给UPS发送“飞轮正常”指令，同时解锁飞轮充放电控制系统，允许UPS对飞轮进行充放电控制。