CN109066964A - 飞轮储能与在线式高频双变换ups集成系统、控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及不间断电源技术领域，具体涉及一种飞轮储能与在线式高频双变换UPS集成系统及其控制方法。该集成系统包括：电源端、负载端、在线双变换式UPS高频装置、以及飞轮储能装置。本发明的集成系统及其控制方法，在线双变换式UPS高频装置和飞轮储能装置之间、备用柴油发电机和飞轮储能装置之间均无通信联系，简化了系统接线，降低了设备之间的依赖性，增强了在线双变换式UPS高频装置和飞轮储能装置之间的兼容性；在线双变换式UPS高频装置根据直流母线电压调节自身运行状态，飞轮储能装置根据飞轮储能装置的输入电压调节自身的运行状态，无需进行通信，简化了系统控制的复杂程度，同时，系统具有良好的可扩展性。

Description

飞轮储能与在线式高频双变换UPS集成系统、控制方法
技术领域
本发明涉及不间断电源技术领域，具体涉及一种飞轮储能与在线式高频双变换UPS集成系统及其控制方法。
背景技术
现有技术提供的磁悬浮飞轮储能UPS系统集成应用方法，飞轮电池系统需要和UPS装置通信，增加了控制系统的复杂度，增加了现场接线和调试的复杂度，增加了不同厂家设备之间兼容的难度；同时，飞轮储能装置需要和备用柴油发电机系统通信，增加了控制系统的复杂度，增加了现场接线和调试的复杂度，增加了不同厂家设备之间兼容的难度。
鉴于此，克服以上现有技术中的缺陷，提供一种新的飞轮储能与在线式高频双变换UPS集成系统及其控制方法成为本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明第一方面提供了一种飞轮储能与在线式高频双变换UPS集成系统，该集成系统包括：与备用柴油发电机和市电连接的电源端、与负载连接的负载端、设于所述电源端和所述负载端之间的在线双变换式UPS高频装置、以及与所述在线双变换式UPS高频装置连接的飞轮储能装置；
所述在线双变换式UPS高频装置包括：交流-直流整流器、与所述交流-直流整流器耦合的直流-交流逆变器、高压侧耦合于所述交流-直流整流器和所述直流-交流逆变器之间的直流母线的直流-直流双向变换器、和与所述直流-直流双向变换器连接的UPS控制器，所述UPS控制器用于根据所述直流母线电压控制所述直流-直流双向变换器的运行状态；
所述飞轮储能装置包括：与所述直流-直流双向变换器的低压侧连接的直流-交流双向变换器、与所述直流-交流双向变换器连接的飞轮储能单元、和与所述直流-交流双向变换器和所述飞轮储能单元均连接的飞轮控制器，所述飞轮控制器用于根据所述飞轮储能装置输入端的输入电压控制所述飞轮储能装置的运行状态。
优选地，所述UPS控制器被配置为执行如下步骤：不间断的监测所述直流母线电压；当所述直流母线电压大于或等于第三电压阈值时，控制所述直流-直流双向变换器的功率流向为由高压侧流向低压侧；当所述直流母线电压小于或等于第四电压阈值时，控制所述直流-直流双向变换器的功率流向为由低压侧流向高压侧；
所述飞轮控制器被配置为执行如下步骤：不间断的监测所述飞轮储能装置输入端的输入电压；当所述输入电压大于或等于第一电压阈值时，对所述飞轮储能装置进行充电；当所述输入电压小于或等于第二电压阈值时，控制飞轮储能装置进行放电。
优选地，所述UPS控制器还被配置为执行如下步骤：当所述直流母线电压大于第四电压阈值且小于第三电压阈值时，控制所述直流-直流双向变换器停止功率变换；
所述飞轮储能单元包括：用于储存能量的飞轮本体；与所述飞轮本体连接的电机；
所述飞轮控制器被配置为执行如下步骤：不间断的监测所述飞轮储能装置输入端的输入电压；当所述输入电压大于或等于第一电压阈值时，控制所述直流-交流双向变换器的功率流向为由直流侧流向交流侧，控制电机工作模式为电动机模式，驱动飞轮本体旋转，将电能转换为动能；当所述输入电压小于或等于第二电压阈值时，控制所述直流-交流双向变换器的功率流向为由交流侧流向直流侧，控制电机工作模式为发电机模式，飞轮本体的惯性驱动发电机转子旋转，将动能转换为电能；当所述输入电压大于第二电压阈值且小于第一电压阈值时，控制所述直流-交流双向变换器停止功率变换，控制飞轮储能装置进入待机状态。
优选地，所述在线双变换式UPS高频装置还包括设于所述直流-直流双向变换器和飞轮储能装置之间的第一直流开关；和/或
所述飞轮储能装置还包括设于直流-交流双向变换器和在线双变换式UPS高频装置之间的第二直流开关。
优选地，所述UPS控制器还被配置为执行如下步骤：当所述直流母线电压大于或等于第一上限电压阈值时，控制所述第一直流开关断开，以使所述在线双变换式UPS高频装置与所述飞轮储能装置去耦；和/或
所述飞轮控制器还被配置为执行如下步骤：当所述输入电压大于或等于第二上限电压阈值时，控制所述第二直流开关断开，以使所述在线双变换式UPS高频装置与所述飞轮储能装置去耦。
本发明第二方面还提供了一种上述的飞轮储能与在线式高频双变换UPS集成系统的控制方法，该控制方法包括：
UPS控制器不间断的监测直流母线电压、飞轮控制器不间断的监测所述飞轮储能装置输入端的输入电压；
当所述直流母线电压大于或等于第三电压阈值时，UPS控制器控制所述直流-直流双向变换器的功率流向为由高压侧流向低压侧；当所述直流母线电压小于或等于第四电压阈值时，UPS控制器控制所述直流-直流双向变换器的功率流向为由低压侧流向高压侧；以及
当所述输入电压大于或等于第一电压阈值时，飞轮控制器控制市电或备用柴油发电机对所述飞轮储能装置进行充电；当所述输入电压小于或等于第二电压阈值时，飞轮控制器控制飞轮储能装置放电以为所述负载提供所需功率。
优选地，所述“飞轮控制器控制市电或备用柴油发电机对所述飞轮储能装置进行充电”的步骤包括：飞轮控制器控制所述直流-交流双向变换器的功率流向为由直流侧流向交流侧，控制电机工作模式为电动机模式，驱动飞轮本体旋转，将电能转换为动能；
所述“飞轮控制器控制飞轮储能装置放电以为所述负载提供所需功率”的步骤包括：飞轮控制器控制所述直流-交流双向变换器的功率流向为由交流侧流向直流侧，控制电机工作模式为发电机模式，飞轮本体的惯性驱动发电机转子旋转，将动能转换为电能。
优选地，该控制方法还包括：
当所述直流母线电压大于第四电压阈值且小于第三电压阈值时，UPS控制器控制所述直流-直流双向变换器停止功率变换；
当所述输入电压大于第二电压阈值且小于第一电压阈值时，飞轮控制器控制所述直流-交流双向变换器停止功率变换，控制飞轮储能装置进入待机状态。
优选地，该控制方法还包括：
飞轮控制器不间断的监测飞轮储能装置输入端的输入电压和飞轮本体的转速；当所述输入电压大于或等于第一电压阈值且当所述飞轮本体达到最高转速时，控制所述直流-交流双向变换器向飞轮储能单元输送的功率为维持所述飞轮本体的最高转速所需的功率；当所述输入电压小于或等于第二电压阈值时，控制所述飞轮储能装置的输出功率以维持所述飞轮储能装置的输出电压为第二电压阈值。
优选地，该控制方法还包括：
当所述直流母线电压大于或等于第一上限电压阈值时，所述UPS控制器控制所述第一直流开关断开，以使所述在线双变换式UPS高频装置与所述飞轮储能装置去耦；和/或
当所述输入电压大于或等于第二上限电压阈值时，所述飞轮控制器控制所述第二直流开关断开，以使所述在线双变换式UPS高频装置与所述飞轮储能装置去耦。
本发明的飞轮储能与在线式高频双变换UPS集成系统及其控制方法，在线双变换式UPS高频装置和飞轮储能装置之间、备用柴油发电机和飞轮储能装置之间均无通信联系，简化了系统接线，降低了设备之间的依赖性，增强了在线双变换式UPS高频装置和飞轮储能装置之间的兼容性；在线双变换式UPS高频装置根据直流母线电压调节自身运行状态，飞轮储能装置根据自身输入端的输入电压调节自身的运行状态，在线双变换式UPS高频装置和飞轮储能装置无需进行通信，简化了系统控制的复杂程度，且基于上述调节方式，可以根据需要增加飞轮储能装置的数量，系统具有良好的可扩展性。
附图说明
图1是本发明实施例的飞轮储能与在线式高频双变换UPS集成系统的结构框图。
图2是本发明实施例的飞轮储能与在线式高频双变换UPS集成系统的结构示意图。
图3是本发明实施例的控制方法中在线双变换式UPS高频装置的控制流程图。
图4是本发明实施例的控制方法中飞轮储能装置的控制流程图。
图5是本发明实施例的控制方法的优选方式中飞轮储能装置的控制流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对本发明的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其它具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。
请参阅图1所示结构框图示出了在正常情况下为负载140服务的市电110，在市电110失电时为负载140服务的备用柴油发电机120，以及飞轮储能与在线式高频双变换UPS集成系统130，该集成系统130在备用柴油发电机120启动过程中为负载140提供供电服务。市电110通过自动切换开关150与备用柴油发电机120以及负载140连接，该自动切换开关150被配置为在市电110失电时从市电110去耦并与备用柴油发电机120耦合。
请参阅图1和图2所示，飞轮储能与在线式高频双变换UPS集成系统130包括：电源端130a、负载端130b、在线双变换式UPS高频装置10和飞轮储能装置20。电源端130a与备用柴油发电机120和市电110耦合；负载端130b与负载140耦合。另外，在自动切换开关150和负载140之间还形成有静态旁路106。
其中，该在线双变换式UPS高频装置10设于自动切换开关150和负载140之间，该在线双变换式UPS高频装置10包括：交流-直流整流器101、直流-交流逆变器102、直流-直流双向变换器103、静态旁路106、UPS控制器107和第一直流开关104。交流-直流整流器101的交流侧与自动切换开关150连接，交流-直流整流器101的直流侧通过直流母线105与直流-交流逆变器102的直流侧连接，直流-交流逆变器102的交流侧与负载140连接，直流-直流双向变换器103的高压侧与直流母线105连接，直流-直流双向变换器103的低压侧通过第一直流开关104与飞轮储能装置20连接。在正常情况下，市电110将AC功率供应至电源端130a；以及在市电110的失电、在备用柴油发电机120服务时，将备用柴油发电机电能供应至电源端130a，再通过交流-直流整流器101和直流-交流逆变器102将功率输送至负载端130b。另外，还通过交流-直流整流器101和直流-交流逆变器102之间的直流链路实现对飞轮储能装置20充电、以及飞轮储能装置20通过直流-交流逆变器102向负载端130b供电。具体地，本实施例的在线双变换式UPS高频装置10为双变换式UPS高频机，采用的交流-直流整流器101为IGBT整流器，采用升压整流方式，其输出直流母线的电压值较高，一般典型值为700V～800V左右，相应地，本实施例中的直流-交流逆变器102为IGBT逆变器，因此，本实施例的在线双变换式UPS高频装置10包括直流-直流双向变换器103，例如为双向DC/DC电池变换器，用于直流母线和飞轮储能装置20之间的电压转换，将直流电压变换到适合飞轮储能装置20的范围内。
飞轮储能装置20与在线双变换式UPS高频装置10的直流母线105通过线路108耦合，飞轮储能装置20被配置为当在市电110和备用柴油发电机120之间切换时，为负载140提供所需功率。
飞轮储能装置20包括：直流-交流双向变换器201、飞轮储能单元202和飞轮控制器203，直流-交流双向变换器201的直流侧通过第二直流开关204与线路108连接；直流-交流双向变换器201的交流侧与飞轮储能单元202连接，用于为飞轮储能单元202提供充电功率、以及接收飞轮储能单元202的输出功率为负载供电。
UPS控制器107集成为在线双变换式UPS高频装置10的一部分，飞轮控制器203集成为飞轮储能装置20的一部分。飞轮控制器203采集飞轮储能装置20输入端的输入电压，该输入电压为直流母线105输出的直流电压经过直流-直流双向变换器103降压后从直流-直流双向变换器103低压侧输送到飞轮储能装置20的电压，飞轮控制器203可以监测例如M1、M2和/或M3等监测点处的采样信号，以采集飞轮储能装置20输入端的输入电压。UPS控制器107采集直流母线105的电压(以下称为直流母线电压)，UPS控制器107可以监测例如N1和/或N2等监测点处的采样信号，以采集直流母线电压。UPS控制器107和飞轮控制器203均包括可编程处理器，该可编程处理器中写有软件程序，该程序可执行本文描述的功能。具体地，该软件程序可以通过网络以电子格式的形式下载至处理器中；或者，该软件程序可以存储在如磁存储器、光学存储器或电子存储器等存储介质上。在一些实施例中，UPS控制器107和飞轮控制器203还可以包括用于加速其操作的附加或嵌入式硬件模块。前述硬件模块可以包括离散部件、至少一个现场可编程门列阵(FPGA)和/或至少一个专用集成电路(ASIC)。
UPS控制器107和飞轮控制器203之间相互独立，UPS控制器107不间断的监测直流母线电压，飞轮控制器203不间断的监测飞轮储能装置20输入端的输入电压，无通信联系。UPS控制器107根据直流母线电压控制该直流-直流双向变换器103的运行状态；飞轮控制器203根据飞轮储能装置20输入端的输入电压控制飞轮储能装置20的运行状态。
具体地，该UPS控制器107被配置为执行如下步骤：不间断的监测该直流母线电压；当该直流母线电压大于或等于第三电压阈值时，控制该直流-直流双向变换器103的功率流向为由高压侧流向低压侧；当该直流母线电压小于或等于第四电压阈值时，控制该直流-直流双向变换器103的功率流向为由低压侧流向高压侧；当该直流母线电压大于第四电压阈值且小于第三电压阈值时，控制该直流-直流双向变换器103停止功率变换。
飞轮控制器203被配置为执行如下步骤：不间断的监测该飞轮储能装置20输入端的输入电压；当该输入电压大于或等于第一电压阈值时，对该飞轮储能装置20进行充电；当该输入电压小于或等于第二电压阈值时，控制飞轮储能装置20进行放电；当该输入电压大于第二电压阈值且小于第一电压阈值时，控制飞轮储能装置20待机。
本发明实施例对在线双变换式UPS高频装置10和飞轮储能装置20的集成进行了改进，在两个装置之间无通信的情况下，通过UPS控制器107和飞轮控制器203实现了在线双变换式UPS高频装置10和飞轮储能装置20的协同控制。
在一个优选实施方式中，该飞轮储能单元202包括：电机2021和飞轮本体2022，其中，电机2021为电动机/发电机一体机，飞轮储能单元202充电时作为电动机使用，飞轮储能单元202放电时，作为发电机使用。充电时，电机2021获得直流-交流双向变换器201的输出电力以驱动飞轮本体2022旋转，飞轮本体2022用于存储动能，放电时，飞轮本体2022将储存的动能传输给电机2021，电机2021的电输出端与直流-交流双向变换器201的交流侧连接，将由动能转化的电能输送至负载140。
本领域技术人员应当理解，本发明的重点不在于飞轮储能单元202的结构，该飞轮储能单元202还可以采用其他实现方式，均在本发明的保护范围之内。
飞轮储能装置20具有充电状态、放电状态和待机状态(既不充电也不放电的状态)。
当该输入电压大于或等于第一电压阈值时，飞轮控制器203控制该直流-交流双向变换器的功率流向为由直流侧流向交流侧，控制电机工作模式为电动机模式，驱动飞轮本体旋转，将电能转换为动能，飞轮储能装置20为充电状态。
当该输入电压小于或等于第二电压阈值时，飞轮控制器203控制该直流-交流双向变换器的功率流向为由交流侧流向直流侧，控制电机工作模式为发电机模式，飞轮本体的惯性驱动发电机转子旋转，将动能转换为电能，飞轮储能装置20为放电状态。
当该输入电压大于第二电压阈值且小于第一电压阈值时，飞轮控制器203控制该直流-交流双向变换器停止功率变换，控制飞轮储能装置20进入待机状态。当飞轮储能装置20进入待机状态时，在不考虑能量损失的前提下，飞轮本体2022将靠自身惯性以当前转速继续旋转。
在一个优选实施方式中，当出现异常情况时，控制在线双变换式UPS高频装置10和飞轮储能装置20解耦。具体地，UPS控制器107还被配置为执行如下步骤：当该直流母线电压大于或等于第一上限电压阈值时，控制该第一直流开关104断开。该飞轮控制器203还被配置为执行如下步骤：当该输入电压大于或等于第二上限电压阈值时，控制该第二直流开关204断开。
在一个优选实施方式中，该飞轮控制器203除了监测输入电压外，还对飞轮本体2022的转速进行监测，当该输入电压大于或等于第一电压阈值且当该飞轮本体达到最高转速时，控制该直流-交流双向变换器201向飞轮储能单元202输送的功率为维持该飞轮本体的最高转速所需的功率。
在一个优选实施方式中，该飞轮控制器203当该输入电压小于或等于第二电压阈值时，控制该飞轮储能装置20的输出功率以维持该飞轮储能装置20的输出电压为第二电压阈值。
进一步地，飞轮控制器203除了飞轮储能装置20的输入电压和飞轮本体2022的转速外，也可以采集飞轮储能装置20的输入直流电流，飞轮控制器203通过该输入直流电流可以判断集成系统运行状态是否异常，具体地，当该直流电流超出允许值或其他影响系统安全的异常状况时，飞轮控制器203控制第二直流开关204跳闸，隔离飞轮储能装置20与在线双变换式UPS高频装置10的物理连接。
综合上述，在本发明实施例的集成系统中：
(1)飞轮储能装置可以多机并联工作，以提高放电功率，延长放电时间。
(2)飞轮储能装置的直流-交流双向变换器的直流侧的运行电压范围和在线双变换式UPS高频装置的直流-直流双向变换器的低压侧的正常运行电压范围相匹配。
(3)飞轮储能装置和在线双变换式UPS高频装置之间无通信联系，飞轮储能装置和柴油发电机组之间无通信联系。
(4)在线双变换式UPS高频装置根据外部交流输入和负载的情况来控制直流-直流双向变换器的运行策略。当外部交流输入正常时，由外部交流电给负载供电，UPS控制器控制直流-直流双向变换器的功率方向为高压侧流向低压侧，向飞轮储能装置充电，充电功率不大于飞轮储能装置的额定充电功率。当外部交流输入异常时，UPS控制器控制直流-直流双向变换器的功率方向为低压侧流向高压侧，同时，飞轮控制器控制飞轮储能装置放电，放电功率不大于飞轮储能装置的额定放电功率。
(5)飞轮储能装置根据输入电压的大小和飞轮本体的转速来决定飞轮储能充放电的控制策略，通过直流-交流双向变换器来控制飞轮储能装置的充放电。
(6)飞轮储能装置对输入电压设定四个定值，从大到小依次为：第二上限电压阈值、第一电压阈值、第二电压阈值和下限电压阈值，当输入电压位于上限电压阈值和第一电压阈值之间的范围内时，飞轮储能装置充电；当输入电压位于第二电压阈值和下限电压阈值之间的范围内时，飞轮储能装置放电；当输入电压在其他范围内时，飞轮储能装置既不充电也不放电。
(7)飞轮储能装置具有保护功能，当检测到输入电压大于上限电压阈值时、直流电流超出允许值或其他影响系统安全的异常状况时，控制第二直流开关的跳闸，隔离与在线双变换式UPS高频装置的物理连接。
(8)在线双变换式UPS高频装置具有保护功能，当检测到输入电压大于上限电压阈值时时，控制第一直流开关的跳闸，隔离飞轮储能装置的物理连接。
(9)当飞轮本体转速低于最高转速时，按照飞轮储能装置的充电功率不大于其额定充电功率对其进行充电；当飞轮本体转速达到最高转速后，按照维持最高转速所需要的最小功率进行充电，让飞轮本体保持在最高转速运行。
(10)在线双变换式UPS高频装置对直流母线电压设定三个定值，从大到小依次为：第一上限电压阈值、第三电压阈值和第四电压阈值，当直流母线电压位于第一上限电压阈值和第三电压阈值之间时，直流-直流双向变换器103的功率流向为由高压侧流向低压侧；当直流母线电压位于第四电压阈值以下时，直流-直流双向变换器103的功率流向为由低压侧流向高压侧；当直流母线电压位于第三电压阈值和第四电压阈值之间时，直流-直流双向变换器103停止功率变换。
图3为根据本发明实施例的集成系统130的控制方法中在线双变换式UPS高频装置的控制流程，在图3中示出了流程图，从监控步骤S201开始，UPS控制器不间断的监测直流母线电压(N2)，当然，本领域技术人员也可以监测N1的电压。在判断步骤S202中，当检测到该直流母线电压大于或等于第三电压阈值时，推断市电或备用柴油发电机对负载的供电正常，控制直流-直流双向变换器103的功率流向为由高压侧流向低压侧。
在判断步骤S202中，当检测到该直流母线电压小于第三电压阈值时，进入判断步骤204。在判断步骤204中，当检测到该直流母线电压小于或等于第四电压阈值时，推断市电或备用柴油发电机对负载的供电异常，需要飞轮本体储能装置输出功率维持对负载的供电，直流-直流双向变换器103的功率流向为由低压侧流向高压侧。在判断步骤204中，当检测到该直流母线电压大于第四电压阈值时，推断市电对负载的供电恢复或备用柴油发电机完成启动并机，无需飞轮储能装置20为负载供电，直流-直流双向变换器停止功率变换。进一步地，在步骤S202和步骤S203之间还具有如下步骤：在判断步骤S202之后，当步骤S202判断结果为是时，即为当直流母线电压大于第三电压阈值时，继续判断直流母线电压是否大于或等于第一上限电压阈值，当所述直流母线电压大于或等于第一上限电压阈值时，所述UPS控制器控制所述第一直流开关断开，以使所述在线双变换式UPS高频装置与所述飞轮储能装置去耦，当判断直流母线电压小于第一上限电压阈值时，再进入步骤S203。
图4为根据本发明实施例的集成系统130的控制方法中飞轮储能装置的控制流程，在图4中示出了流程图，可以支持如下四种包含在所描述的控制方法中的控制模式中的一种或多种：
(a)充电模式：在市电110供电正常情况下、及在备用柴油发电机120稳定供电的情况下，UPS控制器控制该直流-直流双向变换器的功率流向为由高压侧流向低压侧，飞轮控制器控制该直流-交流双向变换器的功率流向为由直流侧流向交流侧，控制电机工作模式为电动机模式，驱动飞轮本体旋转，将电能转换为动能，并且直流-交流双向变换器的功率不大于飞轮储能装置的额定充电功率。
(b)保持模式：在飞轮本体转速达到最高转速时，该直流-交流双向变换器向飞轮储能单元输送功率为维持该飞轮本体的最高转速所需的功率，飞轮本体转速保持为最高转速。
(c)待机模式：UPS控制器控制该直流-直流双向变换器停止功率变换，飞轮控制器控制该直流-交流双向变换器停止功率变换，控制飞轮储能装置进入待机状态。
(d)放电模式：在市电失电到备用柴油发电机启动过程中，UPS控制器控制该直流-直流双向变换器的功率流向为由低压侧流向高压侧，飞轮控制器控制该直流-交流双向变换器的功率流向为由交流侧流向直流侧，控制电机工作模式为发电机模式，飞轮本体的惯性驱动发电机转子旋转，将动能转换为电能并且直流-交流双向变换器的功率不大于飞轮储能装置的额定放电功率。
图4中示出的方法从监测步骤S301开始，在监测步骤S301中，飞轮控制器不间断的监测飞轮储能装置输入端的输入电压(M1)，当然，本领域技术人员也可以监测M2或M3的电压。在判断步骤S302中，当检测到该输入电压大于或等于第一电压阈值时，推断市电或备用柴油发电机对负载的供电正常，集成系统130的飞轮储能装置20进入充电模式。接下来的判断步骤304中，通过判断飞轮本体转速是否达到最高转速，以判断是否从充电模式进入保持模式，达到最高转速时，进入保持模式，未达到最高转速时，维持充电模式。
在判断步骤S302中，当检测到该输入电压小于第一电压阈值时，进入判断步骤306。在判断步骤306中，当检测到该输入电压小于或等于第二电压阈值时，推断市电或备用柴油发电机对负载的供电异常，需要飞轮本体储能装置输出功率维持对负载的供电，飞轮储能装置20进入放电模式。在判断步骤306中，当检测到该输入电压大于第二电压阈值时，推断市电对负载的供电恢复或备用柴油发电机完成启动并机，无需飞轮储能装置20为负载供电，飞轮储能装置20不充电也不放电，飞轮储能装置20进入待机模式。
进一步地，在步骤S307中，还包括：控制该飞轮本体储能装置的输出功率以维持该飞轮储能装置的输出电压为第二电压阈值。
进一步地，请参阅图5所示，在图4所示流程图的基础上，在判断步骤S302中，当检测到该输入电压大于或等于第一电压阈值时，在进入充电模式之前，可以进入判断步骤309，判断该输入电压是否大于或等于第二上限电压阈值，在判断步骤309结果为是时，推断集成系统130运行异常，控制该第二直流开关204断开(跳闸)，以使该在线双变换式UPS高频装置10与该飞轮储能装置20去耦；在判断步骤309结果为否时，进入充电模式。
本发明的集成系统130中在线双变换式UPS高频装置10根据直流母线电压调节运行状态，飞轮储能装置20根据其输入端的输入电压在充电状态、放电状态、待机状态之间调节，简化了系统控制的复杂程度，且基于上述调节方式，可以根据需要增加飞轮储能装置的数量，系统具有良好的可扩展性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种飞轮储能与在线式高频双变换UPS集成系统，其特征在于，该集成系统包括：与备用柴油发电机和市电连接的电源端、与负载连接的负载端、设于所述电源端和所述负载端之间的在线双变换式UPS高频装置、以及与所述在线双变换式UPS高频装置连接的飞轮储能装置；
所述在线双变换式UPS高频装置包括：交流-直流整流器、与所述交流-直流整流器耦合的直流-交流逆变器、高压侧耦合于所述交流-直流整流器和所述直流-交流逆变器之间的直流母线的直流-直流双向变换器、和与所述直流-直流双向变换器连接的UPS控制器，所述UPS控制器用于根据所述直流母线电压控制所述直流-直流双向变换器的运行状态；
所述飞轮储能装置包括：与所述直流-直流双向变换器的低压侧连接的直流-交流双向变换器、与所述直流-交流双向变换器连接的飞轮储能单元、和与所述直流-交流双向变换器和所述飞轮储能单元均连接的飞轮控制器，所述飞轮控制器用于根据所述飞轮储能装置输入端的输入电压控制所述飞轮储能装置的运行状态。
2.根据权利要求1所述的飞轮储能与在线式高频双变换UPS集成系统，其特征在于，所述UPS控制器被配置为执行如下步骤：不间断的监测所述直流母线电压；当所述直流母线电压大于或等于第三电压阈值时，控制所述直流-直流双向变换器的功率流向为由高压侧流向低压侧；当所述直流母线电压小于或等于第四电压阈值时，控制所述直流-直流双向变换器的功率流向为由低压侧流向高压侧；
所述飞轮控制器被配置为执行如下步骤：不间断的监测所述飞轮储能装置输入端的输入电压；当所述输入电压大于或等于第一电压阈值时，对所述飞轮储能装置进行充电；当所述输入电压小于或等于第二电压阈值时，控制飞轮储能装置进行放电。
3.根据权利要求2所述的飞轮储能与在线式高频双变换UPS集成系统，其特征在于，所述UPS控制器还被配置为执行如下步骤：当所述直流母线电压大于第四电压阈值且小于第三电压阈值时，控制所述直流-直流双向变换器停止功率变换；
所述飞轮储能单元包括：用于储存能量的飞轮本体；与所述飞轮本体连接的电机；
所述飞轮控制器被配置为执行如下步骤：不间断的监测所述飞轮储能装置输入端的输入电压；当所述输入电压大于或等于第一电压阈值时，控制所述直流-交流双向变换器的功率流向为由直流侧流向交流侧，控制电机工作模式为电动机模式，驱动飞轮本体旋转，将电能转换为动能；当所述输入电压小于或等于第二电压阈值时，控制所述直流-交流双向变换器的功率流向为由交流侧流向直流侧，控制电机工作模式为发电机模式，飞轮本体的惯性驱动发电机转子旋转，将动能转换为电能；当所述输入电压大于第二电压阈值且小于第一电压阈值时，控制所述直流-交流双向变换器停止功率变换，控制飞轮储能装置进入待机状态。
4.根据权利要求2所述的飞轮储能与在线式高频双变换UPS集成系统，其特征在于，所述在线双变换式UPS高频装置还包括设于所述直流-直流双向变换器和飞轮储能装置之间的第一直流开关；和/或
所述飞轮储能装置还包括设于直流-交流双向变换器和在线双变换式UPS高频装置之间的第二直流开关。
5.根据权利要求4所述的飞轮储能与在线式高频双变换UPS集成系统，其特征在于，所述UPS控制器还被配置为执行如下步骤：当所述直流母线电压大于或等于第一上限电压阈值时，控制所述第一直流开关断开，以使所述在线双变换式UPS高频装置与所述飞轮储能装置去耦；和/或
所述飞轮控制器还被配置为执行如下步骤：当所述输入电压大于或等于第二上限电压阈值时，控制所述第二直流开关断开，以使所述在线双变换式UPS高频装置与所述飞轮储能装置去耦。
6.一种权利要求1至5任一项所述的飞轮储能与在线式高频双变换UPS集成系统的控制方法，其特征在于，该控制方法包括：
UPS控制器不间断的监测直流母线电压、飞轮控制器不间断的监测所述飞轮储能装置输入端的输入电压；
当所述直流母线电压大于或等于第三电压阈值时，UPS控制器控制所述直流-直流双向变换器的功率流向为由高压侧流向低压侧；当所述直流母线电压小于或等于第四电压阈值时，UPS控制器控制所述直流-直流双向变换器的功率流向为由低压侧流向高压侧；以及
当所述输入电压大于或等于第一电压阈值时，飞轮控制器控制市电或备用柴油发电机对所述飞轮储能装置进行充电；当所述输入电压小于或等于第二电压阈值时，飞轮控制器控制飞轮储能装置放电以为所述负载提供所需功率。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述“飞轮控制器控制市电或备用柴油发电机对所述飞轮储能装置进行充电”的步骤包括：飞轮控制器控制所述直流-交流双向变换器的功率流向为由直流侧流向交流侧，控制电机工作模式为电动机模式，驱动飞轮本体旋转，将电能转换为动能；
所述“飞轮控制器控制飞轮储能装置放电以为所述负载提供所需功率”的步骤包括：飞轮控制器控制所述直流-交流双向变换器的功率流向为由交流侧流向直流侧，控制电机工作模式为发电机模式，飞轮本体的惯性驱动发电机转子旋转，将动能转换为电能。
8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，该控制方法还包括：
当所述直流母线电压大于第四电压阈值且小于第三电压阈值时，UPS控制器控制所述直流-直流双向变换器停止功率变换；
当所述输入电压大于第二电压阈值且小于第一电压阈值时，飞轮控制器控制所述直流-交流双向变换器停止功率变换，控制飞轮储能装置进入待机状态。
9.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，该控制方法还包括：
飞轮控制器不间断的监测飞轮储能装置输入端的输入电压和飞轮本体的转速；当所述输入电压大于或等于第一电压阈值且当所述飞轮本体达到最高转速时，控制所述直流-交流双向变换器向飞轮储能单元输送的功率为维持所述飞轮本体的最高转速所需的功率；当所述输入电压小于或等于第二电压阈值时，控制所述飞轮储能装置的输出功率以维持所述飞轮储能装置的输出电压为第二电压阈值。
10.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，该控制方法还包括：
当所述直流母线电压大于或等于第一上限电压阈值时，所述UPS控制器控制所述第一直流开关断开，以使所述在线双变换式UPS高频装置与所述飞轮储能装置去耦；和/或
当所述输入电压大于或等于第二上限电压阈值时，所述飞轮控制器控制所述第二直流开关断开，以使所述在线双变换式UPS高频装置与所述飞轮储能装置去耦。
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