CN109936249A - 一种飞轮储能装置的管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及储能管理技术领域，具体涉及一种飞轮储能装置的管理系统，其包括：飞轮储能主控制器和分别与飞轮储能主控制器连接的磁悬浮轴承控制板、电力电子功率变换驱动板、真空泵控制板；该系统采用分层式结构，以飞轮储能主控制器为主，对飞轮储能装置内部的各个控制模块进行实时、全方位的管理和控制，具备人机交互功能，同时能与外部系统建立联系，使飞轮储能装置能够安全稳定地运行，并根据各种应用需求进行相应的控制操作。

Description

一种飞轮储能装置的管理系统

技术领域

本发明涉及储能管理技术领域，具体涉及一种飞轮储能装置的管理系统。

背景技术

飞轮储能装置利用高速旋转飞轮的机械能来储存能量，通过电动机/发电机来实现电能和机械能的相互转换，是一种物理储能方式。飞轮储能具有安全性好、使用寿命长、功率密度高、环境适应性好、绿色无污染、退役易回收等优点，近年来得到了越来越广泛的应用。现代飞轮储能装置是一个融合多项先进技术的综合性产品，其核心技术包括以下几个部分：一是采用主动磁悬浮轴承及其控制技术，使飞轮处于完全磁悬浮状态，配合真空技术，使飞轮在真空环境中高速运行，尽可能地降低飞轮运行过程中的能量损耗；二是采用高强度的飞轮材料及配套的工艺技术，可以大幅提高飞轮的转速及抗疲劳特性，从而提高单位质量的能量存储密度；三是采用高速永磁同步电动机/发电机技术，实现飞轮储能装置中机械能与电能的相互转换；四是采用电力电子功率变换技术，采用大功率IGBT模块，为飞轮电机及外部接入系统之间的能量交换提供灵活的转换与控制方式。

飞轮储能装置的管理系统要管理的内部组件较多，不同组件之间需要相互协同配合，控制复杂，对实时性要求较高。现有飞轮储能装置的管理系统通常功能简单，实时性不高，自检功能不够完善、人机界面不够友好。

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装置的管理系统成为本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的上述缺陷，提供一种飞轮储能装置的管理系统。

本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：

本发明提供了一种飞轮储能装置的管理系统，所述飞轮储能装置包括：双向功率变换器、真空泵、磁悬浮轴承、永磁同步电机和飞轮本体，所述飞轮本体与所述永磁同步电机设于上下磁悬浮轴承之间，所述双向功率变换器与所述永磁同步电机连接，该系统包括：飞轮储能主控制器、与所述磁悬浮轴承连接的磁悬浮轴承控制板、设于所述双向功率变换器中的电力电子功率变换驱动板和设于所述真空泵中的真空泵控制板；

所述飞轮储能主控制器与所述磁悬浮轴承控制板连接，并与所述磁悬浮轴承控制板实时进行数据交互，所述飞轮储能主控制器根据交互数据通过所述磁悬浮轴承控制板实时监测所述磁悬浮轴承的运行状态并控制所述磁悬浮轴承的启停状态；

所述飞轮储能主控制器与所述电力电子功率变换驱动板连接，并与所述电力电子功率变换驱动板实时进行数据交互，所述飞轮储能主控制器根据交互数据通过所述电力电子功率变换驱动板对所述双向功率变换器的运行状态进行实时监测和控制；

所述飞轮储能主控制器与所述真空泵控制板连接，并与所述真空泵控制板实时进行数据交互，所述飞轮储能主控制器根据交互数据通过所述真空泵控制板实时监测所述真空泵的运行状态并控制所述真空泵的启停状态。

优选地，所述飞轮储能主控制器具有信号输入端和信号输出端，所述信号输入端用于输入飞轮储能装置的状态参数，所述信号输出端用于输出所述飞轮储能主控制器发出的控制信号对所述飞轮储能装置的运行状态进行实时控制，所述交互数据包括所述状态参数和所述控制信号。

优选地，该系统还包括：与所述飞轮储能主控制器连接的人机交互界面控制板，所述人机交互界面控制板设于人机交互界面中，所述飞轮储能主控制器与所述人机交互界面控制板实时进行数据交互，根据交互数据获取人工操作指令并执行，所述人机交互界面控制板根据所述交互数据对人工交互界面上的显示进行控制。

优选地，所述人机交互界面设置有系统状态窗口、导航按钮以及系统功能选项。

优选地，该系统还包括：与所述飞轮储能主控制器连接的第一通信接口，所述飞轮储能主控制器通过所述第一通信接口与本地系统或远方系统进行实时通信。

优选地，所述第一通信接口包括：RS-232/RS-485/RS-422串行通信接口、CAN通信接口、Ethernet通信接口、电力线载波通信接口。

优选地，所述飞轮储能主控制器通过点对点或总线的通信方式分别与所述磁悬浮轴承控制板、所述电力电子功率变换驱动板、所述真空泵控制板和所述人机交互界面控制板连接。

优选地，该系统还包括：与所述飞轮储能主控制器连接的第二通信接口，所述飞轮储能主控制器通过所述第二通信接口分别与所述磁悬浮轴承控制板、所述电力电子功率变换驱动板、所述真空泵控制板和所述人机交互界面控制板连接。

优选地，所述第二通信接口包括：RS-232/RS-485/RS-422串行通信接口、CAN通信接口、Ethernet通信接口。

本发明的系统采用分层式结构，以飞轮储能主控制器为主，与磁悬浮轴承控制板、电力电子功率变换驱动板和真空泵控制板进行实时进行数据交互，实现对飞轮储能装置进行实时、全方位的管理和控制，从整体上提高了飞轮储能装置的安全性、稳定性。

附图说明

图1是本发明的飞轮储能装置的管理系统的架构框图。

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。

本发明的实施例公开了一种飞轮储能装置的管理系统，该系统采用分层式结构，以飞轮储能主控制器为主，对飞轮储能装置内部的各个控制模块进行实时、全方位的管理和控制，包括对飞轮储能装置内部控制模块的检测、控制和保护，该系统具备人机交互功能，同时能与外部系统建立联系，使飞轮储能装置能够安全稳定地运行，并根据各种应用需求进行相应的控制操作。

一种飞轮储能装置的管理系统，用于集中管理飞轮储能装置，飞轮储能装置包括：磁悬浮轴承、永磁同步电机、飞轮本体、双向功率变换器以及真空泵，永磁同步电机和飞轮本体设于上下磁悬浮轴承之间，双向功率变换器与永磁同步电机电连接。进一步地，磁悬浮轴承连接有磁悬浮轴承控制板，磁悬浮轴承控制板用于控制磁悬浮轴承并使飞轮转子处于磁悬浮状态；双向功率变换器中设有电力电子功率变换驱动板，电力电子功率变换驱动板通过使用脉宽调制技术，控制IGBT模块快速开通和关断，产生直流或交流的波形，通过驱动信号控制IGBT模块的运行状态，实现充电或者放电的功能，以及控制充电或者放电功率的大小；真空泵内部设有真空泵控制板，真空泵控制板作为真空泵的控制器，控制真空泵的运行状态以维持飞轮腔体内所需的真空度。

图1示出了一种飞轮储能装置的管理系统，请参见图1，本实施例的飞轮储能装置的管理系统包括：飞轮储能主控制器10和分别与飞轮储能主控制器10连接的磁悬浮轴承控制板20、电力电子功率变换驱动板30、真空泵控制板40；飞轮储能主控制器10与磁悬浮轴承控制板20、电力电子功率变换驱动板30、真空泵控制板40实时进行数据交互，磁悬浮轴承控制板20、电力电子功率变换驱动板30、真空泵控制板40根据交互数据分别对磁悬浮轴承、双向功率变换器、真空泵进行监测和控制。

进一步地，飞轮储能主控制器10与磁悬浮轴承控制板20实时进行数据交互，飞轮储能主控制器10根据交互数据通过磁悬浮轴承控制板20对磁悬浮轴承的运行状态进行实时监测并控制其启停状态；飞轮储能主控制器10与磁悬浮轴承控制板20交互数据包括：磁悬浮轴承的启停控制信号、磁悬浮轴承的运行状态、飞轮转子的位置信号、驱动电流信号等。在本实施例中，飞轮储能主控制器10向磁悬浮轴承控制板20传递磁悬浮轴承的启停控制信号，磁悬浮轴承控制板20根据接收到的磁悬浮轴承的启停控制信号控制磁悬浮轴承的启停状态，磁悬浮轴承控制板20根据采集的飞轮转子位置信号实时控制磁悬浮轴承的运行状态。

飞轮储能主控制器10与电力电子功率变换驱动板30实时进行数据交互，飞轮储能主控制器10根据交互数据通过电力电子功率变换驱动板30对双向功率变换器的运行状态进行实时监测和控制；飞轮储能主控制器10与电力电子功率变换驱动板30交互数据包括：电力电子功率变换器的运行状态、充放电功率大小等。

飞轮储能主控制器10与真空泵控制板40实时进行数据交互，飞轮储能主控制器10根据交互数据通过真空泵控制板40对真空泵的运行状态进行实时监测并控制真空泵的启停状态；飞轮储能主控制器10与真空泵控制板40交互数据包括：真空泵的启停控制信号、真空泵的运行状态等。在本实施例中，飞轮储能主控制器10向真空泵控制板40传递真空泵的启停控制信号，真空泵控制板40根据接收到的真空泵的启停控制信号控制真空泵的启停状态，真空泵控制板40根据采集的真空泵的运行状态实时控制真空泵的真空度。

进一步地，请参见图1，飞轮储能主控制器10具有信号输入端50和信号输出端60，信号输入端50用于输入飞轮储能装置的状态参数，信号输出端60用于输出飞轮储能主控制器10发出的控制信号对飞轮储能装置的运行状态进行实时控制。

上述交互数据包括状态参数和控制信号，进一步地，状态参数包括：模拟量和开关量；其中，模拟量包括：电流信号、电压信号、温度信号、真空度信号、位置信号、转速信号；开关量包括：风扇状态信号、门禁状态信号、告警状态信号、故障状态信号和急停信号等。控制信号包括：跳闸信号、预充回路控制信号、故障信号、告警信号和蜂鸣信号等。

在上述实施例的基础上，本实施例中，进一步地，请参见图1，该系统还包括：与飞轮储能主控制器10连接的人机交互界面控制板70，人机交互界面控制板70设于人机交互界面中，飞轮储能主控制器10与人机交互界面控制板70实时进行数据交互，飞轮储能主控制器10根据交互数据获取人工操作指令并执行，人机交互界面控制板70根据交互数据对人工交互界面的显示进行控制。飞轮储能主控制器10与人机交互界面控制板70交互数据包括：系统运行状态、充放电状态、可用电量状态、充放电次数、启停机控制、系统参数配置、充放电事件记录、告警事件记录等。

进一步地，人机交互界面采用图形用户界面的方式，人机交互界面设置有系统状态窗口、导航按钮以及系统功能选项，提高人机交互界面友好性，方便用户操作，实现对飞轮储能装置的监控、记录和控制功能。

进一步地，请参见图1，该系统还包括：与飞轮储能主控制器10连接的第一通信接口101，飞轮储能主控制器10通过第一通信接口101与本地系统或远方系统80进行实时通信，实现本地系统或远方系统80对飞轮储能装置的监测和控制。在本实施例中，一个飞轮储能装置的管理系统可以接入多个本地系统或远方系统80，一个本地系统或远方系统80也可以接入多个飞轮储能装置的管理系统。飞轮储能装置的管理系统与本地系统或远方系统80之间的通信方式包括但不限于有线通信和无线通信，通信网络包括但不限于专用通信网络和共用通信网络。进一步地，第一通信接口101包括但不限于：RS-232/RS-485/RS-422串行通信接口、CAN通信接口、Ethernet通信接口、电力线载波通信接口。

进一步地，飞轮储能主控制器10通过点对点或总线的通信方式分别与磁悬浮轴承控制板20、电力电子功率变换驱动板30、真空泵控制板40和与人机交互界面控制板70连接。此处的点对点通信方式是指飞轮储能主控制器10分别与磁悬浮轴承控制板20、电力电子功率变换驱动板30、真空泵控制板40、人机交互界面控制板70采用点对点的方式进行通信。

更进一步地，请参见图1，该系统还包括：与飞轮储能主控制器10连接的第二通信接口(图中未示出)，飞轮储能主控制器10通过第二通信接口分别与磁悬浮轴承控制板20、电力电子功率变换驱动板30、真空泵控制板40和与人机交互界面控制板70连接。进一步地，第二通信接口包括但不限于：RS-232/RS-485/RS-422串行通信接口、CAN通信接口、Ethernet通信接口。

在上述实施例的基础上，本实施例中，进一步地，磁悬浮轴承控制板20上设有传感器解调器、中央处理器和电流放大器，磁悬浮轴承控制板20接收飞轮储能主控制器10下发的启停控制信号，控制磁悬浮轴承处于的启动运行状态和停止状态；在启动运行状态下，飞轮转子各个方向的位置信号经过传感器调制器调制后，经过数字化采样变成中央处理器可以处理的位置信息，中央处理器根据飞轮转子各个方向的位置信息和磁悬浮轴承控制算法，为每路电流放大器输出控制信号，电流放大器向每个轴的驱动器提供驱动电流并产生磁场，从而将力施加在飞轮转子上，保持飞轮转子处于正常的磁悬浮位置。

在本实施例中，飞轮储能主控制器10对飞轮储能装置进行管理和控制的过程中，飞轮储能主控制器10还具备自检和保护功能、启停机控制功能、预充电功能和充放电控制功能，其中，飞轮储能主控制器10根据信号输入端50输入的状态参数以及从各个控制板实时获取的数据对飞轮储能装置的运行状态进行实时自检，对异常状态和故障状态进行相应的保护处理，主要的自检和保护功能包括：过电压自检和保护、过电流自检和保护、温度过高自检和保护、真空度数值过高自检和保护、磁悬浮失效自检和保护、转子转速过高自检和保护、门禁保护、急停保护等；在实现启停机控制功能的过程中，飞轮储能主控制器10根据信号输入端50输入的状态参数以及从各个控制板实时获取的数据控制飞轮储能装置正常的启动和停机，以及异常情况下的紧急停机；在实现飞轮储能主控制器10具备预充电功能的过程中，当飞轮储能装置的双向功率变换器连接至外部带电系统时，为了防止合闸瞬间的大电流冲击，飞轮储能主控制器10通过接触器对预充电回路进行控制，通过预充电电阻来限制合闸初期的冲击电流；飞轮储能主控制器10还具备充放电控制功能，基于飞轮储能装置当前状态及约束条件，根据应用需求控制飞轮储能装置进行充电或放电，满足不同应用场景的要求。

本发明实施例中的系统对飞轮储能装置进行综合管理，数据采集监测功能全面，保护和控制功能完善，对内和对外通信功能齐备，从整体上提高了飞轮储能装置的安全性、稳定性、可操控性和人机界面的友好性。

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 (9)

1.一种飞轮储能装置的管理系统，所述飞轮储能装置包括：双向功率变换器、真空泵、磁悬浮轴承、永磁同步电机和飞轮本体，所述飞轮本体与所述永磁同步电机设于上下磁悬浮轴承之间，所述双向功率变换器与所述永磁同步电机连接，其特征在于，该系统包括：飞轮储能主控制器、与所述磁悬浮轴承连接的磁悬浮轴承控制板、设于所述双向功率变换器中的电力电子功率变换驱动板和设于所述真空泵中的真空泵控制板；

所述飞轮储能主控制器与所述磁悬浮轴承控制板连接，并与所述磁悬浮轴承控制板实时进行数据交互，所述飞轮储能主控制器根据交互数据通过所述磁悬浮轴承控制板实时监测所述磁悬浮轴承的运行状态并控制所述磁悬浮轴承的启停状态；

所述飞轮储能主控制器与所述电力电子功率变换驱动板连接，并与所述电力电子功率变换驱动板实时进行数据交互，所述飞轮储能主控制器根据交互数据通过所述电力电子功率变换驱动板对所述双向功率变换器的运行状态进行实时监测和控制；

所述飞轮储能主控制器与所述真空泵控制板连接，并与所述真空泵控制板实时进行数据交互，所述飞轮储能主控制器根据交互数据通过所述真空泵控制板实时监测所述真空泵的运行状态并控制所述真空泵的启停状态。

2.根据权利要求1所述的飞轮储能装置的管理系统，其特征在于，所述飞轮储能主控制器具有信号输入端和信号输出端，所述信号输入端用于输入飞轮储能装置的状态参数，所述信号输出端用于输出所述飞轮储能主控制器发出的控制信号对所述飞轮储能装置的运行状态进行实时控制，所述交互数据包括所述状态参数和所述控制信号。

3.根据权利要求1所述的飞轮储能装置的管理系统，其特征在于，该系统还包括：与所述飞轮储能主控制器连接的人机交互界面控制板，所述人机交互界面控制板设于人机交互界面中，所述飞轮储能主控制器与所述人机交互界面控制板实时进行数据交互，根据交互数据获取人工操作指令并执行，所述人机交互界面控制板根据所述交互数据对人工交互界面上的显示进行控制。

4.根据权利要求3所述的飞轮储能装置的管理系统，其特征在于，所述人机交互界面设置有系统状态窗口、导航按钮以及系统功能选项。

5.根据权利要求1或3所述的飞轮储能装置的管理系统，其特征在于，该系统还包括：与所述飞轮储能主控制器连接的第一通信接口，所述飞轮储能主控制器通过所述第一通信接口与本地系统或远方系统进行实时通信。

6.根据权利要求5所述的飞轮储能装置的管理系统，其特征在于，所述第一通信接口包括：RS-232/RS-485/RS-422串行通信接口、CAN通信接口、Ethernet通信接口、电力线载波通信接口。

7.根据权利要求3所述的飞轮储能装置的管理系统，其特征在于，所述飞轮储能主控制器通过点对点或总线的通信方式分别与所述磁悬浮轴承控制板、所述电力电子功率变换驱动板、所述真空泵控制板和所述人机交互界面控制板连接。

8.根据权利要求7所述的飞轮储能装置的管理系统，其特征在于，该系统还包括：与所述飞轮储能主控制器连接的第二通信接口，所述飞轮储能主控制器通过所述第二通信接口分别与所述磁悬浮轴承控制板、所述电力电子功率变换驱动板、所述真空泵控制板和所述人机交互界面控制板连接。

9.根据权利要求8所述的飞轮储能装置的管理系统，其特征在于，所述第二通信接口包括：RS-232/RS-485/RS-422串行通信接口、CAN通信接口、Ethernet通信接口。