CN110504700B - 基于飞轮储能的脉冲功率电源系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及脉冲功率电源供电技术领域，具体涉及一种基于飞轮储能的脉冲功率电源系统及控制方法。该脉冲功率电源系统包括：储能单元、能量管理单元和协调控制单元。本发明实施例提供的脉冲功率电源系统一方面通过飞轮阵列的集成方式可根据需求构建兆瓦级、十兆瓦级甚至百兆瓦级的大功率脉冲功率电源系统，另一方面采用模块化设计，配置灵活，安装快捷，建设周期短，运维简单，扩容方便，可满足多种应用场景下的脉冲功率电源需求，其控制方法采用能量管理单元监控管理整套系统，实现稳态控制功能，保障系统安全可靠运行；同时采用协调控制单元实现暂态控制功能，可根据不同的应用场景制定相应的控制策略，合理控制飞轮阵列的协调运行。

Description

基于飞轮储能的脉冲功率电源系统及控制方法

技术领域

本发明涉及脉冲功率电源供电技术领域，具体涉及一种基于飞轮储能的脉冲功率电源系统及控制方法。

背景技术

脉冲功率电源是用来给短时大功率负载供电的电源，具有非常广泛的用途。根据负载类型的不同，脉冲持续时间通常从毫秒级到秒级不等。脉冲功率电源的基本工作原理是：首先经过慢储能，使初级能源具有足够的能量；其次，向中间储能和脉冲形成系统注入能量；再次，能量经过储存、压缩、形成脉冲或转化，等复杂过程之后，最后快速释放给负载。

脉冲功率电源常用的储能方式包括超级电容器储能、蓄电池储能和飞轮脉冲发电机储能。采用超级电容器储能的脉冲功率电源可以在短时间内快速放电，但是存在储能密度不高，设备体积大，无法小型化，并且充放电寿命较短等问题。采用蓄电池储能的脉冲功率电源在安全性、充放电寿命等方面存在问题。采用飞轮脉冲发电机储能的脉冲功率电源系统通过电动机拖动飞轮加速转动来存储能量，然后通过发电机将飞轮储存的能量对外快速释能，能够满足数十兆瓦到百兆瓦级的脉冲功率需求，但是存在设备体积大、建造周期长、运维成本高等问题。

鉴于此，克服以上现有技术中的缺陷，提供一种新的基于飞轮储能的脉冲功率电源系统及控制方法成为本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于飞轮储能的脉冲功率电源系统及控制方法。

本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：

本发明的实施例提供了一种基于飞轮储能的脉冲功率电源系统，分别与充电交流母线和放电交流母线连接，所述放电交流母线连接有负载，该脉冲功率电源系统包括：

多个并列设置的储能单元，每一个储能单元包括：充电装置、至少一个飞轮储能装置和放电装置，所述放电装置与所述放电交流母线连接，所述充电装置与所述充电交流母线连接，所述飞轮储能装置分别与所述充电装置和所述放电装置连接；

能量管理单元，与所述储能单元连接，用于实时监测所述储能单元的运行状态，并根据所述运行状态生成充电指令或放电指令；

协调控制单元，与所述储能单元连接，所述协调控制单元与所述能量管理单元通信连接，所述协调控制单元用于实时采集所述储能单元的运行数据并接收所述充电指令或放电指令，所述协调控制单元内存储有预设充电策略和预设放电策略，当所述协调控制单元接收到充电指令时，根据所述预设充电策略和所述运行数据生成充电控制指令，控制所述充电装置为所述飞轮储能装置进行充电，所述飞轮储能装置将电能转化为动能存储，当所述协调控制单元接收到放电指令时，根据所述预设放电策略和所述运行数据生成放电控制指令，控制所述放电装置进行放电，所述飞轮储能装置将动能转化为电能，为负载提供所需功率。

优选地，所述放电装置包括：储能变流器和变压器，所述变压器的高压侧与所述放电交流母线连接，所述变压器的低压侧与所述储能变流器的交流侧连接，所述储能变流器的直流侧与所述飞轮储能装置连接，所述储能变流器分别与所述能量管理单元和所述协调控制单元通信连接，所述储能变流器用于接收所述放电控制指令，并根据所述放电控制指令控制输出功率的大小。

优选地，所述充电装置包括单向功率变换模块和充电电源，所述单向功率变换模块的交流侧和所述充电电源均与所述充电交流母线连接，所述单向功率变换模块与所述能量管理单元和所述协调控制单元通信连接，所述单向功率变换模块用于将所述充电电源的交流电转化为直流电为所述飞轮储能装置充电，所述单向功率变换模块接收所述充电控制指令，并根据所述充电控制指令控制输出功率的大小。

优选地，所述飞轮储能装置包括：飞轮控制器和依次连接的双向功率变换模块、飞轮电机、飞轮机构，所述双向功率变换模块的交流侧与所述飞轮电机连接，所述双向功率变换模块的直流侧与所述储能变流器的直流侧连接，所述飞轮控制器分别与所述双向功率变换模块、单向功率变换模块以及所述储能变流器通信连接，充电时，所述飞轮控制器根据所述单向功率变换模块的输出功率控制所述双向功率变换模块的充电功率，放电时，所述飞轮控制器根据所述储能变流器的输出功率控制所述双向功率变换模块的放电功率。

优选地，所述飞轮储能装置设置多个，多个所述飞轮储能装置采用并联的方式分别连接所述放电装置和所述充电装置。

优选地，所述预设充电策略包括预设时序充电策略和预设同步充电策略。

优选地，所述负载与所述放电交流母线之间连接有整流器。

本发明的实施例还提供了一种基于飞轮储能的脉冲功率电源系统的控制方法，所述控制方法包括：

实时监测所述储能单元的运行状态和运行数据；

根据所述运行状态生成充电指令或放电指令；

当生成充电指令时，匹配预设充电策略，根据所述运行数据和所述预设充电策略生成充电控制指令，控制充电装置为飞轮储能装置充电；

当生成放电指令时，匹配预设放电策略，根据所述运行数据和所述预设放电策略生成放电控制指令，控制所述飞轮储能装置和放电装置放电，为负载提供所需功率。

优选地，所述预设充电控制策略包括预设时序充电策略和预设同步充电策略。

优选地，所述当生成充电指令时，匹配预设充电策略，根据所述运行数据和所述预设充电策略生成充电控制指令，控制各个充电装置依次为飞轮储能装置充电包括：

当所述预设充电策略为预设时序充电策略时，根据所述运行数据和所述预设时序充电策略生成充电控制指令，控制所有充电装置同时为飞轮储能装置充电；

当所述预设充电策略为预设同步充电策略时，根据所述运行数据和所述预设同步充电策略生成充电控制指令，控制充电装置为飞轮储能装置充电。

本发明的脉冲功率电源系统一方面通过飞轮阵列的集成方式可根据需求构建兆瓦级、十兆瓦级甚至百兆瓦级的大功率脉冲功率电源系统，另一方面采用模块化设计，配置灵活，安装快捷，建设周期短，运维简单，扩容方便，可满足多种应用场景下的脉冲功率电源需求；该脉冲功率电源系统的控制方法采用能量管理单元监控管理整套系统，实现稳态控制功能，保障系统安全可靠运行；同时采用协调控制单元实现暂态控制功能，可根据不同的应用场景制定相应的控制策略，合理控制飞轮阵列的协调运行。

附图说明

图1是本发明的基于飞轮储能的脉冲功率电源系统的结构示意图。

图2是本发明的基于飞轮储能的脉冲功率电源系统的控制方法的流程示意图。

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。

本发明的实施例公开了一种基于飞轮储能的脉冲功率电源系统，图1示出了一种基于飞轮储能的脉冲功率电源系统，请参见图1，所述脉冲功率电源系统分别与充电交流母线10和放电交流母线20连接，所述放电交流母线20连接有负载201，所述负载201为脉冲负荷，所述负载201与所述放电交流母线20之间连接有整流器202，整流器202用于对放电交流母线20输出的交流电进行整流，提供与负载201用电需求相匹配的电压电流波形。

根据本发明的实施例，该脉冲功率电源系统包括：储能单元30、能量管理单元40和协调控制单元50。

其中，储能单元30设置有多个，多个储能单元30并列设置，每一个储能单元30包括：充电装置301、至少一个飞轮储能装置302和放电装置303，所述放电装置303与所述放电交流母线20连接，所述充电装置301与所述充电交流母线10连接，所述飞轮储能装置302分别与所述充电装置301和所述放电装置303连接，所述飞轮储能装置302用于将充电装置301提供的电能转化为动能存储或将存储的动能转化为电能输送给所述放电装置303，所述充电装置301用于给所述飞轮储能装置302充电，所述放电装置303用于将所述飞轮储能装置302的电能输出，为负载201提供所需电能。

根据本发明的实施例，请参见图1，能量管理单元40与所述储能单元30连接，用于实时监测所述储能单元30的运行状态，并根据所述运行状态生成充电指令或放电指令。

进一步地，储能单元30的运行状态包括充电状态和放电状态，当能量管理单元40根据应用需要生成并发送充电指令时，储能单元30进入充电状态；当负载启动时，储能单元30根据交流电压和频率的变化自动进入放电状态，能量管理单元40可以对各个储能单元30的放电功率大小进行调整，以延长系统整体的放电时间。能量管理单元40可以根据实际应用场景的需求对储能单元30的运行状态进行控制。采用能量管理单元40监控管理整套脉冲功率电源系统，实现稳态控制功能，保障系统安全可靠运行。

根据本发明的实施例，请参见图1，协调控制单元50与所述储能单元30连接，所述协调控制单元50与所述能量管理单元40通信连接，所述协调控制单元50内存储有预设充电策略和预设放电策略，所述协调控制单元50用于实时采集所述储能单元30的运行数据并接收所述充电指令或放电指令，当所述协调控制单元50接收到充电指令时，根据所述预设充电策略和所述运行数据生成充电控制指令，控制所述充电装置301为所述飞轮储能装置302进行充电，所述飞轮储能装置302将电能转化为动能存储，当所述协调控制单元50接收到放电指令时，根据所述预设放电策略和所述运行数据生成放电控制指令，所述飞轮储能装置302将动能转化为电能，控制放电装置303进行放电，为负载201提供所需功率。

一个实施例中，能量管理单元40、协调控制单元50和各设备间可组成高速光纤通信网，毫秒级通信延时，实现整个脉冲功率电源系统的实时控制功能。

协调控制单元50是能量管理单元40的执行单元，在充电时，根据能量管理单元40的充电指令和预设充电控制策略，实时协调所有的充电装置301进行协同工作，为飞轮储能装置302充电，在放电时，根据能量管理单元40的放电指令和预设放电策略，实时协调所有的放电装置303进行协同工作，为负载201提供所需电能，实现暂态控制功能。采用协调控制单元50实现暂态控制功能，可根据不同的应用场景制定相应的控制策略，合理控制飞轮阵列的协调运行。

根据本发明的实施例，请参见图1，所述放电装置303包括：储能变流器3030和变压器3031，所述变压器3031的高压侧与所述放电交流母线20连接，所述变压器3031的低压侧与所述储能变流器3030的交流侧连接，所述储能变流器3030的直流侧与所述飞轮储能装置302连接，所述储能变流器3030分别与所述能量管理单元40和所述协调控制单元50通信连接，所述储能变流器3030用于接收所述放电控制指令，并根据所述放电控制指令控制输出功率的大小。

根据本发明的实施例，请参见图1，所述充电装置301包括单向功率变换模块3010和充电电源3011，所述单向功率变换模块3010的交流侧和所述充电电源3011均与所述充电交流母线10连接，所述单向功率变换模块3010与所述能量管理单元40和所述协调控制单元50通信连接，所述单向功率变换模块3010用于将所述充电电源3011的交流电转化为直流电为所述飞轮储能装置302充电，所述单向功率变换模块3010接收所述充电控制指令，并根据所述充电控制指令控制输出功率的大小。

根据本发明的实施例，请参见图1，所述飞轮储能装置302包括：飞轮控制器(图中未示出)和依次连接的双向功率变换模块3020、飞轮电机3021、飞轮机构3022，所述双向功率变换模块3020的交流侧与所述飞轮电机3021连接，所述双向功率变换模块3020的直流侧与所述储能变流器3030的直流侧连接，所述飞轮控制器分别与所述双向功率变换模块3020、单向功率变换模块3010以及所述储能变流器通3030信连接，充电时，所述飞轮控制器根据所述单向功率变换模块3010的输出功率控制所述双向功率变换模块3020的充电功率，放电时，所述飞轮控制器根据所述储能变流器3030的输出功率控制所述双向功率变换模块3020的放电功率。

进一步地，所述飞轮储能装置302设置多个，多个所述飞轮储能装置302采用并联的方式分别与所述储能变流器3030的直流侧、所述单向功率变换模块3010的直流侧连接。

一实施例中，储能单元30设置多个，每一个储能单元30中设置一个飞轮储能装置302，多个飞轮储能装置302集成飞轮阵列；另一实施例中，储能单元30设置多个，一个储能单元30中设置多个飞轮储能装置302，多个飞轮储能装置302集成飞轮阵列。通过飞轮阵列的集成方式，可根据实际需要构建兆瓦级、十兆瓦级甚至百兆瓦级的大功率脉冲功率电源系统。飞轮储能装置302采用五轴主动磁悬浮轴承、合金钢飞轮材料、高速永磁同步电机等关键技术，具有安全可靠性高，使用寿命长，功率密度高，充放电响应速度快，适应的温度范围宽，全生命周期绿色无污染等优点。

进一步地，所述运行数据包括：飞轮储能装置302的电量状态、储能变流器3030的功率状态。

进一步地，所述放电策略为：按照预设下垂控制曲线输出功率。在脉冲功率电源系统放电过程中，储能变流器3030可以在离网模式下运行，作为主电源支撑孤网的运行，维持交流电压和频率的稳定。在该模式下，储能变流器3030可以按预设下垂控制曲线的特性运行，在脉冲负荷突然启动的情况下，根据预设下垂控制曲线自动调整放电功率给脉冲负荷供电，保持孤网系统的稳定。在放电的过程中，协调控制单元50根据预设放电策略、各个储能变流器3030的功率状态和各个飞轮储能装置302的电量状态控制飞轮储能装置302和放电装置303进行放电，一方面保证储能变流器3030不过载，各个储能变流器3030的功率相对均衡，另一方面根据各个飞轮储能装置302的电量状态来调整其输出功率，使整个系统获得更长的放电时间。

进一步地，所述预设充电策略包括预设时序充电策略和预设同步充电策略。

预设时序充电策略为：按照预设充电顺序，依次给每一个储能单元30的充电装置301发送充电控制指令，将一个储能单元30充满电之后再对下一个储能单元30进行充电，直至所有的储能单元30充满电。采用预设时序充电策略时，协调控制单元50根据预设时序充电策略、各个储能变流器3030的功率状态和各个飞轮储能装置302的电量状态实时调整各个充电装置301的充电功率，依次为飞轮储能装置302充电。

预设同步充电策略为：同时给所有的储能单元30的充电装置301发送充电控制指令，使所有的储能单元30同时充满电。采用预设同步充电策略时，协调控制单元50根据预设同步充电策略、各个储能变流器3030的功率状态和各个飞轮储能装置302的电量状态实时调整所有充电装置301的充电功率，同时为飞轮储能装置302充电。

在脉冲功率电源系统充电过程中，优选地，协调控制单元50可以设置预设时序充电策略，通过控制充电装置301依次给各个飞轮储能装置302充电，以降低对充电电源功率的需求。

进一步地，储能单元30的运行状态还包括静止状态、启动状态、待机状态和停机状态。多个状态之间可以进行相互变迁，具体地，在静止状态下，脉冲功率电源系统中所有装置或设备均已上电开机并可正常运行，脉冲功率电源系统通信正常，飞轮储能装置302尚未储能，飞轮机构3022静止，随时可以进入启动状态。在启动状态下，能量管理单元40和协调控制单元50控制充电装置301给飞轮储能装置302充电，将飞轮机构3022的转速从零加速到最低工作转速，脉冲功率电源系统随时可进入充电状态。在充电状态下，能量管理单元40和协调控制单元50控制各充电装置301给飞轮储能装置302充电，飞轮机构3022的转速上升，转速不超过最高工作转速。充电结束后，脉冲功率电源系统进入待机状态，可随时进入放电状态。在放电状态下，能量管理单元40和协调控制单元50控制各储能变流器3030对外放电，飞轮机构3022的转速下降，转速不低于最低工作转速。放电结束后，脉冲功率电源系统进入待机状态，可随时进入充电状态。停机状态下，能量管理单元40和协调控制单元50控制各储能变流器3030给停机专用的负载放电，或者让飞轮机构3022在待机状态下转速自然下降，直至处于静止状态。

本发明的实施例的脉冲功率电源系统采用模块化设计，配置灵活，安装快捷，建设周期短，运维简单，扩容方便，可满足多种应用场景下的脉冲功率电源需求。

本发明的实施例通过了一种基于飞轮储能的脉冲功率电源系统的控制方法，请参见图2，所述控制方法包括：

步骤S1：实时监测所述储能单元的运行状态和运行数据；

步骤S2：根据所述运行状态生成充电指令或放电指令；

当生成充电指令时，执行步骤S3：匹配预设充电策略，根据所述运行数据和所述预设充电策略生成充电控制指令，控制充电装置为飞轮储能装置充电；

当生成放电指令时，执行步骤S4：匹配预设放电策略，根据所述运行数据和所述预设放电策略生成放电控制指令，控制飞轮储能装置和放电装置放电，为负载提供所需功率。

进一步地，所述预设充电控制策略包括预设时序充电策略和预设同步充电策略。

更进一步地，

当所述预设充电策略为预设时序充电策略时，步骤S3具体为：根据所述运行数据和所述预设时序充电策略生成充电控制指令，分别控制各个充电装置依次为飞轮储能装置充电；

当所述预设充电策略为预设同步充电策略时，步骤S3具体为：根据所述运行数据和所述预设同步充电策略生成充电控制指令，控制所有充电装置同时为飞轮储能装置充电。

本发明的实施例的脉冲功率电源系统的控制方法简单可靠，可以形成秒级的平顶波。

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 (7)

1.一种基于飞轮储能的脉冲功率电源系统，分别与充电交流母线和放电交流母线连接，所述放电交流母线连接有负载，其特征在于，所述负载为脉冲负荷，该脉冲功率电源系统包括：

多个并列设置的储能单元，每一个储能单元包括：充电装置、至少一个飞轮储能装置和放电装置，所述放电装置与所述放电交流母线连接，所述充电装置与所述充电交流母线连接，所述飞轮储能装置分别与所述充电装置和所述放电装置连接，所述放电装置包括：储能变流器，所述充电装置包括单向功率变换模块；

能量管理单元，分别与所述储能变流器和所述单向功率变换模块连接，用于实时监测所述储能单元的运行状态，并根据所述运行状态生成充电指令或放电指令；

协调控制单元，分别与所述储能变流器和所述单向功率变换模块连接，所述协调控制单元与所述能量管理单元通信连接，所述协调控制单元用于实时采集所述储能单元的运行数据并接收所述充电指令或放电指令，所述协调控制单元内存储有预设充电策略和预设放电策略，当所述协调控制单元接收到充电指令时，根据所述预设充电策略和所述运行数据生成充电控制指令，控制所述充电装置为所述飞轮储能装置进行充电，所述飞轮储能装置将电能转化为动能存储，所述单向功率变换模块将充电电源的交流电转化为直流电为所述飞轮储能装置充电，所述单向功率变换模块接收所述充电控制指令，并根据所述充电控制指令控制输出功率的大小；当所述协调控制单元接收到放电指令时，根据所述预设放电策略和所述运行数据生成放电控制指令，控制所述放电装置进行放电，所述飞轮储能装置将动能转化为电能，为负载提供所需功率，所述储能变流器接收所述放电控制指令，并根据所述放电控制指令控制输出功率的大小；所述预设充电策略包括预设时序充电策略和预设同步充电策略。

2.根据权利要求1所述的脉冲功率电源系统，其特征在于，所述放电装置包括：变压器，所述变压器的高压侧与所述放电交流母线连接，所述变压器的低压侧与所述储能变流器的交流侧连接，所述储能变流器的直流侧与所述飞轮储能装置连接。

3.根据权利要求1所述的脉冲功率电源系统，其特征在于，所述充电装置包括充电电源，所述单向功率变换模块的交流侧和所述充电电源均与所述充电交流母线连接。

4.根据权利要求2或3所述的脉冲功率电源系统，其特征在于，所述飞轮储能装置包括：飞轮控制器和依次连接的双向功率变换模块、飞轮电机、飞轮机构，所述双向功率变换模块的交流侧与所述飞轮电机连接，所述双向功率变换模块的直流侧与所述储能变流器的直流侧连接，所述飞轮控制器分别与所述双向功率变换模块、单向功率变换模块以及所述储能变流器通信连接，充电时，所述飞轮控制器根据所述单向功率变换模块的输出功率控制所述双向功率变换模块的充电功率，放电时，所述飞轮控制器根据所述储能变流器的输出功率控制所述双向功率变换模块的放电功率。

5.根据权利要求4所述的脉冲功率电源系统，其特征在于，所述飞轮储能装置设置多个，多个所述飞轮储能装置采用并联的方式分别连接所述放电装置和所述充电装置。

6.根据权利要求1所述的脉冲功率电源系统，其特征在于，所述负载与所述放电交流母线之间连接有整流器。

7.一种基于飞轮储能的脉冲功率电源系统的控制方法，应用于如权利要求1至6任一项所述的基于飞轮储能的脉冲功率电源系统，其特征在于，所述控制方法包括：

实时监测所述储能单元的运行状态和运行数据；

根据所述运行状态生成充电指令或放电指令；

当生成充电指令时，匹配预设充电策略，根据所述运行数据和所述预设充电策略生成充电控制指令，控制充电装置为飞轮储能装置充电；所述预设充电策略包括预设时序充电策略和预设同步充电策略；当所述预设充电策略为预设时序充电策略时，根据所述运行数据和所述预设时序充电策略生成充电控制指令，控制各个充电装置依次为飞轮储能装置充电；当所述预设充电策略为预设同步充电策略时，根据所述运行数据和所述预设同步充电策略生成充电控制指令，控制所有充电装置同时为飞轮储能装置充电；

当生成放电指令时，匹配预设放电策略，根据所述运行数据和所述预设放电策略生成放电控制指令，控制所述飞轮储能装置和放电装置放电，为负载提供所需功率。

Images