CN111431197A - 一种储能飞轮并联阵列系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种储能飞轮并联阵列系统的控制方法，是将多台大电量高功率储能飞轮并联成飞轮阵列，在充电、待机、放电三种不同阶段，通过检测每台飞轮反馈电量信息，采用不同的控制算法，合理的分配给每台飞轮充/放电功率，使阵列中的每台飞轮储电量趋于一致，从而达到每台飞轮的动态性能最优状态。其系统包括储能飞轮、一体化飞轮储能变流器、并网开关、EtherCAT总线。一体化飞轮储能变流器基于ZYNQ平台，实现了单台飞轮充放电控制、磁悬浮轴承控制、主控系统三控一体化设计，简化了飞轮控制系统间复杂的通讯设计，降低了硬件成本的同时，提高了系统的可靠性。

Description

一种储能飞轮并联阵列系统的控制方法

技术领域

本发明属于电力领域，涉及一种大电量高功率储能飞轮并联的阵列控制方法。

背景技术

传统的储能调频在电力系统调频等领域已经无法满足大功率高频次充放电的系统要求，储能飞轮依靠其单体大功率、充放电寿命长、免维护、安全无燃爆、配套环境要求低等显著特征，逐渐受到电力系统调频、轨道交通、特种装备等领域的欢迎和认可。

为满足用户的储电量和功率两方面需求，储能飞轮系统在工业领域的应用多数是以多台飞轮并联组成飞轮阵列的形式体现。每台储能飞轮都是一种大惯量高速旋转储能体，储存能量的多少是通过与储能体连接为一体的转轴的线速度来表示。由于时间累积误差存在和单体功耗的差异性，在进行充放电过程中，会造成每台飞轮的储电量略有不同，或者飞轮阵列中某一台飞轮出现故障停机，会导致飞轮阵列整体无法正常工作，目前现有专利给阵列中的每台飞轮下发充放电指标多是默认飞轮状态一致，但在实际工况下，频繁充放电必然会导致每台飞轮状态不一致，通过功率平均分配的方式显然不合理，无法使储能飞轮阵列达到最优动态性能的状态。久而久之更会导致飞轮阵列中的每台飞轮特性差异越来越大，影响飞轮阵列的使用寿命。

发明内容

本发明的目的是克服现有控制方法在储能飞轮并联阵列的功率分配问题上体现出的不足，在飞轮工作的三种状态：充电状态、放电状态、保持状态下根据反馈数据，判断阵列中的每台飞轮的状况，合理调整控制方法，使每台飞轮在完成系统命令动作的前提下，达到最优动态性能和电量均衡。

本发明所提出的技术方案是：一种储能飞轮并联阵列系统的控制方法，所述储能飞轮并联阵列系统包括储能飞轮、一体化飞轮储能变流器、并网开关、EtherCAT总线和公共交流母线；储能飞轮通过一体化飞轮储能变流器与并网开关连接到公共交流母线，储能飞轮阵列是将多个储能飞轮并联到公共交流母线，飞轮阵列的每个一体化飞轮储能变流器通过EtherCAT总线进行连接形成通讯网络；每个一体化飞轮储能变流器通过EtherCAT总线同时接收上级系统下发的指令，上电后每个飞轮的一体化飞轮储能变流器自检测系统健康状态并自动进行悬浮。

进一步的，每台储能飞轮的一体化飞轮储能变流器通过EtherCAT总线接收到上级系统充放电命令后，根据系统级的诊断，判断当前飞轮阵列整体状况，所判断状态包括每台飞轮储电量、充放电控制系统状态、磁悬浮轴承状态、真空系统状态、环境温湿度状态、交直流母线状态、并网开关状态，满足状态的条件下，飞轮阵列根据上一级充放电指令实现充放电控制或通过检测母线电压实现自动充放电控制。

进一步的，所述储能飞轮并联阵列系统工作过程分为三种状态：状态一，充电模式；状态二、放电模式；状态三，待机模式，根据一体化飞轮储能变流器会检测每台飞轮的当前转速确定当前工作状态。

进一步的，所述储能飞轮并联阵列系统的状态一为充电模式，飞轮阵列接收到上级系统下发的充电命令或检测到母线电压高于充电阈值时，一体化飞轮储能变流器会检测每台飞轮的当前转速，得知每台飞轮的当前电量，如果每台飞轮的当前转速相同，说明每台飞轮的当前电量相同，那么每台飞轮的一体化飞轮储能变流器就会按照额定功率将飞轮充电至额定转速，即满电状态；否则，如果检测到每台飞轮的当前转速不同，说明每台飞轮的当前电量不同，根据按照每台飞轮的实际电量，系统加权分配充电功率给每台飞轮，使每台飞轮的电量快速均衡，并同步加速到额定转速，完成充电。

进一步的，所述储能飞轮并联阵列系统的状态二为放电模式，飞轮阵列接收到上级系统下发的放电命令或检测到母线电压低于放电阈值时，一体化飞轮储能变流器会检测每台飞轮的当前转速，判断阵列中每台飞轮转速，如果每台飞轮转速相同则说明每台飞轮电量一致，每台飞轮按照等功率放电至放电完成。

进一步的，假设每台飞轮转速不相同，说明每台飞轮的当前电量不同，由冒泡算法，求出阵列中所有飞轮中速度最大值ω_max和速度最小值ω_min做差后，再与额定转速ω_额定做除法，计算出的结果如果大于等于设定值A，则说明其中有一台飞轮转速过低，阵列无法正常完成放电工作，上报系统故障，停机检修；否则如果阵列中有飞轮中速度最大值ω_max和速度最小值ω_min做差后，再与额定转速ω_额定做除法的值在设定值A和B之间，说明其中有一台飞轮转速相比系统中其他飞轮低，为满足系统放电需求，飞轮阵列采取降额运行，一体化飞轮储能变流器按照实际电量加权分配放电功率，直至放电完成，所述A、B的值是设置的阈值，分别用来表示飞轮本体故障阈值的上、下限。

进一步的，所述储能飞轮并联阵列系统的状态三为待机模式，充电完成后，飞轮在未接到放电命令或未检测到母线电压低于阈值时，飞轮进入待机模式；进入待机模式时，检测每台飞轮转速是否相同，如果不相同，按照每台飞轮的实际电量加权分配功率，使每台飞轮电量快速均衡并同步加速到额定转速；如果检测到每台飞轮转速相同，判断是否转速值小于额定转速ω_额定，如果小于额定转速，每台飞轮按照额定功率充电至额定转速ω_额定并以最小电流维持转速在额定转速ω_额定。

进一步的，所述根据一体化飞轮储能变流器会检测每台飞轮的当前转速确定当前工作状态，具体为根据如下公式进行检测计算：

P_i＝T_iω_i

和公式

其中：P_i表示第i台飞轮的瞬时功率，T_i表示第i台飞轮转矩，ω_i表示第i台转速，E_i表示第i台飞轮的储电量，J_i表示第i台飞轮的转动惯量，i表示飞轮阵列中的第i台飞轮，1≤i≤n，n表示飞轮阵列的总数量，t表示充、放电时间。

本发明大电量高功率储能飞轮并联的阵列收到充放电命令和功率指标，同步下发给飞轮阵列当中的每一台飞轮的一体化飞轮储能变流器，一体化飞轮储能变流器是基于ZYNQ平台开发的，由于ZYNQ是采用双核ARM-A9+FPGA的架构，具有高性能，低功耗的特点，并可以嵌入实时操作系统，最大程度节省了控制系统的资源，所以一体化飞轮储能变流器集成了储能飞轮的充放电控制逻辑及控制方法，磁悬浮轴承控制逻辑和控制方法，主控系统的整体调度和保护逻辑等功能，本发明的大电量高功率储能飞轮并联的阵列控制方法也是在一体化飞轮储能变流器上实现的，一体化飞轮储能变流器判断自身电量及其他飞轮状况，实时调整控制方法，合理分配功率大小，实现整个飞轮阵列动态性能最优化。

大电量高功率储能飞轮并联的阵列包括储能飞轮、一体化飞轮储能变流器、并网开关、EtherCAT总线和公共交流母线。所有参数和指标相同的系统组成部分并联在一起组成飞轮阵列。飞轮阵列的容量和功率大小，取决于并联的储能飞轮数量。所述的飞轮阵列系统控制模式采取了同级的控制模式，所述的阵列中的各个一体化飞轮储能变流器之间通过EtherCAT总线连接，并通过EtherCAT总线广播给飞轮阵列中的其他一体化飞轮储能变流器，诊断整个飞轮阵列系统状态。根据总的调度指令进行充放电动作、磁悬浮动作、真空系统控制动作、环境系统控制动作。

有益效果

本发明克服了现有的控制方法对飞轮阵列中的单台飞轮实时状态考虑的不足，通过获取飞轮自身状态和飞轮阵列中其他飞轮的状态，该方法提出了在转速不同的情况下飞轮阵列的充放电策略，实现了合理分配每台飞轮分担的功率并通过算法及时做出调整，保证飞轮阵列每台飞轮电量的均衡，使各个飞轮达到理想配置。一体化飞轮储能变流器降低了复杂的控制系统之间的通讯带来的风险，保证了系统长期稳定高效运行。

附图说明

图1是本发明的系统结构框图；

图2是本发明充电模式流程图；

图3是本发明放电模式流程图；

图4是本发明待机模式流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明大电量高功率储能飞轮并联的阵列系统包括储能飞轮1、一体化飞轮储能变流器2、并网开关3、EtherCAT总线4和公共交流母线5。储能飞轮1通过一体化飞轮储能变流器2与并网开关3连接到公共交流母线5，储能飞轮阵列是将多个储能飞轮1并联到公共交流母线5，飞轮阵列的通讯网络是每个基于ZYNQ平台(Xilinx公司新一代双ARMCortex-A9 MPCore处理器+28nm7系列FPGA的可扩展处理平台，Zynq开发的)，一体化飞轮储能变流器2通过EtherCAT总线4进行连接，每个一体化飞轮储能变流器2通过EtherCAT总线4同时接收上级系统下发的指令，上电后每个飞轮的一体化飞轮储能变流器2自检测系统健康状态并自动进行悬浮。

每台储能飞轮1的一体化飞轮储能变流器2通过EtherCAT总线4接收到上级系统充放电命令后，根据系统级的诊断，判断当前飞轮阵列整体状况，所判断状态包括每台飞轮储电量、充放电控制系统状态、磁悬浮轴承状态、真空系统状态、环境温湿度状态、交直流母线状态、并网开关状态，满足状态的条件下，飞轮阵列根据上一级充放电指令实现充放电控制或通过检测母线电压实现自动充放电控制。

工作过程可以分为以下3个状态：分别如图2、3、4所示：

状态一：充电模式，飞轮阵列接收到上级系统下发的充电命令或检测到母线电压高于充电阈值时，一体化飞轮储能变流器会检测每台飞轮的当前转速，根据公式：

P_i＝T_iω_i

和公式

其中：P_i表示第i台飞轮的瞬时功率，T_i表示第i台飞轮转矩，ω_i表示第i台转速，E_i表示第i台飞轮的储电量，J_i表示第i台飞轮的转动惯量，i表示飞轮阵列中的第i台飞轮，1≤i≤n，n表示飞轮阵列的总数量，t表示充、放电时间。

可知每台飞轮的当前电量，如果每台飞轮的当前转速相同，说明每台飞轮的当前电量相同，那么每台飞轮的一体化飞轮储能变流器就会按照额定功率将飞轮充电至额定转速，即满电状态。否则，如果检测到每台飞轮的当前转速不同，说明每台飞轮的当前电量不同，根据按照每台飞轮的实际电量，系统加权分配充电功率给每台飞轮，使每台飞轮的电量快速均衡，并同步加速到额定转速，完成充电。

状态二：放电模式，飞轮阵列接收到上级系统下发的放电命令或检测到母线电压低于放电阈值时，一体化飞轮储能变流器会检测每台飞轮的当前转速，同理，根据公式：

P_i＝T_iω_i

和公式

判断阵列中每台飞轮转速，如果每台飞轮转速相同则说明每台飞轮电量一致，每台飞轮按照等功率放电至放电完成，现有技术中，都是默认每台飞轮转速都一直保持相同，而实际上，由于每台飞轮自身的差异，必然在充电和放电过程中，出现电量差异，如果还按照等功率方式进行放电，会造成电量低的飞轮电流变大，这样会造成单台飞轮损耗变大，影响飞轮的使用寿命，增加维护成本，降低飞轮阵列的安全可靠性。所以本发明从这方面考虑提出了在飞轮放电模式下转速不同的情况下，采用如下的控制方法：假设每台飞轮转速不相同，说明每台飞轮的当前电量不同，由冒泡算法，求出阵列中所有飞轮中速度最大值ω_max和速度最小值ω_min做差后，再与额定转速ω_额定做除法，计算出的结果如果大于等于设定值A(所述A、B的值是设置的阈值，分别用来表示飞轮本体故障阈值的上、下限)，则说明其中有一台飞轮转速过低，阵列无法正常完成放电工作，上报系统故障，停机检修。否则如果阵列中有飞轮中速度最大值ω_max和速度最小值ω_min做差后，再与额定转速ω_额定做比较的值在设定值A和B之间，说明其中有一台飞轮转速相比系统中其他飞轮略低，为满足系统放电需求，飞轮阵列采取降额运行，一体化飞轮储能变流器按照实际电量加权分配放电功率，直至放电完成。

状态三：待机模式，充电完成后，飞轮在未接到放电命令或未检测到母线电压低于阈值时，飞轮进入待机模式。进入待机模式时，检测每台飞轮转速是否相同，如果不相同，按照每台飞轮的实际电量加权分配功率，使每台飞轮电量快速均衡并同步加速到额定转速。如果检测到每台飞轮转速相同，判断是否转速值小于额定转速ω_额定，如果小于额定转速，每台飞轮按照额定功率充电至额定转速ω_额定并以最小电流维持转速在额定转速ω_额定。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种储能飞轮并联阵列系统的控制方法，其特征在于：所述储能飞轮并联阵列系统包括储能飞轮、一体化飞轮储能变流器、并网开关、EtherCAT总线和公共交流母线；储能飞轮通过一体化飞轮储能变流器与并网开关连接到公共交流母线，储能飞轮阵列是将多个储能飞轮并联到公共交流母线，飞轮阵列的每个一体化飞轮储能变流器通过EtherCAT总线进行连接形成通讯网络；每个一体化飞轮储能变流器通过EtherCAT总线同时接收上级系统下发的指令，上电后每个飞轮的一体化飞轮储能变流器自检测系统健康状态并自动进行悬浮。

2.根据权利要求1所述的一种储能飞轮并联阵列系统的控制方法，其特征在于：

每台储能飞轮的一体化飞轮储能变流器通过EtherCAT总线接收到上级系统充放电命令后，根据系统级的诊断，判断当前飞轮阵列整体状况，所判断状态包括每台飞轮储电量、充放电控制系统状态、磁悬浮轴承状态、真空系统状态、环境温湿度状态、交直流母线状态、并网开关状态，满足状态的条件下，飞轮阵列根据上一级充放电指令实现充放电控制或通过检测母线电压实现自动充放电控制。

3.根据权利要求1所述的一种储能飞轮并联阵列系统的控制方法，其特征在于：

所述储能飞轮并联阵列系统工作过程分为三种状态：状态一，充电模式；状态二、放电模式；状态三，待机模式，根据一体化飞轮储能变流器会检测每台飞轮的当前转速确定当前工作状态。

4.根据权利要求1所述的一种储能飞轮并联阵列系统的控制方法，其特征在于：

所述储能飞轮并联阵列系统的状态一为充电模式，飞轮阵列接收到上级系统下发的充电命令或检测到母线电压高于充电阈值时，一体化飞轮储能变流器会检测每台飞轮的当前转速，得知每台飞轮的当前电量，如果每台飞轮的当前转速相同，说明每台飞轮的当前电量相同，那么每台飞轮的一体化飞轮储能变流器就会按照额定功率将飞轮充电至额定转速，即满电状态；否则，如果检测到每台飞轮的当前转速不同，说明每台飞轮的当前电量不同，根据按照每台飞轮的实际电量，系统加权分配充电功率给每台飞轮，使每台飞轮的电量快速均衡，并同步加速到额定转速，完成充电。

5.根据权利要求3所述的一种储能飞轮并联阵列系统的控制方法，其特征在于：

所述储能飞轮并联阵列系统的状态二为放电模式，飞轮阵列接收到上级系统下发的放电命令或检测到母线电压低于放电阈值时，一体化飞轮储能变流器会检测每台飞轮的当前转速，判断阵列中每台飞轮转速，如果每台飞轮转速相同则说明每台飞轮电量一致，每台飞轮按照等功率放电至放电完成。

6.根据权利要求5所述的一种储能飞轮并联阵列系统的控制方法，其特征在于：

假设每台飞轮转速不相同，说明每台飞轮的当前电量不同，由冒泡算法，求出阵列中所有飞轮中速度最大值ω_max和速度最小值ω_min做差后，再与额定转速ω_额定做除法，计算出的结果如果大于等于设定值A，则说明其中有一台飞轮转速过低，阵列无法正常完成放电工作，上报系统故障，停机检修；否则如果阵列中有飞轮中速度最大值ω_max和速度最小值ω_min做差后，再与额定转速ω_额定做除法的值在设定值A和B之间，说明其中有一台飞轮转速相比系统中其他飞轮低，为满足系统放电需求，飞轮阵列采取降额运行，一体化飞轮储能变流器按照实际电量加权分配放电功率，直至放电完成，所述A、B的值是设置的阈值，分别用来表示飞轮本体故障阈值的上、下限。

7.根据权利要求3所述的一种储能飞轮并联阵列系统的控制方法，其特征在于：

所述储能飞轮并联阵列系统的状态三为待机模式，充电完成后，飞轮在未接到放电命令或未检测到母线电压低于阈值时，飞轮进入待机模式；进入待机模式时，检测每台飞轮转速是否相同，如果不相同，按照每台飞轮的实际电量加权分配功率，使每台飞轮电量快速均衡并同步加速到额定转速；如果检测到每台飞轮转速相同，判断是否转速值小于额定转速ω_额定，如果小于额定转速，每台飞轮按照额定功率充电至额定转速ω_额定并以最小电流维持转速在额定转速ω_额定。

8.根据权利要求3所述的一种储能飞轮并联阵列系统的控制方法，其特征在于：所述根据一体化飞轮储能变流器会检测每台飞轮的当前转速确定当前工作状态，具体为根据如下公式进行检测计算飞轮参数：

P_i＝T_iω_i

和公式

其中：P_i表示第i台飞轮的瞬时功率，T_i表示第i台飞轮转矩，ω_i表示第i台转速，E_i表示第i台飞轮的储电量，J_i表示第i台飞轮的转动惯量，i表示飞轮阵列中的第i台飞轮，1≤i≤n，n表示飞轮阵列的总数量，t表示充、放电时间。

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