CN113612312B - 飞轮储能系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种飞轮储能系统及其控制方法，涉及飞轮储能的技术领域，包括：一个电容组，至少两个三相逆变桥，至少一个电机和一个控制单元；控制单元，用于获取所有电容的实际电压和所有三相逆变桥的交流侧电流；控制单元，还用于在飞轮储能系统充电阶段，根据实际电压和所述电机的转矩电流，利用电容均压控制方法对所有的电机的转矩电流进行控制，以实现对所有电容的均压控制。本发明通过设计的至少两个三相逆变桥直流侧串联的方式并结合相应的电容均压控制方法，能够将高压电源提供的电压进行均分，降低了三相逆变桥直流侧的输入电压，因此三相逆变桥可以选用低耐压的开关器件，降低三相逆变桥和电机的损耗，提高飞轮储能系统的整体效率。

Description

飞轮储能系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及飞轮储能的技术领域，尤其是涉及一种飞轮储能系统及其控制方法。

背景技术

现有的飞轮储能系统包括顺序连接的一个电能变换器、一个电机驱动器、一个电机和一个飞轮。在飞轮储能的某些应用场景中，直流侧的输入电压非常高，比如在地铁制动场合，地铁牵引电源通常提供1500V的直流电，这时现有的飞轮储能系统中电机的端电压需要被变换为1500V的直流电才能实现和电源的能量交换。在这种情况下，现有技术通常采用以下三种方式来实现能量交换：第一种方式是电机端电压采用常规的低压380V，利用电机驱动器直接实现高压直流电与低压三相交流电的变换；第二种方式是利用电能变换器将电源提供的1500V的直流电压经DC/DC变换为一个较低的直流环节电压（例如750V），然后再经电机驱动器实现和电机侧的能量交换；第三种方式是将电机的端电压提高，例如采用690V电机。以上三种方式虽然可以在一定程度上能够实现能量交换，但是均存在以下弊端：器件要求高、绝缘问题突出、成本高、损耗大、系统效率低下。

发明内容

本发明的目的在于提供一种飞轮储能系统及其控制方法，以缓解现有技术中存在的器件要求高、绝缘问题突出、成本高、损耗大，系统效率低下的技术问题。

第一方面，本发明提供的一种飞轮储能系统，其中，包括：一个电容组，至少两个三相逆变桥，至少一个电机和一个控制单元；所述电容组连接高压电源，所述电容组中所有的电容依次串联连接，所述电容的数量与所述三相逆变桥的数量一致，且每个所述电容的正极均与对应的三相逆变桥的直流侧正极相连，每个所述电容的负极均与对应的三相逆变桥的直流侧负极相连，所述三相逆变桥的交流侧与所述电机的一端相连，所有的所述三相逆变桥的控制端均与所述控制单元相连，所有的所述电机的控制端均与所述控制单元相连；所述控制单元，用于获取所有所述电容的实际电压和所有所述三相逆变桥的交流侧电流；所述控制单元，还用于在所述飞轮储能系统充电阶段，根据所述实际电压和所述电机的转矩电流，利用电容均压控制方法对所有的所述电机的转矩电流进行控制，以实现对所有所述电容的均压控制；其中，所述电机的转矩电流与所述三相逆变桥的交流侧电流一致。

进一步的，所述的飞轮储能系统，还包括：至少两组交流电流传感器和至少两个电容电压传感器；其中，每个三相逆变桥上均设置一组交流电流传感器；每个电容的两端均设置一个所述电容电压传感器；所述交流电流传感器，用于测量对应的三相逆变桥的交流侧电流；所述电容电压传感器，用于测量对应的电容的实际电压。

进一步的，所述控制单元，还用于：在所述飞轮储能系统待机阶段，通过控制策略控制所有的所述三相逆变桥依次轮流工作。

进一步的，所述的飞轮储能系统，还包括：至少一个飞轮；其中，所述电机的另一端与所述飞轮相连；所述电机，用于在所述三相逆变桥工作时带动所述飞轮旋转。

进一步的，所述电机的数量与所述三相逆变桥的数量一致，且所述飞轮的数量为一个。

进一步的，所述电机的数量与所述三相逆变桥的数量一致，且所述飞轮的数量与所述电机的数量一致；其中，每个电机的另一端均与对应的飞轮的一端相连。

进一步的，所述电机包括多个三相绕组，所述三相绕组的数量与所述三相逆变桥的数量一致。

进一步的，所述电容组包括依次串联的多个所述电容，处于所述电容组中间的两个电容之间的串联点接地，所述电机的外壳接地。

进一步的，所述电机和所述飞轮安装在密封舱内，所述电机的外壳悬空，所述密封舱的外壳接地。

第二方面，本发明提供的一种飞轮储能系统的控制方法，其中，应用于如第一方面任一项所述的飞轮储能系统中的控制单元，包括：获取所有电容的实际电压和所有三相逆变桥的交流侧电流；在飞轮储能系统充电阶段，根据所述实际电压和电机的转矩电流，利用电容均压控制方法对所有的电机的转矩电流进行控制，以实现对所有所述电容的均压控制。

本发明提供的一种飞轮储能系统及其控制方法，包括：一个电容组，至少两个三相逆变桥，至少一个电机和一个控制单元；电容组连接高压电源，电容组中所有的电容依次串联连接，电容的数量与三相逆变桥的数量一致，且每个电容的正极均与对应的三相逆变桥的直流侧正极相连，每个电容的负极均与对应的三相逆变桥的直流侧负极相连，三相逆变桥的交流侧与电机的一端相连，所有的三相逆变桥的控制端均与控制单元相连，所有的电机的控制端均与控制单元相连；控制单元，用于获取所有电容的实际电压和所有三相逆变桥的交流侧电流；控制单元，还用于在飞轮储能系统充电阶段，根据实际电压和电机的转矩电流，利用电容均压控制方法对所有的电机的转矩电流进行控制，以实现对所有电容的均压控制。本发明通过设计的至少两个三相逆变桥直流侧串联的方式并结合相应的电容均压控制方法，能够将高压电源提供的电压进行均分，降低了三相逆变桥直流侧的输入电压，因此三相逆变桥可以选用低耐压的开关器件，由于低耐压的开关器件成本低、损耗小，进而能够降低三相逆变桥和电机的损耗，提高飞轮储能系统的整体效率。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的飞轮储能系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种飞轮储能系统的结构示意图；

图3为电容中点的电位偏移原理图；

图4为第一种电容均压控制方法的结构框图；

图5为第二种电容均压控制方法的结构框图；

图6为本发明实施例提供的另一种飞轮储能系统的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的另一种飞轮储能系统的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的另一种飞轮储能系统的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的一种飞轮储能系统的控制方法流程图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

飞轮储能系统是一种机电能量转换的储能装置，利用电动机带动飞轮高速旋转，在需要的时候再用飞轮带动电机发电。相比于化学电池储能等方式，飞轮储能具有瞬时充放电功率大、寿命长等优点，因此在电网调频、地铁制动等领域有着良好的应用前景。

现有的飞轮储能系统的构成如图1所示，主要包括电能变换器、电机驱动器、电机、飞轮四个部分。电能变换器用于实现电源能量和直流环节能量的相互转换，如果电源本身就是直流电，则电能变换器不是必须的。电机驱动器用于控制电机电动或发电，实现直流侧能量和电机侧能量的交换；电机用来实现电能和机械能的转换；飞轮用来存储机械动能。

在飞轮储能的某些应用场景中，直流侧的电压较高，比如在地铁制动场合，地铁牵引电源通常为1500V直流电。这时飞轮储能系统中电机的端电压需要被变换为1500V直流电才能实现和电源的能量交换。

针对上述问题，通常的解决方案有三种：第一种方案是电机端电压采用常规的低压380V，利用电机驱动器直接实现高压直流电与低压三相交流电的变换。由三相逆变桥的工作原理可知，其输出交流侧线电压最大值不能超过直流侧电压的

倍，因此直流侧电压比交流侧电压高很多这种工况是可以实现的，并且不需要图1中的电能变换器。但是该方法有以下三个明显劣势：一是直流侧电压高，要求电机驱动器所用的功率器件耐压较高，而高耐压的开关器件成本较高；交流侧电压低，在同样功率下，交流侧电流比较大，这又要求功率器件的额定电流比较大，进一步增加了功率器件的成本；高耐压的开关器件的导通、开关损耗都比较大，会导致电机驱动器损耗增加，降低系统的整体效率；高耐压器件所能达到的最大开关频率较低，而飞轮储能系统的电机工作在高转速，恰恰需要比较高的开关频率。二是逆变桥输出的PWM电压幅值高。其最大值（或称为最高值）为直流侧电压1500V，因此电机端电压虽然较低，但是绝缘仍须按照耐受1500V的脉冲电压来设计。为了降低飞轮储能系统待机阶段的摩擦损耗，电机和飞轮一般放置在一个抽真空的密封舱内，这种真空环境下提高电机的绝缘耐压，技术难度大，成本高。三是交流侧电压比直流侧电压低很多，电机驱动器的三相逆变桥始终工作在低调制比状态。低调制比情况下，逆变桥输出电流的谐波比较大，电机损耗增加，增大了电机散热的难度，降低了飞轮储能系统的效率。

第二种方案是电机端电压仍采用常规的低压380V，增加图1中的电能变换器，先将电源1500V直流电压经DC/DC变换为一个较低的直流环节电压（例如，750V），然后再经电机驱动器实现和电机侧的能量交换。这种方案解决了方案一中所有的不足，但是大功率、高电压的DC/DC变换器成本和体积都很高，其自身也有不小的损耗，降低了系统的效率。

第三种方案是将电机的额定端电压提高，比如采用690V电机。这种方案可以克服第一种方案中的第三个劣势，但是直流电压高引起的前两个最突出的问题依然存在。

基于此，本发明的目的在于提供一种飞轮储能系统及其控制方法，可以在高压电源提供较高的直流环节电压时，降低三相逆变桥直流侧的输入电压，该三相逆变桥可以选用低耐压的开关器件，因此可以避免器件耐压高、逆变桥调制比低等引起的一系列问题，本发明通过适当的接地方式还可以降低电机的绝缘要求。本发明还通过对各个三相逆变桥的工作控制能够实现系统待机阶段损耗的效果。另外，由于低耐压的开关器件成本低、损耗小，因此本发明能够降低三相逆变桥和电机的损耗，提高飞轮储能系统的整体效率。

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种飞轮储能系统进行详细描述。

实施例1：

图2为本发明实施例提供的一种飞轮储能系统的结构示意图，如图2所示，该系统包括：一个电容组，至少两个三相逆变桥2，至少一个电机3和一个控制单元4。上述各个模块之间的连接关系如下：电容组连接高压电源，电容组中所有的电容1依次串联连接，电容1的数量与三相逆变桥2的数量一致，且每个电容1的正极均与对应的三相逆变桥2的直流侧正极相连，每个电容1的负极均与对应的三相逆变桥2的直流侧负极相连，三相逆变桥2的交流侧与电机3的一端相连，所有的三相逆变桥2的控制端均与控制单元4相连，所有的电机3的控制端均与控制单元4相连。该飞轮储能系统实现降低三相逆变桥2直流侧的输入电压的过程如下：控制单元4，用于获取所有电容1的实际电压和所有三相逆变桥2的交流侧电流；控制单元4，还用于在飞轮储能系统充电阶段，根据实际电压和电机3的转矩电流，利用电容均压控制方法对所有的电机3的转矩电流进行控制，以实现对所有电容1的均压控制。上述电容1可以理解为直流电容。

当飞轮储能系统包括两组电容1、两个三相逆变桥2时，只要能够保证在飞轮储能系统整个运行过程中每个电容1的电压都为电源直流电压的一半左右，那么两个三相逆变桥2的直流侧输入电压都能够得到同等程度地降低，进而降低了三相逆变桥2所采用的开关器件的耐压要求，能够有效解决耐压要求高开关器件构成的三相逆变桥2引起的器件成本增加、开关损耗增加、开关频率受限、电流谐波增大等一系列问题。需要注意的是，两套三相逆变桥2在运行过程中，由于两者的工作状态不可能完全相同，这使得流入两组电容1中点的电流不为0，造成两组电容1中点的电位发生偏移，进而使得一组电容1电压升高，另外一组电容1电压下降。当偏移大到一定程度时，会使升高的电压超出安全范围，进而威胁到电容1和三相逆变桥2的安全运行。因此本发明实施例在设计好飞轮储能系统的结构的基础上，必须对电容中点电位进行控制，即对两组电容1进行均压控制。

以飞轮储能系统包括两个电容1、两个三相逆变桥2为例，对上述电容均压控制方法进行如下分析：

在放电阶段，飞轮储能系统处于发电机工作模式下，控制本身就以稳定两个电容1的电压作为控制目标，因此不会发生电容中点电位的偏移。在充电和待机阶段，飞轮储能系统处于电动机工作模式下，此时控制目标是电机的转速，电容电压是不受控的，如果不采取控制措施，中点电位就会发生偏移。如果将两组电容1分别记为电容A1和电容A2，将两个三相逆变桥2分别记为三相逆变桥B1和三相逆变桥B2，且将两个电机3分别记为电机C1和电机C2，那么三相逆变桥B1、B2的直流侧分别接电容A1、A2两端，三相逆变桥B1、B2的交流侧分别接电机C1、C2的输入端。三相逆变桥B1、B2的直流侧电流的流向如图3所示，其中，三相逆变桥B1的直流侧电流可以记为

，三相逆变桥B2的直流侧电流可以记为

。当

和

不等时，则流向电容中点的电流之和不为0，中点电位会发生偏移。若

，则有电流流向中点，中点电位上升，此时电容A1被放电，其电压下降，电容A2被充电，其电压上升；当

时，则有电流流出中点，中点电位下降，此时电容A1被充电，其电压上升，电容A2被放电，其电压下降；当

时，流向中点的电流为0，中点电位、电容A1的电压、电容A2的电压皆保持不变。由此可见，流向中点的电流是影响电容电压偏移的因素，本发明实施例通过控制

和

的大小关系，能够实现对电容均压的控制。

由三相逆变桥2两侧功率守恒，可以得到如下公式：

其中，

、

分别为电容A1和电容A2的电压，

、

分别为电机C1和电机C2的反电动势，

、

分别为电机C1和电机C2的转矩电流，也即与反电势同相位的定子电流分量。通过上式可知，转矩电流

正比于直流侧电流

，因此通过对两个电机的转矩电流

、

的控制就能够实现对直流侧电流

、

的控制。

在电机控制中，目前普遍采用的是双闭环的矢量控制系统。外环为速度环，根据给定速度与实际速度的偏差，经控制算法得到转矩电流给定值。内环为两个电流环，转矩电流环和励磁电流环，分别根据转矩电流和励磁电流的给定值与实际值偏差，经过控制算法得到输出电压。基于以上矢量控制基础，本发明实施例所提的电容均压控制方法的原理如图4所示：

为三相逆变桥B1矢量控制外环输出的原始转矩电流给定值，

为三相逆变桥B2矢量控制外环输出的原始转矩电流给定值。将电容A1的实际电压

与电容A2的实际电压

的偏差

送入PID调节器，该PID调节器的输出为转矩电流修正值

。

与

相加得到三相逆变桥B1的最终转矩电流给定值

。

与

相减得到三相逆变桥B2的最终转矩电流给定值

。

如果

，那么转矩电流修正值

为正，在该情况下会使得电机C1的最终转矩电流给定值

比原始转矩电流给定值

数值大，即电机C1的转矩电流

增加，从而使得三相逆变桥B1的直流侧电流

增加；同时，电机C2的最终转矩电流给定值

比原始给定值

数值小，电机C2的转矩电流

减少，从而使得三相逆变桥B2的直流侧电流

减少，流向中点的电流

增加，从而使得中点电位上升，电容A1的电压

下降，电容A2的电压

上升。很显然，上述调节过程为负反馈过程，从而可以实现电容均压控制的效果。

图4以两个三相逆变桥直流侧串联为例对上述电容均压控制方法的原理进行了详细分析，但是本发明实施例还可以拓展到n（n>2）个三相逆变桥直流侧串联的情况。同理，n个三相逆变桥直流侧串联同样存在均压的需求，但是其均压控制方法与两个三相逆变桥的均压控制方法略有差异。设电容A1的实际电压为

，电容A2的实际电压为

，……，电容An的电压为

，定义平均直流电压（或称为电容平均电压）为：

。电容An的均压控制方法如图5所示：将电容An的电压

与平均直流电压

的偏差

送入PID调节器，得到转矩电流修正量

，矢量控制的原始转矩电流给定值

与

相加得到电机Cn的最终转矩电流给定值

。要实现所有电容的均压控制，一共需要n个这样的调节器。不难看出，上述n个电容的均压控制方法和之前描述的两组电容的电容均压控制方法本质上是完全相同的，只是两组电容时，电容A1、A2的电压对平均电压的偏差是相反的，故合用了同一个偏差控制的PID调节器。

在一个可选的实施例中，飞轮储能系统，还包括：至少两组交流电流传感器和至少两个电容电压传感器5（如图6所示）；其中，每个三相逆变桥2上均设置一组交流电流传感器；每个电容1的两端均设置一个电容电压传感器5；交流电流传感器，用于测量对应的三相逆变桥2的交流侧电流；电容电压传感器5，用于测量对应的电容1的实际电压。

在一个可选的实施例中，飞轮储能系统，还包括：至少一个飞轮6（如图6所示）；其中，电机3的另一端与飞轮6相连；电机3，用于在三相逆变桥2工作时带动飞轮6旋转。

以飞轮储能系统包括两个三相逆变桥2为例，对其具体结构进行如下介绍：本发明实施例根据电机3与飞轮6不同的位置关系能够设置出三种不同结构的飞轮储能系统：在第一种结构的飞轮储能系统中，如图6所示，电机3的数量与三相逆变桥2的数量一致，且飞轮6的数量为一个；在第二种结构的飞轮储能系统中，如图7所示，电机3的数量与三相逆变桥2的数量一致，且飞轮6的数量与电机3的数量一致；其中，每个电机3的另一端均与对应的飞轮6的一端相连；在第三种结构的飞轮储能系统中，电机3为多相电机，该多相电机包括多个三相绕组，且三相绕组的数量与三相逆变桥2的数量一致。例如，如图8所示，电机3的数量为一个，该电机3为六相电机，包括两个三相绕组，三相绕组的数量与三相逆变桥2的数量一致，飞轮6的数量为一个。

如图6所示，飞轮储能系统包括：两组电容1（分别记为电容A1、A2）、两个电容电压传感器5（分别记为电容电压传感器E1、E2）、两个三相逆变桥2（分别记为三相逆变桥B1、B2）、两个电机3（分别记为电机C1、C2）、一个飞轮6和一个控制单元4。每个三相逆变桥2的直流侧分别接各自对应的电容1两端，图6中的符号+、-表示高压直流输入，控制单元4左侧的两个箭头分别表示获取到的三相逆变桥B1、B2的电流采样信号（或称为电流测量信号），控制单元4右侧的两个箭头分别表示发送给三相逆变桥B1、B2的PWM驱动信号。电容A1、A2串联接直流侧1500V高压电源，将1500V均分为两个电压值为750V的低压直流电。每个电容1的两端分别装设有用于采集电容电压的电容电压传感器5，该电容电压传感器5将测量到的对应的电容1的实际电压通过电压测量信号的方式发送给控制单元4。每个三相逆变桥2的内部均装设有一组交流电流传感器，该交流电流传感器将测量到的对应的三相逆变桥2的交流侧电流以电流测量信号的形式发送给控制单元4。每个三相逆变桥2均可以接受来自控制单元4发送的PWM驱动信号，该PWM驱动信号用于控制三相逆变桥2内部功率器件的开关。控制单元4在接收到两组电容1的电压测量信号、两个三相逆变桥2的电流测量信号之后，执行电容均压控制方法，并输出PWM驱动信号到三相逆变桥2。电机C1和电机C2与同一个飞轮6进行同轴连接，两个电机3的端电压均为380V，飞轮储能系统直流侧期望电压比较高，但是为了解决电机绝缘耐压问题，希望降低逆变桥直流侧电压。本发明的实施例中将两个逆变桥直流侧串联，将逆变桥直流侧电压降低为750V。另一方面，为了降低电机工作时候电流，电机端电压选择应尽可能接近逆变桥最大交流输出电压（即直流电压/1.414=750/1.414=530V），在此条件下，最接近常规电机端电压为380V。当然380V不是唯一选择，选择480V会更好，但是国内480V电机较少，不利于标准化，故选择380V。

飞轮储能系统在充电阶段，由两个三相逆变桥2通过两个电机3共同驱动飞轮6加速的方式将能量储存在飞轮6的动能中；在放电阶段，飞轮6带动两个电机3发电，电能经过两个三相逆变桥2流向两组电容1，通过两组电容1串联的方式支撑起电源的直流电压。

如图7所示，一个电机3对应一个飞轮6，即每个电机3分别驱动各自对应的飞轮6。可以理解为：电容A1接三相逆变桥B1驱动电机C1，带动飞轮F1。电容A2接三相逆变桥B2驱动电机C2，带动飞轮F2。飞轮储能系统在充电阶段，由于两个三相逆变桥2分别驱动两个电机3加速，因此可以将能量存储在两个飞轮6的动能中；放电时两个飞轮6带动两个电机3发电，电能经两个三相逆变桥2从电机3流向两组电容1，通过两组电容1串联的方式能够支撑起电源的直流电压。该方案同样具有降低三相逆变桥2输入电压所带来的一系列优点，且控制两组电容电压偏差的方法与图6中的方案完全相同。

如图8所示，可以将图6提供的方案中的两个电机3驱动一个飞轮6变成一个电机3（具体为六相电机）驱动一个飞轮6。飞轮储能系统的构成如图8所示，六相电机有两套三相绕组，两套绕组中性点互相独立，两个三相逆变桥2分别驱动一套绕组。飞轮储能系统在充电时，由两个三相逆变桥2通过两套绕组共同驱动一个电机3加速，将能量储存在该飞轮6的动能中；放电时飞轮6带动电机3发电，电能经两个三相逆变桥2从电机3流向两组电容1，通过两组电容1串联的方式支撑起电源的直流电压。该方案同样具有降低三相逆变桥2输入电压所带来的一系列优点，控制两组电容电压偏差的方法与图6中方案完全相同。

在一个可选的实施例中，在电容组包括两个电容1的情况下，有两种接地方式，第一种接地方式是：两个电容1的中心点接地，电机3的外壳接地；第二种接地方式是：电机3和飞轮6安装在密封舱内，电机3的外壳悬空，密封舱的外壳接地。

具体分析如下：飞轮储能系统在设置有两个电容1时，因为每个三相逆变桥2的输入直流电压均降为了原直流环节电压（即高压电源提供的电压）的一半，电机绕组相间最大电压降为750V，降低了电机绕组的相间绝缘要求。通过合适的接地方式，还可以降低电机绕组对机壳的最大电压，从而降低其绝缘要求。第一种接地方式是将两组电容1的中点接地，同时将电机3的外壳也接地，这样电机每相绕组对外壳的最大电压降为750V。同理，飞轮储能系统在设置有N个电容时，因为每个三相逆变桥2的输入直流电压均降为了原直流环节电压的1/N，因此可以将处于电容组中间的两个电容1之间的串联点接地。例如，N=10，则将电容A5和电容A6之间的串联点接地；再例如，N=9，则将电容A4和电容A5中间的串联点接地，或将电容A5和电容A6之间的串联点接地（即，N=9时，共包括9个电容，依次为电容A1-电容A9，则9个电容之间包括8个串联点，依次为串联点一-串联点八，此时，则可以将串联点四（即，电容A4和电容A5之间的串联点）或串联点五（即，电容A5和电容A6之间的串联点）中的任意一个串联点接地）。如果在某些应用场合，电源系统已有接地点，且其接地点不是两组电容中点，则上述方法应用受限，此时可采用第二种接地方式，考虑到飞轮储能系统中的电机3和飞轮6通常装设在抽真空的密封舱内，因此可以将电机3的外壳悬空不接地，而对密封舱的外壳接地，以此来保证安全接地的需要。由于电机3的外壳是悬空的，因此其和电机绕组之间不存在绝缘耐压问题。

飞轮储能系统在工作中存在三个阶段：充电、待机和放电。在充电时，电能经电机驱动器带动电机3加速，将电能转变为机械能储，存在高速旋转的飞轮体中。之后进入待机阶段，为了补偿由于摩擦、电磁损耗造成的转速下降，电机驱动器需要提供一个很小的电流维持飞轮6的转速，电流大小通常只有充电、放电过程的1%甚至更小。当进入放电阶段时，电机驱动器控制电机3工作于发电模式，高速旋转的飞轮6拖动电机3发电，将机械动能转化成电能。本发明实施例可以通过合适的控制策略，降低飞轮6待机阶段的损耗。为了降低飞轮储能系统待机阶段损耗，可在待机阶段使一组三相逆变桥（例如三相逆变桥B1）关闭，由另一组三相逆变桥（例如三相逆变桥B2）驱动电机3来维持飞轮6的转速。但是如果始终由同一组三相逆变桥（例如三相逆变桥B1）工作，则流向电容中点的电流不为零，电容中点电位会发生偏移，并最终超出允许的范围。为此可根据电压偏差，控制两个三相逆变桥2依次轮流工作、关闭。

针对图6中的飞旋储能系统，在飞轮储能系统包括两个三相逆变桥时，提供了第一种控制策略，设电容A1、A2允许的最大电压偏差为

，控制逻辑如下：

若

，则切换为三相逆变桥B1工作，三相逆变桥B2关闭，由前面分析可知，接下来

会下降，

会上升。

若

，则切换为三相逆变桥B2工作，三相逆变桥B1关闭，由前面分析可知，接下来

会上升，

会下降。

在该控制逻辑的作用下，待机阶段电容A1、A2的电压偏差将会在

和

之间变化，使得三相逆变桥B1和三相逆变桥B2轮流工作。当三相逆变桥B1工作时，上下两组电容1的偏差持续减小，直到小于等于

，则开始切换到三相逆变桥B2工作，上下两组电容1的电压偏差开始增加，直到大于等于

，又切回三相逆变桥B1工作，如此往复循环。因为待机阶段，三相逆变桥2的工作电流很小，因此对电容1充放电的速度较慢，三相逆变桥2切换的频率不会很高。采用该控制策略后，待机阶段始终只有一组三相逆变桥2和电机3处于工作状态，飞旋储能系统的损耗得到了降低。同时，也能够在一定程度上缓解待机阶段由于三相逆变桥电流小，电流采样精度不足而引起的一系列控制性能下降的问题。

图8中的方案与图6中的方案类似，在待机阶段可按照同样的控制策略，依次轮流使得一组三相逆变桥2驱动一个三相绕组来维持飞轮6的转速，从而达到降低待机阶段损耗、提高电流采样的精度的效果。此时，六相电机只有一套三相绕组工作，相当于普通的三相电机。

在飞轮储能系统包括n（n>2）个三相逆变桥2时，提供了第二种控制策略。第二种控制策略与第一种控制策略相比有所差异。第二种控制策略如下：控制单元4，还用于：在飞轮储能系统待机阶段，根据高压电源提供的电压确定电容平均电压；将每个实际电压和电容平均电压的差值均与预设阈值进行比较，得到多个比较结果；根据多个比较结果，控制所有的三相逆变桥2依次轮流工作。上述预设阈值包括预设最大值

和预设最小值

。

具体分析如下：设各组电容的电压对平均直流电压允许的最大电压偏差为

。初始状态时先让三相逆变桥B1工作，其余三相逆变桥（即三相逆变桥B2，B3，…，Bn）全部关闭。此时直流电流对电容A1放电，对其余所有组的电容串联形成的电容充电。电容A1的电压下降，其余所有组的电容（即电容A2，A3，…，An）的电压上升，且其余所有组的电容的电压上升之和始终等于电容A1的电压下降值。可见，某一组三相逆变桥2工作时，其对应的电容1的电压是下降的，其余关闭的三相逆变桥2对应的电容1的电压上升。

若

，则切换为三相逆变桥B2工作，其余三相逆变桥（即三相逆变桥B1，B3，…，Bn）关闭，由前面分析可知，

会下降，其余电容的电压（即电容A1，A3，…，An）会上升；

若

，则切换为三相逆变桥B3工作，其余三相逆变桥（即三相逆变桥B1，B2，B4，…，Bn）关闭，由前面分析可知，接下来

会下降，其余电容的电压（即电容A1，A2，A4，…，An）会上升，…，若

，则切换为三相逆变桥B1工作，其余三相逆变桥（即三相逆变桥B2，…，Bn）关闭，由前面分析可知，接下来

会下降，其余电容（即电容A2，…，An）的电压会上升。各个三相逆变桥2依次通过轮流工作的方式，能够使得每次同一时间只有一个三相逆变桥2工作，且各电容1的电压不会偏离平均值太大。

上述发明描述中是以电源电压为高压直流为例进行的说明，事实上如果电源电压为高压交流电，同样要求图1中的直流侧必须是高压，在这种情况下，本发明实施例中所提的所有方法依然适用。

综上所述，本发明实施例具有以下优势：（1）通过两个三相逆变桥2直流侧串联的方式，并配合相应的电容均压控制方法，降低了三相逆变桥2的直流输入电压。因此本申请可以选用低耐压的开关器件，进而降低了器件的成本。由于低耐压的器件开关损耗更低，可达到的开关频率更高，因此降低了三相逆变桥2和电机3的损耗，提高了系统的整体效率；（2）三相逆变桥2的直流侧电压的降低，能够降低电机绕组的相间绝缘要求，通过合理的接地方式，可以降低电机绕组对外壳的绝缘要求，从而大大降低绝缘设计的难度，减少相应的成本；（3）由于三相逆变桥2直流侧电压的降低，能够提高逆变桥的工作调制比，因此降低了电机电流中的谐波成分，减小了电机3的发热，降低了电机3散热的难度，提高了系统的效率；（4）在待机阶段，通过控制策略，使各个三相逆变桥2轮流工作，减少了待机阶段的损耗，提高了系统的整体效率，并且能够适当地提高待机阶段电流采样精度，改善控制性能。

实施例2：

根据本发明实施例，提供了一种飞轮储能系统的控制方法的实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

图9为本发明实施例提供的一种飞轮储能系统的控制方法的流程图，应用于如实施例1所述的飞轮储能系统中的控制单元，如图9所示，该方法包括如下步骤：

步骤S101，获取所有电容的实际电压和所有三相逆变桥的交流侧电流；

步骤S102，在飞轮储能系统充电阶段，根据实际电压和电机的转矩电流，利用电容均压控制方法对所有的电机的转矩电流进行控制，以实现对所有电容的均压控制。

本发明实施例通过设计的至少两个三相逆变桥2直流侧串联的方式并结合相应的电容均压控制方法，能够将高压电源提供的电压进行均分，降低了三相逆变桥2直流侧的输入电压，因此三相逆变桥2可以选用低耐压的开关器件，由于低耐压的开关器件成本低、损耗小，进而能够降低三相逆变桥2和电机3的损耗，提高飞轮储能系统的整体效率。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述方法的具体步骤，可以参考前述产品实施例中的对应过程，在此不再赘述。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、 “水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种飞轮储能系统，其特征在于，包括：一个电容组，至少两个三相逆变桥，至少一个电机和一个控制单元；

所述电容组连接高压电源，所述电容组中所有的电容依次串联连接，所述电容的数量与所述三相逆变桥的数量一致，且每个所述电容的正极均与对应的三相逆变桥的直流侧正极相连，每个所述电容的负极均与对应的三相逆变桥的直流侧负极相连，所述三相逆变桥的交流侧分别与所述电机的三相绕组相连；

所述控制单元，用于获取所有所述电容的实际电压和所有所述三相逆变桥的交流侧电流；

所述控制单元，还用于在所述飞轮储能系统充电阶段，根据所述实际电压和所述电机的转矩电流，利用电容均压控制方法对所有的所述电机的转矩电流进行控制，以实现对所有所述电容的均压控制，其中，所述电机的转矩电流与所述三相逆变桥的交流侧电流一致；

其中，所述电容均压控制方法包括：

根据所述实际电压，得到所有三相逆变桥电容电压的平均值；

基于每个三相逆变桥的实际电压与所有三相逆变桥的实际电压之间的差值，经PID调节得到每个三相逆变桥的转矩电流修正量；

将转矩电流原始给定值和所述转矩电流修正量相加，得到最终转矩电流给定值，以实现对所有所述电容的均压控制；

其中，所述控制单元，还用于：

在所述飞轮储能系统待机阶段，通过控制策略控制所有的所述三相逆变桥依次轮流工作，其中，所述控制策略为：基于所述三相逆变桥的直流侧电压，控制各个三相逆变桥依次轮流工作或关闭，使得同一时间只有一个三相逆变桥工作。

2.根据权利要求1所述的飞轮储能系统，其特征在于，还包括：至少两组交流电流传感器和至少两个电容电压传感器；其中，每个三相逆变桥上均设置一组交流电流传感器；每个电容的两端均设置一个所述电容电压传感器；

所述交流电流传感器，用于测量对应的三相逆变桥的交流侧电流；

所述电容电压传感器，用于测量对应的电容的实际电压。

3.根据权利要求1所述的飞轮储能系统，其特征在于，还包括：至少一个飞轮；其中，所述电机的另一端与所述飞轮相连；

所述电机，用于在所述三相逆变桥工作时带动所述飞轮旋转。

4.根据权利要求3所述的飞轮储能系统，其特征在于，所述电机的数量与所述三相逆变桥的数量一致，且所述飞轮的数量为一个。

5.根据权利要求3所述的飞轮储能系统，其特征在于，所述电机的数量与所述三相逆变桥的数量一致，且所述飞轮的数量与所述电机的数量一致；其中，每个电机的另一端均与对应的飞轮的一端相连。

6.根据权利要求3所述的飞轮储能系统，其特征在于，所述电机包括多个三相绕组，所述三相绕组的数量与所述三相逆变桥的数量一致。

7.根据权利要求3所述的飞轮储能系统，其特征在于，所述电容组包括依次串联的多个所述电容，处于所述电容组中间的两个电容之间的串联点接地，所述电机的外壳接地。

8.根据权利要求3所述的飞轮储能系统，其特征在于，所述电机和所述飞轮安装在密封舱内，所述电机的外壳悬空，所述密封舱的外壳接地。

9.一种飞轮储能系统的控制方法，其特征在于，应用于如权利要求1~8任一项所述的飞轮储能系统中的控制单元，包括：

获取所有电容的实际电压和所有三相逆变桥的交流侧电流；

在飞轮储能系统充电阶段，根据所述实际电压和电机的转矩电流，利用电容均压控制方法对所有的电机的转矩电流进行控制，以实现对所有所述电容的均压控制；

其中，根据所述实际电压和电机的转矩电流，利用电容均压控制方法对所有的电机的转矩电流进行控制，以实现对所有所述电容的均压控制，包括：

根据所述实际电压，得到所有三相逆变桥电容电压的平均值；

基于每个三相逆变桥的实际电压与所有三相逆变桥的实际电压之间的差值，经PID调节得到每个三相逆变桥的转矩电流修正量；

将转矩电流原始给定值和所述转矩电流修正量相加，得到最终转矩电流给定值，以实现对所有所述电容的均压控制；

所述方法还包括：

在所述飞轮储能系统待机阶段，通过控制策略控制所有的所述三相逆变桥依次轮流工作，其中，所述控制策略为：基于所述三相逆变桥的直流侧电压，控制各个三相逆变桥依次轮流工作或关闭，使得同一时间只有一个三相逆变桥工作。

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