CN114513155A - 飞轮转速控制电路和系统 - Google Patents

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CN114513155A CN202210254535.6A CN202210254535A CN114513155A CN 114513155 A CN114513155 A CN 114513155A CN 202210254535 A CN202210254535 A CN 202210254535A CN 114513155 A CN114513155 A CN 114513155A
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Abstract

本发明提供了飞轮转速控制电路和系统，包括UPS电路、飞轮电池电路和电流检测模块；UPS电路包括相互连接的整流器和逆变器；整流器与市电电网相连接；逆变器通过电流检测模块与用电负荷相连接；飞轮电池电路包括与飞轮储能单元相连接的机侧变流器；机侧变流器UPS电路相连接；电流检测模块还与机侧变流器相连接；电流检测模块用于检测用电负荷的实际电流，机侧变流器用于根据用电负荷的实际电流调整飞轮的运行转速。通过设置电流检测模块检测用电负荷的实际电流，并根据该实际电流对飞轮转速进行实时调整，从而保证当用电负荷较大时飞轮具备足够的能量供应，当用电负荷较小时飞轮可以在较低转速稳定运行，进而提高飞轮储能单元运行的可靠性和稳定性。

Description

飞轮转速控制电路和系统
技术领域
本发明涉及飞轮储能领域，尤其是涉及一种飞轮转速控制电路和系统。
背景技术
飞轮储能单元是一种电能和动能的转换装置，当需要充电时在机侧变流器的控制下，飞轮转子不断加速以吸收外部能量，当需要放电时在机侧变流器的控制下，飞轮转子不断降速以向外部释放能量。飞轮在充电过程中，经常需要工作于转速控制模式，即设定一个最高转速，机侧变流器控制飞轮转子加速至该转速后待机。
现有的飞轮UPS(Uninterruptible Power Supply，不间断电源)，当市电正常时飞轮在设定的最高转速待机运行，当市电掉电后飞轮快速切换至放电模式以稳定直流电压，当市电恢复后飞轮切换至充电模式并加速至设定的最高转速待机运行。而在充电控制模式下的最高运行转速是提前设定的，并且在飞轮UPS运行过程中是不能修改的，无论当前的负荷大小，飞轮始终以设定的最高转速运行，而无法根据负荷变化对飞轮运行转速进行修改。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种飞轮转速控制电路和系统，通过设置电流检测模块用于检测用电负荷的实际电流，进而根据该实际电流对飞轮转速进行实时调整，从而保证当用电负荷较大时飞轮具备足够的能量供应，当用电负荷较小时飞轮可以在较低转速稳定运行，进而提高飞轮储能单元运行的可靠性和稳定性。
第一方面，本发明实施例提供了一种飞轮转速控制电路，包括UPS电路、飞轮电池电路和电流检测模块；
所述UPS电路包括相互连接的整流器和逆变器；所述整流器的输入端与市电电网相连接；所述逆变器的输出端通过所述电流检测模块与用电负荷相连接；
所述飞轮电池电路包括与飞轮储能单元相连接的机侧变流器；所述机侧变流器分别与所述整流器的输出端和所述逆变器的输入端相连接；
所述电流检测模块的输出端还与所述机侧变流器相连接；
所述电流检测模块用于检测所述用电负荷的实际电流，所述机侧变流器用于根据所述用电负荷的实际电流调整飞轮的运行转速。
进一步的，所述电流检测模块包括电流传感器组件，所述电流传感器组件用于检测所述用电负荷的负荷电流。
进一步的，所述电流传感器组件包括第一霍尔电流传感器、第二霍尔电流传感器和第三霍尔电流传感器；
所述第一霍尔电流传感器，用于检测所述用电负荷的第一相负荷电流值；
所述第二霍尔电流传感器，用于检测所述用电负荷的第二相负荷电流值；
所述第三霍尔电流传感器，用于检测所述用电负荷的第三相负荷电流值。
进一步的，所述机侧变流器包括依次相连的有效值计算单元、平均值计算单元和转速控制单元；
所述有效值计算单元，用于根据所述第一相负荷电流值、所述第二相负荷电流值和所述第三相负荷电流值，计算对应的电流有效值；
所述平均值计算单元，用于根据所述电流有效值计算总电流有效值；
所述转速控制单元，用于根据预设飞轮参数和所述总电流有效值，计算飞轮在所述用电负荷下需要运行的最高转速，并控制所述飞轮的运行转速调整至所述最高转速。
进一步的，所述有效值计算单元还用于：
按照预设采样频率采集负荷电流值的预设样本数的样本电流值；
根据所述样本电流值通过下式计算对应的电流有效值：
Figure BDA0003548055600000031
其中，ni为第i个采样点的样本电流值，nmean为所述预设样本数的样本电流值的平均值，Im为负荷电流值对应的电流有效值，k为所述预设样本数。
进一步的，所述平均值计算单元还用于：
根据下式计算所述总电流有效值：
Figure BDA0003548055600000032
其中，Im1为所述第一相负荷电流值对应的电流有效值，Im2为所述第二相负荷电流值对应的电流有效值，Im3为所述第三相负荷电流值对应的电流有效值，IM为所述总电流有效值。
进一步的，所述转速控制单元还用于：
根据下式计算飞轮在所述用电负荷下需要运行的最高转速：
Figure BDA0003548055600000033
其中，NN为飞轮的额定转速，IN为飞轮的额定电流，Nr为飞轮在所述用电负荷下需要运行的最高转速。
进一步的，所述最高转速有预设转速上限值和转速下限值；
其中，
Figure BDA0003548055600000041
所述转速上限值为飞轮的额定转速，所述转速下限值为飞轮的额定转速的一半。
第二方面，本发明实施例提供了一种飞轮转速控制系统，包括UPS主机、飞轮电池系统和电流检测模块；
所述UPS主机包括至少一个UPS电路，所述UPS电路包括相互连接的整流器和逆变器；所述整流器的输入端与市电电网相连接；所述逆变器的输出端通过所述电流检测模块与用电负荷相连接；
所述飞轮电池系统包括彼此连接的飞轮储能单元和机侧变流器；所述机侧变流器分别与所述整流器的输出端和所述逆变器的输入端相连接；
所述电流检测模块的输出端还与所述机侧变流器相连接；
所述电流检测模块用于检测所述用电负荷的实际电流，所述机侧变流器用于根据所述用电负荷的实际电流调整飞轮的运行转速。
进一步的，所述电流检测模块为三组霍尔电流传感器，每组所述霍尔电流传感器串接于所述UPS主机和所述用电负荷之间。
本发明实施例提供了飞轮转速控制电路和系统，包括UPS电路、飞轮电池电路和电流检测模块；UPS电路包括相互连接的整流器和逆变器；整流器的输入端与市电电网相连接；逆变器的输出端通过电流检测模块与用电负荷相连接；飞轮电池电路包括与飞轮储能单元相连接的机侧变流器；机侧变流器分别与整流器的输出端和逆变器的输入端相连接；电流检测模块的输出端还与机侧变流器相连接；电流检测模块用于检测用电负荷的实际电流，机侧变流器用于根据用电负荷的实际电流调整飞轮的运行转速。该控制电路中，通过设置电流检测模块用于检测用电负荷的实际电流，进而根据该实际电流对飞轮转速进行实时调整，从而保证当用电负荷较大时飞轮具备足够的能量供应，当用电负荷较小时飞轮可以在较低转速稳定运行，进而提高飞轮储能单元运行的可靠性和稳定性。
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、权利要求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为本发明实施例一提供的飞轮转速控制电路示意图；
图2为本发明实施例一提供的机侧变流器示意图；
图3为本发明实施例一提供的总电流有效值计算示意图；
图4为本发明实施例二提供的飞轮转速控制系统示意图。
图标：1-UPS电路；2-飞轮电池电路；3-电流检测模块；4-市电电网；5-用电负荷；6-UPS主机；7-飞轮电池系统；11-整流器；12-逆变器；21-机侧变流器；22-飞轮储能单元；211-有效值计算单元；212-平均值计算单元；213-转速控制单元。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图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。
为便于对本实施例进行理解，下面对本发明实施例进行详细介绍。
常规的基于在线双变换式飞轮UPS的电气拓扑结构包括：市电电网AC(Alternating Current，交流电)、UPS主机、飞轮电池和用电负荷，其中，UPS主机由整流器AC/DC和逆变器DC/AC组成，飞轮电池由机侧变流器DC/AC和飞轮储能单元组成。当市电正常时，飞轮储能单元中的飞轮在设定的最高转速待机运行；当市电掉电后，飞轮快速切换至放电模式以稳定直流电压，当市电恢复后，飞轮切换至充电模式并加速至设定的最高转速待机运行。
实施例一：
图1为本发明实施例一提供的飞轮转速控制电路示意图。
参照图1，该控制电路包括UPS电路1、飞轮电池电路2和电流检测模块3；UPS电路1包括相互连接的整流器11和逆变器12；整流器11的输入端与市电电网4相连接；逆变器12的输出端通过电流检测模块3与用电负荷5相连接；飞轮电池电路2包括与飞轮储能单元22相连接的机侧变流器21；机侧变流器21分别与整流器11的输出端和逆变器12的输入端相连接；电流检测模块3的输出端还与机侧变流器21相连接。
电流检测模块3用于检测用电负荷的实际电流，机侧变流器21用于根据用电负荷5的实际电流调整飞轮的运行转速。
其中，机侧变流器通过直流母线与整流器的输出端和逆变器的输入端相连，电流检测模块串联于UPS电路与用电负荷之间。
进一步的，电流检测模块包括电流传感器组件，电流传感器组件用于检测用电负荷的负荷电流。
进一步的，电流传感器组件包括第一霍尔电流传感器、第二霍尔电流传感器和第三霍尔电流传感器；
第一霍尔电流传感器，用于检测用电负荷的第一相负荷电流值；
第二霍尔电流传感器，用于检测用电负荷的第二相负荷电流值；
第三霍尔电流传感器，用于检测用电负荷的第三相负荷电流值。
其中，第一相负荷电流值为I1，第二相负荷电流值为I2，第三相负荷电流值I3，这三组电流为正弦波交流信号，相位差120度，用电负荷的三组电压值为固定值，通常为380V交流电压。
电流传感器组件为三组霍尔电流传感器组成，霍尔电流传感器使用方便，可实时测量用电负荷的电流大小，无需改变现有结构，简单可靠。
图2为本发明实施例一提供的机侧变流器示意图。
参照图2，机侧变流器包括依次相连的有效值计算单元211、平均值计算单元212和转速控制单元213；
有效值计算单元211，用于根据第一相负荷电流值、第二相负荷电流值和第三相负荷电流值，计算对应的电流有效值；
平均值计算单元212，用于根据电流有效值计算总电流有效值；
转速控制单元213，用于根据预设飞轮参数和总电流有效值，计算飞轮在用电负荷下需要运行的最高转速，并控制飞轮的运行转速调整至最高转速。
图3为本发明实施例一提供的总电流有效值计算示意图。
参照图3，将第一霍尔电流传感器、第二霍尔电流传感器和第三霍尔电流传感器测得的负荷电流值输入至有效值计算单元，分别得到对应电流有效值后，将三组电流有效值输入平均值控制单元得到总电流有效值。
进一步的，有效值计算单元还用于：
按照预设采样频率采集负荷电流值的预设样本数的样本电流值；
根据样本电流值通过公式(1)计算对应的电流有效值：
Figure BDA0003548055600000081
其中，ni为第i个采样点的样本电流值，nmean为预设样本数的样本电流值的平均值，Im为负荷电流值对应的电流有效值，k为预设样本数。
这里，电流的采样频率为100kHz，电流的信号频率为50Hz，半个周波为10ms的情况下，预设样本数为1000，即电流检测模块可以采样到1000个采样点n1～n1000的瞬时样本电流值，通过1000个预设样本还原正弦波。
将这1000个采样点取绝对值，即|n1|～|n1000|，然后求得这1000个采样点的平均值nmean，最后对这1000个取绝对值后的采样点求均方根值，即为对应的电流信号的有效值。这里，三组电流共获得三组有效值。
进一步的，平均值计算单元还用于：
根据公式(2)计算总电流有效值：
Figure BDA0003548055600000082
其中，Im1为第一相负荷电流值对应的电流有效值，Im2为第二相负荷电流值对应的电流有效值，Im3为第三相负荷电流值对应的电流有效值，IM为总电流有效值。
进一步的，转速控制单元还用于：
根据公式(3)计算飞轮在用电负荷下需要运行的最高转速：
Figure BDA0003548055600000083
其中，NN为飞轮的额定转速，IN为飞轮的额定电流，Nr为飞轮在用电负荷下需要运行的最高转速。
这里，飞轮的额定电流与总电流有效值呈线性关系，将飞轮在当前用电负荷下需要运行的最高转速输入至机侧变流器，机侧变流器即控制飞轮运行该转速进行待机稳速。
进一步的，最高转速有预设转速上限值和转速下限值；
其中，
Figure BDA0003548055600000091
转速上限值为飞轮的额定转速，转速下限值为飞轮的额定转速的一半。
本发明实施例提供了飞轮转速控制电路，包括UPS电路、飞轮电池电路和电流检测模块；UPS电路包括相互连接的整流器和逆变器；整流器的输入端与市电电网相连接；逆变器的输出端通过电流检测模块与用电负荷相连接；飞轮电池电路包括与飞轮储能单元相连接的机侧变流器；机侧变流器分别与整流器的输出端和逆变器的输入端相连接；电流检测模块的输出端还与机侧变流器相连接；电流检测模块用于检测用电负荷的实际电流，机侧变流器用于根据用电负荷的实际电流调整飞轮的运行转速。该控制电路中，通过对实际电流的测量得到总电流有效值，根据总电流有效值修正飞轮储能单元的运行转速，以保证在用电负荷较大时飞轮储能单元可运行较高转速以给用电负荷提供更高能量和放电时间，在用电负荷较小时飞轮储能单元可运行于较低转速以提高飞轮储能单元运行的可靠性和稳定性。
实施例二：
图4为本发明实施例二提供的飞轮转速控制系统拓扑结构示意图。
参照图4，飞轮转速控制系统包括：UPS主机6、飞轮电池系统7和电流检测模块3；
UPS主机6包括至少一个UPS电路，UPS电路包括相互连接的整流器和逆变器；整流器的输入端与市电电网相连接；逆变器的输出端通过电流检测模块与用电负荷相连接；
飞轮电池系统7包括彼此连接的飞轮储能单元和机侧变流器；机侧变流器分别与整流器的输出端和逆变器的输入端相连接；
电流检测模块3的输出端还与机侧变流器相连接；
电流检测模块3用于检测用电负荷的实际电流，机侧变流器用于根据用电负荷的实际电流调整飞轮的运行转速。
进一步的，电流检测模块为三组霍尔电流传感器，每组霍尔电流传感器串接于UPS主机和用电负荷之间。
本发明实施例提供了飞轮转速控制系统，包括UPS主机、飞轮电池系统和电流检测模块；UPS主机包括至少一个UPS电路，UPS电路包括相互连接的整流器和逆变器；整流器的输入端与市电电网相连接；逆变器的输出端通过电流检测模块与用电负荷相连接；飞轮电池系统包括彼此连接的飞轮储能单元和机侧变流器；机侧变流器分别与整流器的输出端和逆变器的输入端相连接；电流检测模块的输出端还与机侧变流器相连接；电流检测模块用于检测用电负荷的实际电流，机侧变流器用于根据用电负荷的实际电流调整飞轮的运行转速。该控制系统中，通过设置电流检测模块用于检测用电负荷的实际电流，进而根据该实际电流对飞轮转速进行实时调整，从而保证当用电负荷较大时飞轮具备足够的能量供应，当用电负荷较小时飞轮可以在较低转速稳定运行，进而提高飞轮储能单元运行的可靠性和稳定性。
本发明实施例所提供的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。
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，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述方法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。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”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。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种飞轮转速控制电路，其特征在于，包括UPS电路、飞轮电池电路和电流检测模块；
所述UPS电路包括相互连接的整流器和逆变器；所述整流器的输入端与市电电网相连接；所述逆变器的输出端通过所述电流检测模块与用电负荷相连接；
所述飞轮电池电路包括与飞轮储能单元相连接的机侧变流器；所述机侧变流器分别与所述整流器的输出端和所述逆变器的输入端相连接；
所述电流检测模块的输出端还与所述机侧变流器相连接；
所述电流检测模块用于检测所述用电负荷的实际电流，所述机侧变流器用于根据所述用电负荷的实际电流调整飞轮的运行转速。
2.根据权利要求1所述的飞轮转速控制电路，其特征在于，所述电流检测模块包括电流传感器组件，所述电流传感器组件用于检测所述用电负荷的负荷电流。
3.根据权利要求2所述的飞轮转速控制电路，其特征在于，所述电流传感器组件包括第一霍尔电流传感器、第二霍尔电流传感器和第三霍尔电流传感器；
所述第一霍尔电流传感器，用于检测所述用电负荷的第一相负荷电流值；
所述第二霍尔电流传感器，用于检测所述用电负荷的第二相负荷电流值；
所述第三霍尔电流传感器，用于检测所述用电负荷的第三相负荷电流值。
4.根据权利要求3所述的飞轮转速控制电路，其特征在于，所述机侧变流器包括依次相连的有效值计算单元、平均值计算单元和转速控制单元；
所述有效值计算单元，用于根据所述第一相负荷电流值、所述第二相负荷电流值和所述第三相负荷电流值，计算对应的电流有效值；
所述平均值计算单元，用于根据所述电流有效值计算总电流有效值；
所述转速控制单元，用于根据预设飞轮参数和所述总电流有效值，计算飞轮在所述用电负荷下需要运行的最高转速，并控制所述飞轮的运行转速调整至所述最高转速。
5.根据权利要求4所述的飞轮转速控制电路，其特征在于，所述有效值计算单元还用于：
按照预设采样频率采集负荷电流值的预设样本数的样本电流值；
根据所述样本电流值通过下式计算对应的电流有效值：
Figure FDA0003548055590000021
其中，ni为第i个采样点的样本电流值，nmean为所述预设样本数的样本电流值的平均值，Im为负荷电流值对应的电流有效值，k为所述预设样本数。
6.根据权利要求5所述的飞轮转速控制电路，其特征在于，所述平均值计算单元还用于：
根据下式计算所述总电流有效值：
Figure FDA0003548055590000022
其中，Im1为所述第一相负荷电流值对应的电流有效值，Im2为所述第二相负荷电流值对应的电流有效值，Im3为所述第三相负荷电流值对应的电流有效值，IM为所述总电流有效值。
7.根据权利要求6所述的飞轮转速控制电路，其特征在于，所述转速控制单元还用于：
根据下式计算飞轮在所述用电负荷下需要运行的最高转速：
Figure FDA0003548055590000031
其中，NN为飞轮的额定转速，IN为飞轮的额定电流，Nr为飞轮在所述用电负荷下需要运行的最高转速。
8.根据权利要求7所述的飞轮转速控制电路，其特征在于，所述最高转速有预设转速上限值和转速下限值；
其中，
Figure FDA0003548055590000032
所述转速上限值为飞轮的额定转速，所述转速下限值为飞轮的额定转速的一半。
9.一种飞轮转速控制系统，其特征在于，包括UPS主机、飞轮电池系统和电流检测模块；
所述UPS主机包括至少一个UPS电路，所述UPS电路包括相互连接的整流器和逆变器；所述整流器的输入端与市电电网相连接；所述逆变器的输出端通过所述电流检测模块与用电负荷相连接；
所述飞轮电池系统包括彼此连接的飞轮储能单元和机侧变流器；所述机侧变流器分别与所述整流器的输出端和所述逆变器的输入端相连接；
所述电流检测模块的输出端还与所述机侧变流器相连接；
所述电流检测模块用于检测所述用电负荷的实际电流，所述机侧变流器用于根据所述用电负荷的实际电流调整飞轮的运行转速。
10.根据权利要求9所述的飞轮转速控制系统，其特征在于，所述电流检测模块为三组霍尔电流传感器，每组所述霍尔电流传感器串接于所述UPS主机和所述用电负荷之间。
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