CN115508659A - 一种飞轮储能系统对拖测试平台及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于配电供电设备相关领域，并公开了一种飞轮储能系统对拖测试平台，其包括直流开关柜、第一飞轮储能装置、第二飞轮储能装置、水冷系统和制动功率单元，其中直流开关柜的输入端用于与直流配电网相连，它的输出端经由制动功率单元分别连接至第一和第二飞轮储能装置；第一飞轮储能装置作为陪测机，用于周期性模拟直流配电网的电压波动状态，第二飞轮储能装置作为待测机，与第一飞轮储能装置组成对拖单元；水冷系统用于提供散热功能。本发明还公开了相应的测试方法。通过本发明，可有效解决一般直流侧接电网无法实现系统级测试的技术问题，显著降低了对供电电网的容量要求，能够更为全面准确、灵活可控地模拟现场工况的电压波动周期。

Description

一种飞轮储能系统对拖测试平台及方法

技术领域

本发明属于配电供电设备相关领域，更具体地，涉及一种飞轮储能系统对拖测试平台及方法。

背景技术

伴随着技术进步，飞轮储能技术逐渐应用于轨道交通行业，轨道交通地铁网电压波动频繁，对飞轮储能系统可靠性、耐久性、适应性带来很大考验。为此，通常需要对其开展各类性能测试，以确保能够有效满足再生能量的吸收运用。

然而，一方面，现有技术中的飞轮储能系统大功率型式试验必需配备大功率直压供电设备，一般型实验室往往无法满足其容量要求；另一方面，这类试验装置无法准确模拟现场工况，对飞轮储能系统的测试效果并不理想。

相应地，本领域亟需对此作出进一步的研究改进，以便更为便利、精确地执行整个飞轮储能系统性能测试过程，同时降低试验用电成本。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或需求，本发明的目的在于提供一种飞轮储能系统对拖测试平台及方法，其中通过对城市轨道交通网的运行方式及飞轮储能系统测试的自身需求充分进行分析，重新构建设计了能量自循环为特征的对拖式测试平台，同时对其工作模式进行改进，相应可有效解决一般直流侧接电网无法实现系统级测试的技术问题，显著降低了对供电电网的容量要求，能够更为全面准确、灵活可控地模拟现场工况的电压波动周期，同时具备结构紧凑、高效节能、便于操控和环境适应性好等优点。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种飞轮储能系统对拖测试平台，其特征在于，其包括直流开关柜、第一飞轮储能装置、第二飞轮储能装置、水冷系统和制动功率单元，其中：

该直流开关柜的输入端用于与直流配电网相连，它的输出端经由所述制动功率单元分别连接至所述第一飞轮储能装置和所述第二飞轮储能装置；

该第一飞轮储能装置作为陪测机，用于周期性模拟直流配电网的电压波动状态，该第二飞轮储能装置作为待测机，且与所述第一飞轮储能装置组成对拖单元；其中在所述第一飞轮储能装置降速过程中，会向直流配电网释放能量，当电网电压值达到第一阈值后，启动所述制动功率单元断开与直流配电网的连接，所述第二飞轮储能装置升速同时进行充电；而在所述第一飞轮储能装置降速过程中，当电网电压值达到第二阈值后，关闭所述制动功率单元向直流配电网吸能，所述第二飞轮储能装置降速同时进行放电；

该水冷系统用于同时为所述第一飞轮储能装置、所述第二飞轮储能装置提供散热。

作为进一步优选地，所述直流配电网为用于地铁轨道交通的直压1500VDC网。

作为进一步优选地，所述第一飞轮储能装置和所述第二飞轮储能装置的额定母线电压设定为1500V，它们的转速区间设定为0rpm～20000rpm。

作为进一步优选地，所述第一阈值的区间设定为1510V～1530V，所述第二阈值的区间设定为1470V～1490V。

作为进一步优选地，所述周期性模拟直流配电网的电压波动状态设定如下：所述第一飞轮储能装置从20000rpm降速到10000rpm，停机30s；接着从10000rpm升速至20000rpm，停机90s，由此构成一个周期。

作为进一步优选地，所述制动功率单元的工作区间设定为1540V～1550V。

作为进一步优选地，上述飞轮储能系统对拖测试平台还包括中央处理单元，其用于实现所述第一飞轮储能装置、所述第二飞轮储能装置、所述制动功率单元的远程自动控制。

按照本发明的另一方面，还提供了相应的测试方法，其特征在于，该方法依次包括预充电阶段和实际测试阶段，其中：

对于预充电阶段，其包括下列工作步骤：

S101、闭合所述直流开关柜，对所述第一飞轮储能装置和所述第二飞轮储能装置均建立额定母线电压，所述第一、第二飞轮储能装置完成上电及自检；

S102、根据测试要求，启动所述第一、第二飞轮储能装置，将其转速分别升至第一工作转速和第二工作转速，其中该第一工作转速大于该第二工作转速；

S103、待所述第一、第二飞轮储能装置均升至各自的工作转速后，将其分别保持为剁机状态，由此完成预充电阶段；

对于实际测试阶段，其包括以下工作步骤：

S104、在完成预充电之后，作为陪测机的所述第一飞轮储能装置开始周期性模拟直流配电网的电压波动状态，与此同时，作为待测机的所述第二飞轮储能装置实时检测直流配电网的电压波动状态；

S105、在所述第一飞轮储能装置从第一工作转速下降至第二工作转速的过程中，若检测到的电网电压值达到第一阈值，启动所述制动功率单元断开与直流配电网的连接，所述第二飞轮储能装置从第二工作转速上升至第一工作转速，同时进行充电；

而在所述第一飞轮储能装置从第二工作转速上升至第一工作转速的过程中，若检测到的电网电压值达到第二阈值，关闭所述制动功率单元，所述第二飞轮储能装置从第一工作转速下降至第二工作转速，同时进行放电；

S106、反复执行以上步骤S104～S105，直至完成整个的实际测试过程。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下技术优点：

（1）本发明充分结合城市轨道交通网的运行方式及飞轮储能系统测试的自身需求进行了分析，通过将两套飞轮储能装置组合成对拖式单元，其中一套用于模拟配电网电压波动现象，另一套通过实时检测电网电压进行充放电控制，并且在这两套飞轮储能装置之间实现能量自循环，由此能够自由灵活、便于操控的方式实现整个系统级测试过程；

（2）本发明的对拖测试平台无需配置大功率直压供电设备，能够在现有实验供电设备不满足相关条件时仍可投入使用，满足在满功率充电或放电下测试其产品相关性能实验的需求；此外它在整个测试过程中仅消耗两套飞轮储能装置自身运行的基础能量，在完成设备性能测试的同时可节省大量的电能；

（3）本发明的对拖测试平台整体结构紧凑、高效节能、环境适应性好，并且能够根据具体工况需求更为全面、准确地模拟现场工况的电压波动周期，因而尤其适用于轨道交通地铁网之类的应用场合。

附图说明

图1是用于示范性说明本发明的飞轮储能系统对拖测试平台的整个构造示意图。

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。

图1是用于示范性说明本发明的飞轮储能系统对拖测试平台的整个构造示意图。如图1所示，该飞轮储能系统对拖测试平台主要包括直流开关柜、第一飞轮储能装置、第二飞轮储能装置、水冷系统和制动功率单元等组件，下面将逐一进行具体解释说明。

对于直流开关柜而言，它的输入端用于与直流配电网相连，它的输出端经由所述制动功率单元分别连接至所述第一飞轮储能装置和所述第二飞轮储能装置。

更具体地，它譬如可设置有三个可控开关，分别为K1、K2和K3。

作为本发明的关键组成元件，本发明的测试平台中包含有两套飞轮储能装置，其中该第一飞轮储能装置作为陪测机，用于周期性模拟直流配电网的电压波动状态，该第二飞轮储能装置作为待测机，且与所述第一飞轮储能装置组成对拖单元；其中在所述第一飞轮储能装置降速过程中，会向直流配电网释放能量，当电网电压值达到第一阈值后，启动所述制动功率单元断开与直流配电网的连接，所述第二飞轮储能装置升速同时进行充电；而在所述第一飞轮储能装置降速过程中，当电网电压值达到第二阈值后，关闭所述制动功率单元向直流配电网吸能，所述第二飞轮储能装置降速同时进行放电。

更具体地，各套飞轮储能装置各自譬如包含有飞轮变流器和飞轮，并可配套有相应的飞流变流器控制和飞轮控制器，同时分别连接有人机接口HMI。

对于水冷系统而言，其用于同时为所述第一飞轮储能装置、所述第二飞轮储能装置提供散热。

下面将具体解释说明按照本发明的飞轮储能系统测试工作原理。

首先是预充电阶段，该阶段包括下列工作步骤：

S101、闭合所述直流开关柜，对所述第一飞轮储能装置和所述第二飞轮储能装置均建立额定母线电压，所述第一、第二飞轮储能装置完成上电及自检；

S102、根据测试要求，启动所述第一、第二飞轮储能装置，将其转速分别升至第一工作转速和第二工作转速，其中该第一工作转速大于该第二工作转速；

S103、待所述第一、第二飞轮储能装置均升至各自的工作转速后，将其分别保持为剁机状态，由此完成预充电阶段。

更具体地，以下给出了预充电阶段的一个具体实施例。

闭合直流开关柜K1、K2、K3，此时两套飞轮储能装置直压侧均有1500V额定母线电压；

飞轮储能装置额定母线电压建立后，飞轮变流器控制器以及飞轮控制器通过开关电源直压侧取电，并已完成上电自检，通过HMI人机交互界面提示无异常；

譬如可通过两套飞轮装置HMI人机交互界面下发预充电命令，此时两套飞轮储能装置按照系统默认方式，飞轮储能装置待测机由0rpm升至10000rpm，飞轮储能装置陪测机由0rpm升至20000rpm；

两套飞轮装置按命令要求升至各自转速后，控制器下发封脉命令，保持为剁转模式，此期间如果不下发其它指令，飞轮转速会由于自损耗原因，转速逐步下降，若待测机下降至9500转或陪测机下降至19500转时，控制器通过回传转速数据，继续开脉运行，保持转速在10000转或20000转运行。

接着，是实际测试阶段，该阶段包括下列工作步骤：

S104、在完成预充电之后，作为陪测机的所述第一飞轮储能装置开始周期性模拟直流配电网的电压波动状态，与此同时，作为待测机的所述第二飞轮储能装置实时检测直流配电网的电压波动状态；

S105、在所述第一飞轮储能装置从第一工作转速下降至第二工作转速的过程中，若检测到的电网电压值达到第一阈值，启动所述制动功率单元断开与直流配电网的连接，所述第二飞轮储能装置从第二工作转速上升至第一工作转速，同时进行充电；

而在所述第一飞轮储能装置从第二工作转速上升至第一工作转速的过程中，若检测到的电网电压值达到第二阈值，关闭所述制动功率单元，所述第二飞轮储能装置从第一工作转速下降至第二工作转速，同时进行放电；

S106、反复执行以上步骤S104～S105，直至完成整个的实际测试过程。

更具体地，以下给出了实际测试阶段的一个具体实施例。

两套飞轮储能装置在预充电完成后，譬如可通过飞轮储能装置待测机HMI人机交互界面下发自动运行模式，此时待测机处于待机状态，需说明的是，待测机通过检测电网直压进行充放电，充电开始阈值为1530V，充电停止阈值为1510V，放电开始阈值为1470V，放电停止阈值为1490V；

在待测机处于待机模式后，通过飞轮储能装置陪测机HMI人机交互界面下发自动运行模式，飞轮能陪测机以20000rpm降速到10000rpm后，停机30s，在以10000rpm升至20000rpm，停机90s,为一个周期进行周期运行，陪测机降速会往电网释放能量、升速会从电网吸收能量，此时待测机检测到电网电压波动，根据电网电压值进行充放电控制；

在两套飞轮储能装置能量倒换过程中，理论上两套装置能量消耗是一样的，但由于飞轮自身损耗，以及电力电子开关器件参数本身差异性，两套装置系统效率不一致，从而带来功率不匹配现象，例陪测机从20000rpm降至11000rpm时，待测机从10000rpm升至20000rpm，此时陪测机会按默认转速继续下降至10000rpm；

由于陪测机继续释放能量，而待测机已完成充电，多余能量势必会将电网电压升高，为保证不将电网电压抬高，影响电网安全，此时会投入制动功率单元模块泄放能量，需说明的是，制动单元通过母线电压检测投入制动进行吸收，放电电压阈值为1550V，放电停止电压阈值为1540V；

同理，待测机从20000rpm降至10000rpm时，陪测机从10000rpm升至19000rpm，此时陪测机会从电网吸收能量继续升至20000rpm。

综上，按照本发明的飞轮储能系统对拖测试平台及方法可有效解决一般直流侧接电网无法实现系统级测试的技术问题，显著降低了对供电电网的容量要求，能够更为全面准确、灵活可控地模拟现场工况的电压波动周期，同时具备结构紧凑、高效节能、便于操控和环境适应性好等优点，因而具备广阔的应用前景。

本领域的技术人员容易理解，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)

1.一种飞轮储能系统对拖测试平台，其特征在于，其包括直流开关柜、第一飞轮储能装置、第二飞轮储能装置、水冷系统和制动功率单元，其中：

该直流开关柜的输入端用于与直流配电网相连，它的输出端经由所述制动功率单元分别连接至所述第一飞轮储能装置和所述第二飞轮储能装置；

该第一飞轮储能装置作为陪测机，用于周期性模拟直流配电网的电压波动状态，该第二飞轮储能装置作为待测机，且与所述第一飞轮储能装置组成对拖单元；其中在所述第一飞轮储能装置降速过程中，会向直流配电网释放能量，当电网电压值达到第一阈值后，启动所述制动功率单元断开与直流配电网的连接，所述第二飞轮储能装置升速同时进行充电；而在所述第一飞轮储能装置降速过程中，当电网电压值达到第二阈值后，关闭所述制动功率单元向直流配电网吸能，所述第二飞轮储能装置降速同时进行放电；

该水冷系统用于同时为所述第一飞轮储能装置、所述第二飞轮储能装置提供散热。

2.如权利要求1所述的一种飞轮储能系统对拖测试平台，其特征在于，所述直流配电网为用于地铁轨道交通的直压1500VDC网。

3.如权利要求1或2所述的一种飞轮储能系统对拖测试平台，其特征在于，所述第一飞轮储能装置和所述第二飞轮储能装置的额定母线电压设定为1500V，它们的转速区间设定为0rpm～20000rpm。

4.如权利要求3所述的一种飞轮储能系统对拖测试平台，其特征在于，所述第一阈值的区间设定为1510V～1530V，所述第二阈值的区间设定为1470V～1490V。

5.在如权利要求4所述的一种飞轮储能系统对拖测试平台，其特征在于，所述周期性模拟直流配电网的电压波动状态设定如下：所述第一飞轮储能装置从20000rpm降速到10000rpm，停机30s；接着从10000rpm升速至20000rpm，停机90s，由此构成一个周期。

6.如权利要求1或2所述的一种飞轮储能系统对拖测试平台，其特征在于，该飞轮储能系统对拖测试平台还包括中央处理单元，其用于实现所述第一飞轮储能装置、所述第二飞轮储能装置、所述制动功率单元的远程自动控制。

7.一种采用如权利要求1-6任意一项所述的平台执行飞轮储能系统测试的方法，其特征在于，该方法依次包括预充电阶段和实际测试阶段，其中：

对于预充电阶段，其包括下列工作步骤：

S101、闭合所述直流开关柜，对所述第一飞轮储能装置和所述第二飞轮储能装置均建立额定母线电压，所述第一、第二飞轮储能装置完成上电及自检；

S102、根据测试要求，启动所述第一、第二飞轮储能装置，将其转速分别升至第一工作转速和第二工作转速，其中该第一工作转速大于该第二工作转速；

S103、待所述第一、第二飞轮储能装置均升至各自的工作转速后，将其分别保持为剁机状态，由此完成预充电阶段；

对于实际测试阶段，其包括以下工作步骤：

S104、在完成预充电之后，作为陪测机的所述第一飞轮储能装置开始周期性模拟直流配电网的电压波动状态，与此同时，作为待测机的所述第二飞轮储能装置实时检测直流配电网的电压波动状态；

S105、在所述第一飞轮储能装置从第一工作转速下降至第二工作转速的过程中，若检测到的电网电压值达到第一阈值，启动所述制动功率单元断开与直流配电网的连接，所述第二飞轮储能装置从第二工作转速上升至第一工作转速，同时进行充电；

在所述第一飞轮储能装置从第二工作转速上升至第一工作转速的过程中，若检测到的电网电压值达到第二阈值，关闭所述制动功率单元，所述第二飞轮储能装置从第一工作转速下降至第二工作转速，同时进行放电；

S106、反复执行以上步骤S104～S105，直至完成整个的实际测试过程。

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