CN115603304B - 基于飞轮储能的发电机脉冲电源系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于飞轮储能的发电机脉冲电源系统及其控制方法，该系统包括：发动机、发电机、整流器、飞轮储能单元和电流控制器，电流控制器将整流器和飞轮储能单元输出的直流电转换成脉冲电流，以向负载供电，并获取负载的运行参数和飞轮储能单元放电时的功率系数，根据负载的运行参数和飞轮储能单元放电时的功率系数来控制发动机和飞轮储能单元的运行功率。本发明通过飞轮储能单元和发动机共同为负载提供功率，保证功率响应足够快，使负载的输出边沿更加陡峭，提高输出性能，由于飞轮储能单元承担了一部分功率输出，从而可以降低系统对发动机功率的需求，进而节省发动机的投入成本，采用电气连接可延长发动机使用寿命，提高系统安全性。

Description

基于飞轮储能的发电机脉冲电源系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及发动机脉冲电源技术领域，尤其是涉及一种基于飞轮储能的发电机脉冲电源系统及其控制方法。

背景技术

传统的发动机脉冲电源大多仅由发动机单独供能，或者采用机械飞轮辅助发动机供能。由于发动机功率响应慢，发动机单独供能时，发动机功率输出无法快速响应负载的变化，导致负载电流边沿变化较慢，为了提升发动机功率输出性能指标，往往会把发动机功率配置的很大，造成了发动机功率输出浪费，并且，单纯的使用发动机供能，对发动机功率需求大，会造成发动机成本投入高。

另一方面，采用机械飞轮进行辅助供能的发动机脉冲电源，是将一个大的飞轮直接安装在发动机的输出轴上，利用机械飞轮的惯性进行辅助供能，由于发动机输出转速低，这个飞轮通常比较大，导致能量效率不高，并且会造成发动机磨损，大大缩短了发动机的寿命，使得系统的安全性较低。并且，目前缺乏合适的相关技术对发动机功率和飞轮功率进行系统分析和计算，导致系统对发动机功率和机械飞轮功率需求不明确，在设计时，会导致功率不够或者功率选型浪费的问题。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中发动机脉冲电源由发动机单独供能时，发动机功率输出无法快速响应负载的变化，导致负载电流边沿变化较慢，以及对发动机功率需求大，会造成发动机成本投入高，以及采用机械飞轮和发动机共同功能时会造成发动机磨损，缩短了发动机的寿命，使得系统的安全性较低的技术问题。

为此，本发明的一个目的在于提出一种基于飞轮储能的发电机脉冲电源系统，通过飞轮储能单元和发动机共同为负载提供功率，保证功率响应足够快，使负载的输出边沿更加陡峭，提高系统的输出性能，由于飞轮储能单元承担了一部分功率输出，从而可以降低系统对发动机功率的需求，进而节省发动机的投入成本，采用电气连接可延长发动机使用寿命，提高系统安全性。

为此，本发明的第二个目的在于提出一种基于飞轮储能的发电机脉冲电源系统的控制方法。

为了解决上述问题，本发明第一方面实施例提出一种基于飞轮储能的发电机脉冲电源系统，包括：发动机、发电机、整流器、飞轮储能单元和电流控制器，其中，所述发动机用于驱动所述发电机运行，使所述发电机输出交流电；所述整流器用于将所述发电机输出的交流电转化为直流电；所述飞轮储能单元的直流端通过所述整流器和所述发电机电气连接至所述发动机，并通过直流母线连接至所述电流控制器，以在所述电流控制器的控制下充电或放电，并在放电时，通过所述直流母线输出直流电，以及在充电时，吸收所述整流器输出的直流电；所述电流控制器的输出端连接负载，所述电流控制器用于：将所述整流器和所述飞轮储能单元输出的直流电转换成脉冲电流，以向负载供电，并获取所述负载的运行参数和所述飞轮储能单元放电时的功率系数，根据所述负载的运行参数和所述飞轮储能单元放电时的功率系数来控制所述发动机和所述飞轮储能单元的运行功率。

根据本发明实施例的基于飞轮储能的发电机脉冲电源系统，通过飞轮储能单元和发动机共同为负载提供功率，利用飞轮储能高功率密度的特点，有效弥补了发动机动力响应慢的不足，保证功率响应足够快，使负载的输出边沿更加陡峭，能够有效提高系统的输出性能，由于飞轮储能单元承担了一部分功率输出，从而可以降低系统对发动机功率的需求，从而节省发动机的投入成本，并且，飞轮储能单元和发动机之间不存在机械连接，而是采用纯电气连接，从而可有效避免发动机的磨损，延长发动机使用寿命，提高系统安全性。

另外，根据本发明上述实施例的基于飞轮储能的发电机脉冲电源系统还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，所述负载的运行参数包括所述负载运行时的最大脉冲功率，所述电流控制器具体用于：根据所述负载运行时的最大脉冲功率确定所述发动机的目标功率，根据所述负载运行时的最大脉冲功率和所述飞轮储能单元放电时的功率系数确定所述飞轮储能单元的目标功率，并根据所述发动机的目标功率控制所述发动机运行，以及根据所述飞轮储能单元的目标功率控制所述飞轮储能单元充电或放电。

进一步地，所述电流控制器通过下述方法获取所述飞轮储能单元放电时的功率系数：

，

其中，α为所述飞轮储能单元放电时的功率系数，T_E为所述发动机的功率从满载下降到空载时所需的时间或者所述发动机的功率从空载上升到满载时所需的时间，T为所述负载的脉冲功率处于上升阶段或下降阶段的时间。

进一步地，所述电流控制器控制所述飞轮储能单元和所述发动机运行的每个周期包括第一至第七阶段，其中，在第一阶段，所述负载的脉冲功率处于上升阶段，所述发动机的功率按照预设功率变化量线性增加，所述飞轮储能单元以最大放电功率运行，当所述负载的脉冲功率达到最大时，满足如下算式：

，

其中，P_FDC为所述飞轮储能单元的最大放电功率，P_E为所述发动机的目标功率，P_M为所述负载的最大脉冲功率。

进一步地，在第二阶段，所述发动机的功率持续上升，所述飞轮储能单元的功率线性下降，以使得所述发动机的功率与所述飞轮储能单元的功率之和等于所述负载的脉冲功率。

进一步地，在第三阶段，所述负载的脉冲功率、所述发动机的功率达到稳定状态，并满足：

。

进一步地，在第四阶段，所述负载的脉冲功率下降，所述发动机的功率按照所述预设功率变化量线性下降，所述飞轮储能单元以最大充电功率充电，并满足：

，

其中，P_FC为所述飞轮储能单元的最大充电功率。

进一步地，在第五阶段，所述发动机的功率按照所述预设功率变化量线性下降，所述飞轮储能单元的充电功率按照所述预设功率变化量线性下降，当所述飞轮储能单元的充电功率下降到βP_FC时，所述发动机的功率和飞轮储能单元的充电功率保持平稳，其中，β为飞轮储能单元充电时的功率系数。

进一步地，在第六阶段，所述发动机按照βP_FC的功率给所述飞轮储能单元充电。

进一步地，在所述第七阶段，所述发动机的功率和所述飞轮储能单元的功率线性下降至零。

为解决上述问题，本发明第二方面实施例提供一种基于飞轮储能的发电机脉冲电源系统的控制方法，包括以下步骤：将整流器和飞轮储能单元输出的直流电转换成脉冲电流，以向负载供电；获取负载的运行参数和飞轮储能单元放电时的功率系数；根据所述负载的运行参数和所述飞轮储能单元放电时的功率系数来控制所述发动机和所述飞轮储能单元的运行功率。

根据本发明实施例的基于飞轮储能的发电机脉冲电源系统的控制方法，控制飞轮储能单元和发动机共同为负载提供功率，利用飞轮储能高功率密度的特点，有效弥补了发动机动力响应慢的不足，保证功率响应足够快，使负载的输出边沿更加陡峭，能够有效提高系统的输出性能，由于飞轮储能单元承担了一部分功率输出，从而可以降低系统对发动机功率的需求，从而节省发动机的投入成本，并且，飞轮储能单元和发动机之间不存在机械连接，而是采用纯电气连接，从而可有效避免发动机的磨损，延长发动机使用寿命，提高系统安全性。该方法基于飞轮储能充放电能量守恒原理和飞轮功率输出优先的控制机制，对发动机功率和飞轮储能功率进行分析和计算，使得发动机功率和飞轮储能功率需求明确，避免在设计时因发动机功率和飞轮储能功率需求不明确，导致功率不够或者功率选型浪费的问题。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的基于飞轮储能的发电机脉冲电源系统的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的负载脉冲功率-发动机功率-飞轮储能单元功率-时间曲线示意图；

图3是根据本发明一个基于飞轮储能的发电机脉冲电源系统的控制方法的流程图。

附图标记：

发动机110、发电机120、整流器130、飞轮储能单元140和电流控制器150。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，参考附图描述的实施例是示例性的，下面详细描述本发明的实施例。

下面参考图1-图3描述根据本发明实施例的基于飞轮储能的发电机脉冲电源系统及其控制方法。

首先参照图1描述本发明实施例的基于飞轮储能的发电机脉冲电源系统。图1展示了本发明实施例的基于飞轮储能的发电机脉冲电源系统的结构示意，如图1所示，该基于飞轮储能的发电机脉冲电源系统包括：发动机110、发电机120、整流器130、飞轮储能单元140和电流控制器150。

具体的，发动机110用于驱动发电机120运行，使发电机120输出交流电。即，发动机110在启动后运转，带动发电机120运行，发电机120运行时产生电能，并输出交流电。

整流器130用于将发电机120输出的交流电转化为直流电，并通过直流母线输出该直流电。

飞轮储能单元140的直流端通过整流器130和发电机120电气连接至发动机110，并通过直流母线连接至电流控制器150，以在电流控制器150的控制下充电或放电，飞轮储能单元140在放电时，通过直流母线输出直流电，飞轮储能单元140在充电时，吸收整流器130输出的直流电。具体而言，飞轮储能单元140可通过其直流端挂接在直流母线上，在飞轮储能单元140放电时，释放的电能可通过直流母线输出至电流控制器150，电流控制器150对飞轮储能单元140输出的直流功率进行调节，以向负载供电，飞轮储能单元140的直流端通过整流器130和发电机120连接至发动机110，飞轮储能单元140可以吸收发动机110驱动发电机120后经整流器130整流后输出的电能来进行充电，进而，电流控制器150可通过飞轮储能单元140的充放电来调整输出给负载的脉冲电流的大小，从而，通过飞轮储能单元140实现辅助供能。并且，飞轮储能单元140和发动机110之间是通过电气连接，可避免机械连接对发动机110带来的磨损，进而可有效延长发动机110使用寿命，提高系统安全性。

电流控制器150的输出端连接负载，电流控制器150被配置为：将整流器130和飞轮储能单元140输出的直流电转换成脉冲电流，以向负载供电，并获取负载的运行参数和飞轮储能单元140放电时的功率系数，根据负载的运行参数和飞轮储能单元140放电时的功率系数来控制发动机110和飞轮储能单元140的运行功率。

从而，上述的基于飞轮储能的发电机脉冲电源系统，通过飞轮储能单元140和发动机110共同为负载提供功率，利用飞轮储能高功率密度的特点，有效弥补了发动机110动力响应慢的不足，保证功率响应足够快，使负载的输出边沿更加陡峭，能够有效提高系统的输出性能，由于飞轮储能单元140承担了一部分功率输出，从而可以降低系统对发动机110功率的需求，从而节省发动机110的投入成本，并且，飞轮储能单元140和发动机110之间不存在机械连接，而是采用纯电气连接，从而可有效避免发动机110的磨损，延长发动机110使用寿命，提高系统安全性。

在本发明的一个实施例中，负载的运行参数包括负载运行时的最大脉冲功率，电流控制器150具体用于：根据负载运行时的最大脉冲功率确定发动机110的目标功率，根据负载运行时的最大脉冲功率和飞轮储能单元140放电时的功率系数确定飞轮储能单元140的目标功率，并根据发动机110的目标功率控制发动机110运行，以及根据飞轮储能单元140的目标功率控制飞轮储能单元140充电或放电。

具体而言，即电流控制器150获取负载运行时的最大脉冲功率和飞轮储能单元140放电时的功率系数，根据负载运行时的最大脉冲功率确定发动机110的目标功率，根据负载运行时的最大脉冲功率和飞轮储能单元140放电时的功率系数确定飞轮储能单元140的目标功率，并根据发动机110的目标功率控制发动机110运行，以及根据飞轮储能单元140的目标功率控制飞轮储能单元140充电或放电。从而，电流控制器150可根据负载大小及时调整系统输出电流的大小，具体可通过控制发动机110和飞轮储能单元140的运行功率的大小，可以按需控制飞轮储能单元140充电或放电，使发电机110和飞轮储能单元140按照各自对应的目标功率运行，进而满足负载需求。

在本发明的实施例中，电流控制器150根据所述负载运行时的最大脉冲功率确定所述发动机110的目标功率，包括：

，

其中，P_E为发动机110的目标功率；P_M为负载运行时的最大脉冲功率，其为已知量。即，发动机110的目标功率为负载运行时的最大脉冲功率的一半。

在本发明的实施例中，电流控制器150根据所述负载运行时的最大脉冲功率和所述飞轮储能单元140放电时的功率系数确定所述飞轮储能单元140的目标功率，包括：

，

其中，P_F为飞轮储能单元140的目标功率；P_M为负载运行时的最大脉冲功率，其为已知量；α为飞轮储能单元140放电时的功率系数。

进而，在已知负载运行时的最大脉冲功率P_M的情况下，就可以依据上述2个公式来分别计算和配置发动机110和飞轮储能单元140的功率，即得到发动机110的目标功率和飞轮储能单元140的目标功率，使得发动机110的目标功率只有负载运行时的最大脉冲功率的一半，从而大大降低了系统对发动机110功率的需求，可以有效节省发动机110的投入成本。并且，本发明实施例基于飞轮储能充放电能量守恒原理和飞轮功率输出优先的控制机制，对发动机110功率和飞轮储能功率进行分析和计算，使得发动机110功率和飞轮储能功率需求明确，避免在设计时因发动机110功率和飞轮储能功率需求不明确，导致功率不够或者功率选型浪费的问题。

在本发明的一个实施例中，电流控制器150通过下述方法获取飞轮储能单元140放电时的功率系数：

，

其中，α为飞轮储能单元140放电时的功率系数，T_E为发动机110的功率从满载下降到空载时所需的时间或者发动机110的功率从空载上升到满载时所需的时间，T为负载的脉冲功率处于上升阶段或下降阶段的时间。

进而，可通过下式来计算飞轮储能单元140的目标功率P_F：

，

其中，P_F为飞轮储能单元140的目标功率；P_M为负载运行时的最大脉冲功率，其为已知量；α为飞轮储能单元140放电时的功率系数；T_E为发动机110的功率从满载下降到空载时所需的时间或者发动机110的功率从空载上升到满载时所需的时间，也即发动机110的功率从100%下降到0时所需的时间或者发动机110的功率从0上升到100%负载所需的时间；T为负载的脉冲功率处于上升阶段或下降阶段的时间。在具体实施例中，T_E被配置为大于4秒。

在本发明的一个实施例中，结合图2所示，电流控制器150控制飞轮储能单元140和发动机110运行的每个周期包括第一阶段至第七阶段，其中，第一阶段为负载的脉冲功率上升的阶段，即负载的脉冲功率处于上升阶段，第四阶段为负载的脉冲功率下升的阶段，即负载的脉冲功率处于下降阶段。

在图2中，示出的相关参数的具体含义解释如下：T为负载的脉冲功率上升或下降的时间；T_S为负载的脉冲功率持续时间或负载的脉冲功率关断时间；P_M为负载运行时的最大脉冲功率；P_E为发动机110的目标功率；P_FDC为飞轮储能单元140的最大放电功率；αP_FDC为飞轮储能单元140的持续放电功率；P_FC为飞轮储能单元140的最大充电功率，βP_FC为飞轮储能单元140的持续充电功率。在具体实施例中，飞轮储能单元140的功率变化时间常数约为20ms，对于发动机110和负载脉冲来说，可以忽略不计，认为飞轮储能单元140的功率可以突变。

具体的，结合图2所示，在第一阶段，电流控制器150具体用于：控制负载的脉冲功率处于上升阶段，控制发动机110的功率按照预设功率变化量线性增加，控制飞轮储能单元140以最大放电功率运行，以输出电能，以使负载的脉冲功率达到最大时，满足如下算式：

，（1）

其中，P_FDC为飞轮储能单元140的最大放电功率，P_E为发动机110的目标功率，P_M为负载的最大脉冲功率。

具体而言，即在如图2所示的第一阶段中，负载的脉冲功率上升，发动机110的功率按照预设功率变化量V_E线性增加，飞轮储能单元140以最大放电功率P_FDC输出，当负载的脉冲功率达到最大时，负载的最大脉冲功率和发动机110的目标功率相差最大，此时满足不等式：

，

其中，P_FDC为飞轮储能单元140的额定最大功率，P_E为发动机110的目标功率，P_M为负载的最大脉冲功率。

在本发明的一个实施例中，在第二阶段，电流控制器150具体用于：控制发动机110的功率持续上升，控制飞轮储能单元140的功率线性下降，以使得发动机110的功率与飞轮储能单元140的功率之和等于负载的脉冲功率。

换言之，即在如图2所示的第二阶段中，发动机110的功率持续线性上升，飞轮储能单元140的功率线性下降，此过程使得发动机110的功率加上飞轮储能单元140的功率等于负载的脉冲功率。

在本发明的一个实施例中，在所述第三阶段，所述电流控制器150具体用于：控制所述负载的脉冲功率、所述发动机110的功率达到稳定状态，并满足：

。（2）

具体而言，即在如图2所示的第三阶段中，负载的脉冲功率和发动机110的功率都达到了稳态，此时满足：

，其中，α为所述飞轮储能单元140放电时的功率系数，P_FDC为所述飞轮储能单元140的最大放电功率，P_E为所述发动机110的目标功率，P_M为所述负载的最大脉冲功率。

在本发明的一个实施例中，在第四阶段，电流控制器150具体用于：控制负载的脉冲功率下降，控制发动机110的功率按照预设功率变化量线性下降，控制飞轮储能单元140以最大充电功率充电，并满足：

，（3）

其中，P_FC为飞轮储能单元140的最大充电功率。

具体而言，结合图2所示，在其中的第四阶段，负载的脉冲功率下降，发动机110的功率按照预设功率变化量V_E线性下降，飞轮储能单元140的输出功率反向以执行充电过程，并以最大充电功率进行充电，此时满足：

，其中，P_E为所述发动机110的目标功率，T_E为所述发动机110的功率从满载下降到空载时所需的时间或者所述发动机110的功率从空载上升到满载时所需的时间，T为所述负载的脉冲功率处于上升阶段或下降阶段的时间。

在本发明的一个实施例中，在第五阶段，电流控制器150具体用于：控制发动机110的功率按照预设功率变化量线性下降，控制飞轮储能单元140的充电功率按照预设功率变化量线性下降，当飞轮储能单元140的充电功率下降到βP_FC时，发动机110的功率和飞轮储能单元140的充电功率保持平稳，其中，β为飞轮储能单元140充电时的功率系数。

具体而言，结合图2所示，在第五阶段中，发动机110的功率按预设功率变化量V_E继续线性下降，飞轮储能单元140的充电功率以同样速率线性下降，当飞轮储能单元140的充电功率下降到βP_FC时，发动机110的功率和飞轮储能单元140的充电功率保持平稳。其中，β为飞轮储能单元140充电时的功率系数，P_FC为飞轮储能单元140的最大充电功率。

在本发明的一个实施例中，在第六阶段，电流控制器150具体用于：控制发动机110按照βP_FC的功率给飞轮储能单元140充电。

具体而言，结合图2所示，在第六阶段中，发动机110以βP_FC的功率稳定地给飞轮储能单元140充电，并满足：

，（4）

其中，P_E为所述发动机110的目标功率，β为飞轮储能单元140充电时的功率系数，P_FDC为所述飞轮储能单元140的最大放电功率。

在本发明的一个实施例中，在第七阶段，电流控制器150具体用于：控制发动机110的功率和飞轮储能单元140的功率线性下降至零。即，在图2所示的第七阶段中，发动机110的功率和飞轮储能单元140的功率都线性减小，直到二者的功率均降为0。

基于飞轮储能充放电能量守恒原理，可以理解的是，在如图2所示的整个运行周期内，飞轮储能单元140的放电能量等于飞轮储能单元140的充电能量，并且充电能量和放电能量都在飞轮储能单元140的可用SOC（State Of Charge，荷电状态）范围内，据此可得以下计算式（5）：

（5）

其中，T₀为飞轮储能单元140的停止时间，即飞轮储能单元140不工作的空闲时间，T₀=2T；η为飞轮储能单元140的可用能量比率；T_M为飞轮储能单元140以最大功率放电的时间。

在具体实施例中，为了便于简单控制，设定：P_FDC=P_FC=P_F，且α=β，并分别带入式（1）至式（5）可得：

，（6）

，（7）

，（8）

，（9）

，（10）

进一步由式（7）至式（10）可得：

，根据该式设定边界条件为：

。

由T₀=2T及式（10）可得：

，

基于设定的边界条件

，将其带入式（7）至式（10）可得：

，（11）

。（12）

进而，基于上述式（11）和式（12），在已知负载运行时的最大脉冲功率P_M的情况下，就可以依据上述式（11）和式（12）来分别计算和配置发动机110和飞轮储能单元140的功率，即得到发动机110的目标功率P_E和飞轮储能单元140的目标功率P_F，使得发动机110的目标功率P_F只有负载运行时的最大脉冲功率P_M的一半，从而大大降低了系统对发动机110功率的需求，可以有效节省发动机110的投入成本。

综上所述，本发明的实施例采用飞轮储能单元140和发动机110共同为负载提供功率，保证负载功率响应足够快，利用飞轮储能高功率密度的技术特点，有效弥补了发动机110动力响应慢的不足，采用飞轮储能充放电能量守恒原理和飞轮功率输出优先的控制算法，在负载脉冲电流上升沿控制飞轮储能单元140迅速释放能量；在脉冲电流下降沿控制飞轮储能单元140迅速吸收能量，从而使脉冲电流源的输出边沿更加陡峭，输出性能大大提升。另一方面，由于飞轮储能单元140承担了一部分功率输出，可以大大减小系统对发动机110功率的需求，从而节省发动机110投入成本，延长发动机110使用寿命。

根据本发明实施例的基于飞轮储能的发电机120脉冲电源系统，通过飞轮储能单元140和发动机110共同为负载提供功率，利用飞轮储能高功率密度的特点，有效弥补了发动机110动力响应慢的不足，保证功率响应足够快，使负载的输出边沿更加陡峭，能够有效提高系统的输出性能，由于飞轮储能单元140承担了一部分功率输出，从而可以降低系统对发动机110功率的需求，从而节省发动机110的投入成本，并且，飞轮储能单元140和发动机110之间不存在机械连接，而是采用纯电气连接，从而可有效避免发动机110的磨损，延长发动机110使用寿命，提高系统安全性。并且，该系统基于飞轮储能充放电能量守恒原理和飞轮功率输出优先的控制机制，对发动机110功率和飞轮储能功率进行分析和计算，使得发动机110功率和飞轮储能功率需求明确，避免在设计时因发动机110功率和飞轮储能功率需求不明确，导致功率不够或者功率选型浪费的问题。

本发明的进一步实施例还提出了一种基于飞轮储能的发电机脉冲电源系统的控制方法。其中，涉及的所述基于飞轮储能的发电机脉冲电源系统例如为本发明上述任意一个实施例所描述的基于飞轮储能的发电机脉冲电源系统，因而，关于该基于飞轮储能的发电机脉冲电源系统的详细描述请参见前文中的相关描述部分，此处不再赘述。

图3是根据本发明一个实施例的基于飞轮储能的发电机脉冲电源系统的控制方法的流程图。如图3所示，该基于飞轮储能的发电机脉冲电源系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤S1：将整流器和飞轮储能单元输出的直流电转换成脉冲电流，以向负载供电。

步骤S2：获取负载的运行参数和飞轮储能单元放电时的功率系数

步骤S3：根据负载的运行参数和飞轮储能单元放电时的功率系数来控制发动机和飞轮储能单元的运行功率。

在本发明的一个实施例中，负载的运行参数包括负载运行时的最大脉冲功率，步骤S3中，根据负载的运行参数和飞轮储能单元放电时的功率系数来控制发动机和飞轮储能单元的运行功率，包括：根据负载运行时的最大脉冲功率确定发动机的目标功率，根据负载运行时的最大脉冲功率和飞轮储能单元放电时的功率系数确定飞轮储能单元的目标功率，并根据发动机的目标功率控制发动机运行，以及根据飞轮储能单元的目标功率控制飞轮储能单元充电或放电。

具体的，根据所述负载运行时的最大脉冲功率确定所述发动机的目标功率，包括：

，

其中，P_E为发动机的目标功率；P_M为负载运行时的最大脉冲功率，其为已知量。即，发动机的目标功率为负载运行时的最大脉冲功率的一半。

根据负载运行时的最大脉冲功率和飞轮储能单元放电时的功率系数确定飞轮储能单元的目标功率，包括：

，

其中，P_F为发动机的目标功率；P_M为负载运行时的最大脉冲功率，其为已知量。α为飞轮储能单元放电时的功率系数。

在本发明的一个实施例中，通过下述方法获取飞轮储能单元放电时的功率系数：

，

其中，α为飞轮储能单元放电时的功率系数，T_E为发动机的功率从满载下降到空载时所需的时间或者发动机的功率从空载上升到满载时所需的时间，T为负载的脉冲功率处于上升阶段或下降阶段的时间。

进而，可通过下式来计算飞轮储能单元的目标功率P_F：

，

其中，P_F为飞轮储能单元的目标功率；P_M为负载运行时的最大脉冲功率，其为已知量；α为飞轮储能单元放电时的功率系数；T_E为发动机的功率从满载下降到空载时所需的时间或者发动机的功率从空载上升到满载时所需的时间，也即发动机的功率从100%下降到0时所需的时间或者发动机的功率从0上升到100%负载所需的时间；T为负载的脉冲功率处于上升阶段或下降阶段的时间。在具体实施例中，T_E被配置为大于4秒。

在本发明的一个实施例中，控制飞轮储能单元和发动机运行的每个周期包括第一至第七阶段，其中，在第一阶段，负载的脉冲功率处于上升阶段，发动机的功率按照预设功率变化量线性增加，飞轮储能单元以最大放电功率运行，当负载的脉冲功率达到最大时，满足如下算式：

，

其中，P_FDC为飞轮储能单元的最大放电功率，P_E为发动机的目标功率，P_M为负载的最大脉冲功率。

在第二阶段，发动机的功率持续上升，飞轮储能单元的功率线性下降，以使得发动机的功率与飞轮储能单元的功率之和等于负载的脉冲功率。

在第三阶段，负载的脉冲功率、发动机的功率达到稳定状态，并满足：

。

在第四阶段，负载的脉冲功率下降，发动机的功率按照预设功率变化量线性下降，飞轮储能单元以最大充电功率充电，并满足：

，

其中，P_FC为飞轮储能单元的最大充电功率。

在第五阶段，发动机的功率按照预设功率变化量线性下降，飞轮储能单元的充电功率按照预设功率变化量线性下降，当飞轮储能单元的充电功率下降到βP_FC时，发动机的功率和飞轮储能单元的充电功率保持平稳，其中，β为飞轮储能单元充电时的功率系数。

在第六阶段，发动机按照βP_FC的功率给飞轮储能单元充电。

在第七阶段，发动机的功率和飞轮储能单元的功率线性下降至零。

需要说明的是，该基于飞轮储能的发电机脉冲电源系统的控制方法的具体实现方式与本发明上述任意一个实施例的基于飞轮储能的发电机脉冲电源系统的具体实现方式类似，具体请前述关于系统部分的描述，为了减少冗余，此处不再赘述。

根据本发明实施例的基于飞轮储能的发电机脉冲电源系统的控制方法，控制飞轮储能单元和发动机共同为负载提供功率，利用飞轮储能高功率密度的特点，有效弥补了发动机动力响应慢的不足，保证功率响应足够快，使负载的输出边沿更加陡峭，能够有效提高系统的输出性能，由于飞轮储能单元承担了一部分功率输出，从而可以降低系统对发动机功率的需求，从而节省发动机的投入成本，并且，飞轮储能单元和发动机之间不存在机械连接，而是采用纯电气连接，从而可有效避免发动机的磨损，延长发动机使用寿命，提高系统安全性。该方法基于飞轮储能充放电能量守恒原理和飞轮功率输出优先的控制机制，对发动机功率和飞轮储能功率进行分析和计算，使得发动机功率和飞轮储能功率需求明确，避免在设计时因发动机功率和飞轮储能功率需求不明确，导致功率不够或者功率选型浪费的问题。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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。

在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于飞轮储能的发电机脉冲电源系统，其特征在于，包括：发动机、发电机、整流器、飞轮储能单元和电流控制器，其中，

所述发动机用于驱动所述发电机运行，使所述发电机输出交流电；

所述整流器用于将所述发电机输出的交流电转化为直流电；

所述飞轮储能单元的直流端通过所述整流器和所述发电机电气连接至所述发动机，并通过直流母线连接至所述电流控制器，以在所述电流控制器的控制下充电或放电，并在放电时，通过所述直流母线输出直流电，以及在充电时，吸收所述整流器输出的直流电；

所述电流控制器的输出端连接负载，所述电流控制器用于：将所述整流器和所述飞轮储能单元输出的直流电转换成脉冲电流，以向负载供电，并获取所述负载的运行参数和所述飞轮储能单元放电时的功率系数，根据所述负载的运行参数和所述飞轮储能单元放电时的功率系数来控制所述发动机和所述飞轮储能单元的运行功率，其中，所述电流控制器通过下述方法获取所述飞轮储能单元放电时的功率系数：

，

其中，α为所述飞轮储能单元放电时的功率系数，T_E为所述发动机的功率从满载下降到空载时所需的时间或者所述发动机的功率从空载上升到满载时所需的时间，T为所述负载的脉冲功率处于上升阶段或下降阶段的时间。

2.根据权利要求1所述的基于飞轮储能的发电机脉冲电源系统，其特征在于，所述负载的运行参数包括所述负载运行时的最大脉冲功率，所述电流控制器具体用于：

根据所述负载运行时的最大脉冲功率确定所述发动机的目标功率，根据所述负载运行时的最大脉冲功率和所述飞轮储能单元放电时的功率系数确定所述飞轮储能单元的目标功率，并根据所述发动机的目标功率控制所述发动机运行，以及根据所述飞轮储能单元的目标功率控制所述飞轮储能单元充电或放电。

3.根据权利要求1所述的基于飞轮储能的发电机脉冲电源系统，其特征在于，所述电流控制器控制所述飞轮储能单元和所述发动机运行的每个周期包括第一至第七阶段，其中，在第一阶段，所述负载的脉冲功率处于上升阶段，所述发动机的功率按照预设功率变化量线性增加，所述飞轮储能单元以最大放电功率运行，当所述负载的脉冲功率达到最大时，满足如下算式：

，

其中，P_FDC为所述飞轮储能单元的最大放电功率，P_E为所述发动机的目标功率，P_M为所述负载的最大脉冲功率。

4.根据权利要求3所述的基于飞轮储能的发电机脉冲电源系统，其特征在于，在第二阶段，所述发动机的功率持续上升，所述飞轮储能单元的功率线性下降，以使得所述发动机的功率与所述飞轮储能单元的功率之和等于所述负载的脉冲功率。

5.根据权利要求4所述的基于飞轮储能的发电机脉冲电源系统，其特征在于，在第三阶段，所述负载的脉冲功率、所述发动机的功率达到稳定状态，并满足：

。

6.根据权利要求5所述的基于飞轮储能的发电机脉冲电源系统，其特征在于，在第四阶段，所述负载的脉冲功率下降，所述发动机的功率按照所述预设功率变化量线性下降，所述飞轮储能单元以最大充电功率充电，并满足：

，

其中，P_FC为所述飞轮储能单元的最大充电功率。

7.根据权利要求6所述的基于飞轮储能的发电机脉冲电源系统，其特征在于，在第五阶段，所述发动机的功率按照所述预设功率变化量线性下降，所述飞轮储能单元的充电功率按照所述预设功率变化量线性下降，当所述飞轮储能单元的充电功率下降到βP_FC时，所述发动机的功率和飞轮储能单元的充电功率保持平稳，其中，β为飞轮储能单元充电时的功率系数。

8.根据权利要求7所述的基于飞轮储能的发电机脉冲电源系统，其特征在于，在第六阶段，所述发动机按照βP_FC的功率给所述飞轮储能单元充电。

9.根据权利要求8所述的基于飞轮储能的发电机脉冲电源系统，其特征在于，在所述第七阶段，所述发动机的功率和所述飞轮储能单元的功率线性下降至零。

10.一种如权利要求1-9任一项所述的基于飞轮储能的发电机脉冲电源系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

将整流器和飞轮储能单元输出的直流电转换成脉冲电流，以向负载供电；

获取负载的运行参数和飞轮储能单元放电时的功率系数；

根据所述负载的运行参数和所述飞轮储能单元放电时的功率系数来控制所述发动机和所述飞轮储能单元的运行功率。

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