CN117353433A - 一种基于感应子储能脉冲电机的充放电系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于感应子储能脉冲电机的充放电系统及方法，该系统包括充电单元、放电单元和励磁控制单元，所述励磁控制单元,用于根据励磁绕组的励磁电流大小控制所述充电单元向感应子储能脉冲电机充电或所述感应子储能脉冲电机向所述放电单元放电；所述充电单元，用于在所述励磁控制单元降低励磁电流的灭磁控制下向所述感应子储能脉冲电机充电；放电单元，用于在所述励磁控制单元升高励磁电流的充磁控制下，使所述感应子储能脉冲电机向负载放电_。本发明通过励磁控制单元调控感应子储能脉冲电机的励磁电流大小，以对感应子储能脉冲电机充放电工况进行控制，实现低压小功率充电和高压大功率放电的充放电，提高了充电回路的效率并降低了系统成本。

Description

一种基于感应子储能脉冲电机的充放电系统及方法

技术领域

本公开涉及感应子储能脉冲电机技术领域，特别涉及一种基于感应子储能脉冲电机的充放电系统及方法。

背景技术

感应子储能脉冲电机的发明时间比较早，大约有100多年的历史，它在凸极同步电机之前就已经被应用。上世纪二十年代到四十年代主要应用在电讯系统上。上世纪五六十年代曾广泛作为中高频率电源并应用于舰船、火车和航空航天器等。

感应子储能脉冲电机的应用场景多为小功率持续充电、大功率脉冲放电，大功率脉冲放电功率基本在MW以上，且充电功率与放电功率往往相差10倍以上，而常规电网中并网使用的飞轮储能装置为同功率等级充放电，多选用常规变频器作为飞轮储能充放电装置。当前感应子储能脉冲电机的前端电力电子充放电装置多采用常规飞轮储能装置的变频器作为充放电装置。若按照大功率放电时的工况选择充放电装置，一是大功率四象限运行的变频器带来系统成本的增加，二是大功率充放电装置在小功率工况工作时，效率太低，增加系统损耗。除此之外，电网中常用的三相380V工业用电，由于其电压等级过低无法满足大功率放电时的功率需求，若选用满足放电要求的高电压等级，需在充电过程中需要使用升压装置，增加额外的系统体积与重量。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本公开的目的在于提供一种基于感应子储能脉冲电机的充放电系统及方法，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

为实现上述目的，本发明提供一种基于感应子储能脉冲电机的充放电系统，包括充电单元、放电单元和励磁控制单元；所述充电单元和所述放电单元分别与感应子储能脉冲电机的交流电枢绕组相连，所述励磁控制单元与所述感应子储能脉冲电机的励磁绕组相连；

所述励磁控制单元,用于根据励磁绕组的励磁电流大小控制所述充电单元向感应子储能脉冲电机充电或所述感应子储能脉冲电机向所述放电单元放电；

所述充电单元，用于在所述励磁控制单元降低励磁电流的灭磁控制下向所述感应子储能脉冲电机充电；

所述放电单元，用于在所述励磁控制单元升高励磁电流的充磁控制下，使所述感应子储能脉冲电机向负载放电。

进一步，所述充电单元包括交流电源、充电整流桥和逆变器，所述交流电源经所述充电整流桥和所述逆变器与所述交流电枢绕组电连接形成充电回路。

进一步，所述充电单元还包括斩波电路和充电接触器，所述斩波电路连接在所述充电整流桥的直流侧，所述充电接触器连接在所述交流电枢绕组和所述逆变器之间。

进一步，所述放电单元包括放电整流桥和滤波电路，所述交流电枢绕组经所述放电整流桥和所述滤波电路与所述负载电连接形成放电回路。

进一步，所述放电单元还包括放电接触器和采样电路，所述放电接触器连接在所述交流电枢绕组和所述放电整流桥之间；所述采样电路连接在所述滤波电路后级，用于对所述放电回路的输出直流电压和直流电流采样。

进一步，所述励磁控制单元与所述采样电路相连，所述励磁控制单元根据所述采样电路反馈的放电回路的输出电压和电流实时调控所述感应子储能脉冲电机的放电电流。

进一步，所述交流电源的供电电压为小于等于380V的低压交流电源，所述负载为大于等于2000V的高压负载；所述充电整流桥和所述逆变器采用与所述交流电源的低压等级适配的低压变换器，所述充电接触器采用与所述负载的高压等级适配的高压接触器。

进一步，所述放电整流桥采用与所述负载的高压等级适配的高压变换器，所述充电接触器采用与所述负载的高压等级适配的高压接触器。

本发明还提供一种上述的充放电系统的充放电方法，包括：

根据感应子储能脉冲电机的励磁绕组的励磁电流大小生成充电指令或放电指令；

当生成充电指令时，控制所述充电单元向所述感应子储能脉冲电机充电；

当生成放电指令时，控制所述感应子储能脉冲电机向负载放电。

进一步，当生成充电指令时，控制所述励磁控制单元降低励磁电流以低压小功率向感应子储能脉冲电机充电；

当生成放电指令时，控制所述励磁控制单元提高励磁电流以高压大功率向负载放电。

本发明通过励磁控制单元调控感应子储能脉冲电机的励磁电流大小，以对感应子储能脉冲电机充放电工况进行控制，实现低压小功率充电和高压大功率放电的充放电，提高了充电回路的效率并降低了系统成本。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

通过参照附图来详细描述其示例实施例，本公开的上述和其它特征及优点将变得更加明显。

图1示出了本发明一实施例的基于感应子储能脉冲电机的充放电系统的结构示意图；

图2示出了本发明一实施例的基于感应子储能脉冲电机的励磁控制单元的控制原理图；

图3示出了本发明一实施例的基于感应子储能脉冲电机充放电过程的励磁电流、输出电压和储能能量的波形示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本公开将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、材料、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现、材料或者操作以避免模糊本公开的各方面。

附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个软件硬化的模块中实现这些功能实体或功能实体的一部分，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

在本示例实施例中，如图1所示，一种基于感应子储能脉冲电机的充放电系统，包括充电单元10、放电单元20和励磁控制单元30；所述充电单元10和所述放电单元20分别与感应子储能脉冲电机的交流电枢绕组相连，所述励磁控制单元30与所述感应子储能脉冲电机的励磁绕组相连；

所述励磁控制单元30,用于根据励磁绕组的励磁电流大小控制所述充电单元10向感应子储能脉冲电机充电或所述感应子储能脉冲电机向所述放电单元20放电；

所述充电单元10，用于在所述励磁控制单元30降低励磁电流的灭磁控制下向所述感应子储能脉冲电机充电；

所述放电单元20，用于在所述励磁控制单元30升高励磁电流的充磁控制下，使所述感应子储能脉冲电机向负载放电。

在本发明一实施例中，所述充电单元10包括交流电源、充电整流桥5和逆变器3，所述交流电源经所述充电整流桥5和所述逆变器3与所述交流电枢绕组电连接形成充电回路。充电整流桥5用于将交流电源的三相交流电转换为直流电，为后端逆变器和励磁控制单元30提供稳定的母线。逆变器3用于将充电整流桥5转换后的直流电转换为交流电并向感应子储能脉冲电机的交流电枢绕组输出，为感应子储能脉冲电机提供变频变压的交流电，实现感应子储能脉冲电机的高效率充电。充电整流桥5和逆变器3可选用工业中常用变频器，降低充电回路的成本。

所述充电单元10还包括斩波电路6和充电接触器2，所述斩波电路6连接在所述充电整流桥5的直流侧，所述充电接触器2连接在所述交流电枢绕组和所述逆变器3之间。充电接触器2为三相交流接触器，主要作用是控制三相逆变器到感应子储能脉冲电机交流电枢绕组之间电路的通断以及隔离放电过程的高压。斩波电路6主要作用是保护充电回路中充电整流桥5的直流母线。感应子储能脉冲电机在降低励磁电流的灭磁过程中，励磁绕组中的能量通过励磁驱动器反馈至充电整流桥5的直流母线。本实施例中由于低成本设计，选用380V不控整流桥，能量不具备回馈至380V交流侧的能力，在电压升高至给定值后，启动斩波电路6对能量进行吸收，降低直流母线电压。需要说明的是，充电整流桥5采用不控整流桥仅为举例说明，根据实际需要充电整流桥也可以采用可控整流桥。

在本发明一实施例中，励磁控制单元30为励磁驱动器，实现电能从直流到直流的变换，连接至感应子储能脉冲电机励磁绕组侧，主要由H桥全桥拓扑和直流斩波电路构成。励磁驱动器是控制感应子储能脉冲电机充放电工况的核心。由于感应子储能脉冲电机的特性，在相同交流电枢电流情况下，增加励磁电流的增磁过程能增大感应子储能脉冲电机的交流侧电压，从而增加脉冲电机的功率，使电机能够在高压大功率下进行放电。降低励磁电流的灭磁过程能减小感应子储能脉冲电机的交流侧电压，从而减小电机的功率，使电机能够在交流电源的电压等级下进行充电。此外，励磁驱动器可以以放电单元20的输出采样电路为反馈，在感应子储能脉冲电机的能力范围内实现输出电压稳定的闭环控制。如图2所示，励磁驱动器的典型控制策略为双闭环控制，外环为输出直流电压，内环为励磁电流，输出直流电流为控制前馈量，根据放电回路的母线电压和电流大小调控感应子储能脉冲电机的励磁电流大小，进而对感应子储能脉冲电机的放电电流进行调控，可以根据负载功率实际需要进行控制。

在本发明一实施例中，所述放电单元20包括放电整流桥8和滤波电路9，所述交流电枢绕组经所述放电整流桥8和所述滤波电路9与所述负载电连接形成放电回路。放电整流桥8将感应子储能脉冲电机输出的高压交流电变换为高压直流电，为后端的脉冲功率负载提供高压大功率供电。滤波电路9主要为放电回路提供滤波、保护与高压母线电压电流采样。其中平波电抗器与滤波电容共同构成滤波电路，降低输出母线电压的纹波；输出熔断器隔离负载与充放电装置之间的故障，保护设备的安全。

所述放电单元20还包括放电接触器7和采样电路，所述放电接触器7连接在所述交流电枢绕组和所述放电整流桥8之间；所述采样电路连接在所述滤波电路9后级，用于对所述放电回路的输出直流电压和直流电流采样。放电接触器7采用三相交流接触器，主要作用是控制感应子储能脉冲电机到高压不控整流桥之间电路的通断。采样电路主要包含输出直流电压采样与输出直流电流采样，电压采样与电流采样信号传递至励磁驱动器，为励磁驱动器提供闭环控制的关键反馈参数。

在本发明一实施例中，所述交流电源的供电电压为小于等于380V的低压交流电源，所述负载为大于等于2000V的高压负载；所述充电整流桥5和所述逆变器3采用与所述交流电源的低压等级适配的低压变换器，降低成本同时保证充电效率。所述充电接触器2除了具有控制逆变器与感应子储能脉冲电机之间电路通断作用之外，还具有隔离放电时感应子储能脉冲电机输出的高压，因此不能按照充电回路交流380V电压等级进行选型，需要按照放电回路采用与所述负载的高压等级适配的高压接触器。所述放电整流桥8采用与所述负载的高压等级适配的高压变换器，所述充电接触器2采用与所述负载的高压等级适配的高压接触器。需要说明的是，本实施例中交流电源的供电电压和负载侧输出电压等级仅是举例说明，本发明并不以此为限制。

本发明还提供一种上述的充放电系统的充放电方法，包括如下步骤：

根据感应子储能脉冲电机的励磁绕组的励磁电流大小生成充电指令或放电指令；

当生成充电指令时，控制所述充电单元向所述感应子储能脉冲电机充电；

当生成放电指令时，控制所述感应子储能脉冲电机向负载放电。

在本发明一实施例中，当生成充电指令时，控制所述励磁控制单元降低励磁电流以低压小功率向感应子储能脉冲电机充电；

当生成放电指令时，控制所述励磁控制单元提高励磁电流以高压大功率向负载放电。

利用感应子储能脉冲电机的励磁可调节特性，具体来讲整个充放电过程可描述为：

1)充电回路通过380V不控整流桥电路供电，励磁驱动器给感应子储能脉冲电机增磁，达到充电状态；

2)充电交流接触器与放电交流接触器同时吸合，三相逆变器给感应子储能脉冲电机小功率充电；

3)充电交流接触器断开，励磁驱动器继续给感应子储能脉冲电机增磁，到2000V达放电状态；

4)根据负载要求进行脉冲功率放电，若不要求稳定母线电压则保持励磁电流不变。若负载对电压有要求，则励磁驱动器根据闭环控制实时调节感应子储能脉冲电机电流；

5)放电完毕后，感应子储能脉冲电机同构励磁驱动器完成灭磁，到达充电状态，以此循环。

整个过程示意图如图3所示。由于系统采集了输出侧的电压与电流，放电过程磁驱动器可根据负载需求调节放电电压，实现灵活便捷的脉冲功率放电过程。

综上所述，本发明解决了感应子储能脉冲电机在小功率充电、大功率放电过程中充放电装置不灵活的问题，通过充电回路与放电回路的分别设计，选用380V电压等级的三相逆变器，励磁驱动器使充电回路能满足380V常见电压等级的小功率充电；通过励磁驱动器的对感应子储能脉冲电机磁场的调节能力，实现高压大功率放电，同时选用高压不控整流桥电路极大的降低了系统成本。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其他实施例。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限。

Claims (10)

1.一种基于感应子储能脉冲电机的充放电系统，其特征在于，包括充电单元、放电单元和励磁控制单元；所述充电单元和所述放电单元分别与感应子储能脉冲电机的交流电枢绕组相连，所述励磁控制单元与所述感应子储能脉冲电机的励磁绕组相连；

所述励磁控制单元,用于根据励磁绕组的励磁电流大小控制所述充电单元向感应子储能脉冲电机充电或所述感应子储能脉冲电机向所述放电单元放电；

所述充电单元，用于在所述励磁控制单元降低励磁电流的灭磁控制下向所述感应子储能脉冲电机充电；

所述放电单元，用于在所述励磁控制单元升高励磁电流的充磁控制下，使所述感应子储能脉冲电机向负载放电。

2.如权利要求1所述的充放电系统，其特征在于，所述充电单元包括交流电源、充电整流桥和逆变器，所述交流电源经所述充电整流桥和所述逆变器与所述交流电枢绕组电连接形成充电回路。

3.如权利要求2所述的充放电系统，其特征在于，所述充电单元还包括斩波电路和充电接触器，所述斩波电路连接在所述充电整流桥的直流侧，所述充电接触器连接在所述交流电枢绕组和所述逆变器之间。

4.如权利要求1或2所述的充放电系统，其特征在于，所述放电单元包括放电整流桥和滤波电路，所述交流电枢绕组经所述放电整流桥和所述滤波电路与所述负载电连接形成放电回路。

5.如权利要求4所述的充放电系统，其特征在于，所述放电单元还包括放电接触器和采样电路，所述放电接触器连接在所述交流电枢绕组和所述放电整流桥之间；所述采样电路连接在所述滤波电路后级，用于对所述放电回路的输出直流电压和直流电流采样。

6.如权利要求5所述的充放电系统，其特征在于，所述励磁控制单元与所述采样电路相连，所述励磁控制单元根据所述采样电路反馈的放电回路的输出电压和电流实时调控所述感应子储能脉冲电机的放电电流。

7.如权利要求3所述的充放电系统，其特征在于，所述交流电源的供电电压为小于等于380V的低压交流电源，所述负载为大于等于2000V的高压负载；所述充电整流桥和所述逆变器采用与所述交流电源的低压等级适配的低压变换器，所述充电接触器采用与所述负载的高压等级适配的高压接触器。

8.如权利要求7所述的充放电系统，其特征在于，所述放电整流桥采用与所述负载的高压等级适配的高压变换器，所述充电接触器采用与所述负载的高压等级适配的高压接触器。

9.一种如权利要求1-8任一项所述的充放电系统的充放电方法，其特征在于，包括：

根据感应子储能脉冲电机的励磁绕组的励磁电流大小生成充电指令或放电指令；

当生成充电指令时，控制所述充电单元向所述感应子储能脉冲电机充电；

当生成放电指令时，控制所述感应子储能脉冲电机向负载放电。

10.如权利要求9所述的充放电方法，其特征在于，

当生成充电指令时，控制所述励磁控制单元降低励磁电流以低压小功率向感应子储能脉冲电机充电；

当生成放电指令时，控制所述励磁控制单元提高励磁电流以高压大功率向负载放电。