CN203326615U

CN203326615U - 双单片机飞轮储能系统控制器

Info

Publication number: CN203326615U
Application number: CN2013204109979U
Authority: CN
Inventors: 高晗璎; 刘端增; 李伟力; 杨忠生; 赵杰
Original assignee: Harbin University of Science and Technology
Current assignee: Harbin University of Science and Technology
Priority date: 2013-07-11
Filing date: 2013-07-11
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2023-07-11

Abstract

本实用新型涉及一种双单片机飞轮储能系统控制器。传统的飞轮储能控制器存在以下问题：飞轮在储能过程中，电机不能以最短的时间上升到额定转速，电能消耗过多，同时影响飞轮输出效率。本实用新型的组成包括 : 飞轮（ 11 ），所述的飞轮与充电储能系统（ 12 ）连接，所述的充电储能系统与高速永磁无刷电机（ 10 ）连接，所述的高速永磁无刷电机与所述的飞轮连接，所述的充电储能系统与放电释能系统（ 13 ）连接。本实用新型用于电力调峰和不间断供电。

Description

双单片机飞轮储能系统控制器

技术领域：

本实用新型涉及一种双单片机飞轮储能系统控制器。

背景技术：

近年来，世界各地屡屡发生大面积停电等重大电力事故，其损失和造成的影响都是难以估量的，急需采取一些有效的措施把用电低谷时多余的电能储存起来，在用电高峰时释放出来缓解用电压力是各国都在积极考虑的问。现在己采取的储能技术有机械储能(飞轮、抽水、弹簧、压缩空气等)、热能蓄能(显热、潜热、蒸发、融解、升华等)、电磁蓄能(电容器、超导等)和化学蓄能(蓄电池、合成燃料、浓度差发电、物理化学能量等)，其中发展最快、规模最大的是抽水蓄能，其次是压缩空气蓄能，排在第二位的就是飞轮蓄能。飞轮蓄能装置可配置在城市和用电中心附近的变电所，用来调峰调频.它的规模己达几十和几百MW级，特别是由于高温超导磁力轴承的开发和应用，将加速飞轮储能技术的发展。与其他形式的储能方式相比较，飞轮储能具有大容量、高效率、无限循环寿命、零排放、无污染和装置对环境无要求等优点。传统的飞轮储能控制器存在以下问题：飞轮在储能过程中，电机不能以最短的时间上升到额定转速，电能消耗过多，同时影响飞轮输出效率。

实用新型内容：

本实用新型的目的是提供一种双单片机飞轮储能系统控制器。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种双单片机飞轮储能系统控制器，其组成包括: 飞轮，所述的飞轮与充电储能系统连接，所述的充电储能系统与高速永磁无刷电机连接，所述的高速永磁无刷电机与所述的飞轮连接，所述的充电储能系统与放电释能系统连接。

所述的双单片机飞轮储能系统控制器，所述的充电储能系统包括MCU1控制电路、BUCK电路、卸荷电路、PWM逆变电路、单相整流电路，所述的MCU1控制电路分别与所述的BUCK电路、所述的卸荷电路、所述的PWM逆变电路、所述的单相整流电路连接，所述的PWM逆变电路与所述的高速永磁无刷电机连接，所述的高速永磁无刷电机与MCU1控制电路连接，所述的MCU1控制电路与所述的飞轮连接，所述的BUCK电路分别与所述的卸荷电路、所述的PWM逆变电路、所述的单相整流电路连接，所述的卸荷电路与所述的PWM逆变电路连接。

所述的双单片机飞轮储能系统控制器，所述的放电释能系统包括MCU2控制电路、高频升压稳压电路、单相逆变电路、滤波电路，所述的MCU2控制电路分别与所述的单相整流电路、所述的高频升压稳压电路、所述的单相逆变电路、所述的MCU1控制电路连接，所述的高频升压稳压电路分别与所述的BUCK电路、所述的卸荷电路、所述的PWM逆变电路、所述的MCU1控制电路、所述的单相逆变电路连接，所述的单相逆变电路与所述的滤波电路连接。

有益效果：

1.本实用新型采用了无位置传感器的直流无刷电机，省去了电机内部容易损坏的霍尔传感器，也减少了电机及控制系统的引线数量，同时大幅度提高电机及控制系统可靠性和电机的工作效率。

2.本实用新型在启动过程中采用电压、电流双闭环控制，通过BUCK电路配合逆变电路减缓启动电流的尖峰，同时将启动电流保持在限流的最大值，保证飞轮电机以最短的时间升至最高转速，缩短了充电时间。

3.本实用新型提供一种稳定、高效、经济的飞轮储能控制器，其优点在于更充分地利用电力资源，提高了电能质量，并快速地进行储能和释能。过流、过压保护功能提高了系统的稳定性。

附图说明：

附图1是本实用新型的系统整体框图。图中，1为MCU1控制电路，2为卸荷电路，3为单相整流电路，4为BUCK电路，5为PWM逆变电路，6为MCU2控制电路，7为高频升压稳压电路，8为单相逆变电路，9为滤波电路，10为高速永磁无刷电机，11为飞轮，12为充电储能系统，13为放电释能系统。

附图2是本实用新型的主电路原理图。

附图3是本实用新型的充电储能系统的电路原理图。

附图4是本实用新型的PWM逆变及位置检测电路原理图。

附图5是本实用新型的基于IR2130的自举驱动PWM逆变电路的电路原理图。

附图6是本实用新型的基于反电势位置检测法的三相反电动势波形图。

附图7是本实用新型的BUCK稳压电路原理图。

附图8是本实用新型的充电储能系统程序流程图。

附图9是本实用新型的飞轮储能控制器放电释能系统电路原理图。

附图10是本实用新型的电压电流双闭环控制原理图。

附图11是本实用新型的放电释能系统程序流程图。

附图12是本实用新型的三种工作过程切换原理图。

具体实施方式：

实施例1：

实施例2：

根据实施例1所述的双单片机飞轮储能系统控制器，所述的充电储能系统包括MCU1控制电路、BUCK电路、卸荷电路、PWM逆变电路、单相整流电路，所述的MCU1控制电路分别与所述的BUCK电路、所述的卸荷电路、所述的PWM逆变电路、所述的单相整流电路连接，所述的PWM逆变电路与所述的高速永磁无刷电机连接，所述的高速永磁无刷电机与MCU1控制电路连接，所述的MCU1控制电路与所述的飞轮连接，所述的BUCK电路分别与所述的卸荷电路、所述的PWM逆变电路、所述的单相整流电路连接，所述的卸荷电路与所述的PWM逆变电路连接。

实施例3：

根据实施例1或2所述的双单片机飞轮储能系统控制器，所述的放电释能系统包括MCU2控制电路、高频升压稳压电路、单相逆变电路、滤波电路，所述的MCU2控制电路分别与所述的单相整流电路、所述的高频升压稳压电路、所述的单相逆变电路、所述的MCU1控制电路连接，所述的高频升压稳压电路分别与所述的BUCK电路、所述的卸荷电路、所述的PWM逆变电路、所述的MCU1控制电路、所述的单相逆变电路连接，所述的单相逆变电路与所述的滤波电路连接。

实施例4：

根据实施例1或2所述的双单片机飞轮储能系统控制器的控制方法，

（1）充电储能系统的控制方法:

在充电储能时，电能通过PWM逆变电路驱动电机，带动飞轮加速转动，完成电能到机械能的转换，能量储存在高速旋转的飞轮中；之后，电机维持在一个恒定转速；当MCU1控制电路检测工频输入电压Uac的大小，当Uac<10V时，认为电网断电，此时，BUCK电路停止工作，飞轮存储能量通过PWM逆变电路T1~T6中的续流二极管将飞轮能量回馈至直流母线Udc1，通过T11~T14、高频升压变压器、D11~ D12进行得到340V的直流电压Udc2，经SPWM单相逆变及选择适当的调制比M输出单相（正弦脉宽调制）SPWM波，经滤波处理后得到单相220V、50Hz交流电；

单相220V电网电压经不控整流得到310V直流电压，通过检测BUCK电路的直流输出Udc1作为电压外环的的电压反馈，经过PI调节后作为电流内环的给定，与直流母线电流的反馈值经过电流环PI调节，输出控制BUCK功率开关管T5的占空比，使直流电压Udc1从0V增加并稳定在100V；飞轮电机采用高速永磁无刷电机；在储能过程中飞轮控制器采用MCU1控制电路、ST7FMC2S4T6对无刷电机的反电动势过零点进行检测；由于转速低时很难检测到反电动势，故采用三段式启动法进行电机启动：即首先进行步进模式换相，反电动势的幅值随着转速的提高而不断增大，当达到一定转速时，通过检测反电动势的过零点，发出相应的六路PWM驱动信号驱动逆变电路，经功率放大后驱动功率开关管，使电机由它控式切换到自控式高速运行，完成电能到机械能的转换；当检测到过零点m1时，之后延时30o到换相点n1，此刻由AB→AC换相，同理，当检测到过零点m2时，再延时30o到换相点n2，由AC-BC，以此类推，完成一个电周期的六次换相；

（2）放电释能系统的控制方法:

在放电释能过程中，MCU1控制电路停止输出逆变器的SPWM控制波，飞轮能量通过逆变单元的续流二极管将飞轮能量回馈直流母线Udc1；飞轮储能完成后处于保持模式；MCU1控制电路检测工频输入电压Uac的大小，当Uac<10V时，认为电网断电储能单元中控制电路停止工作，PWM逆变电路关断，释能单元电路中的控制电路开始工作，此时飞轮高速旋转，因其惯性将带动电机旋转并释放电能，经逆变电路中的六个续流二极管回馈至直流母线Udc1；

MCU2控制电路为高频升压、稳压单元提供控制信号；由于电机发电运行时，电机转速不断降低，输出电压也不断降低；为保持逆变输出为交流220V，通过调节高频升压稳压单元的功率开关管的占空比以获得稳定的340V交流电压；单相逆变电路采用SPWM控制，通过查表（正弦表，为标幺值）以及选择适当的调制比M输出单相（正弦脉宽调制）SPWM波，经滤波处理后得到单相220V、50Hz交流电。

实施例5：

根据实施例4所述的双单片机飞轮储能系统控制器的控制方法，三种工作模式的切换方法：

（1）储能阶段，MCU1控制电路接收外部的启动指令，输出BUCK的控制波形，经降压、稳压环节达到直流100V，经过PWM逆变环节驱动无刷直流电机，带动飞轮旋转，此时为储能阶段；

（2）保持阶段，当外加电压达到100V且飞轮转速达到15000rpm时，此时进入保持阶段；保持模式可看作是储能模式与释能模式的中间过渡状态；既没有能量的正向流动，也没有能量的反向流动，在这种模式下，系统的能量维持恒定，并以最小的损耗运行在空闲状态；该阶段等待释能控制信号输入，并进入释能阶段；

（3）释能阶段，当飞轮转速达到15000rpm且维持10分钟后，系统进入等待切入释能模式；MCU1控制电路检测工频输入电压Uac的大小，当Uac<10V时，认为电网断电，此时，BUCK停止工作，飞轮存储能量通过PWM逆变器T1~T6中的续流二极管将飞轮能量回馈至直流母线Udc1；随着无刷电机转速的下降，其输出的电压也在不断降低，所以需要稳压电路进行升压，才能保证输出电压恒定，确保负载正常工作；Udc1是直流母线电压，根据直流输出侧Udc1的变化，通过PI调节改变开关管的占空比以获得稳定的340V电压，通过单相逆变、滤波单元输出220V、50Hz的交流电；当检测Udc1小于60V时，禁止PWM输出，飞轮储能控制器释能过程停止，放电结束；

（4）释能阶段→储能阶段，当Uac>=180V时，MCU1判定电网恢复，控制储能过程恢复工作，此时，进入储能阶段。

实施例6：

所述的双单片机飞轮储能系统控制器，本实用新型采用具有8位的微处理器的ST7FMC2S4T6单片机实现，该芯片具有适于电机控制的功能，如其数字单元包括：有/无传感器控制模式选择、PWM事件管理器、梯形波或正弦波工作模式选择等；其模拟单元包括：位置反馈、信号输入、相电流闭环控制电路以及输出模块等。本实用新型中采用三电阻法检测反电动势确定电动机的转子位置如图4所示。

基于自举技术的IR2130实现，该芯片内部具有3个独立的高、低端输出通道，可同时控制6个功率开关管的通断。该芯片还具有过流、过欠压保护、故障封锁和故障指示功能。

图3为充电储能系统的电路原理图，采用BUCK单元和PWM逆变相结合的控制方式，即采用BUCK单元进行调制波幅值调制，采用PWM进行频率调制，采用双自由度SPWM的生成、控制方式，大大提高了飞轮控制的可靠性和灵活性。在电机加速过程中采用BUCK电路限制启动电流，同时保持电流为最大限流值，保证电机以最短时间达到额定转速。由于选用的飞轮电机为直流无刷电机，采用基于反电动势过零点的无位置检测法进行转子位置检测，提高了系统的可靠性和对环境的适应能力，系统结构简单，安装方便，成本更低，并大大提高了装置的可靠性。

实施例7：

所述的双单片机飞轮储能系统控制器，如图7所示，采用电压、电流双闭环控制策略，以直流母线电压Udc1为被控量，经电压PI调节器得到电流内环给定量，与电流反馈量进行电流环PI调节器得到功率开关管T5的占空比，以此调节输出电流、电压。启动时采用最大电流限流下工作，可以确保电动机以最短时间达到额定转速。

图9为放电释能系统的电路原理图，采用T11~T14全桥变换，将直流母线电压变换为高频方波，经过高频升压变压器、D11~D14高频整流单元以及L2、C3滤波环节，以输出直流电压为被控量，通过调节T11~T14的输入占空比得到稳定的340V直流电压，以满足交流220V输出的需要。

随着发电机转速的下降，其输出的电压也不断降低，所以需要稳压电路进行升压，才能保证输出电压恒定，确保负载正常工作。如图9、10所示，Udc1是发电机输出的直流电压，根据直流输出侧Udc1的变化，通过PI调节改变开关管的占空比以获得稳定的340V电压，当检测Udc1小于60V时，禁止单相逆变，飞轮储能控制器释能过程停止，放电结束。

实施例8：

所述的双单片机飞轮储能系统控制器，如图1所示，系统由以ST7FMC2S4T6（MCU1、MCU2）为核心构成，当飞轮储能时，由外部提供的电能，经功率变换器，驱动电机带动飞轮高速旋转，达到并保持恒定高速，以动能的形式把能量储存起来，从而完成电能—机械能转换的储能过程。当电网断电时，高速旋转的飞轮作为原动机反拖电机发电，经功率变换器输出适用于负载的电流与电压，从而完成机械能—电能转换的释放能量过程。由此，整个飞轮储能系统实现了电能的输入、储存和输出过程。

本实用新型采用无位置传感器模式，由于电机内部没有位置传感器，因此采用三段式启动法。即首先进行预定位，通过导通任意两个不同桥臂的开关管，使转子预先旋转到一个确定的位置，之后采用它控式，按照产生逆时针旋转磁场的顺序控制两个开关管的导通，待电机达到一定转速时，通过检测反电动势过零点来确定电机的换相点。由于在电机运行时无法检测反电动势波形，所以本实用新型采用端电压检测代替反电动势进行自动换相。由于电机旋转过程中，定子磁场与转子磁场相互作用产生的反电动势波形是梯形波，因此在换相过程中采用两相导通、三相六状态、120度导通方案。

储能电路的工作方案如下：

单相220V交流电经不控整流、滤波处理后得到约为300V直流电压。如图2所示，采用电压霍尔采样BUCK输出电压，并由MCU1、ST7FMC2S4T6单片机进行采样，作为电压环的反馈量，电压参考值对应100V。电压环调节器的输出作为电流环参考值，通过电流霍尔对直流母线Udc1的电流进行采样，进行电流闭环控制，进行BUCK降压斩波，从而控制直流母线电压和电流。

无位置无刷直流电机运行采用三段式启动法，即首先进行预定位，通过导通任意两个不同桥臂的开关管，使转子旋转到一个确定的位置，之后采用它控式方法，按照产生逆时针旋转磁场的顺序分别控制两个开关管的导通，待电机达到一定转速可以检测到电动势时进入自控模式。首先使能MCU1单片机的Z（过零检测）事件和C（换相中断）事件，当检测反电动势过零点时，进入Z中断，执行完30度延时后进入C中断执行换相程序。根据检测到反电动势过零点的跳变沿，ST7控制电路发出六路PWM信号，经功放后驱动功率开关管IGBT的通断，使电机由它控式切换到自控式高速旋转。由于电机是感性负载，电流不能突变，当功率开关管由导通变为截至时，由续流二极管D1-D6提供续流通道。通过BUCK电路和PWM逆变电路的相互配合，完成电机升速、飞轮储能。

保持模式

电能存储在飞轮后，电机保持一恒定转速，等待释能控制信号输入。保持模式看作是储能模式与释能模式的中间过渡状态。既没有能量的正向流动，也没有能量的反向流动，在这种模式下，系统的能量维持恒定，并以最小的损耗运行在空闲状态。

释能单元

在储能和保持过程中，储能控制系统MC1、ST7FMC2S4T6一直检测无刷电机转子转速，当电机维持额定转速15000rpm 10分钟后，认为储能过程完成。MCU1检测工频输入电压Uac的大小，当Uac<10V时，认为电网断电，此时，MCU1、ST7FMC2S4T6禁止发送PWM逆变控制信号和BUCK电路控制信号，BUCK停止工作，飞轮存储能量通过PWM逆变器T1~T6中的续流二极管将飞轮能量回馈至直流母线Udc1，通过T11~T14、高频升压变压器、D11~ D12整流得到340V的直流电压Udc2，经SPWM单相逆变及选择适当的调制比M输出单相（正弦脉宽调制）SPWM波，经滤波处理后得到单相220V、50Hz交流电。

系统保护

过温保护：任何电子元件以及功率器件都有一个工作范围，温度过高会影响系统的正常运行，本系统通过温度开关控制，当温度达到温度开关的动作点时，温度开关闭合，风扇开始工作，当温度降下来时，温度开关断开，风扇停止工作。

过流保护：本实用新型中采用IR2130芯片内部过流保护电路对电路进行保护，通过功率电阻对母线电流进行采样，当系统发生过流时，IR2130输出通道关断，禁止输出PWM驱动信号，当电流恢复正常之后，IR2130开始正常工作。

Claims

1.一种双单片机飞轮储能系统控制器，其组成包括: 飞轮，其特征是: 所述的飞轮与充电储能系统连接，所述的充电储能系统与高速永磁无刷电机连接，所述的高速永磁无刷电机与所述的飞轮连接，所述的充电储能系统与放电释能系统连接。

2.根据权利要求1 所述的双单片机飞轮储能系统控制器，其特征是：所述的充电储能系统包括MCU1控制电路、BUCK电路、卸荷电路、PWM逆变电路、单相整流电路，所述的MCU1控制电路分别与所述的BUCK电路、所述的卸荷电路、所述的PWM逆变电路、所述的单相整流电路连接，所述的PWM逆变电路与所述的高速永磁无刷电机连接，所述的高速永磁无刷电机与MCU1控制电路连接，所述的MCU1控制电路与所述的飞轮连接，所述的BUCK电路分别与所述的卸荷电路、所述的PWM逆变电路、所述的单相整流电路连接，所述的卸荷电路与所述的PWM逆变电路连接。

3.根据权利要求1 或2所述的双单片机飞轮储能系统控制器，其特征是：所述的放电释能系统包括MCU2控制电路、高频升压稳压电路、单相逆变电路、滤波电路，所述的MCU2控制电路分别与所述的单相整流电路、所述的高频升压稳压电路、所述的单相逆变电路、所述的MCU1控制电路连接，所述的高频升压稳压电路分别与所述的BUCK电路、所述的卸荷电路、所述的PWM逆变电路、所述的MCU1控制电路、所述的单相逆变电路连接，所述的单相逆变电路与所述的滤波电路连接。