CN104333257B - 一种基于飞轮储能的交流电源及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于飞轮储能的交流电源及其控制方法，所述装置包括电源模块、控制器、飞轮储能模块、开关和负载；电源模块与负载模块通过开关连接，飞轮储能模块与负载并联连接；控制器采样电源模块输出，并输出控制信号，控制电源模块中逆变器的动作。控制方法中，制器采样得到逆变器输出三相电压，经逻辑运算后，经过限幅器之后便得到控制的目标三相电流和三相电压，从而形成完整的闭环控制。当负载较小时，把电能转化为机械能储存在飞轮中；当负载较重甚至过载时，感应电机连接的飞轮释放机械能，通过感应电机转化为电能，同交流电源一起给负载供电，减少交流电源支路的电流，有效防止过电流的产生，从而保护了逆变器的正常运行。

Description

一种基于飞轮储能的交流电源及其控制方法
技术领域
本发明涉及交流电源应用技术领域，具体涉及基于飞轮储能的交流电源及其控制方法。
背景技术
随着分布式发电技术在全球的推广，独立供电***也有着越来越广泛的应用。然而由于分布式发电***与电网的孤立，在负载变化较大的情况下，很难有较好的跟随能力。这直接导致***难以稳定地工作运行。为了解决这个问题，提出了各种方式的解决方案，但主要集中在交流电源的拓扑选择和控制领域。
飞轮储能装置在工业上也有大量的应用，主要应用在动力分配变化频繁的领域，例如汽车的能量回收等。目前也有应用于供电***中，但通常也是作为储能装置来使用。在电网中有一定的应用空间，但在独立供电***中很少使用。
在目前的一些大功率的驱动领域，使用独立供电的交流电源时会会产生一系列问题。最突出一点就是负载大范围变化时，***中难以避免的产生过电压和过电流，而目前逆变器的容量有限，这些过电压和过电流会对逆变器本身及其驱动装置造成损坏，为抑制这些过电压和过电流，有专家学者针对逆变器本身，应用电力电子技术能有效的减免这些危害。但同时造成整个***的繁杂，控制也趋于复杂，***的稳定性大大降低，而这在工业控制领域是极为重要的。
发明内容
鉴于以上背景，为了克服现有的不足，本发明创造性地把飞轮储能技术和已有的独立供电***结合在一起，特别适合在负载变化较大的应用场合使用，提出的控制方法也能针对性的抑制过电流的产生，维持供电***和负载的正常工作。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种基于飞轮储能的交流电源，包括电源模块、控制器、飞轮储能模块、开关和负载；电源模块与负载模块通过开关连接，飞轮储能模块与负载并联连接；控制器采样电源模块输出，并输出控制信号，控制电源模块中逆变器的动作。
进一步地，电源模块包括直流电源、逆变器Inv、滤波电感L1；直流电源、逆变器和滤波电感依次串联连接；逆变器采用三相全桥拓扑结构，具体是采用智能功率模块，其中集成了驱动和保护电路；滤波电感用于滤除电流中杂波，获得较稳定地电流输出。
进一步地，控制器采用TI公司的DSP作为核心控制芯片，型号为TMS320F2812；控制器采样得到经过滤波电感后电路输出的电压和电流作为控制器的输入，输出逆变器(Inv)的各个开关管的控制信号，作为驱动信号连接到逆变器的驱动信号输入端，使逆变器输出正弦电流驱动负载以及感应电机。控制的效果是为了维持输出正弦电流驱动后面的负载以及感应电机。对于所使用的控制方法，本发明申明的方法特别针对负载过载时，产生过流的情况下的控制。
进一步地，飞轮储能模块包括感应电机、飞轮、旁路电感L2、旁路电容C2；整个飞轮储能模块连接在滤波电感L1的输出侧；感应电机输入的电源经过滤波电感后接到感应电机的电源输入端；飞轮则是作为感应电机的负载；旁路电感和旁路电容串联连接作为一个整体与感应电机的输入端连接；运行中旁路电感和旁路电容这个支路主要作为感应电机的过压和过流保护电路，缓冲电路中可能出现的过电压和过电流，保护电机免受损坏。
进一步地，所述负载连接在滤波电感L1的输出端，在负载与滤波电感之间串联有开关K1；显然，K1是用于选择负载是否工作。K1闭合时，负载运行工作；关闭时，负载与电路断开连接；负载通常是工业控制中的各种电机，如吊机中的驱动电机、工厂的传送带上的驱动电机。这些负载的共同特点是负载不稳定，并通常有过载的情况发生。电机的控制精度要求不高，但过载时产生的过电流会对逆变器造成损坏，因此要特别注意治理可能产生的过电流。
上述的基于飞轮储能的交流电源的控制方法是，控制器采样得到逆变器输出三相电压中的vuv、vwv和三相电流中的iu、iw，经过iuvuv+iwvwv这个运算，将其值赋为p；将p值与0进行比较：如果p>0,对p乘以增益K，K在保证控制***稳定性的前提下经过调试确定；如果p<0，对iu、iw进行Park变换，得到iα、iβ；经过这个运算，并定义其结果为irms，将irms与输入的目标电流值ith的差值经过PI控制，其输出和pK相加，其和定义为finv，finv经过限幅器之后便得到控制的目标三相电流和三相电压，从而形成完整的闭环控制。可见，控制环路中包括电流外环和电压内环，分别用于电流和电压控制，电压内环首先判断p值的正负情况，如果p为真值，电流外环直接对采样得到的三相电流经过Park变换得到在两相静止坐标系下的电流值，解耦结果提高后续控制效率；然后对这两相电流经过运算得到irms，通过与ith比较后的差值进行PI控制得到电压内环的输入，电压内环之前计算的p值经过K倍增益后与输入比较经过限幅器之后，输出控制信号；控制信号直接给到逆变器即可得到完整的反馈控制环路。
上述的基于飞轮储能的交流电源控制方法中，交流电源在通用的独立供电***的负载端并联接入飞轮储能模块。通过开关的闭合和断开来控制负载的接入和断开。工作时，感应电机能储存能量也能释放能量。当负载较小时，电源的输出足以驱动负载，这时剩余的能量经过感应电机，把电能转化为机械能储存在飞轮中；当负载较重甚至过载时，感应电机连接的飞轮释放机械能，通过感应电机转化为电能，同交流电源一起给负载供电，减少交流电源支路的电流，有效防止过电流的产生。从而保护了逆变器的正常运行。
与现有技术相比，本发明具有如下的优点和技术效果：本发明在目前大量应用的交流电源***的基础上，只需要增加飞轮储能装置，整个电源***的改造相对简单。逆变器及其电源其他部分完全不用改动，但飞轮储能装置的接入能有效减少过电压和过电流对***的影响，大大提高***的稳定性和能源利用的效率。本发明能用于独立供电***的缓冲电源，特别是作为负载变化较大场合的供电电源。
附图说明
图1是实施例基于飞轮储能的交流电源的总体结构图；
图2是实施例中控制器的控制逻辑图；
图3是目前大量应用的交流电源***图。
图4是实验中容量为2.4kVA的基于飞轮储能的交流电源负载由1.1kW突变至6.6kW时的逆变器输出功率图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，但本发明的实施和保护范围不限于此，需指出的是，以下若有未特别详细说明的内容，均是本领域技术人员可参照现有技术实现的。
图1给出了本发明示例的基于飞轮储能的交流电源的总体结构图，其中包括电源模块、控制器、飞轮储能模块和负载。电源模块与负载模块直接连接，飞轮储能模块与负载并联连接，控制器则采样电源模块输出，经过一定的逻辑运算，输出控制信号，控制电源模块中逆变器的动作。
其中，电源模块包括直流电源、逆变器Inv、滤波电感L1。直流电源、逆变器和滤波电感依次串联连接。在独立供电***中，直流电源通常为光伏电池或者蓄电池以及其他形式的直流电源。逆变器采用的是通用的三相全桥拓扑结构，这里不再赘述，具体是采用智能功率模块，其中集成了驱动和保护电路。滤波电感用于滤除电流中杂波，获得较稳定地电流输出。
控制器采用TI公司的DSP作为核心控制芯片，型号为TMS320F2812。***的采样电路采用该芯片的通用采样电路，而驱动电路是集成在逆变器模块中。控制器采样得到经过滤波电感后电路输出的电压和电流作为控制器的输入，经过一定的控制逻辑(在后面详述)得到控制信号，作为驱动信号输出给逆变器。控制的效果是为了维持输出正弦电流驱动后面的负载以及感应电机。对于所使用的控制方法，本发明申明的方法特别针对负载过载时，产生过流的情况下的控制。
飞轮储能模块包括感应电机、飞轮、旁路电感L2、旁路电容C2。整个飞轮储能模块连接在滤波电感L1的输出侧。感应电机的三相电源来自滤波电感的输出三相交流电。飞轮则是作为感应电机的负载。旁路电感和旁路电容串联连接。它们作为一个整体与感应电机和飞轮这个整体再并联连接。运行中旁路电感和旁路电容这个支路主要作为感应电机的过压和过流保护电路，缓冲电路中可能出现的过电压和过电流，保护电机免受损坏。
负载连接在滤波电感L1的输出端，同时与飞轮储能模块并联。在负载与滤波电感之间串联有开关K1。显然，K1是用于选择负载是否工作。K1闭合时，负载运行工作；关闭时，负载与电路断开连接。负载通常是工业控制中的各种电机，如吊机中的驱动电机、工厂的传送带上的驱动电机。这些负载的共同特点是负载不稳定，并通常有过载的情况发生。电机的控制精度要求不高，但过载时产生的过电流会对逆变器造成损坏，因此要特别注意治理可能产生的过电流。
交流电源在通用的独立供电***的负载端并联接入飞轮储能模块。通过开关的闭合和断开来控制负载的接入和断开。工作时，感应电机能储存能量也能释放能量。当负载较小时，电源的输出足以驱动负载，这时剩余的能量经过感应电机，把电能转化为机械能储存在飞轮中；当负载较重甚至过载时，感应电机连接的飞轮释放机械能，通过感应电机转化为电能，同交流电源一起给负载供电，减少交流电源支路的电流，有效防止过电流的产生。从而保护了逆变器的正常运行。
图2是本实例控制器的控制逻辑图。控制器采样得到逆变器输出三相电压中的vuv、vwv和三相电流中的iu、iw。经过iuvuv+iwvwv这个运算，将其值赋为p。将p值与0进行比较：如果p>0，对p乘以增益K，K为本领域技术人员可在保证控制稳定性的前提下经过调试确定；如果p<0，对iu、iw进行Park变换，得到iα、iβ，经过这个运算，并定义其结果irms。将irms与输入的目标电流值ith的差值经过PI控制，其输出和pK相加，其和定义为finv，finv经过限幅器之后便得到控制的目标三相电流和三相电压，从而形成完整的闭环控制。由此可见，控制环路中包括电流外环和电压内环，分别应用于电流和电压控制。电压内环首先判断p值的正负情况。如果p为真值，电流外环直接对采样得到的三相电流经过Park变换得到在两相静止坐标系下的电流值，解耦结果提高后续控制效率。然后对这两相电流经过运算得到irms，通过与ith比较后的差值进行PI控制得到电压内环的输入，电压内环之前计算的p值经过K倍增益后与输入比较经过限幅器之后，输出控制信号。控制信号直接给到逆变器即可得到完整的反馈控制环路。
图3是目前大量应用的交流电源***图。与本发明提出的基于飞轮储能的交流电源的显著差别在于负载直接连接在独立供电***上，而并没有飞轮储能装置。因此，在负载突变的时候，***中会产生明显的过电流和过电压，***的稳定性相对很低。
图4是实验中容量为2.4kVA的基于飞轮储能的交流电源负载由1.1kW突变至6.6kW时的逆变器输出功率图。基于飞轮储能的交流电源的硬件连接按照前述提出的***连接方式。主要包括电源模块、控制器、飞轮储能模块、开关和负载；电源模块与负载模块通过开关连接，飞轮储能模块与负载并联连接；电源模块包括直流电源、逆变器Inv、滤波电感L1；直流电源、逆变器和滤波电感依次串联连接；控制器采用TI公司的DSP作为核心控制芯片，型号为TMS320F2812；飞轮储能模块包括感应电机、飞轮、旁路电感L2、旁路电容C2；负载连接在滤波电感L1的输出端，在负载与滤波电感之间串联有开关K1；控制器采样得到经过滤波电感后电路输出的电压和电流作为控制器的输入，输出逆变器Inv的各个开关管的控制信号，作为驱动信号连接到逆变器的驱动信号输入端，使逆变器输出正弦电流驱动负载以及感应电机。
为了验证本发明提出的基于飞轮储能的交流电源能实现相应的功能，在2.4kVA的基于飞轮储能的交流电源上验证负载突变时候的线路控制过电压和过电流能力。图4中纵轴为功率，横轴为时间轴。显然，输出功率大小能集中体现输出的电流和电压大小。实际上，我们关心过电压和过电流也是为了保护逆变器的正常安全运行。从图4中可以看到，负载突变到6.6kW时，没有飞轮储能装置的***逆变的输出功率直接就提高到6.6kW，显然产生极大的过电流和过电压。而在本发明突出的基于飞轮储能的交流电源中，逆变器的输出功率提高到2.2kW左右，即便是超调量也小于6.6kW，稳定后的输出功率更远远小于6.6kW。因此，本发明能有效控制过电流和过电压，维持整个***的正常可靠运行。

Claims (3)

1.一种基于飞轮储能的交流电源，其特征在于包括电源模块、控制器、飞轮储能模块、开关和负载；电源模块与负载模块通过开关连接，飞轮储能模块与负载并联连接；控制器采样电源模块输出，并输出控制信号，控制电源模块中逆变器的动作；当负载较重甚至过载时，感应电机连接的飞轮释放机械能，通过感应电机转化为电能，同交流电源一起给负载供电，减少交流电源支路的电流，有效防止过电流的产生；电源模块包括直流电源、逆变器、滤波电感；直流电源、逆变器和滤波电感依次串联连接；逆变器采用三相全桥拓扑结构，具体是采用智能功率模块，其中集成了驱动和保护电路；滤波电感用于滤除电流中杂波；飞轮储能模块包括感应电机、飞轮、旁路电感、旁路电容；整个飞轮储能模块连接在滤波电感的输出侧；感应电机输入的电源经过滤波电感后接到感应电机的电源输入端；飞轮则是作为感应电机的负载；旁路电感和旁路电容串联连接作为一个整体与感应电机的输入端连接；所述负载连接在滤波电感的输出端，在负载与滤波电感之间串联有开关K1；K1闭合时，负载运行工作；断开时，负载与电路断开连接。
2.根据权利要求1所述的基于飞轮储能的交流电源，其特征在于控制器采用TI公司的DSP作为核心控制芯片，型号为TMS320F2812；控制器采样得到经过滤波电感后电路输出的电压和电流作为控制器的输入，输出逆变器(Inv)的各个开关管的控制信号，作为驱动信号连接到逆变器的驱动信号输入端，使逆变器输出正弦电流驱动负载以及感应电机。
3.权利要求1所述的基于飞轮储能的交流电源的控制方法，其特征在于控制器采样得到逆变器输出三相u、v、w电压中的vuv、vwv和三相电流中的iu、iw，将iuvuv+iwvwv这个值赋为p；将p值与0进行比较：如果p>0,对p乘以增益K；如果p<0，对iu、iw进行Park变换，得到iα、iβ；经过这个运算，并定义其结果为irms，将irms与输入的目标电流值ith的差值经过PI控制，其输出和pK相加，其和定义为finv，finv经过限幅器之后便得到控制的目标三相电流和三相电压，从而形成完整的闭环控制。
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