CN205753988U - 一种应用于高速飞轮储能***的电力变换装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及电机控制技术领域，尤其为一种应用于高速飞轮储能***的电力变换装置，包括半桥驱动电路、能量回馈电路、双向Buck‑Boost变换电路和波电路。本实用新型，能够实现飞轮储能***能量的双向流动，能够实现高速飞轮储能电机的四象限运行；计了能量回馈回路，大大提高能量的利用率，提高了飞轮储能***的运行效率；结构简单可靠，且不存在直通短路的危险，提高了高速飞轮电机运行的安全性。
Description
技术领域
本实用新型涉及电机控制技术领域，具体为一种应用于高速飞轮储能***的电力变换装置。
背景技术
飞轮储能***是一种新型的机电能量转换与存储装置，具有使用寿命长、转换效率高、适应性强以及无污染等优点，在航空航天、分布式发电、电力调峰以及电动汽车等领域有着广泛的应用前景。
传统的有铁心无刷直流电机作为飞轮储能电机，其经过结构优化设计后可以具有很高的运行效率，但是在高速运转时，电机的空载损耗往往很高；同时，其空载和负载运行时的不平衡磁拉力对磁轴承***的承载力和刚度提要求较高。无铁心永磁无刷直流电机能够克服上述的缺陷，以其高运行效率、低待机损耗的优势成为飞轮储能电机的选项之一。
外转子无铁心永磁无刷直流电机常用的驱动拓扑主要有两种，一种是单极性驱动电路，另一种是双极性驱动电路。采用半桥驱动电路结构时，其具有以下优点：(1)控制方式简单；(2)半桥驱动电路所用开关管只有全桥驱动电路的一半，经济性更好；(3)半桥驱动电路不存在全桥驱动电路一相桥臂可能发生直通的危险，安全性更好；(4)每相绕组承受的电压均为母线电压，其直流母线电压利用率更高。
当然，相对于全桥驱动电路，半桥驱动电路也存在着一定的不足：(1)由于绕组电流方向的单一性，此结构仅能实现能量的单方向流动，不能实现电机的四象限的运行；(2)半桥驱动电路不存在续流回路，开关管关断的能量主要依靠RCD缓冲电路吸收，缓冲电路消耗掉电机电感的储能，因此半桥驱动电路不适合应用在大功率的场合。
由于飞轮的电机的转速很高(电机电频率很高)，直接在开关管驱动信号上加入PWM调制信号不太适宜，因此这类飞轮电机比较适合采用方波驱动，如果采用全桥拓扑结构，其控制灵活的优势并不能很好的体现；从储能***安全性的角度考虑，采用半桥驱动电路能够避免全桥驱动电路可能发生的一相桥臂直通而造成相间短路的危险隐患，可靠性更高；从性能指标要求上考虑，半桥驱动电路也完全能够满足要求，而且其控制更加简单，成本更加低廉。综合考虑以上因素，这类电机选用半桥驱动拓扑结构比较合适。
半桥驱动电路应用于飞轮储能***，其存在着几个问题：(1)如何实现飞轮储能***能量的双向流动(即如何设计储能与释能回路)；(2)飞轮的电机的转速很高，在开关管驱动信号上加入PWM调制信号不太适宜，如何实现飞轮电机的调速控制；(3)由于不存在续流回路，开关管关断的能量主要依靠缓冲电路吸收，在电机电感小(无铁心结构)、转速低的情况下，此方案可行，但随着转速的升高，电感储能将迅速增大，这部分损耗将急剧增大，这部分能量该如何利用。针对现有半桥驱动电路存在的问题，提出了一种新型的飞轮储能***电力变换装置。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种应用于高速飞轮储能***的电力变换装置，以解决上述背景技术中提出的问题。所述应用于高速飞轮储能***的电力变换装置具有能够实现飞轮储能***能量的双向流动、设计了能量回馈回路，大大提高能量的利用率，提高了飞轮储能***的运行效率和结构简单可靠。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种应用于高速飞轮储能***的电力变换装置，包括直流电源U1，所述直流电源U1的两端接有负载R1，所述负载R1的两端并接有电容C1、电容C2、开关管T2和电容C3，所述电容C1的输入端连接有电感Lr，所述电感Lr连接有反向偏置的二极管D3，且二极管D3连接电容C1的输出端，所述电感Lr与反向偏置的二极管D3的结点连接有开关管Tr的集电极，所述电容C1和电容C2的输入端之间连接有电感L1，所述电容C2的输入端连接有开关管T1的集电极，所述开关管T1的发射极与开关管T2的集电极连接，所述开关管T1的集电极和发射极之间反并联二极管D1，所述T2的集电极和发射极之间反并联二极管D2，且T2的集电极和电容C3的输入端之间连接有电感L2，所述电容C3的输入端连接有无刷直流电机，所述无刷直流电机的换向电路分别连接有开关管Ta、开关管Tb和开关管Tc的集电极，所述开关管Ta、开关管Tb和开关管Tc的发射极并接后与电容C3的输出端连接，且开关管Ta、开关管Tb和开关管Tc构成半桥驱动电路，所述开关管Ta的集电级与发射极之间反并联二极管Da，开关管Tb的集电级与发射极之间反并联二极管Db，开关管Tc的集电级与发射极之间反并联二极管Dc，所述开关管Tr的发射极接有反向偏置的二极管D4、二极管D5和二极管D6，所述二极管D4与开关管Ta的集电级连接，二极管D5与开关管Tb的集电级连接，二极管D6与开关管Tc的集电级连接，所述二极管D4、二极管D5和二极管D6与电容C3的输出端之间连接有电容C0，所述开关管Tr、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D3、电感Lr和电容C0构成能量回馈电路，所述电感L1和电容C1构成滤波电路，所述开关管T1、开关管T2、电感L2、电容C2和电容C3构成双向Buck-Boost变换电路。
优选的，所述直流电源U1串接有用于关断电路的开关S1。
优选的，所述负载R1上串接有用于断开负载的开关S2。
优选的，所述电感L2和无刷直流电机输入端之间连接有PI调节器。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本应用于高速飞轮储能***的电力变换装置，1、能够实现飞轮储能***能量的双向流动，能够实现高速飞轮储能电机的四象限运行；2、设计了能量回馈回路，大大提高能量的利用率，提高了飞轮储能***的运行效率；3、结构简单可靠，且不存在直通短路的危险，提高了高速飞轮电机运行的安全性。
附图说明
图1为本实用新型结构示意图；
图2为本实用新型储能模式运行示意图；
图3为本实用新型释能模运行式示意图；
图4为本实用新型储能模式飞轮电机控制策略示意图；
图5为本实用新型释能模式飞轮电机控制策略示意图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
请参阅图1-5，本实用新型提供一种技术方案：
一种应用于高速飞轮储能***的电力变换装置，包括直流电源U1，直流电源U1串接有用于关断电路的开关S1，直流电源U1的两端接有负载R1，负载R1上串接有用于断开负载的开关S2，负载R1的两端并接有电容C1、电容C2、开关管T2和电容C3，电容C1的输入端连接有电感Lr，电感Lr连接有反向偏置的二极管D3，且二极管D3连接电容C1的输出端，电感Lr与反向偏置的二极管D3的结点连接有开关管Tr的集电极，电容C1和电容C2的输入端之间连接有电感L1，电容C2的输入端连接有开关管T1的集电极，开关管T1的发射极与开关管T2的集电极连接，开关管T1的集电极和发射极之间反并联二极管D1，T2的集电极和发射极之间反并联二极管D2，且T2的集电极和电容C3的输入端之间连接有电感L2，电容C3的输入端连接有无刷直流电机，电感L2和无刷直流电机输入端之间连接有PI调节器，无刷直流电机的换向电路分别连接有开关管Ta、开关管Tb和开关管Tc的集电极，开关管Ta、开关管Tb和开关管Tc的发射极并接后与电容C3的输出端连接，且开关管Ta、开关管Tb和开关管Tc构成半桥驱动电路，开关管Ta的集电级与发射极之间反并联二极管Da，开关管Tb的集电级与发射极之间反并联二极管Db，开关管Tc的集电级与发射极之间反并联二极管Dc，开关管Tr的发射极接有反向偏置的二极管D4、二极管D5和二极管D6，二极管D4与开关管Ta的集电级连接，二极管D5与开关管Tb的集电级连接，二极管D6与开关管Tc的集电级连接，二极管D4、二极管D5和二极管D6与电容C3的输出端之间连接有电容C0，开关管Tr、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D3、电感Lr和电容C0构成能量回馈电路，电感L1和电容C1构成滤波电路，开关管T1、开关管T2、电感L2、电容C2和电容C3构成双向Buck-Boost变换电路。
飞轮储能***有三种工作模式：飞轮储能模式、飞轮待机模式和飞轮释能模式。
在飞轮储能模式中，能量由电源流向飞轮储能***，此时，半桥驱动电路根据换向信号工作在电动状态，驱动飞轮电机电动运行；双向Buck-Boost变换电路工作在Buck降压模式(T1工作在PWM状态、T2保持关断)，用于调节飞轮电机的输入电压，实现飞轮电机的恒转矩或恒功率启动及加速运行；能量回馈回路此时工作(Tr工作在PWM状态)，实现将三相开关管关断能量回馈前级电源的功能。
在飞轮释能模式中，能量由飞轮储能***流向负载，此时，半桥驱动电路工作在半波整流模式(Ta，Tb，Tc全部锁死，开关管上反并联的二极管Da，Db，Dc组成半波整流电路)；随着转速的降低，电机输出电压也降低，为了维持输出电压稳定，双向Buck-Boost变换电路工作在Boost升压状态(T2工作在PWM状态、T1锁死)；能量回馈电路此时不工作(Tr锁死)。
在飞轮待机模式中，飞轮储能***与电源没有能量交换，此时，飞轮驱动电路所有开关管均关断，飞轮电机进入空转待机状态，由于存在着损耗，飞轮***的转速会逐渐的下降，当转速到达空载转速设定下限时，飞轮储能***切换到储能模式，飞轮电机升速；当飞轮转速到达空载转速设定上限时，飞轮电机又进入空转待机状态，周而复始。
飞轮储能***电力变换装置的控制方法如下：
飞轮储能***的储能过程对应着飞轮电机的升速过程，在这个过程中，变流器驱动飞轮电机以电动方式运行，电能转换为机械能存储在飞轮中。飞轮电机在升速过程中要求电机的功率尽可能大、启动尽量快、飞轮转动尽量平稳。飞轮电机储能过程中的控制策略主要包括飞轮电机的控制和转储电容电压的控制，为了保证***的稳定运行，我们采用恒转矩与恒功率相结合的驱动方式：在启动阶段，由于飞轮惯量大，速度响应慢，需要很大的启动转矩，而对控制精度的要求相对较低，我们可以采用恒功率限流启动的方式。此时，***采用单闭环的控制结构，在启动初期，飞轮电机输入功率较低，PI调节器输出值超过限幅调节器的阀值，限幅环节进入饱和状态，母线电流控制输出值始终为限幅调节器的阀值，飞轮电机进入恒转矩控制模式。随着储能过程的深入，飞轮电机的转速逐渐升高，PI调节器输出逐渐减小，当限幅环节退出饱和时，飞轮电机自动转入到恒功率控制模式。当飞轮电机进入调速阶段时，为了兼顾控制的精度和响应的速度，可以根据控制要求切换到转速闭环控制，此时，***采用双闭环控制结构，外环为转速环，用于进行飞轮电机的转速调节；内环为电流环，用于控制飞轮电机的充电电流。转储电容电压的控制采用电压单闭环控制结构，斩波开关Tr采用固定PWM占空比并结合滞环控制可较好地减小储能电容电压和电机电流脉动，有利于改善***性能。
在飞轮释能的过程中，变流装置按照上层控制器的功率指令控制电机能量的输出，电机运行于制动状态。通过不可控整流所得的电压比较低，而且随着转速的降低整流输出的电压也随之降低并且有一定的脉动，为此前级双向Buck-Boost变换电路工作在Boost升压状态。前级双向变换器工作在Boost模式，采用双闭环控制控制，外环维持直流母线电压稳定，内环控制飞轮储能***放电电流，用于调节输出功率。在飞轮释能控制过程中，同时还需要时时监测飞轮的转速，根据上层控制器的指令信号及当前飞轮的转速确定电机的输出电流的大小。当飞轮的转速超过最高转速或低于最低转速时，飞轮储能***进入待机状态。
尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神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，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (4)
1.一种应用于高速飞轮储能***的电力变换装置，其特征在于：包括直流电源U1，所述直流电源U1的两端接有负载R1，所述负载R1的两端并接有电容C1、电容C2、开关管T2和电容C3，所述电容C1的输入端连接有电感Lr，所述电感Lr连接有反向偏置的二极管D3，且二极管D3连接电容C1的输出端，所述电感Lr与反向偏置的二极管D3的结点连接有开关管Tr的集电极，所述电容C1和电容C2的输入端之间连接有电感L1，所述电容C2的输入端连接有开关管T1的集电极，所述开关管T1的发射极与开关管T2的集电极连接，所述开关管T1的集电极和发射极之间反并联二极管D1，所述T2的集电极和发射极之间反并联二极管D2，且T2的集电极和电容C3的输入端之间连接有电感L2，所述电容C3的输入端连接有无刷直流电机，所述无刷直流电机的换向电路分别连接有开关管Ta、开关管Tb和开关管Tc的集电极，所述开关管Ta、开关管Tb和开关管Tc的发射极并接后与电容C3的输出端连接，且开关管Ta、开关管Tb和开关管Tc构成半桥驱动电路，所述开关管Ta的集电级与发射极之间反并联二极管Da，开关管Tb的集电级与发射极之间反并联二极管Db，开关管Tc的集电级与发射极之间反并联二极管Dc，所述开关管Tr的发射极接有反向偏置的二极管D4、二极管D5和二极管D6，所述二极管D4与开关管Ta的集电级连接，二极管D5与开关管Tb的集电级连接，二极管D6与开关管Tc的集电级连接，所述二极管D4、二极管D5和二极管D6与电容C3的输出端之间连接有电容C0，所述开关管Tr、二极管D4、二极管D5、二极管D6、二极管D3、电感Lr和电容C0构成能量回馈电路，所述电感L1和电容C1构成滤波电路，所述开关管T1、开关管T2、电感L2、电容C2和电容C3构成双向Buck-Boost变换电路。
2.根据权利要求1所述的一种应用于高速飞轮储能***的电力变换装置，其特征在于：所述直流电源U1串接有用于关断电路的开关S1。
3.根据权利要求1所述的一种应用于高速飞轮储能***的电力变换装置，其特征在于：所述负载R1上串接有用于断开负载的开关S2。
4.根据权利要求1所述的一种应用于高速飞轮储能***的电力变换装置，其特征在于：所述电感L2和无刷直流电机输入端之间连接有PI调节器。
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