專利名稱：一種多飛輪儲(chǔ)能單元并聯(lián)的飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種面向交流電網(wǎng)或分布式微網(wǎng)的大功率飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
飛輪儲(chǔ)能是一種將電能以機(jī)械能形式儲(chǔ)存在高速旋轉(zhuǎn)的飛輪轉(zhuǎn)子中的儲(chǔ)能技術(shù)，一般由飛輪轉(zhuǎn)子、支撐軸承、電機(jī)、保護(hù)外殼以及電力變換電路構(gòu)成。根據(jù)飛輪轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速可以將其分為高速飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)與低速飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，前者使用復(fù)合材料轉(zhuǎn)子和磁懸浮軸承，工作轉(zhuǎn)速在幾萬轉(zhuǎn)/分；后者使用金屬材料轉(zhuǎn)子和機(jī)械軸承，工作轉(zhuǎn)速一般為幾千轉(zhuǎn)/分。根據(jù)國內(nèi)外飛輪儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)資料顯示，獨(dú)立飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定輸出功率最大可達(dá)225kW(400VAC)，此類獨(dú)立系統(tǒng)主要用于應(yīng)急電源、航天衛(wèi)星以及電動(dòng)汽車等。風(fēng)力和光伏發(fā)電等間歇式可再生能源的大量并網(wǎng)發(fā)電，對交流電網(wǎng)或者分布式微網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性產(chǎn)生較大的負(fù)面影響，會(huì)極大限制可再生能源的并網(wǎng)滲透率。通過合理配置和控制功率型儲(chǔ)能系統(tǒng)，可提高電網(wǎng)在間歇式能源擾動(dòng)作用下的動(dòng)態(tài)性能和應(yīng)對動(dòng)態(tài)沖擊的能力，實(shí)現(xiàn)其在電網(wǎng)中容量可信度的提高。與傳統(tǒng)化學(xué)電池儲(chǔ)能相比，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)具有無污染、充放電循環(huán)次數(shù)無限制、能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，用于平抑新能源的功率波動(dòng)比較適合。但是，獨(dú)立的飛輪儲(chǔ)能單元容量有限，而且受轉(zhuǎn)子材料、以及整機(jī)制造成本的約束，能夠滿足交流電網(wǎng)功率需求的大容量飛輪儲(chǔ)能單元的研制成本非常高。中國的發(fā)明專利200910219473公開了一種兆瓦級飛輪儲(chǔ)能裝置，其十米直徑的飛輪轉(zhuǎn)子對于氣浮或者液浮軸承的要求太高，不易實(shí)現(xiàn)，并且兆瓦級電機(jī)的成本高昂、體積巨大，將大幅降低 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率密度。因此，應(yīng)對MW級別的電網(wǎng)功率需求，可采取將特定功率等級的飛輪儲(chǔ)能單元并聯(lián)，構(gòu)建大容量的飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)飛輪儲(chǔ)能單元的容量，實(shí)現(xiàn)模塊化生產(chǎn)，達(dá)到降低系統(tǒng)成本的目的。美國專利US8008804B2公開了一種用于交流電網(wǎng)調(diào)頻的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法，該系統(tǒng)含有多個(gè)飛輪儲(chǔ)能單元，所有單元同時(shí)并聯(lián)在一條直流母線上，再經(jīng)由一個(gè)固定容量的并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換成交流并入電網(wǎng)。該系統(tǒng)的容量受到并網(wǎng)逆變器的限制，無法在系統(tǒng)內(nèi)部自由添加新的飛輪儲(chǔ)能單元，系統(tǒng)的擴(kuò)展性不強(qiáng)。綜上所述，由于可再生能源將大量并入電網(wǎng)，從而需要在電網(wǎng)中配置儲(chǔ)能設(shè)備，因此仍需研發(fā)一種能直接并入交流電網(wǎng)或分布式微網(wǎng)的大功率飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)，拓展飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的不足，提供一種能夠直接并入交流電網(wǎng)的飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是將內(nèi)部結(jié)構(gòu)和參數(shù)特性完全相同的多個(gè)飛輪儲(chǔ)能單元并聯(lián)在同一條交流母線上，構(gòu)成一個(gè)飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)，所述的飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)通過其內(nèi)部的一個(gè)并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)實(shí)現(xiàn)并入交流電網(wǎng)的功能。本發(fā)明通過采取合理的控制方法，可以完成該飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)與交流電網(wǎng)之間的能量交換，確保電網(wǎng)在可再生能源擾動(dòng)作用下的功率平衡，維持交流電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠性。本發(fā)明所述的飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)由一條公共交流母線，一個(gè)并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)，一個(gè)飛輪陣列控制器以及兩個(gè)以上的飛輪儲(chǔ)能單元及其單元控制器組成。其中，各個(gè)飛輪儲(chǔ)能單元的交流側(cè)引出端并聯(lián)于公共交流母線上，公共交流母線經(jīng)由并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)再與交流電網(wǎng)連接。飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)通過控制并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)實(shí)現(xiàn)并入或者脫離交流電網(wǎng)的功能。飛輪陣列控制器通過通信控制信號(hào)線與各個(gè)單元控制器連接，并利用工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議完成飛輪陣列控制器與各個(gè)飛輪儲(chǔ)能單元的單元控制器之間，以及各個(gè)飛輪儲(chǔ)能單元的單元控制器之間的信號(hào)傳輸。所述的飛輪儲(chǔ)能單元的數(shù)量可根據(jù)交流電網(wǎng)所需配置儲(chǔ)能的容量確定。飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部含有一條公共交流母線，所有飛輪儲(chǔ)能單元的交流側(cè)引出端均并聯(lián)在這條交流母線上，并聯(lián)的飛輪儲(chǔ)能單元數(shù)量可以增加和減少，從而增強(qiáng)了飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性。所述的公共交流母線經(jīng)過一個(gè)受控的并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)接入交流電網(wǎng)。如果交 流電網(wǎng)和飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)均處于正常狀態(tài)，并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)閉合，飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)以電流源的形式并入交流電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)吸收或者釋放功率的功能；如果交流電網(wǎng)和飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)二者中任何一方出現(xiàn)故障情況，則并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)斷開，確保正常運(yùn)行的系統(tǒng)不受影響。此時(shí)，飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)處于離網(wǎng)狀態(tài)，必須將系統(tǒng)內(nèi)剩余的能量通過飛輪儲(chǔ)能單元內(nèi)部的制動(dòng)單元釋放完畢，才可以再次并網(wǎng)。所述的飛輪儲(chǔ)能單元由LCL濾波器、電網(wǎng)側(cè)雙向功率變換電路、飛輪電機(jī)側(cè)雙向功率變換電路、制動(dòng)單元、永磁同步電機(jī)、支撐軸承以及飛輪轉(zhuǎn)子組成。其中，LCL濾波器的一側(cè)與交流電網(wǎng)連接，LCL濾波器的另一側(cè)與電網(wǎng)側(cè)雙向功率變換電路的交流側(cè)引出端連接。電網(wǎng)側(cè)雙向功率變換電路的直流側(cè)引出端與飛輪電機(jī)側(cè)雙向功率變換器的直流側(cè)弓I出端連接，飛輪電機(jī)側(cè)雙向功率變換器的交流側(cè)的三個(gè)引出端分別與永磁同步電機(jī)的A相、B相和C相線連接。永磁同步電機(jī)與飛輪轉(zhuǎn)子同軸連接并安裝于支撐軸承上。飛輪儲(chǔ)能單元在并入交流電網(wǎng)情況下的正常工作模式有三種充電、待機(jī)和放電。如果飛輪儲(chǔ)能單元工作于充電模式，則由交流電網(wǎng)經(jīng)過電網(wǎng)側(cè)雙向功率變換器的整流功能向飛輪儲(chǔ)能單元內(nèi)部的直流母線提供能量，然后再由飛輪電機(jī)側(cè)雙向功率變換電路將直流逆變成交流供給與飛輪轉(zhuǎn)子同軸安裝的永磁同步電機(jī)，驅(qū)動(dòng)飛輪轉(zhuǎn)子加速至給定轉(zhuǎn)速，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)吸收功率的功能；如果飛輪儲(chǔ)能單元工作于待機(jī)模式，則交流電網(wǎng)不與飛輪儲(chǔ)能單元發(fā)生功率交換；當(dāng)飛輪儲(chǔ)能單元工作于放電模式，則由飛輪電機(jī)側(cè)雙向功率變換電路將永磁同步電機(jī)發(fā)出的交流電整流成直流，向單元內(nèi)部的直流母線提供能量，再由電網(wǎng)側(cè)雙向功率變換電路將單元內(nèi)部的直流母線逆變成交流，通過LCL濾波器和并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)送入交流電網(wǎng)。多飛輪儲(chǔ)能單元并聯(lián)的飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)以電流源形式向交流電網(wǎng)釋放功率，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。所述的飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)采用層級控制模式，所述的陣列控制器為上層控制器，各個(gè)單元控制器為下層控制器。由陣列控制器垂直向下控制每一個(gè)單元控制器。具體實(shí)現(xiàn)方法為陣列控制器可以由支持工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的工控機(jī)和顯示設(shè)備組成，陣列控制器利用一種協(xié)調(diào)控制算法，將維持交流電網(wǎng)功率平衡所需的功率需求合理分配至每一個(gè)單元控制器。所述的單元控制器利用一種飛輪儲(chǔ)能單元控制方法，同時(shí)控制電網(wǎng)側(cè)雙向功率變換電路以及飛輪電機(jī)側(cè)雙向功率變換電路，驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)向交流電網(wǎng)吸收或者釋放功率。所述的協(xié)調(diào)控制算法可以根據(jù)各個(gè)飛輪儲(chǔ)能單元的儲(chǔ)能狀態(tài)以及交流電網(wǎng)所需的功率，隨時(shí)調(diào)整參與能量交換的飛輪儲(chǔ)能單元數(shù)量，確保飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行在較優(yōu)狀態(tài)。陣列控制器和各個(gè)單元控制器之間的指令傳輸經(jīng)由工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，保證功率指令和單元狀態(tài)準(zhǔn)確迅速的在上層與下層控制器間傳輸。所述的并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)由飛輪陣列控制器控制，當(dāng)飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)滿足并網(wǎng)條件，則陣列控制器向并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)發(fā)出閉合指令；當(dāng)交流電網(wǎng)或者飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)自身發(fā)生故障，不再滿足并網(wǎng)條件，則飛輪陣列控制器向并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)發(fā)出斷開指令。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，克服了大功率飛輪儲(chǔ)能單元的加工成本過高的不足，將模塊化的飛輪儲(chǔ)能單元并聯(lián)連接，組成能夠滿足交流電網(wǎng)應(yīng)用需求的飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)。此外，與傳統(tǒng)的面向交流電網(wǎng)應(yīng)用的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)不同，本發(fā)明提供的飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)，采用交流母線并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，從交流側(cè)并入交流電網(wǎng)，而且飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部的飛輪儲(chǔ) 能單元并聯(lián)的數(shù)量可以隨意增加和減少，提高了儲(chǔ)能系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。圖I本發(fā)明飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)的一個(gè)具體實(shí)施例；圖2本發(fā)明飛輪儲(chǔ)能單元的一個(gè)具體實(shí)施例；圖3本發(fā)明飛輪陣列控制器的控制流程圖；圖4本發(fā)明單元控制器的控制流程圖。
具體實(shí)施例方式圖I所示為本發(fā)明飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)的原理一個(gè)具體實(shí)施例。如圖I所示，一種能夠直接并入交流電網(wǎng)100的飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)105由一條公共交流母線200，一個(gè)并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)104，以及兩個(gè)以上的飛輪儲(chǔ)能單元及其單元控制器組成。其中，公共交流母線200由A相200a、B相200b、C相200c組成，每個(gè)飛輪儲(chǔ)能單元以并聯(lián)的方式接入公共交流母線200。因此，每個(gè)飛輪儲(chǔ)能單元的三個(gè)交流側(cè)引出端分別與公共交流母線200的A相200a、B相200b、C相200c連接。例如第一飛輪儲(chǔ)能單元300的交流側(cè)第一引出端411與公共交流母線200的A相200a連接，第二引出端412與公共交流母線200的B相200b連接，第三引出端413與公共交流母線200的C相200c連接；第二飛輪儲(chǔ)能單元310的交流側(cè)第一引出端421與公共交流母線200的A相200a連接，第二引出端422與公共交流母線200的B相200b連接，第三引出端423與公共交流母線200的C相200c連接；……;第N飛輪儲(chǔ)能單元320，N > 2，的交流側(cè)第一引出端431、第二引出端432、第三引出端433分別與公共交流母線200的A相200a、B相200b、C相200c連接。并聯(lián)接入飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)105的公共交流母線200的飛輪儲(chǔ)能單元，其數(shù)量可以根據(jù)飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)105所設(shè)計(jì)的容量決定，飛輪儲(chǔ)能單元的數(shù)量可以根據(jù)交流電網(wǎng)100的需要隨意增加或者減少，靈活性較強(qiáng)。公共交流母線200的三相接線分別與并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)104的三個(gè)單相開關(guān)連接，而并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)104再與交流電網(wǎng)100連接。即，公共交流母線200的A相200a與并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)104的A相回路開關(guān)104a連接，B相200b與并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)104的B相回路開關(guān)104b連接，C相200c與并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)104的C相回路開關(guān)104c連接。并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)104的A相回路開關(guān)104a再與交流電網(wǎng)100的A相101連接，B相回路開關(guān)104b再與交流電網(wǎng)100的B相102連接，C相回路開關(guān)104c再與交流電網(wǎng)100的C相103連接。飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)105通過控制并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)104實(shí)現(xiàn)并入或者脫離交流電網(wǎng)100的功能。并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)104可以由晶閘管或者可控硅構(gòu)成，起到并網(wǎng)開關(guān)的作用，通過通信控制信號(hào)線504接收飛輪陣列控制器400的控制指令。當(dāng)飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)105和交流電網(wǎng)100均正常工作，則并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)104在飛輪陣列控制器400的控制下閉合，公共交流母線200的A相200a、B相200b、C相200c分別與交流電網(wǎng)100的A相101、B相102、C相103連接。飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)105以電流源形式并入交流電網(wǎng)100，公共交流母線電壓200的相電壓與交流電網(wǎng)100的相電壓幅值和頻率保持一致，均為220V，50Hz。如果飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)105或者交流電網(wǎng)100出現(xiàn)故障，則并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)104斷開，確保正常設(shè)備和系統(tǒng)不受影響。當(dāng)并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)104斷開，飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)105處于離網(wǎng)狀態(tài)，需要迅速停機(jī)。飛輪陣列控制器400通過通信控制信號(hào)線與各個(gè)單元控制器連接，并利用工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議完成控制器之間的信號(hào)傳輸。例如，第一單元控制器401通過通信控制信號(hào)線501與飛輪陣列控制器400連接，第二單元控制器402通過通信控制信號(hào)線502與飛輪陣列控 制器400連接，……，第N單元控制器403，N ^ 2，通過通信控制信號(hào)線503與飛輪陣列控制器400連接。飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)105的控制系統(tǒng)采用層級控制模式，飛輪陣列控制器400作為上層控制器，能夠收集并顯示飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)105內(nèi)部各個(gè)飛輪儲(chǔ)能單元的狀態(tài)信息，例如電壓、電流、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、溫度、以及各單元的剩余能量。飛輪陣列控制器400還負(fù)責(zé)將交流電網(wǎng)100的功率需求分配至每一個(gè)單元控制器，例如第一單元控制器401、第二單元控制器402，……，第N單元控制器403，N > 2，功率分配的依據(jù)是一種協(xié)調(diào)控制算法，按照各個(gè)飛輪儲(chǔ)能單元的運(yùn)行狀態(tài)，計(jì)算每個(gè)單元所應(yīng)承擔(dān)的功率，能夠保證飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)105運(yùn)行損耗較小，能量轉(zhuǎn)換效率較優(yōu)。各個(gè)單元控制器作為下層控制器，例如第一單元控制器401、第二單元控制器402，……，第N單元控制器403，N > 2，接收到飛輪陣列控制器400的功率指令，利用一種飛輪儲(chǔ)能單元控制方法，控制各飛輪儲(chǔ)能單元內(nèi)部的電網(wǎng)側(cè)雙向功率變換電路以及飛輪電機(jī)側(cè)雙向功率變換電路，完成功率的吸收或者釋放。飛輪陣列控制器400可以由高性能工控機(jī)與顯示設(shè)備構(gòu)成。各單元控制器可由數(shù)字信號(hào)處理器DSP及其外圍電路構(gòu)成，完成控制功率變換電路的任務(wù)。飛輪陣列控制器400與各個(gè)單元控制器之間的指令傳輸是通過工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)的，可以是prof inet或者Profibus0作為上層控制器的飛輪陣列控制器400通過通信控制信號(hào)線與各個(gè)單元控制器連接，可以是專用工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)線，也可以是普通網(wǎng)線。例如第一單元控制器401通過通信控制信號(hào)線501與飛輪陣列控制器400連接，第二單元控制器402通過通信控制信號(hào)線502與飛輪陣列控制器400連接，……，第N單元控制器403通過通信控制信號(hào)線503與飛輪陣列控制器400連接。并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)104由飛輪陣列控制器400直接控制，二者之間通過通信控制信號(hào)線504連接。圖2所示為本發(fā)明飛輪儲(chǔ)能單元的一個(gè)具體實(shí)施例。構(gòu)成飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)105的飛輪儲(chǔ)能單元分別是第一飛輪儲(chǔ)能單元300，第二飛輪儲(chǔ)能單元310，……，和第N飛輪儲(chǔ)能單元320，N>2。每個(gè)飛輪儲(chǔ)能單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和參數(shù)特性完全相同，以第一飛輪儲(chǔ)能單元300為例進(jìn)行說明。第一飛輪儲(chǔ)能單元300由LCL濾波器410、電網(wǎng)側(cè)雙向功率變換電路417、飛輪電機(jī)側(cè)雙向功率變換電路425、制動(dòng)單元420、永磁同步電機(jī)429、支撐軸承430以及飛輪轉(zhuǎn)子431組成。電網(wǎng)側(cè)雙向功率變換電路417和飛輪電機(jī)側(cè)雙向功率變換電路425均各自包含直流側(cè)和交流側(cè)引出端，其中電網(wǎng)側(cè)雙向功率變換電路417的交流側(cè)第一引出端414與LCL濾波器410的三相輸入端中的第一引出端432連接、電網(wǎng)側(cè)雙向功率變換電路417的交流側(cè)第二引出端415與LCL濾波器410的三相輸入端中的第二引出端433連接、電網(wǎng)側(cè)雙向功率變換電路417的交流側(cè)第三引出端416與LCL濾波器410的三相輸入端中的第三引出端434連接；LCL濾波器(410)的三相輸出端中的第一引出端(411)作為第一飛輪儲(chǔ)能單元(300)的交流側(cè)第一引出端；LCL濾波器(410)的三相輸出端中的第二引出端(412)作為第一飛輪儲(chǔ)能單元(300)的交流側(cè)第二引出端；LCL濾波器(410)的三相輸出端中的第三引出端(413)作為第一飛輪儲(chǔ)能單元(300)的交流側(cè)第三引出端。電網(wǎng)側(cè)雙向功率變換電路417的直流側(cè)第一引出端418和第二引出端419分別與飛輪電機(jī)側(cè)雙向功率變換電路425的直流側(cè)第一引出端423和第二引出端424連接。飛輪電機(jī)側(cè)雙向功率變換電路425的交流側(cè)第一引出端426、第二引出端427和第三弓I出端428分別與永磁 同步電機(jī)429的A相、B相和C相連接。永磁同步電機(jī)302與飛輪轉(zhuǎn)子431同軸連接并安裝于支撐軸承430上。制動(dòng)單元420的第一引出端421和第二引出端422分別與飛輪電機(jī)側(cè)雙向功率變換電路425的直流側(cè)第一引出端423和第二引出端424連接。電網(wǎng)側(cè)雙向功率變換電路417和飛輪電機(jī)側(cè)雙向功率變換電路425是第一飛輪儲(chǔ)能單元300的能量轉(zhuǎn)換接口，均可實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動(dòng)。如果第一飛輪儲(chǔ)能單元300處于充電狀態(tài)，即第一飛輪儲(chǔ)能單元300吸收來自于交流電網(wǎng)100的功率時(shí)，電網(wǎng)側(cè)雙向功率變換電路417工作于整流模式，在第一單元控制器401的控制下，將交流電壓整流成直流，在電網(wǎng)側(cè)雙向功率變換電路417的直流側(cè)輸出；飛輪電機(jī)側(cè)雙向功率變換電路425則在第一單元控制器401的控制下，將直流電壓逆變成交流，驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)429加速，結(jié)合支撐軸承430的作用，永磁同步電機(jī)429帶動(dòng)飛輪轉(zhuǎn)子431加速,將電能以機(jī)械能形式儲(chǔ)存。如果第一飛輪儲(chǔ)能單元300處于放電狀態(tài)，即第一飛輪儲(chǔ)能單元300向交流電網(wǎng)100釋放功率時(shí)，飛輪電機(jī)側(cè)雙向功率變換電路425工作于整流模式，在第一單元控制器401的控制下，將永磁同步電機(jī)302發(fā)出的交流電壓整流成直流，在飛輪電機(jī)側(cè)雙向功率變換電路425的直流側(cè)輸出；電網(wǎng)側(cè)雙向功率變換電路417則在第一單元控制器401的控制下，將直流電壓逆變成交流，通過LCL濾波器410并入飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)105內(nèi)部的公共交流母線200，將飛輪轉(zhuǎn)子431中儲(chǔ)存的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。制動(dòng)單元420受第一單元控制器410的控制，當(dāng)飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)105與交流電網(wǎng)100正常連接，處于并網(wǎng)狀態(tài)時(shí)，制動(dòng)單元420不發(fā)揮任何作用；當(dāng)飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)105與交流電網(wǎng)100脫離，處于離網(wǎng)狀態(tài)時(shí)，制動(dòng)單元420并入第一飛輪儲(chǔ)能單元300內(nèi)部的直流母線，第一飛輪儲(chǔ)能單元300內(nèi)部剩余的能量均通過制動(dòng)單元420以熱能的形式耗散。圖3所示為飛輪陣列控制器400采用的陣列控制方法的流程圖。當(dāng)飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)105接通電源開始運(yùn)行，則飛輪陣列控制器400進(jìn)入步驟600，開始啟動(dòng)。首先，在步驟601巡檢各單元控制器狀態(tài)，利用工業(yè)以太網(wǎng)通訊協(xié)議，采集各個(gè)飛輪儲(chǔ)能單元的狀態(tài)信息，并檢測交流電網(wǎng)100的狀態(tài)。在步驟602判斷交流電網(wǎng)和各單元狀態(tài)是否正常。如果交流電網(wǎng)100存在短路故障或者狀態(tài)非正常的飛輪儲(chǔ)能單元數(shù)量超過允許值，則進(jìn)入步驟609發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)，飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)105此時(shí)仍處于停機(jī)狀態(tài)。飛輪陣列控制器400重新回到步驟601執(zhí)行程序；如果交流電網(wǎng)100與各個(gè)飛輪儲(chǔ)能單元都正常，則進(jìn)入步驟603控制并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)104閉合，飛輪陣列控制器400向并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)104發(fā)出閉合指令，使得飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)105可以與交流電網(wǎng)100發(fā)生能量交換。然后，在步驟604向各飛輪儲(chǔ)能單元控制器發(fā)送吸收功率指令，意圖讓每個(gè)飛輪儲(chǔ)能單元從交流電網(wǎng)100吸收能量，表現(xiàn)為飛輪轉(zhuǎn)子的速度增加，并保持在某一設(shè)定值，此時(shí)，飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)105完全進(jìn)入正常待機(jī)狀態(tài)，隨時(shí)可以向交流電網(wǎng)100吸收或者釋放功率。飛輪陣列控制器400在步驟605檢測交流電網(wǎng)100和各個(gè)飛輪儲(chǔ)能單元的狀態(tài)是否正常，如果是，則飛輪陣列控制器400進(jìn)入步驟705，計(jì)算飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)105所需要向交流電網(wǎng)100吸收或者釋放的功率，并依據(jù)一種協(xié)調(diào)控制算法將此功率合理分配給各個(gè)單元控制器。當(dāng)功率指令下發(fā)完畢后，飛輪陣列控制器400的控制程序重新回到步驟605檢測交流電網(wǎng)100和各個(gè)飛輪儲(chǔ)能單元的狀態(tài)，并進(jìn)行下一次功率分配的任務(wù)。如果二者有任何故障，則飛輪陣列控制器400進(jìn)入步驟607控制并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)104迅速斷開，確保正常的設(shè)備或系統(tǒng)不受影響。發(fā)生故障事件后，飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)105必須停機(jī)再重新啟動(dòng)，等待合適的并網(wǎng)機(jī)會(huì)。因此，飛輪 陣列控制器400接著進(jìn)入步驟608向各個(gè)飛輪儲(chǔ)能單元控制器發(fā)送停機(jī)指令，并在步驟609發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)，然后飛輪陣列控制器400重新返回系統(tǒng)初始狀態(tài)，在步驟601巡檢個(gè)飛輪儲(chǔ)能單元控制器的狀態(tài)。圖4所示為各個(gè)飛輪儲(chǔ)能單元控制器，例如第一單元控制器401，第二單元控制器402，……，第N單元控制器403，N彡2，所采用的飛輪儲(chǔ)能單元控制方法的流程圖。由于各個(gè)單元控制器軟硬件參數(shù)完全一樣，因此，此處僅描述飛輪儲(chǔ)能單元控制方法運(yùn)行在第一單元控制器401中的各個(gè)步驟，飛輪儲(chǔ)能單元控制方法運(yùn)行在其余單元控制器的步驟與此相同。首先，第一單元控制器401進(jìn)入步驟700啟動(dòng)，在步驟701采集電網(wǎng)側(cè)雙向功率變換電路417、飛輪電機(jī)雙向功率變換電路425以及永磁同步電機(jī)429的狀態(tài)信息，并在后續(xù)步驟702向陣列控制器400發(fā)送該狀態(tài)信息。然后，第一單元控制器401進(jìn)入步驟703檢測是否收到飛輪陣列控制器400的吸收功率的指令，如果沒有，則重新回到步驟701 ;如果收到指令，則第一單元控制器401進(jìn)入步驟704，控制電網(wǎng)側(cè)雙向功率變換電路417和飛輪電機(jī)側(cè)雙向功率變換電路425，使永磁同步電機(jī)429加速至工作轉(zhuǎn)速。此時(shí)，第一飛輪儲(chǔ)能單元300已經(jīng)完成啟動(dòng)過程，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，隨時(shí)可以與交流電網(wǎng)100交換能量。第一單元控制器401在步驟705接收陣列控制器400的功率指令，然后在步驟706利用矢量控制算法控制第一飛輪儲(chǔ)能單元300向交流電網(wǎng)100吸收或者釋放功率。步驟707，第一單元控制器401利用各種傳感器的信息判斷第一飛輪儲(chǔ)能單元300的電壓、電流以及轉(zhuǎn)速是否正常，如果均正常，并且第一單元控制器401在后續(xù)的步驟708沒有收到飛輪陣列控制器400發(fā)出的停機(jī)指令，則第一單元控制器401返回步驟705接收陣列控制器400的下一個(gè)功率指令。如果第一單元控制器401在步驟707檢測到第一飛輪儲(chǔ)能單元300的電壓、電流以及轉(zhuǎn)速不正常，或者在后續(xù)的步驟708接收到飛輪陣列控制器400發(fā)出的停機(jī)指令，則運(yùn)行程序跳轉(zhuǎn)至步驟709，控制電網(wǎng)側(cè)雙向功率變換電路417和飛輪電機(jī)側(cè)雙向功率變換電路425停止輸出。然后在步驟711控制制動(dòng)單元420并入第一飛輪儲(chǔ)能單元300內(nèi)部的直流母線，將第一飛輪儲(chǔ)能單元300內(nèi)部剩余的能量通過制動(dòng)單元420以熱能的形式耗散，第一飛輪儲(chǔ)能單元300逐漸進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)。最后，第一單元控制器401在步驟710發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)，并重新回到步驟701采集第一飛輪儲(chǔ)能單元300中電網(wǎng)側(cè)雙向功率變換電路417、飛輪電機(jī)雙向功率變換電路425以及永磁同步電機(jī)429的狀態(tài)信息，等待所有部件狀 態(tài)正常后，第一飛輪儲(chǔ)能單元300才可以進(jìn)行下一次吸收或者釋放功率的任務(wù)。
權(quán)利要求
1.一種多飛輪儲(chǔ)能單元并聯(lián)的飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特征在于，所述的飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)(105)由一條公共交流母線(200)，一個(gè)并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)(104)，一個(gè)飛輪陣列控制器(400)，以及兩個(gè)以上的飛輪儲(chǔ)能單元及其單元控制器組成；所述的飛輪儲(chǔ)能單元均包含三個(gè)交流側(cè)引出端；所述公共交流母線(200)由A相(200a)、B相(200b)和C相(200c)組成，每個(gè)飛輪儲(chǔ)能單元的交流側(cè)第一引出端與公共交流母線(200)的A相(200a)連接，飛輪儲(chǔ)能單元的交流側(cè)第二引出端與公共交流母線(200)的B相(200b)連接,飛輪儲(chǔ)能單元的交流側(cè)第三引出端與公共交流母線(200)的C相(200c)連接；所述的并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)(104)由A相回路開關(guān)(104a)、B相回路開關(guān)(104b)和C相回路開關(guān)(104c)組成；公共交流母線(200)的A相(200a)經(jīng)過并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)(104)的A相回路開關(guān)(104a)接入交流電網(wǎng)(100)的A相(101)，公共交流母線(200)的B相(200b)經(jīng)過并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)(104)的B相回路開關(guān)(104b)接入交流電網(wǎng)(100)的B相(102)，公共交流母線(200)的C相(200c)經(jīng)過并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)(104)的C相回路開關(guān)(104c)接入交流電網(wǎng)(100)的C相(103);所述的飛輪陣列控制器(400)通過通信控制信號(hào)線與各個(gè)飛輪儲(chǔ)能單元的單元控制器連接，并利用工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議完成飛輪陣列控制器(400)與各個(gè)飛輪儲(chǔ)能單元的單元控制器之間， 以及各個(gè)飛輪儲(chǔ)能單元的單元控制器之間的信號(hào)傳輸。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種多飛輪儲(chǔ)能單元并聯(lián)的飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特征在于所述的飛輪儲(chǔ)能單元由LCL濾波器(410)、電網(wǎng)側(cè)雙向功率變換電路(417)、飛輪電機(jī)側(cè)雙向功率變換電路(425)、制動(dòng)單元(420)、永磁同步電機(jī)(429)、支撐軸承(430)，以及飛輪轉(zhuǎn)子(431)組成；所述的電網(wǎng)側(cè)雙向功率變換電路(417)和飛輪電機(jī)側(cè)雙向功率變換電路(425)均各自包含直流側(cè)和交流側(cè)引出端，電網(wǎng)側(cè)雙向功率變換電路(417)的交流側(cè)第一引出端(414)與LCL濾波器(410)的三相輸入端中的第一引出端(432)連接，電網(wǎng)側(cè)雙向功率變換電路(417)的交流側(cè)第二引出端(415)與LCL濾波器(410)的三相輸入端中的第二引出端(433)連接，電網(wǎng)側(cè)雙向功率變換電路(417)的交流側(cè)第三引出端(416)與LCL濾波器(410)的三相輸入端中的第三引出端(434)連接；LCL濾波器(410)的三相輸出端中的第一引出端(411)作為第一飛輪儲(chǔ)能單元(300)的交流側(cè)第一引出端；LCL濾波器(410)的三相輸出端中的第二引出端(412)作為第一飛輪儲(chǔ)能單元(300)的交流側(cè)第二引出端；LCL濾波器(410)的三相輸出端中的第三引出端(413)作為第一飛輪儲(chǔ)能單元(300)的交流側(cè)第三引出端；電網(wǎng)側(cè)雙向功率變換電路(417)的直流側(cè)第一引出端(418)和飛輪電機(jī)側(cè)雙向功率變換電路(425)的直流側(cè)第一引出端(423)連接，電網(wǎng)側(cè)雙向功率變換電路(417)的直流側(cè)第二引出端(419)與飛輪電機(jī)側(cè)雙向功率變換電路(425)的直流側(cè)第二引出端(424)連接；飛輪電機(jī)側(cè)雙向功率變換電路(425)的交流側(cè)第一引出端(426)與永磁同步電機(jī)(429)的A相連接，飛輪電機(jī)側(cè)雙向功率變換電路(425)的交流側(cè)第二引出端(427)和永磁同步電機(jī)(429)的B相連接，飛輪電機(jī)側(cè)雙向功率變換電路(425)的交流側(cè)第三引出端(428)與永磁同步電機(jī)(429)的C相連接；永磁同步電機(jī)(302)與飛輪轉(zhuǎn)子(431)同軸連接并安裝于支撐軸承(430)上；制動(dòng)單元(420)的第一引出端(421)與飛輪電機(jī)側(cè)雙向功率變換電路(425)的直流側(cè)第一引出端(423)連接，制動(dòng)單元(420)的第二引出端(422)與飛輪電機(jī)側(cè)雙向功率變換電路(425)的直流側(cè)第二引出端(424)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種多飛輪儲(chǔ)能單元并聯(lián)的飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特征在于所述的制動(dòng)單元(420)受飛輪儲(chǔ)能單元控制器(401)的控制；在飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)(105)運(yùn)行時(shí)，如果并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)(104)閉合，則制動(dòng)單元(420)不發(fā)揮作用；如果并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)(104)斷開，則飛輪儲(chǔ)能單元控制器(401)啟用制動(dòng)單元(420)將飛輪儲(chǔ)能單元(300)內(nèi)部剩余的能量以熱能形式釋放。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種多飛輪儲(chǔ)能單元并聯(lián)的飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特征在于以所述的飛輪陣列控制器(400)作為飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)(105)的上層控制器，各飛輪儲(chǔ)能單元的單元控制器作為下層控制器，采用層級控制模式；其中，飛輪陣列控制器(400)采用陣列控制方法對飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)(105)進(jìn)行控制；各個(gè)單元控制器，例如第一單元控制器(401)、第二單元控制器(402)，……，第N單元控制器(403)，N彡2，采用飛輪儲(chǔ)能單元控制方法，控制飛輪儲(chǔ)能單元向交流電網(wǎng)(100)吸收或者釋放功率。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種多飛輪儲(chǔ)能單元并聯(lián)的飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特征在于所述的并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)(104)受飛輪陣列控制器(400)的控制；若飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)(105)和交流電網(wǎng)(100)的狀態(tài)均正常，則并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)(104)在飛輪陣列控制器(400)的控制下閉合，飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)(105)接入交流電網(wǎng)(100)，吸收或者釋放功率；如果飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)(105)或者交流電網(wǎng)(100)的狀態(tài)異常，則并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)(104)斷開，飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)(105)脫離交流電網(wǎng)(100)并停止運(yùn)行。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種多飛輪儲(chǔ)能單元并聯(lián)的飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特征在于所述的飛輪陣列控制器(400)對飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)(105)的控制步驟為 步驟601，飛輪陣列控制器(400)通過工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，巡檢各單元控制器的狀態(tài)，采集各個(gè)飛輪儲(chǔ)能單元以及交流電網(wǎng)(100)的狀態(tài)信息；步驟602，判斷交流電網(wǎng)(100)以及各飛輪儲(chǔ)能單元的狀態(tài)是否正常，如果不正常，則進(jìn)入步驟(609)發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)，然后回到步驟601繼續(xù)執(zhí)行；如果交流電網(wǎng)(100)以及各飛輪儲(chǔ)能單元的狀態(tài)均正常，則進(jìn)入步驟603，飛輪陣列控制器(400)控制并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)(104)閉合，飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)(105)并入交流電網(wǎng)(100);步驟604，飛輪陣列控制器(400)向各單元控制器發(fā)送吸收功率的指令，使各飛輪儲(chǔ)能單元完成由靜止加速至工作轉(zhuǎn)速的過程；步驟605，飛輪陣列控制器(400)再次判斷交流電網(wǎng)(100)和各個(gè)飛輪儲(chǔ)能單元的狀態(tài)，如果均正常，則進(jìn)入步驟606，計(jì)算飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)(105)需要向交流電網(wǎng)(100)吸收或者釋放的總功率，并使用協(xié)調(diào)控制算法將其分配至各個(gè)單元控制器；之后控制程序返回步驟605循環(huán)執(zhí)行；如果交流電網(wǎng)(100)或飛輪儲(chǔ)能單元出現(xiàn)故障，則進(jìn)入步驟607，控制并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)(104)斷開；在步驟608，飛輪陣列控制器(400)向各個(gè)飛輪儲(chǔ)能單元控制器發(fā)送停機(jī)指令；然后進(jìn)入步驟609，發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)，最后控制程序回到步驟601重新執(zhí)行。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種多飛輪儲(chǔ)能單元并聯(lián)的飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特征在于，所述的飛輪儲(chǔ)能單元控制器(401)對飛輪儲(chǔ)能單元(300)的控制步驟為 步驟701，第一單元控制器(401)采集電網(wǎng)側(cè)雙向功率變換電路(417)、飛輪電機(jī)側(cè)雙向功率變換電路(425)和永磁同步電機(jī)(429)的狀態(tài)信息，并在步驟702將狀態(tài)信息經(jīng)由工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)送至陣列控制器(400);然后執(zhí)行步驟703，第一單元控制器(401)判斷是否接到飛輪陣列控制器(400)發(fā)送的吸收功率的指令，如果沒有，則程序返回步驟701循環(huán)執(zhí)行；如果有，則進(jìn)入步驟704，控制永磁同步電機(jī)(429)加速至工作轉(zhuǎn)速；在步驟705，第一單元控制器(401)接收陣列控制器(400)所分配的功率指令，按照該指令，執(zhí)行步驟706，第一單元控制器(401)控制飛輪儲(chǔ)能單元(300)向交流電網(wǎng)(100)吸收或者釋放功率；步驟.707，第一單元控制器(401)再次判斷飛輪儲(chǔ)能單元(300)的電壓、電流以及轉(zhuǎn)速是否正常，如果正常，并且在步驟708沒有收到陣列控制器(400)發(fā)出的停機(jī)指令，則控制程序返回步驟705循環(huán)執(zhí)行；如果不正常，或者在步驟708收到陣列控制器(400)發(fā)出的停機(jī)指令，則控制程序運(yùn)行至步驟709，控制電網(wǎng)側(cè)雙向功率變換電路(417)和飛輪電機(jī)側(cè)雙向功率變換電路(425)停止輸出；步驟711，第一單元控制器(401)控制制動(dòng)單元(420)將飛輪儲(chǔ)能單元(300)的剩余能量耗盡；步驟710，第一單元控制器(401)發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)，然后控制程序返回步驟701運(yùn)行。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種多飛輪儲(chǔ)能單元并聯(lián)的飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特征在于所述的并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)(104)由晶閘管或者可控硅構(gòu)成。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種多飛輪儲(chǔ)能單元并聯(lián)的飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特征在 于公共交流母線(200)的電壓等級由交流電網(wǎng)(100)決定；當(dāng)并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)(104)閉合，各個(gè)飛輪儲(chǔ)能單元以電流源的方式并入公共交流母線(200)。
全文摘要
一種多飛輪儲(chǔ)能單元并聯(lián)的飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)，由公共交流母線、并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)、飛輪陣列控制器以及至少兩個(gè)以上的飛輪儲(chǔ)能單元及其單元控制器組成。每個(gè)飛輪儲(chǔ)能單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和參數(shù)特性完全一致。以電流源的方式并入公共交流母線，且并入的單元數(shù)量可隨意增減。本發(fā)明飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)采用層級控制模式，作為上層控制器的飛輪陣列控制器計(jì)算維持交流電網(wǎng)功率平衡所需的功率，并利用協(xié)調(diào)控制算法將該功率分配至每一個(gè)飛輪儲(chǔ)能單元控制器；作為下層控制器的單元控制器根據(jù)得到的功率指令，利用飛輪儲(chǔ)能單元控制方法控制電網(wǎng)側(cè)功率變換電路、飛輪電機(jī)側(cè)功率變換電路和永磁同步電機(jī)向交流電網(wǎng)吸收或者釋放功率。
文檔編號(hào)H02J3/30GK102780230SQ20121023812
公開日2012年11月14日 申請日期2012年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月9日
發(fā)明者劉文軍, 周龍, 唐西勝, 齊智平 申請人:中國科學(xué)院電工研究所