飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)雙向變換器及其控制方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)雙向變換器及其控制方法，所述飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)雙向變換器包括三相橋臂，與三相橋臂并聯(lián)的中性點(diǎn)橋臂，中性點(diǎn)橋臂與電機(jī)繞組的中性點(diǎn)連接。本發(fā)明在充電時(shí)能使飛輪到達(dá)更高的轉(zhuǎn)速，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值將隨之升高；放電時(shí)對(duì)半橋調(diào)制的升壓要求將降低，更有利于能量回饋；而且更高的轉(zhuǎn)速使飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能能力得到了提高，可實(shí)現(xiàn)單雙極驅(qū)動(dòng)并可以?xún)煞N驅(qū)動(dòng)模式間平滑切換，適用于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)及其它運(yùn)行范圍廣且在高低速區(qū)間頻繁切換的場(chǎng)合，特別適用于解決新能源發(fā)電系統(tǒng)隨機(jī)性、波動(dòng)性問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)能量的平滑輸出，從而有效調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電引起的電網(wǎng)電壓、頻率及相位的變化，使大規(guī)模新能源電能安全可靠地接入常規(guī)電網(wǎng)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)雙向變換器及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及雙向變換器及其控制方法，尤其是一種適用于無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)并可以進(jìn)行單雙極驅(qū)動(dòng)的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)雙向變換器及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著技術(shù)的發(fā)展和成本的不斷下降，風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電的裝機(jī)容量正以每年30%的速度迅猛發(fā)展。然而，風(fēng)能、太陽(yáng)能自身所固有的隨機(jī)性、間歇性特征，對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰和系統(tǒng)安全運(yùn)行帶來(lái)了嚴(yán)重影響，制約了電網(wǎng)對(duì)新能源電能的接納能力。
[0003]飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)一個(gè)大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的飛輪本體，通過(guò)加速或減速實(shí)現(xiàn)能量的充電和放電。無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度高、運(yùn)行范圍廣、調(diào)節(jié)方便，故常被用來(lái)作驅(qū)動(dòng)電機(jī)。傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式為兩相導(dǎo)通，每60°電角度進(jìn)行一次換相。這樣，直流電壓值始終加在兩相串聯(lián)繞組的兩端，因此直流電壓必定大于2倍的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值。隨著轉(zhuǎn)速的升高，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值增加，忽略損耗，當(dāng)直流電壓值與2倍感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值相等時(shí)，即到達(dá)了電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速。
[0004]在飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行范圍內(nèi)，需要對(duì)直流母線上的能量進(jìn)行電能補(bǔ)償時(shí)，若無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行自由放電，較低的電動(dòng)勢(shì)無(wú)法向較高的直流母線輸送能量。現(xiàn)有技術(shù)升壓能力有限，特別是當(dāng)飛輪處于最小工作轉(zhuǎn)速附近時(shí)，需要接近I的占空比，甚至還可能饋電失敗，威脅到整個(gè)新能源發(fā)電系統(tǒng)的安全。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:提供一種適用于無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)雙向變換器及其控制方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題。
[0006]技術(shù)方案:一種飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)雙向變換器，包括三相橋臂，與三相橋臂并聯(lián)的中性點(diǎn)橋臂，且其中點(diǎn)與電機(jī)繞組的中性點(diǎn)連接。
[0007]在單極驅(qū)動(dòng)時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)處于120°的平頂區(qū)中間的60°區(qū)間的某相對(duì)應(yīng)半橋臂導(dǎo)通，所述中性點(diǎn)橋臂中的互補(bǔ)半橋臂導(dǎo)通。在雙極驅(qū)動(dòng)時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)處于正向和負(fù)向平頂區(qū)的兩相繞組導(dǎo)通，所述中性點(diǎn)橋臂關(guān)斷。
[0008]所述中性點(diǎn)橋臂的每個(gè)半橋臂有兩只功率管反相串聯(lián)組成。所述功率管為全控型器件，所述全控型器件包括IGBT或MOSFET。
[0009]上述飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)雙向變換器的控制方法，判斷系統(tǒng)的狀態(tài)；在低速時(shí)，采用雙極驅(qū)動(dòng)；在高速時(shí)，采用單極驅(qū)動(dòng)；在放電時(shí)，采用半橋調(diào)制方法。
[0010]單極驅(qū)動(dòng)方式可使電機(jī)達(dá)到更高的轉(zhuǎn)速，既擴(kuò)大了飛輪儲(chǔ)能能力，又可降低半橋調(diào)制放電時(shí)的占空比，有利于能量回饋。
[0011]有益效果:本發(fā)明提高了系統(tǒng)的升壓能力。進(jìn)一步的，在單極驅(qū)動(dòng)時(shí)，電流僅流經(jīng)一相繞組，通過(guò)電壓平衡方程可知，在相同直流母線電壓條件下，電樞電流幅值將大于雙極驅(qū)動(dòng)時(shí)電流幅值的2倍，從而得到更大的電磁轉(zhuǎn)矩，有能力克服損耗轉(zhuǎn)矩進(jìn)行提速，直至一個(gè)新的電磁轉(zhuǎn)矩和損耗轉(zhuǎn)矩的平衡點(diǎn)，即新的最高轉(zhuǎn)速。仿真結(jié)果可證明，單極驅(qū)動(dòng)最高轉(zhuǎn)速比雙極驅(qū)動(dòng)最高轉(zhuǎn)速高40%左右，并且單雙極控制方式和放電模式間可以自由切換。在本發(fā)明的部分方案中，在單極驅(qū)動(dòng)或雙極驅(qū)動(dòng)換相時(shí)，非導(dǎo)通相會(huì)在電動(dòng)勢(shì)的作用下經(jīng)續(xù)流二極管產(chǎn)生續(xù)流電流，將會(huì)影響導(dǎo)通相電流波形，降低電磁轉(zhuǎn)矩值。兩只功率器件反向串聯(lián)組成的半橋臂，可以杜絕這一現(xiàn)象，修正相電流波形，獲得最大電磁轉(zhuǎn)矩。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖2是本發(fā)明單極驅(qū)動(dòng)電流路徑圖。
[0014]圖3是本發(fā)明雙極驅(qū)動(dòng)電流路徑圖。
[0015]圖4a和圖4b是本發(fā)明半橋調(diào)制電流路徑圖；其中，圖4a為下半橋臂處于導(dǎo)通狀態(tài)，圖4b為上半橋臂處于導(dǎo)通狀態(tài)。
[0016]圖5是飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)整體控制策略圖。
[0017]圖6a和圖6b分別是飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)控制示意圖。
[0018]圖7a至圖7d是飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)不同控制方式下的仿真結(jié)果示意圖:其中，圖7a展示了單雙極驅(qū)動(dòng)方式下飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)加速曲線，圖7b展示了雙極驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)為單極驅(qū)動(dòng)瞬間，圖7c展示了雙極驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)為放電模式瞬間，圖7d展示了單極驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)為放電模式瞬間。
【具體實(shí)施方式】
[0019]如圖1所示，本發(fā)明的雙向變換器增加了中性點(diǎn)橋臂18，用以控制中性點(diǎn)電位。每只半橋臂13由兩只功率管12反相串聯(lián)組成，以防止非導(dǎo)通相在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用下經(jīng)由反向二極管產(chǎn)生續(xù)流電流從而降低電磁轉(zhuǎn)矩。功率管可采用IGBT或MOSFET等全控型器件，旨在消除非導(dǎo)通相在電動(dòng)勢(shì)的作用下產(chǎn)生的續(xù)流。驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用無(wú)刷直流電機(jī)14，每相繞組采用電阻15、電感16和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)17等效。此雙向變換器可以實(shí)現(xiàn)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)單極驅(qū)動(dòng)、雙極驅(qū)動(dòng)和半橋調(diào)制放電三種工作狀態(tài)。
[0020]轉(zhuǎn)到圖2，在單極驅(qū)動(dòng)時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)處于120°的平頂區(qū)中間的60°區(qū)間的某相對(duì)應(yīng)半橋臂導(dǎo)通，同時(shí)中性點(diǎn)橋臂18的互補(bǔ)半橋臂導(dǎo)通。以&處于120°正向平頂區(qū)的中間60°為例，A相上半橋臂導(dǎo)通，同時(shí)中性點(diǎn)橋臂18的下半橋臂導(dǎo)通，即半橋臂I和半橋臂8導(dǎo)通，電流11流經(jīng)直流側(cè)的Fdc端-A相繞組-中性點(diǎn)N-O電位端。
[0021]轉(zhuǎn)到圖3，在雙極驅(qū)動(dòng)時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)處于正向和負(fù)向平頂區(qū)的兩相繞組導(dǎo)通，中性點(diǎn)橋臂關(guān)斷。以&處于正向平頂區(qū)、&處于負(fù)向平頂區(qū)的60°區(qū)間為例，A相上半橋臂導(dǎo)通，B相下半橋臂導(dǎo)通，中性點(diǎn)橋臂關(guān)斷，即半橋臂I和半橋臂4導(dǎo)通，電流11流經(jīng)直流偵_ Vdc端-A相繞組-中性點(diǎn)-B相繞組-O電位端。
[0022]雙極驅(qū)動(dòng)時(shí)相電流峰值小且轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，存在轉(zhuǎn)速限制；單極驅(qū)動(dòng)時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩增大，可達(dá)到更高轉(zhuǎn)速，從而擴(kuò)大儲(chǔ)能能力。
[0023]如圖4a和圖4b所示，半橋調(diào)制方式放電時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)處于負(fù)向平頂區(qū)的某相下半橋臂恒通，處于正向平頂區(qū)的某相下半橋臂采用PWM調(diào)制，上半橋臂的PWM信號(hào)與下半橋臂互補(bǔ)，中性點(diǎn)橋臂關(guān)斷。以&處于正向平頂區(qū)、&處于負(fù)向平頂區(qū)時(shí)的60°區(qū)間為例，B相下半橋臂導(dǎo)通，A相下半橋臂PWM調(diào)制，上半橋臂施以互補(bǔ)的PWM調(diào)制，中性點(diǎn)橋臂關(guān)斷，即半橋臂4恒通，半橋臂I和半橋臂2互補(bǔ)PWM調(diào)制。管2導(dǎo)通時(shí)，在電動(dòng)勢(shì)作用下由功率管4-B相繞組-中性點(diǎn)-A相繞組-功率管2形成了短路電流，如圖4a所示，在功率管2關(guān)斷時(shí)該短路電流經(jīng)功率管I續(xù)流如圖4b所示，形成升壓Boost電路，實(shí)現(xiàn)能量回饋。
[0024]圖5所示為飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略。以用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的飛輪儲(chǔ)能為例，直流母線電壓乙可反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)的能量狀態(tài)，和飛輪轉(zhuǎn)速~共同決定飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作狀態(tài)。因雙極驅(qū)動(dòng)相電流峰值小且轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，控制方法成熟，但能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速受限制，單極驅(qū)動(dòng)可達(dá)到更高轉(zhuǎn)速但相電流峰值大，因此設(shè)定為單雙極驅(qū)動(dòng)的切換點(diǎn)，約為雙極驅(qū)動(dòng)能達(dá)到的最大轉(zhuǎn)速的80-90%。能量充足即，若采用雙極驅(qū)動(dòng)方式；若
,采用單極驅(qū)動(dòng)方式；能量需要補(bǔ)償時(shí)即vdc<Tdc—時(shí)，若則采用半橋調(diào)制方式進(jìn)行能量回饋。
[0025]圖6a和圖6b為本雙向變換器控制的以DSP為中心的具體硬件實(shí)現(xiàn)方法。無(wú)刷直流電機(jī)的霍爾傳感器給出位置信號(hào)，經(jīng)過(guò)計(jì)算可得到電機(jī)轉(zhuǎn)速/V。直流母線的電壓乙由電壓傳感器測(cè)得。發(fā)電端能量大于用電端時(shí)，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行儲(chǔ)能，根據(jù)當(dāng)前速度分為單極和雙極驅(qū)動(dòng)。Vdc與額定值比較后輸出的誤差信號(hào)經(jīng)電壓PI調(diào)節(jié)器輸出電流幅值參考信號(hào)，與當(dāng)前電流幅值比較后，電流誤差信號(hào)經(jīng)電流PI調(diào)節(jié)器作用后輸出開(kāi)關(guān)占空比數(shù)值，與鋸齒波比較后輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)，和換相信號(hào)進(jìn)行“與”作用后，輸出雙向變換器的控制脈沖，根據(jù)電機(jī)位置為各管分配相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。單極和雙極驅(qū)動(dòng)方式的控制框圖一樣，僅其中的電壓、電流PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)和換相信號(hào)不同。發(fā)電端能量小于于用電端時(shí)，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行在放電狀態(tài)，對(duì)系統(tǒng)中缺少的能量進(jìn)行補(bǔ)償。Vdc與額定值比較后輸出的誤差信號(hào)經(jīng)電壓PI調(diào)節(jié)器輸出開(kāi)關(guān)占空比數(shù)值，與鋸齒波比較后輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)，和換相信號(hào)進(jìn)行“與”作用后，輸出雙向變換器的控制脈沖，根據(jù)電機(jī)位置為各管分配相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
[0026]圖7a和圖7b為飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)不同控制方式下的仿真結(jié)果。
[0027]圖7a為單雙極驅(qū)動(dòng)方式下飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)加速曲線，由圖可見(jiàn)，雙極驅(qū)動(dòng)加速曲線在其最高轉(zhuǎn)速的80%時(shí)趨緩，而單極驅(qū)動(dòng)加速曲線仍以較高加速度進(jìn)行加速，最終單極驅(qū)動(dòng)方式能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速比雙極驅(qū)動(dòng)最高轉(zhuǎn)速高40%左右。
[0028]圖7b為雙極驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)為單極驅(qū)動(dòng)瞬間，可見(jiàn)單極驅(qū)動(dòng)時(shí)電流幅值遠(yuǎn)大于雙極驅(qū)動(dòng)電流幅值，無(wú)非導(dǎo)通相續(xù)流現(xiàn)象，同時(shí)加速度明顯增加。圖7c、7d分別為雙極驅(qū)動(dòng)、單極驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)為放電模式瞬間，可看出兩種切換都是平穩(wěn)可控的，而單極驅(qū)動(dòng)方式能達(dá)到轉(zhuǎn)速較高，因此提高了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能能力。
[0029]由上可知，本發(fā)明在充電時(shí)能使飛輪到達(dá)更高的轉(zhuǎn)速，則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值將隨之升高，放電時(shí)對(duì)半橋調(diào)制的升壓要求將降低，更有利于能量回饋；而且，更高的轉(zhuǎn)速使飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能能力得到了提高?？蓪?shí)現(xiàn)單雙極驅(qū)動(dòng)并可以?xún)煞N驅(qū)動(dòng)模式間平滑切換，適用于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)及其它運(yùn)行范圍廣且在高低速區(qū)間頻繁切換的場(chǎng)合，特別適用于解決新能源發(fā)電系統(tǒng)隨機(jī)性、波動(dòng)性問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)能量的平滑輸出，從而有效調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電引起的電網(wǎng)電壓、頻率及相位的變化，使大規(guī)模新能源電能安全可靠地接入常規(guī)電網(wǎng)。除此之外，本發(fā)明還可 用于衛(wèi)星姿態(tài)控制、電動(dòng)汽車(chē)、UPS等場(chǎng)合。
[0030]以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式中的具體細(xì)節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行多種等同變換，這些等同變換均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)雙向變換器，包括三相橋臂，其特征在于，還包括與三相橋臂并聯(lián)的中性點(diǎn)橋臂，且其中點(diǎn)與電機(jī)繞組的中性點(diǎn)連接。
2.如權(quán)利要求1所述的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)雙向變換器，其特征在于，在單極驅(qū)動(dòng)時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)處于120°的平頂區(qū)中間的60°區(qū)間的某相對(duì)應(yīng)半橋臂導(dǎo)通，所述中性點(diǎn)橋臂中的互補(bǔ)半橋臂導(dǎo)通。
3.如權(quán)利要求1所述的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)雙向變換器，其特征在于，在雙極驅(qū)動(dòng)時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)處于正向和負(fù)向平頂區(qū)的兩相繞組導(dǎo)通，所述中性點(diǎn)橋臂關(guān)斷。
4.如權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)雙向變換器，其特征在于，所述中性點(diǎn)橋臂的每個(gè)半橋臂有兩只功率管反相串聯(lián)組成。
5.如權(quán)利要求4所述的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)雙向變換器，其特征在于，所述功率管為全控型器件，所述全控型器件包括IGBT或MOSFET。
6.權(quán)利要求1所述的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)雙向變換器的控制方法，其特征在于，判斷系統(tǒng)的狀態(tài)；在低速 時(shí)，采用雙極驅(qū)動(dòng)；在高速時(shí)，采用單極驅(qū)動(dòng)；在放電時(shí)，采用半橋調(diào)制方法。
【文檔編號(hào)】H02P6/08GK103904670SQ201410149597
【公開(kāi)日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2014年4月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月14日
【發(fā)明者】林鶴云, 馮奕, 陽(yáng)輝, 張洋 申請(qǐng)人:東南大學(xué)