專利名稱：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)明涉及一種面向電網(wǎng)級(jí)應(yīng)用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(wàn)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(guó)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。 隨著風(fēng)力和光伏發(fā)電等新能源的并網(wǎng)需求愈加強(qiáng)烈，省去新能源并網(wǎng)逆變環(huán)節(jié)的分布式直流電網(wǎng)開始受到關(guān)注。由于風(fēng)電和光伏自身存在間歇性和波動(dòng)性特征，直流電網(wǎng)內(nèi)部必須配置合適功率的快速儲(chǔ)能設(shè)備才能保證整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)的功率平衡。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(wú)污染、充放電循環(huán)次數(shù)無(wú)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，能夠滿足直流電網(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(guó)的發(fā)明專利200910219473公開了一種兆瓦級(jí)飛輪儲(chǔ)能裝置，其十米直徑的飛輪轉(zhuǎn)子對(duì)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(jí)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(duì)MW級(jí)別的電網(wǎng)功率需求，可采取將特定功率等級(jí)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(guò)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。國(guó)外專利W003049249A1公開了一種至少由兩個(gè)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)成的備用電源，該電源經(jīng)過(guò)一個(gè)固定容量的逆變器將飛輪儲(chǔ)存的電能并入交流電網(wǎng)。這種電源無(wú)法直接用于直流電網(wǎng)，而且系統(tǒng)的容量受到并網(wǎng)逆變器的限制，無(wú)法自由添加新的飛輪儲(chǔ)能單元。綜上所述，面對(duì)新能源大量并入直流電網(wǎng)，從而需要在電網(wǎng)中配置儲(chǔ)能設(shè)備的要求，仍需研發(fā)一種能夠直接并入直流電網(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分布式直流電網(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)特性相同的多個(gè)飛輪儲(chǔ)能單元并聯(lián)在同一條直流母線上，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(guò)其內(nèi)部的一個(gè)并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)實(shí)現(xiàn)并入直流電網(wǎng)的功能。本發(fā)明通過(guò)采取合理的控制方法，可以完成該飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)與直流電網(wǎng)之間的能量交換，確保后者的功率平衡，維持電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定。
本發(fā)明的飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)由一條公共直流母線，一個(gè)并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)，一個(gè)制動(dòng)電阻、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)能單元的直流側(cè)引出端并聯(lián)于公共直流母線上，公共直流母線的正、負(fù)母線分別與并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)的正、負(fù)回路開關(guān)連接，并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)再與直流電網(wǎng)連接，通過(guò)控制并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)，飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)并入或者脫離直流電網(wǎng)的功能。制動(dòng)電阻的兩個(gè)引出端直接并聯(lián)在公共直流母線上。飛輪陣列控制器通過(guò)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。所述的飛輪儲(chǔ)能單元的數(shù)量可根據(jù)直流電網(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)部含有一條公共直流母線，所有飛輪儲(chǔ)能單元的直流側(cè)引出端均并聯(lián)在這條公共直流母線上，并聯(lián)的飛輪儲(chǔ)能單元數(shù)量可以增加或減少。所述的公共直流母線經(jīng)過(guò)一個(gè)并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)接入直流電網(wǎng)。如果直流電網(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直流電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)吸收或者釋放功率的功能；如果直流電網(wǎng)和飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)二者中的任何一方出現(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(guò)制動(dòng)電阻釋放完畢，才可以再次并網(wǎng)。所述的飛輪儲(chǔ)能單元由雙向功率變換電路、永磁同步電機(jī)、支撐軸承以及飛輪轉(zhuǎn)子組成。其中，雙向功率變換電路包含直流側(cè)和交流側(cè)引出端，兩個(gè)直流側(cè)弓I出端與公共直流母線連接，三個(gè)交流側(cè)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)能單元在并入直流電網(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，則由直流電網(wǎng)為飛輪儲(chǔ)能單元內(nèi)部的公共直流母線提供能量，單元控制器控制雙向功率變換電路將直流電逆變成交流電，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，則直流電網(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，則由單元控制器控制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，由多飛輪儲(chǔ)能單元并聯(lián)的飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)以電流源形式向直流電網(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)采用主從控制模式，陣列控制器為主控制器，各個(gè)單元控制器為從控制器。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，將維持直流電網(wǎng)功率平衡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，控制雙向功率變換電路驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)向直流電網(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)以及直流電網(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)確迅速的在主從控制器間傳輸。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)直流電網(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(guò)高的不足，將模塊化飛輪儲(chǔ)能單元并聯(lián)連接，組成能夠滿足電網(wǎng)級(jí)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)省去了逆變并網(wǎng)環(huán)節(jié)，直接由直流側(cè)并入直流電網(wǎng)，大大提高了系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明圖I本發(fā)明飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)的原理圖；圖2本發(fā)明飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)控制系統(tǒng)框圖；圖3所述直流電網(wǎng)的一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)；圖4本發(fā)明飛輪陣列控制器的控制流程圖； 圖5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為本發(fā)明飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)的原理圖。一種能夠直接并入直流電網(wǎng)100的飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)103由一條公共直流母線200，一個(gè)并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)203，一個(gè)制動(dòng)電阻204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，公共直流母線200由正母線201與負(fù)母線202組成，每個(gè)飛輪儲(chǔ)能單元的兩個(gè)直流側(cè)引出端分別與公共直流母線200的正、負(fù)母線連接。例如第一飛輪儲(chǔ)能單元300直流側(cè)的第一引出端411與第二引出端412分別與公共直流母線200的正母線201與負(fù)母線202連接；第二飛輪儲(chǔ)能單元310直流側(cè)的第一引出端421和第二引出端422分別與公共直流母線200的正母線201與負(fù)母線202連接；……；第N飛輪儲(chǔ)能單元320直流側(cè)的第一引出端431和第二引出端432分別與公共直流母線200的正母線201與負(fù)母線202連接。公共直流母線200的正、負(fù)母線分別與并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)203的正、負(fù)回路開關(guān)連接，而并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)203再與直流電網(wǎng)100連接。即，公共直流母線200的正母線201與并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)203的正回路開關(guān)203a連接，公共直流母線200的負(fù)母線202與并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)203的負(fù)回路開關(guān)203b連接。并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)203的正回路開關(guān)203a再與直流電網(wǎng)100的正母線101連接，負(fù)回路開關(guān)203b再與直流電網(wǎng)100的負(fù)母線102連接。飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)103通過(guò)控制并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)203實(shí)現(xiàn)并入或者脫離直流電網(wǎng)100的功能。制動(dòng)電阻204的兩個(gè)引出端直接并聯(lián)在公共直流母線上，即制動(dòng)電阻204的第一引出端406與公共直流母線200的正母線201連接，制動(dòng)電阻204的第二引出端407與公共直流母線200的負(fù)母線202連接。制動(dòng)電阻204由飛輪陣列控制器400直接控制，二者通過(guò)通信控制信號(hào)線504連接。飛輪陣列控制器400通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)通信控制信號(hào)線503與飛輪陣列控制器400連接。構(gòu)成飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)103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彡2。每個(gè)飛輪儲(chǔ)能單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和參數(shù)特性完全一致。這里以第一飛輪儲(chǔ)能單元300為例對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明。第一飛輪儲(chǔ)能單元300由雙向功率變換電路301、永磁同步電機(jī)302、支撐軸承303以及飛輪轉(zhuǎn)子304組成。雙向功率變換電路301包含直流側(cè)和交流側(cè)引出端，其中直流側(cè)第一引出端411與公共直流母線200的正母線201連接，直流側(cè)第二引出端412與公共直流母線200的負(fù)母線202連接。雙向功率變換電路301交流側(cè)的第一引出端413、第二引出端414和第三引出端415分別與永磁同步電機(jī)302的A相、B相和C相線連接。永磁同步電機(jī)302與飛輪轉(zhuǎn)子304同軸連接并安裝于支撐軸承303上，第一飛輪儲(chǔ)能單元300在充電加速狀態(tài)下，永磁同步電機(jī)302的速度增加，而飛輪轉(zhuǎn)子304在支撐軸承303的傳動(dòng)作用下，速度跟隨永磁同步電機(jī)302同步增加。同樣，飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)103內(nèi)部每個(gè)飛輪儲(chǔ)能單元直流側(cè)的第一引出端與公共 直流母線200的正母線201連接，每個(gè)飛輪儲(chǔ)能單元直流側(cè)的第二引出端與公共直流母線200的負(fù)母線202連接。制動(dòng)電阻204的第一引出端406與公共直流母線200的正母線201連接，制動(dòng)電阻204的第二引出端407與負(fù)母線202連接。并聯(lián)接入飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)103的公共直流母線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)103所設(shè)計(jì)的容量決定，飛輪儲(chǔ)能單元的數(shù)量也可以根據(jù)直流電網(wǎng)100的需要增加或者減少，靈活性較強(qiáng)。雙向功率變換電路301是能量轉(zhuǎn)換的接口，可實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動(dòng)，即，當(dāng)?shù)谝伙w輪儲(chǔ)能單元300吸收來(lái)自于直流電網(wǎng)100的功率時(shí)，雙向功率變換電路301工作于逆變模式，將飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)103內(nèi)部的公共直流母線200上的電壓逆變成交流電，驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)302加速，結(jié)合支撐軸承303的作用，永磁同步電機(jī)302帶動(dòng)飛輪轉(zhuǎn)子304加速，將電能以機(jī)械能形式儲(chǔ)存。當(dāng)?shù)谝伙w輪儲(chǔ)能單元300向直流電網(wǎng)100釋放功率時(shí)，雙向功率變換電路301工作于整流模式，將永磁同步電機(jī)302發(fā)出的交流電整流成直流并入飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)103內(nèi)部的公共直流母線200。此過(guò)程中永磁同步電機(jī)302降速制動(dòng)，結(jié)合支撐軸承303的作用，飛輪轉(zhuǎn)子304拖動(dòng)永磁同步電機(jī)302發(fā)電，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成為電能。飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)103內(nèi)部的公共直流母線200由正母線201和負(fù)母線202組成，正母線201的對(duì)地電壓為650V，負(fù)母線的對(duì)地電壓為0V。公共直流母線200經(jīng)過(guò)一個(gè)并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)203接入直流電網(wǎng)100，其中，公共直流母線200的正母線201經(jīng)過(guò)并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)203的正回路開關(guān)203a接入直流電網(wǎng)100的正母線101 ;公共直流母線200的負(fù)母線202經(jīng)過(guò)并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)203的負(fù)回路開關(guān)203b接入直流電網(wǎng)100的負(fù)母線102。并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)203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，受飛輪陣列控制器400的控制。當(dāng)飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)103和直流電網(wǎng)100均正常工作，則并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)203在飛輪陣列控制器400的控制下閉合，公共直流母線200的正母線201與直流電網(wǎng)100的正母線101連接，公共直流母線200的負(fù)母線202與直流電網(wǎng)100的負(fù)母線102連接。飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)103以電流源形式并入直流電網(wǎng)100，公共直流母線電壓200的電壓幅值與直流電網(wǎng)100的電壓幅值保持一致，均為650V。如果飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)103或者直流電網(wǎng)100出現(xiàn)故障，則并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)203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)203斷開，即飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)103處于離網(wǎng)狀態(tài)，需要迅速停機(jī)，則制動(dòng)電阻204接入公共直流母線200。飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)103內(nèi)部剩余的能量均通過(guò)制動(dòng)電阻204釋放，將飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)103儲(chǔ)存的機(jī)械能以熱能的形式耗散。當(dāng)并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)203正常閉合，飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)103處于并網(wǎng)狀態(tài)，制動(dòng)電阻204不發(fā)揮任何作用。圖2具體描述了飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)103的控制系統(tǒng)構(gòu)成方式。飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)采用主從控制模式，飛輪陣列控制器400作為主控制器，能夠收集并顯示飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)103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)將直流電網(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彡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)103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，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(guò)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)的，可以是profinet或者prof ibus。作為主控制器的飛輪陣列控制器400通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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)203由飛輪陣列控制器400直接控制，二者之間通過(guò)通信控制信號(hào)線500連接。制動(dòng)電阻204由飛輪陣列控制器400直接控制，二者之間通過(guò)通信控制信號(hào)線504連接。圖3所示為飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)103的一個(gè)具體實(shí)施例，以單線結(jié)構(gòu)圖的形式描述了含有飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)103的直流電網(wǎng)100的內(nèi)部配置及其外部連接方式。所述直流電網(wǎng)100含有一條直流母線107、光伏電站106、風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)105、飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)103以及直流負(fù)荷104。直流母線107的電壓等級(jí)為650V，其中正母線對(duì)地650V，負(fù)母線對(duì)地0V。直流電網(wǎng)100經(jīng)過(guò)并網(wǎng)變流器110和公共連接點(diǎn)(PCC)120與交流電網(wǎng)130連接。其中，直流電網(wǎng)100的直流母線107與并網(wǎng)變流器110的直流側(cè)引出端111連接，并網(wǎng)變流器110的交流側(cè)引出端112與公共連接點(diǎn)(PCC) 120連接。公共連接點(diǎn)(PCC) 120處于常閉狀態(tài)，直流電網(wǎng)100內(nèi)部的直流母線107上的650V母線電壓由交流電網(wǎng)130經(jīng)過(guò)并網(wǎng)變流器110整流得到，因此直流電網(wǎng)100內(nèi)部的光伏電站106、風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)105以及飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)103均以電流源形式并入直流電網(wǎng)100。由于光伏電站106和風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)105發(fā)出的功率存在間歇性和波動(dòng)性，容易造成直流電網(wǎng)100內(nèi)部的功率供求不平衡，導(dǎo)致直流母線107的電壓不穩(wěn)定，因此配置飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)103，當(dāng)光伏電站106和風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)105發(fā)出的功率超過(guò)直流負(fù)荷104的需求，則多余的功率由飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)103吸收，當(dāng)光伏電站106和風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)105發(fā)出的功率低于直流負(fù)荷104的需求，欠缺的功率由飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)
103釋放來(lái)補(bǔ)足。圖4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)103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(cè)直流電網(wǎng)100的狀態(tài)。在步驟602判斷直流電網(wǎng)和各單元狀態(tài)是否正常。如果直流電網(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(guò)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)103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；如果直流電網(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)203閉合，飛輪陣列控制器400向并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)203發(fā)出閉合指令，使得飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)103可以與直流電網(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)能單元從直流電網(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)103完全進(jìn)入正常待機(jī)狀態(tài)，隨時(shí)可以向直流電網(wǎng)100吸收或者釋放功率。飛輪陣列控制器400在步驟605檢測(cè)直流電網(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)103所需要向直流電網(wǎng)吸收或者釋放的功率，并依據(jù)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(cè)直流電網(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)203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)103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607控制制動(dòng)電阻204放電，將各個(gè)飛輪儲(chǔ)能單元儲(chǔ)存的能量釋放完畢直至停止運(yùn)行，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)，回到步驟601巡檢個(gè)飛輪儲(chǔ)能單元控制器的狀態(tài)。圖5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，當(dāng)飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)103接通電源，第一單元控制器401進(jìn)入步驟700啟動(dòng)，在步驟701采集第一飛輪儲(chǔ)能單元300中的雙向功率變換電路301以及永磁同步電機(jī)302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(cè)是否收到飛輪陣列控制器400的吸收功率的指令，如果沒(méi)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，控制永磁同步電機(jī)302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(guò)程，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，隨時(shí)可以與直流電網(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向直流電網(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(méi)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(cè)到第一飛輪儲(chǔ)能單元300的電壓、電流以及轉(zhuǎn)速不正?；蛘咴诤罄m(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控制雙向功率變換電路301停止輸出，第一飛輪儲(chǔ)能單元300逐漸進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)。然后第一單元控制器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中的雙向功率變換電路301和永磁同步電機(jī)302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)(103)由一條公共直流母線(200)，一個(gè)并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)(203)，一個(gè)制動(dòng)電阻(204)，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)能單元均包含兩個(gè)直流側(cè)引出端；所述公共直流母線(200)由正母線(201)與負(fù)母線(202)組成，每個(gè)飛輪儲(chǔ)能單元的直流側(cè)第一引出端與公共直流母線(200)的正母線(201)連接，每個(gè)飛輪儲(chǔ)能單元的直流側(cè)第二引出端與公共直流母線(200)的負(fù)母線(202)連接；所述的并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)(203)由正回路開關(guān)(203a)和負(fù)回路開關(guān)(203b)組成；公共直流母線(200)的正母線(201)經(jīng)過(guò)并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)(203)的正回路開關(guān)(203a)接入直流電網(wǎng)(100)的正母線(101);公共直流母線(200)的負(fù)母線(202)經(jīng)過(guò)并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)(203)的負(fù)回路開關(guān)(203b)接入直流電網(wǎng)(100)的負(fù)母線(102);所述制動(dòng)電阻(204)的第一引出端(406)與公共直流母線(200)的正母線(201)連接，制動(dòng)電阻(204)的第二引出端(407)與公共直流母線(200)的負(fù)母線(202)連接；所述的飛輪陣列控制器(400)通過(guò)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。
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)能單元由雙向功率變換電路(301)、永磁同步電機(jī)(302)、支撐軸承(303)以及飛輪轉(zhuǎn)子(304)組成；所述的雙向功率變換電路(301)包含直流側(cè)引出端和交流側(cè)引出端，其中直流側(cè)第一引出端(411)與公共直流母線(200)的正母線(201)連接，直流側(cè)第二引出端(412)與公共直流母線(200)的負(fù)母線(202)連接；雙向功率變換電路(301)的交流側(cè)第一引出端(413)、第二引出端(414)和第三引出端(415)分別與永磁同步電機(jī)(302)的A相、B相和C相連接；永磁同步電機(jī)(302)與飛輪轉(zhuǎn)子(304)同軸連接并安裝于支撐軸承(303)上。
3.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)(103)的主控制器，各飛輪儲(chǔ)能單元的單元控制器作為從控制器，采用主從控制模式；其中，飛輪陣列控制器(400)采用陣列控制方法對(duì)飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)(103)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 ^ 2，采用飛輪儲(chǔ)能單元控制方法，控制飛輪儲(chǔ)能單元向直流電網(wǎng)(100)吸收或者釋放功率。
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)，其特征在于所述的并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)(203)受飛輪陣列控制器(400)的控制；若飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)(103)和直流電網(wǎng)(100)的狀態(tài)均正常，則并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)(203)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)(103)接入直流電網(wǎng)(100)，吸收或者釋放功率；如果飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)(103)或者直流電網(wǎng)(100)的狀態(tài)異常，則并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)(203)斷開，飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)(103)停止運(yùn)行。
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)，其特征在于所述的制動(dòng)電阻(204)受飛輪陣列控制器(400)的控制；在飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)(103)運(yùn)行時(shí)，如果并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)(203)閉合，則制動(dòng)電阻(204)不發(fā)揮作用；如果并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)(203)斷開，則飛輪陣列控制器(400)啟用制動(dòng)電阻(204)將飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)(103)內(nèi)部剩余的能量以熱能形式釋放。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或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)，其特征在于所述的飛輪陣列控制器(400)對(duì)飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)(103)的控制步驟為 步驟600，飛輪陣列控制器(400)啟動(dòng)；步驟601，飛輪陣列控制器(400)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，巡檢各單元控制器的狀態(tài)，采集各飛輪儲(chǔ)能單元以及直流電網(wǎng)的狀態(tài)信息；步驟602，判斷直流電網(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；如果直流電網(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)(203)閉合，飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)(103)并入直流電網(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(guò)程，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)；步驟605再次判斷直流電網(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)(103)需要向直流電網(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；然后，控制程序返回步驟605循環(huán)執(zhí)行；如果直流電網(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)(203)斷開；在步驟608，飛輪陣列控制器(400)控制制動(dòng)電阻(204)接入公共直流母線(200)，將飛輪陣列儲(chǔ)能系統(tǒng)(103)內(nèi)部剩余的能量通過(guò)制動(dòng)電阻(204)釋放；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3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(duì)飛輪儲(chǔ)能單元(300)的控制步驟為 步驟700，第一單元控制器(401)啟動(dòng)；在步驟701，第一單元控制器(401)通過(guò)傳感器采集雙向功率變換電路(301)和永磁同步電機(jī)(302)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(méi)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)(302)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，控制飛輪儲(chǔ)能單元(300)向直流電網(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(méi)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；如果飛輪儲(chǔ)能單元(300)的電壓、電流以及轉(zhuǎn)速不正常，或者在步驟708收到陣列控制器(400)發(fā)出的停機(jī)指令，則控制程序轉(zhuǎn)至步驟709，控制雙向功率變換電路(301)停止輸出，并在步驟710發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)，此時(shí)飛輪儲(chǔ)能單元(300)逐漸降速直至停止運(yùn)行，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)(203)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)，其特征在于公共直流母線(200)的電壓等級(jí)由直流電網(wǎng)(100)決定；當(dāng)并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)(203)閉合，各個(gè)飛輪儲(chǔ)能單元以電流源的方式并入公共直流母線(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)，由公共直流母線、并網(wǎng)靜態(tài)開關(guān)、制動(dòng)電阻、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)特性相同。每個(gè)飛輪儲(chǔ)能單元以電流源的方式并入公共直流母線，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)采用主從控制模式，作為主控制器的飛輪陣列控制器計(jì)算維持直流電網(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；作為從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雙向功率變換電路和永磁同步電機(jī)向直流電網(wǎng)吸收或者釋放功率。
文檔編號(hào)H02J1/16GK102751719SQ201210237828
公開日2012年10月24日 申請(qǐng)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(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電工研究所