專利名稱：一種飛輪儲能裝置的測試系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及飛輪儲能技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種飛輪儲能裝置的測試系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
飛輪儲能技術(shù)是以高速旋轉(zhuǎn)的飛輪為載體，將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能儲存在高速旋轉(zhuǎn)的飛輪中，通過飛輪及電機(jī)的升速和降速來實現(xiàn)電能的存儲和釋放。目前飛輪朝著超大儲能量、大功率的方向發(fā)展，如何進(jìn)一步降低儲能飛輪系統(tǒng)的功耗，提高系統(tǒng)的安全性和可靠性成為制約飛輪發(fā)展的挑戰(zhàn)。一套大功率飛輪儲能裝置的測試系統(tǒng)對于研究飛輪儲能系統(tǒng)充放電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、機(jī)電參數(shù)匹配等問題具有重要的理論和實踐意義。
傳統(tǒng)的飛輪儲能系統(tǒng)測試裝置充電實驗和放電實驗是分開進(jìn)行的，充電過程通過變頻器驅(qū)動飛輪實現(xiàn)儲能充電過程，飛輪充電儲存的能量通過制動電阻消耗掉，無法作為飛輪放電時的初始能量；放電實驗是通過變頻器或與飛輪電機(jī)共軸電機(jī)的被動拖動實現(xiàn)的，此時飛輪電機(jī)運(yùn)行于第四象限，與實際飛輪放電運(yùn)行在第二象限的實際工況不同。傳統(tǒng)的飛輪儲能裝置的充電和放電運(yùn)行過程不連續(xù)，飛輪系統(tǒng)儲能的能量無法通過變頻器回饋，不適于飛輪儲能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率、充放電效率、荷電狀態(tài)SOC和放電深度D0D、怠速損耗等關(guān)鍵技術(shù)性能的研究，也不適用于飛輪儲能系統(tǒng)長時間連續(xù)充放電運(yùn)行性能研究。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，提供一種可保證飛輪在不同負(fù)載條件下連續(xù)充放電工作需要的飛輪儲能裝置的測試系統(tǒng)。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型的技術(shù)方案是設(shè)計一種飛輪儲能裝置的測試系統(tǒng)，所述測試系統(tǒng)包括:電源、測試控制單元、變流單元和控制器單元，其特征在于:所述測試控制單元包括用于抑制沖擊電流的投切控制電路、用于將飛輪儲能回饋給電機(jī)的放電控制電路和用于檢測設(shè)備實際帶載能力的交流負(fù)載子單元；所述變流單元包括直流母線電容器組、功率模塊和交流濾波電抗器；所述控制器單元用于為變流器中的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)功率模塊和放電控制電路中為電力晶體管提供開關(guān)信號，并且為交流負(fù)載子單元中的交流負(fù)載繼電器和投切控制電路中的直流接觸器提供控制信號。其中優(yōu)選的技術(shù)方案是:所述的直流母線電容器組由若干組鋁電解電容串聯(lián)之后并聯(lián)于直流母線正負(fù)極之間；所述功率模塊由6組IGBT開關(guān)管構(gòu)成半橋模塊，IGBT開關(guān)管中的S1與S4，S2與S5, S3與S6分別組成變流器的第1、2和3橋臂；Si與S4，S2與S5，S3與S6的中間點(diǎn)作為交流輸出端；所述功率模塊的直流側(cè)和電容器組并聯(lián)接入直流母線，其交流側(cè)通過濾波電抗器與飛輪電機(jī)的三相繞組對應(yīng)連接。[0013]優(yōu)選的技術(shù)方案還包括:所述的投切控制電路由兩個直流接觸器和預(yù)充電電阻組成，兩個直流接觸器分別串接于直流母線正負(fù)極上，預(yù)充電電阻和熔斷器串聯(lián)之后并聯(lián)于直流接觸器兩端，并接于變流器的直流側(cè)正輸入端，接觸器的通斷電由所述的控制器單元控制；所述放電控制單元包括電力晶體管和與之串聯(lián)的水冷直流負(fù)載箱，直流負(fù)載箱用于吸收飛輪電機(jī)在發(fā)電運(yùn)行時回饋到母線的能量；所述的交流負(fù)載子單元包括交流負(fù)載繼電器和與之串聯(lián)的水冷交流負(fù)載箱，水冷交流負(fù)載箱用于飛輪電機(jī)在發(fā)電運(yùn)行時實際帶載能力的檢測設(shè)備。優(yōu)選的技術(shù)方案還包括，在所述電源的三相不可控整流橋和投切控制單元之間的直流母線正、負(fù)極之間各連有一個快速熔斷器。優(yōu)選的技術(shù)方案還包括，在所述投切控制電路的直流母線正負(fù)極之間并聯(lián)有薄膜電容器，在所述薄膜電容器和放電控制電路之間的直流母線正、負(fù)極之間并聯(lián)有動態(tài)制動其；所述動態(tài)制動器包括動態(tài)制動單元和制動電阻。優(yōu)選的技術(shù)方案還有，所述控制器單元包括:數(shù)據(jù)采集單元，用于采集飛輪電機(jī)的定子相電流、飛輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以及變流器的直流母線電壓和直流母線電流信號；數(shù)據(jù)處理單元，用于根據(jù)飛輪充放電控制策略對信號采集單元采集到的信號進(jìn)行計算處理，輸出 脈寬調(diào)制(PWM)控制信號、接觸器和繼電器控制信號；驅(qū)動單元，用于對所述IGBT中的PWM信號和電力晶體管開關(guān)信號進(jìn)行隔離及功率放大后輸出，以控制變流器中IGBT功率開關(guān)器件和放電控制電路中電力晶體管的通斷。本實用新型的技術(shù)方案可實現(xiàn)在不同負(fù)載條件下大功率飛輪儲能系統(tǒng)連續(xù)充放電測試。在充電過程中，首先經(jīng)過三相調(diào)壓器對系統(tǒng)的充電功率進(jìn)行調(diào)整，三相交流電經(jīng)過二極管不可控整流之后進(jìn)入直流母線的投切控制電路；飛輪系統(tǒng)在上電初期，通過投切控制電路中的預(yù)充電電阻和直流接觸器的配合，抑制上電的沖擊電流對整流原件和電源的沖擊；完成預(yù)充電過程后，整流電源被接入直流母線，再由控制器單元中的高性能數(shù)字信號處理器(DSP)將充電控制算法產(chǎn)生相應(yīng)的充電驅(qū)動電流，通過對變流器的PWM逆變脈沖控制，以控制變流器中IGBT功率開關(guān)器件，完成飛輪儲能系統(tǒng)的恒流充電過程；飛輪儲能系統(tǒng)充電過程完成后，飛輪達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，此時飛輪儲能系統(tǒng)進(jìn)入高速怠速運(yùn)行狀態(tài)，飛輪運(yùn)行的主要損耗來自自身的怠速損耗，所需的電源功率降低，飛輪儲能系統(tǒng)將維持在高速運(yùn)行狀態(tài)。通過控制器調(diào)整飛輪儲能系統(tǒng)控制策略進(jìn)入放電控制過程，配合接觸器和繼電器關(guān)斷控制信號，實現(xiàn)穩(wěn)定的能量回饋過程。放電開始時，控制器對投切控制電路中的直流接觸器提供關(guān)斷控制信號，電源不再向飛輪儲能系統(tǒng)提供能量。同時，控制器通過驅(qū)動控制單元將放電控制電路中電力晶體管導(dǎo)通，為回饋能量提供放電通道。隨著外部充電電源的切除，飛輪電機(jī)將進(jìn)入第二象限并處于發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)，隨著轉(zhuǎn)速的降低，飛輪儲能系統(tǒng)儲存的能量在經(jīng)過變流器整流后通過放電負(fù)載進(jìn)行穩(wěn)定放電。控制器中的高性能數(shù)字信號處理器DSP將放電控制算法產(chǎn)生相應(yīng)的充電驅(qū)動電流，通過對變流單元的PWM整流脈沖控制，以控制變流器中IGBT功率開關(guān)器件，完成飛輪儲能系統(tǒng)的穩(wěn)定放電過程。若放電回路回饋的能量超過直流負(fù)載的容量，控制器將輸出控制信號吸合交流負(fù)載單元中的交流負(fù)載繼電器，過量的回饋能量將被部分或全部通過交流箱負(fù)載箱進(jìn)行旁路放電。交流負(fù)載也可作為飛輪電機(jī)在發(fā)電運(yùn)行時實際帶載能力的檢測設(shè)備。本實用新型的優(yōu)點(diǎn)和有益效果在于:(I)本實用新型在飛輪儲能裝置放電時采用PWM可控整流控制，省略了升降壓斬波控制電路，減少了飛輪發(fā)電工況下整流輸入側(cè)的諧波電流和高頻紋波，提高了飛輪儲能系統(tǒng)的功率因數(shù)和能量轉(zhuǎn)換效率。(2)本實用新型內(nèi)置的傳感器、交直流負(fù)載以及高性能的數(shù)字處理器，可對不同功率等級的飛輪儲能系統(tǒng)進(jìn)行包括能量轉(zhuǎn)換效率、充放電效率、荷電狀態(tài)SOC和放電深度D0D、怠速損耗等在內(nèi)的多種關(guān)鍵技術(shù)性能的測試研究，也適用于飛輪儲能系統(tǒng)長時間連續(xù)充放電運(yùn)行性能測試研究。(3)本實用新型采取多種有效的故障和過載保護(hù)措施。直流母線快速熔斷器對三相不可控整流橋進(jìn)行短路保護(hù)，交流熔斷器進(jìn)行短路保護(hù)或嚴(yán)重過載保護(hù)，動態(tài)制動單元對測試平臺進(jìn)行過壓保護(hù)、過流保護(hù)和過溫保護(hù)，交流負(fù)載單元在直流負(fù)載箱過載或變流器故障時為飛輪電機(jī)提供能量回饋通道。

圖1是本實用新型飛輪儲能裝置的測試系統(tǒng)示意圖2是圖1中變流器和控制器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中:1、電源；2、投切控制電路；3、放電控制電路；4、功率模塊；5、飛輪電機(jī)；6、
飛輪；7、交流負(fù)載單元；8、動態(tài)制動單元；9、控制器單元，S0、電力晶體管；RMh、預(yù)充電電阻；KM廣KM2、直流接觸器；KM3、交流接觸器；FU^ FU7、熔斷器；&、水冷直流負(fù)載箱；Ra。、水冷交流負(fù)載箱；Rdis、制動電阻；C廣C21、電容器；C22、C23、薄膜電容器；S6、IGBT開關(guān)管。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例，對本實用新型的具體實施方式
作進(jìn)一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本實用新型的技術(shù)方案，而不能以此來限制本實用新型的保護(hù)范圍。如圖1、2所示，本實用新型是一種飛輪儲能裝置的測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括:電源1、測試控制單元、變流單元和控制器單元。電源包括相互連接的三相交流電源UVW、三相自耦調(diào)壓器、三相斷路器和三相不可控制整流橋。測試控制單元，包括投切控制電路2、放電控制電路3和交流負(fù)載子單元7 ;其中:投切控制電路2由直流接觸器KMp KM2和預(yù)充電電阻RMh組成，KM1JM2分別串接于直流母線正負(fù)極，預(yù)充電電阻Rreh和熔斷器FU3串聯(lián)之后并聯(lián)于直流接觸器KM1兩端，并接于變流器的直流側(cè)正輸入端，接觸器通斷電由控制器單元9控制；放電控制電路3包括電力晶體管SO和與之串聯(lián)的水冷直流負(fù)載箱&，水冷直流負(fù)載箱&將吸收飛輪電機(jī)在發(fā)電運(yùn)行時回饋到母線的能量；交流負(fù)載單元7包括交流負(fù)載繼電器KM3和與之串聯(lián)的水冷交流負(fù)載箱Ra。，交流負(fù)載箱Ra。作為飛輪電機(jī)在發(fā)電運(yùn)行時實際帶載能力的檢測設(shè)備。在三相不可控整流橋和投切控制電路2之間各連有一個快速熔斷器FUpFU2,能夠有效對三相不控整流橋進(jìn)行短路保護(hù)；在投切控制電路2和放電控制電路3之間的直流母線正負(fù)極之間，并聯(lián)有薄膜電容器C22 X23和熔斷器FU4,能夠有效的吸收直流母線電壓紋波和電流紋波；在薄膜電容器C1X2和放電控制電路3之間的直流母線正、負(fù)極之間，并聯(lián)有動態(tài)制動單元8 ；所述的動態(tài)制動包括動態(tài)制動單元和制動電阻Rdis ;其動作電壓可調(diào)，能夠有效對測試系統(tǒng)進(jìn)行過壓保護(hù)、過流保護(hù)和過溫保護(hù)；如圖1和圖2所示，變流單元包括直流母線電容器組C、功率模塊4和交流濾波電抗器Ls。其中:直流母線電容器組C由若干組鋁電解電容C廣C18串聯(lián)之后通過層疊母排并聯(lián)于直流母線正負(fù)極；在直流母線電容器組C的每個電容的正負(fù)極間并聯(lián)有水泥均壓電阻R1I18,其能有效的利用分壓原理保證使各個電容C廣C18上面電壓均等；功率模塊4的6組由IGBT開關(guān)管構(gòu)成半橋模塊，IGBT開關(guān)管S1與S4，S2與S5，S3與S6分別組成變流器的第1、2和3橋臂，上下橋臂的驅(qū)動信號來自控制器分別為A+、A-、B+、B-、C+、C- 與S4，S2與S5，S3與S6的中間點(diǎn)分別作為交流側(cè)ABC三相的輸出點(diǎn)；功率模塊4直流側(cè)通過直流母線電容器C組接入直流母線，交流側(cè)通過濾波電抗器Ls與飛輪電機(jī)5的三相繞組對應(yīng)連接，系統(tǒng)驅(qū)動電機(jī)與飛輪6連接在同一主軸；在IGBT上、下橋臂的正負(fù)極兩端并聯(lián)有突波吸收電容器CliTC21,能夠有效的吸收掉尖峰電壓，消除由于母排的雜散電感引起的尖峰電壓，避免絕緣柵雙極型晶體管IGBT的損壞；在功率模塊4交流輸出點(diǎn)和交流電抗器Ls之間分別連接有交流熔斷器FUfFU7,能夠有效的對飛輪儲能系統(tǒng)進(jìn)行短路保護(hù)或嚴(yán)重過載保護(hù)。本實施例中的IGBT驅(qū)動器為瑞士 CONCEPT公司專門為高可靠性的應(yīng)用領(lǐng)域而設(shè)計的的基于SCALE-2驅(qū)動內(nèi)核的2SC0435T，可驅(qū)動1700V以內(nèi)的IGBT，支持IOOkHZ的開關(guān)頻率，支持直接并聯(lián)驅(qū)動。IGBT采用德國INFINEON的高性能第四代IGBT半橋模塊FF900R12IP4，變流器功率可到300kW，可滿足不同功率等級的飛輪儲能系統(tǒng)的測試需求?？刂破鲉卧?是變流器中的IGBT功率開關(guān)器件和放電控制電路中電力晶體管SO提供開關(guān)信號，并且為交流負(fù)載單元中的交流負(fù)載繼電器和投切控制電路中的直流接觸器提供控制信號，其包括: 數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元和驅(qū)動單元；其中:數(shù)據(jù)采集單元，用于采集飛輪電機(jī)的定子相電流、飛輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以及變流器的直流母線電壓和直流母線電流等信號；數(shù)據(jù)處理單元，用于根據(jù)飛輪充放電控制策略對信號采集單元采集到的信號進(jìn)行計算處理，輸出PWM控制信號、接觸器和繼電器控制信號；驅(qū)動單元，用于對所述的IGBT PWM信號和電力晶體管SO開關(guān)信號進(jìn)行隔離及功率放大后輸出，以控制變流單元中的IGBT功率開關(guān)器件和放電控制電路中電力晶體管的通斷。以上所述僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本實用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.一種飛輪儲能裝置的測試系統(tǒng)，所述測試系統(tǒng)包括:電源、測試控制單元、變流單元和控制器單元，其特征在于: 所述測試控制單元包括用于抑制沖擊電流的投切控制電路、用于將飛輪儲能回饋給電機(jī)的放電控制電路和用于檢測設(shè)備實際帶載能力的交流負(fù)載子單元； 所述變流單元包括直流母線電容器組、功率模塊和交流濾波電抗器； 所述控制器單元用于為變流器中的IGBT功率模塊和放電控制電路中為電力晶體管提供開關(guān)信號，并且為交流負(fù)載子單元中的交流負(fù)載繼電器和投切控制電路中的直流接觸器提供控制信號。
2.如權(quán)利要求1所述的飛輪儲能裝置的測試系統(tǒng)，其特征在于: 所述的直流母線電容器組由若干組鋁電解電容串聯(lián)之后并聯(lián)于直流母線正負(fù)極之間； 所述功率模塊由6組IGBT開關(guān)管構(gòu)成半橋模塊，IGBT開關(guān)管中的S1與S4，S2與S5，S3與S6分別組成變流器的第1、2和3橋臂A1與S4，S2與S5，S3與S6的中間點(diǎn)作為交流輸出端; 所述功率模塊的直流側(cè)和電容器組并聯(lián)接入直流母線，其交流側(cè)通過濾波電抗器與飛輪電機(jī)的三相繞組對應(yīng)連接。
3.如權(quán)利要求1所述的飛輪儲能裝置的測試系統(tǒng)，其特征在于: 所述的投切控制電路由兩個直流接觸器和預(yù)充電電阻組成，兩個直流接觸器分別串接于直流母線正負(fù)極上，預(yù)充電電阻和熔斷器串聯(lián)之后并聯(lián)于直流接觸器兩端，并接于變流器的直流側(cè)正輸入端，接觸器的通斷電由所述的控制器單元控制； 所述放電控制單元包括電力晶體管和與之串聯(lián)的水冷直流負(fù)載箱，直流負(fù)載箱用于吸收飛輪電機(jī)在發(fā)電運(yùn)行時回饋到母線的能量； 所述的交流負(fù)載子單元包括交流負(fù)載繼電器和與之串聯(lián)的水冷交流負(fù)載箱，水冷交流負(fù)載箱用于飛輪電機(jī)在發(fā)電運(yùn)行時實際帶載能力的檢測設(shè)備。
4.如權(quán)利要求1所述的飛輪儲能裝置的測試系統(tǒng)，其特征在于: 在所述電源的三相不可控整流橋和投切控制單元之間的直流母線正、負(fù)極之間各連有一個快速熔斷器。
5.如權(quán)利要求1所述的飛輪儲能裝置的測試系統(tǒng)，其特征在于: 在所述投切控制電路的直流母線正負(fù)極之間并聯(lián)有薄膜電容器，在所述薄膜電容器和放電控制電路之間的直流母線正、負(fù)極之間并聯(lián)有動態(tài)制動其；所述動態(tài)制動器包括動態(tài)制動單元和制動電阻。
6.如權(quán)利要求1所述的飛輪儲能裝置的測試系統(tǒng)，其特征在于， 所述控制器單元包括:數(shù)據(jù)采集單元，用于采集飛輪電機(jī)的定子相電流、飛輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以及變流器的直流母線電壓和直流母線電流信號； 數(shù)據(jù)處理單元，用于根據(jù)飛輪充放電控制策略對信號采集單元采集到的信號進(jìn)行計算處理，輸出PWM控制信號、接觸器和繼電器控制信號； 驅(qū)動單元，用于對所述IGBT中的PWM信號和電力晶體管開關(guān)信號進(jìn)行隔離及功率放大后輸出，以控制變流器中IGBT功率開關(guān)器件和放電控制電路中電力晶體管的通斷。
專利摘要本實用新型公開了一種飛輪儲能裝置的測試系統(tǒng)，該測試系統(tǒng)包括電源、測試控制單元、變流單元和控制器單元，測試控制單元包括用于抑制沖擊電流的投切控制電路、用于將飛輪儲能回饋給電機(jī)的放電控制電路和用于檢測設(shè)備實際帶載能力的交流負(fù)載子單元；變流單元包括直流母線電容器組、功率模塊和交流濾波電抗器；控制器單元用于為變流器中的IGBT功率模塊和放電控制電路中為電力晶體管提供開關(guān)信號，并且為交流負(fù)載子單元中的交流負(fù)載繼電器和投切控制電路中的直流接觸器提供控制信號。該系統(tǒng)放電時采用可控整流控制，并采取多種有效的故障和過載保護(hù)措施，可滿足在連續(xù)充放電條件下不同功率等級的飛輪儲能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)性能測試研究的需要。
文檔編號H02K7/02GK203119680SQ201220730760
公開日2013年8月7日 申請日期2012年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月26日
發(fā)明者胡震, 楊家強(qiáng), 許加凱 申請人:江陰市振江鋼結(jié)構(gòu)有限公司