本實用新型涉及電機控制技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種應(yīng)用于高速飛輪儲能系統(tǒng)的電力變換裝置。

背景技術(shù)：

飛輪儲能系統(tǒng)是一種新型的機電能量轉(zhuǎn)換與存儲裝置，具有使用壽命長、轉(zhuǎn)換效率高、適應(yīng)性強以及無污染等優(yōu)點，在航空航天、分布式發(fā)電、電力調(diào)峰以及電動汽車等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

傳統(tǒng)的有鐵心無刷直流電機作為飛輪儲能電機，其經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計后可以具有很高的運行效率，但是在高速運轉(zhuǎn)時，電機的空載損耗往往很高；同時，其空載和負載運行時的不平衡磁拉力對磁軸承系統(tǒng)的承載力和剛度提要求較高。無鐵心永磁無刷直流電機能夠克服上述的缺陷，以其高運行效率、低待機損耗的優(yōu)勢成為飛輪儲能電機的選項之一。

外轉(zhuǎn)子無鐵心永磁無刷直流電機常用的驅(qū)動拓撲主要有兩種，一種是單極性驅(qū)動電路，另一種是雙極性驅(qū)動電路。采用半橋驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)時，其具有以下優(yōu)點：(1)控制方式簡單；(2)半橋驅(qū)動電路所用開關(guān)管只有全橋驅(qū)動電路的一半，經(jīng)濟性更好；(3)半橋驅(qū)動電路不存在全橋驅(qū)動電路一相橋臂可能發(fā)生直通的危險，安全性更好；(4)每相繞組承受的電壓均為母線電壓，其直流母線電壓利用率更高。

當然，相對于全橋驅(qū)動電路，半橋驅(qū)動電路也存在著一定的不足：(1)由于繞組電流方向的單一性，此結(jié)構(gòu)僅能實現(xiàn)能量的單方向流動，不能實現(xiàn)電機的四象限的運行；(2)半橋驅(qū)動電路不存在續(xù)流回路，開關(guān)管關(guān)斷的能量主要依靠RCD緩沖電路吸收，緩沖電路消耗掉電機電感的儲能，因此半橋驅(qū)動電路不適合應(yīng)用在大功率的場合。

由于飛輪的電機的轉(zhuǎn)速很高(電機電頻率很高)，直接在開關(guān)管驅(qū)動信號上加入PWM調(diào)制信號不太適宜，因此這類飛輪電機比較適合采用方波驅(qū)動，如果采用全橋拓撲結(jié)構(gòu)，其控制靈活的優(yōu)勢并不能很好的體現(xiàn)；從儲能系統(tǒng)安全性的角度考慮，采用半橋驅(qū)動電路能夠避免全橋驅(qū)動電路可能發(fā)生的一相橋臂直通而造成相間短路的危險隱患，可靠性更高；從性能指標要求上考慮，半橋驅(qū)動電路也完全能夠滿足要求，而且其控制更加簡單，成本更加低廉。綜合考慮以上因素，這類電機選用半橋驅(qū)動拓撲結(jié)構(gòu)比較合適。

半橋驅(qū)動電路應(yīng)用于飛輪儲能系統(tǒng)，其存在著幾個問題：(1)如何實現(xiàn)飛輪儲能系統(tǒng)能量的雙向流動(即如何設(shè)計儲能與釋能回路)；(2)飛輪的電機的轉(zhuǎn)速很高，在開關(guān)管驅(qū)動信號上加入PWM調(diào)制信號不太適宜，如何實現(xiàn)飛輪電機的調(diào)速控制；(3)由于不存在續(xù)流回路，開關(guān)管關(guān)斷的能量主要依靠緩沖電路吸收，在電機電感小(無鐵心結(jié)構(gòu))、轉(zhuǎn)速低的情況下，此方案可行，但隨著轉(zhuǎn)速的升高，電感儲能將迅速增大，這部分損耗將急劇增大，這部分能量該如何利用。針對現(xiàn)有半橋驅(qū)動電路存在的問題，提出了一種新型的飛輪儲能系統(tǒng)電力變換裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于提供一種應(yīng)用于高速飛輪儲能系統(tǒng)的電力變換裝置，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。所述應(yīng)用于高速飛輪儲能系統(tǒng)的電力變換裝置具有能夠?qū)崿F(xiàn)飛輪儲能系統(tǒng)能量的雙向流動、設(shè)計了能量回饋回路，大大提高能量的利用率，提高了飛輪儲能系統(tǒng)的運行效率和結(jié)構(gòu)簡單可靠。

為實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供如下技術(shù)方案：一種應(yīng)用于高速飛輪儲能系統(tǒng)的電力變換裝置，包括直流電源U₁，所述直流電源U₁的兩端接有負載R₁，所述負載R₁的兩端并接有電容C₁、電容C₂、開關(guān)管T₂和電容C₃，所述電容C₁的輸入端連接有電感L_r，所述電感L_r連接有反向偏置的二極管D₃，且二極管D₃連接電容C₁的輸出端，所述電感L_r與反向偏置的二極管D₃的結(jié)點連接有開關(guān)管T_r的集電極，所述電容C₁和電容C₂的輸入端之間連接有電感L₁，所述電容C₂的輸入端連接有開關(guān)管T₁的集電極，所述開關(guān)管T₁的發(fā)射極與開關(guān)管T₂的集電極連接，所述開關(guān)管T₁的集電極和發(fā)射極之間反并聯(lián)二極管D₁，所述T₂的集電極和發(fā)射極之間反并聯(lián)二極管D₂，且T₂的集電極和電容C₃的輸入端之間連接有電感L₂，所述電容C₃的輸入端連接有無刷直流電機，所述無刷直流電機的換向電路分別連接有開關(guān)管T_a、開關(guān)管T_b和開關(guān)管T_c的集電極，所述開關(guān)管T_a、開關(guān)管T_b和開關(guān)管T_c的發(fā)射極并接后與電容C₃的輸出端連接，且開關(guān)管T_a、開關(guān)管T_b和開關(guān)管T_c構(gòu)成半橋驅(qū)動電路，所述開關(guān)管T_a的集電級與發(fā)射極之間反并聯(lián)二極管D_a，開關(guān)管T_b的集電級與發(fā)射極之間反并聯(lián)二極管D_b，開關(guān)管T_c的集電級與發(fā)射極之間反并聯(lián)二極管D_c，所述開關(guān)管T_r的發(fā)射極接有反向偏置的二極管D₄、二極管D₅和二極管D₆，所述二極管D₄與開關(guān)管T_a的集電級連接，二極管D₅與開關(guān)管T_b的集電級連接，二極管D₆與開關(guān)管T_c的集電級連接，所述二極管D₄、二極管D₅和二極管D₆與電容C₃的輸出端之間連接有電容C₀，所述開關(guān)管T_r、二極管D₄、二極管D₅、二極管D₆、二極管D₃、電感L_r和電容C₀構(gòu)成能量回饋電路，所述電感L₁和電容C₁構(gòu)成濾波電路，所述開關(guān)管T₁、開關(guān)管T₂、電感L₂、電容C₂和電容C₃構(gòu)成雙向Buck-Boost變換電路。

優(yōu)選的，所述直流電源U₁串接有用于關(guān)斷電路的開關(guān)S1。

優(yōu)選的，所述負載R₁上串接有用于斷開負載的開關(guān)S2。

優(yōu)選的，所述電感L₂和無刷直流電機輸入端之間連接有PI調(diào)節(jié)器。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果是：本應(yīng)用于高速飛輪儲能系統(tǒng)的電力變換裝置，1、能夠?qū)崿F(xiàn)飛輪儲能系統(tǒng)能量的雙向流動，能夠?qū)崿F(xiàn)高速飛輪儲能電機的四象限運行；2、設(shè)計了能量回饋回路，大大提高能量的利用率，提高了飛輪儲能系統(tǒng)的運行效率；3、結(jié)構(gòu)簡單可靠，且不存在直通短路的危險，提高了高速飛輪電機運行的安全性。

附圖說明

圖1為本實用新型結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實用新型儲能模式運行示意圖；

圖3為本實用新型釋能模運行式示意圖；

圖4為本實用新型儲能模式飛輪電機控制策略示意圖；

圖5為本實用新型釋能模式飛輪電機控制策略示意圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├?，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。

請參閱圖1-5，本實用新型提供一種技術(shù)方案：

一種應(yīng)用于高速飛輪儲能系統(tǒng)的電力變換裝置，包括直流電源U₁，直流電源U₁串接有用于關(guān)斷電路的開關(guān)S1，直流電源U₁的兩端接有負載R₁，負載R₁上串接有用于斷開負載的開關(guān)S2，負載R₁的兩端并接有電容C₁、電容C₂、開關(guān)管T₂和電容C₃，電容C₁的輸入端連接有電感L_r，電感L_r連接有反向偏置的二極管D₃，且二極管D₃連接電容C₁的輸出端，電感L_r與反向偏置的二極管D₃的結(jié)點連接有開關(guān)管T_r的集電極，電容C₁和電容C₂的輸入端之間連接有電感L₁，電容C₂的輸入端連接有開關(guān)管T₁的集電極，開關(guān)管T₁的發(fā)射極與開關(guān)管T₂的集電極連接，開關(guān)管T₁的集電極和發(fā)射極之間反并聯(lián)二極管D₁，T₂的集電極和發(fā)射極之間反并聯(lián)二極管D₂，且T₂的集電極和電容C₃的輸入端之間連接有電感L₂，電容C₃的輸入端連接有無刷直流電機，電感L₂和無刷直流電機輸入端之間連接有PI調(diào)節(jié)器，無刷直流電機的換向電路分別連接有開關(guān)管T_a、開關(guān)管T_b和開關(guān)管T_c的集電極，開關(guān)管T_a、開關(guān)管T_b和開關(guān)管T_c的發(fā)射極并接后與電容C₃的輸出端連接，且開關(guān)管T_a、開關(guān)管T_b和開關(guān)管T_c構(gòu)成半橋驅(qū)動電路，開關(guān)管T_a的集電級與發(fā)射極之間反并聯(lián)二極管D_a，開關(guān)管T_b的集電級與發(fā)射極之間反并聯(lián)二極管D_b，開關(guān)管T_c的集電級與發(fā)射極之間反并聯(lián)二極管D_c，開關(guān)管T_r的發(fā)射極接有反向偏置的二極管D₄、二極管D₅和二極管D₆，二極管D₄與開關(guān)管T_a的集電級連接，二極管D₅與開關(guān)管T_b的集電級連接，二極管D₆與開關(guān)管T_c的集電級連接，二極管D₄、二極管D₅和二極管D₆與電容C₃的輸出端之間連接有電容C₀，開關(guān)管T_r、二極管D₄、二極管D₅、二極管D₆、二極管D₃、電感L_r和電容C₀構(gòu)成能量回饋電路，電感L₁和電容C₁構(gòu)成濾波電路，開關(guān)管T₁、開關(guān)管T₂、電感L₂、電容C₂和電容C₃構(gòu)成雙向Buck-Boost變換電路。

飛輪儲能系統(tǒng)有三種工作模式：飛輪儲能模式、飛輪待機模式和飛輪釋能模式。

在飛輪儲能模式中，能量由電源流向飛輪儲能系統(tǒng)，此時，半橋驅(qū)動電路根據(jù)換向信號工作在電動狀態(tài)，驅(qū)動飛輪電機電動運行；雙向Buck-Boost變換電路工作在Buck降壓模式(T₁工作在PWM狀態(tài)、T₂保持關(guān)斷)，用于調(diào)節(jié)飛輪電機的輸入電壓，實現(xiàn)飛輪電機的恒轉(zhuǎn)矩或恒功率啟動及加速運行；能量回饋回路此時工作(T_r工作在PWM狀態(tài))，實現(xiàn)將三相開關(guān)管關(guān)斷能量回饋前級電源的功能。

在飛輪釋能模式中，能量由飛輪儲能系統(tǒng)流向負載，此時，半橋驅(qū)動電路工作在半波整流模式(T_a，T_b，T_c全部鎖死，開關(guān)管上反并聯(lián)的二極管D_a，D_b，D_c組成半波整流電路)；隨著轉(zhuǎn)速的降低，電機輸出電壓也降低，為了維持輸出電壓穩(wěn)定，雙向Buck-Boost變換電路工作在Boost升壓狀態(tài)(T₂工作在PWM狀態(tài)、T₁鎖死)；能量回饋電路此時不工作(T_r鎖死)。

在飛輪待機模式中，飛輪儲能系統(tǒng)與電源沒有能量交換，此時，飛輪驅(qū)動電路所有開關(guān)管均關(guān)斷，飛輪電機進入空轉(zhuǎn)待機狀態(tài)，由于存在著損耗，飛輪系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速會逐漸的下降，當轉(zhuǎn)速到達空載轉(zhuǎn)速設(shè)定下限時，飛輪儲能系統(tǒng)切換到儲能模式，飛輪電機升速；當飛輪轉(zhuǎn)速到達空載轉(zhuǎn)速設(shè)定上限時，飛輪電機又進入空轉(zhuǎn)待機狀態(tài)，周而復(fù)始。

飛輪儲能系統(tǒng)電力變換裝置的控制方法如下：

飛輪儲能系統(tǒng)的儲能過程對應(yīng)著飛輪電機的升速過程，在這個過程中，變流器驅(qū)動飛輪電機以電動方式運行，電能轉(zhuǎn)換為機械能存儲在飛輪中。飛輪電機在升速過程中要求電機的功率盡可能大、啟動盡量快、飛輪轉(zhuǎn)動盡量平穩(wěn)。飛輪電機儲能過程中的控制策略主要包括飛輪電機的控制和轉(zhuǎn)儲電容電壓的控制，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，我們采用恒轉(zhuǎn)矩與恒功率相結(jié)合的驅(qū)動方式：在啟動階段，由于飛輪慣量大，速度響應(yīng)慢，需要很大的啟動轉(zhuǎn)矩，而對控制精度的要求相對較低，我們可以采用恒功率限流啟動的方式。此時，系統(tǒng)采用單閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，在啟動初期，飛輪電機輸入功率較低，PI調(diào)節(jié)器輸出值超過限幅調(diào)節(jié)器的閥值，限幅環(huán)節(jié)進入飽和狀態(tài)，母線電流控制輸出值始終為限幅調(diào)節(jié)器的閥值，飛輪電機進入恒轉(zhuǎn)矩控制模式。隨著儲能過程的深入，飛輪電機的轉(zhuǎn)速逐漸升高，PI調(diào)節(jié)器輸出逐漸減小，當限幅環(huán)節(jié)退出飽和時，飛輪電機自動轉(zhuǎn)入到恒功率控制模式。當飛輪電機進入調(diào)速階段時，為了兼顧控制的精度和響應(yīng)的速度，可以根據(jù)控制要求切換到轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，此時，系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，外環(huán)為轉(zhuǎn)速環(huán)，用于進行飛輪電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)；內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，用于控制飛輪電機的充電電流。轉(zhuǎn)儲電容電壓的控制采用電壓單閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，斬波開關(guān)T_r采用固定PWM占空比并結(jié)合滯環(huán)控制可較好地減小儲能電容電壓和電機電流脈動，有利于改善系統(tǒng)性能。

在飛輪釋能的過程中，變流裝置按照上層控制器的功率指令控制電機能量的輸出，電機運行于制動狀態(tài)。通過不可控整流所得的電壓比較低，而且隨著轉(zhuǎn)速的降低整流輸出的電壓也隨之降低并且有一定的脈動，為此前級雙向Buck-Boost變換電路工作在Boost升壓狀態(tài)。前級雙向變換器工作在Boost模式，采用雙閉環(huán)控制控制，外環(huán)維持直流母線電壓穩(wěn)定，內(nèi)環(huán)控制飛輪儲能系統(tǒng)放電電流，用于調(diào)節(jié)輸出功率。在飛輪釋能控制過程中，同時還需要時時監(jiān)測飛輪的轉(zhuǎn)速，根據(jù)上層控制器的指令信號及當前飛輪的轉(zhuǎn)速確定電機的輸出電流的大小。當飛輪的轉(zhuǎn)速超過最高轉(zhuǎn)速或低于最低轉(zhuǎn)速時，飛輪儲能系統(tǒng)進入待機狀態(tài)。

盡管已經(jīng)示出和描述了本實用新型的實施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本實用新型的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本實用新型的范圍由所附權(quán)利要求及其等同物限定。