[发明专利]一种磁悬浮储能飞轮阵列对充对放电控制策略

权利要求书

1.一种磁悬浮储能飞轮阵列对充对放电控制策略，其特征是：系统结构包括：市电电网(1)、交流熔断器(2)、交流空开(3)、PLC控制器(4)、网侧变流器(5)、飞轮储能变流器(6)、电机(7)、飞轮转子(8)及磁轴承(9)；

本方法包含四种工作模式：预充模式、保持模式、对拖模式、反对拖模式，具体实施步骤如下：

预充模式：第一步，闭合与市电电网连接的交流空开K1、K2和K3，此时PCS1和PCS2交流侧具备380VAC电压；其中，PCS1、PCS2为网侧变流器；K1连接在交流熔断器F1与交流熔断器F2、F3之间，K2连接在交流熔断器F2与PCS1之间，K3连接在交流熔断器F3与PCS2之间；

第二步，PLC控制器通过以太网总线分别给PCS1和PCS2发送“系统启动”控制命令，PCS1和PCS2完成“上电自检”和“直流预充”操作，此时与飞轮变流器连接的直流母线具备630VDC电压；

第三步，飞轮变流器的直流母线电压建立后，飞轮阵列1和2分别完成“上电自检”过程，并通过CAN总线给PCS1和PCS2发送“系统正常”状态数据；

第四步，PCS1和PCS2接收到飞轮阵列系统上电正常状态后，PCS1通过CAN总线给飞轮阵列1的两台飞轮发送设定转速9000转，PCS2通过CAN总线给飞轮阵列2的两台飞轮发送设定转速4000转，飞轮阵列1和2接收到转速指令后回传当前转速设定值和实际测量值；

第五步，PCS1和PCS2接收到飞轮阵列1和2回传的四组转速设定值和实际测量值后，通过CAN总线同步给四台飞轮发送“充电控制”命令；

第六步，飞轮阵列1和2的四台飞轮分别接收到“充电控制”命令后，即从当前转速向设定的转速值升速，同时回传转速的实时测量值；待飞轮阵列1两台飞轮升速至9000转，飞轮阵列2两台飞轮升速至4000转后，即完成飞轮阵列的预充模式，此后四台飞轮处于待机保持模式；

保持模式：飞轮阵列1和2完成预充模式后，分别在设定转速以较小电流稳速运行，或者阵列放电结束后，飞轮同样处于稳速保持模式；

对拖模式：第一步，飞轮阵列1的两台飞轮分别处于9000转稳速旋转，飞轮阵列2的两台飞轮分别处于4000转稳速旋转；

第二步，PLC控制器通过以太网总线分别给PCS1和PCS2发送“对拖”控制命令，以太网总线通过不同的TCP/IP地址区分PCS的站地址；其中PCS包括网侧变流器PCS1和PCS2；

第三步，PCS1接收到“对拖”控制命令后，会自动将PCS1的直流母线电压降低至600VDC，同时通过CAN总线分别给飞轮1和飞轮2发送“放电控制”命令，CAN总线通过不同的ID号区分飞轮的站地址；

第四步，飞轮阵列1的直流母线电压降低至600VDC后，飞轮1和飞轮2检测到母线电压降低至放电阈值后，自动进入放电模式，同时由飞轮阵列1的两台飞轮1和2进行稳压；进入放电模式后，飞轮1和2能量由飞轮流向市电电网，放电功率取决于PCS设定的最大功率；

另一方面，当飞轮1和飞轮2接收到PCS1发送的“放电”控制命令后，也同步进入到放电模式；通过降低直流母线电压或者CAN通信控制命令发送，飞轮阵列1均可进入到放电模式，取决于两者的变化速率；

第五步，当飞轮阵列1中的两台飞轮分别以设定功率进行放电时，两台飞轮转速不断下降，直至4000转后自动稳速运行，进入保持模式；飞轮阵列1转速进入4000转后，会通过CAN总线给PCS1发送“放电结束”状态，PCS1自动将直流母线电压抬高至630VDC，此时对拖控制中的阵列1 放电过程结束；

第三步续，PCS2接收到“对拖”控制命令后，会自动通过CAN总线将飞轮阵列2的两台飞轮转速设定值设置为9000转，同时保证直流母线电压650VDC不变；

第四步续，飞轮阵列2的两台飞轮即飞轮3和飞轮4接收到PCS2发送的9000转设定值后，自动由保持模式进入恒功率充电模式，充电功率取决于飞轮的最大输出功率；进入充电模式后，飞轮阵列1释放的能量即经过市电电网后流入飞轮阵列2进行存储；飞轮阵列1的放电功率与飞轮阵列2的充电功率是基本一致的；

第五步续，当飞轮阵列2中的两台飞轮分别以设定功率进行充电时，两台飞轮转速不断上升，直至9000转后自动稳速运行，进入保持模式；飞轮阵列2转速进入9000转后，会通过CAN总线给PCS2发送“充电结束”状态，此时对拖控制中的阵列2充电过程结束；

以上对拖模式，飞轮阵列1的放电过程与飞轮阵列2的充电过程同步进行，可保证能量在两组阵列中进行流动，此时电网不参与能量回馈；

反对拖模式：完成对拖模式后，飞轮阵列1两台飞轮处于4000转稳速旋转，飞轮阵列2两台飞轮处于9000转稳速旋转，反对拖模式的充放电过程相对于对拖模式的充放电过程，PCS1和PCS2、飞轮阵列1和2均需调换；

PLC控制器通过以太网总线分别给PCS1和PCS2发送“反对拖”控制命令后，飞轮阵列1以恒功率充电至9000转，飞轮阵列2以恒功率放电至4000转，之后两组阵列处于保持模式。

2.根据权利要求1所述的一种磁悬浮储能飞轮阵列对充对放电控制策略，其特征是：

飞轮阵列1的放电过程与飞轮阵列2的充电过程同步进行，可保证能量在两组阵列中进行流动，此时电网不参与能量回馈；其中，两组阵列充放电同步控制与能量补充控制如下：

同步控制：以对拖模式为例，PLC控制器通过以太网分别给PCS1和PCS2发送对拖控制命令，任务周期十几个微秒，对于整个系统响应时间而言，可以忽略；

PCS1和PCS2接收到对拖控制指令后，分别通过CAN总线给飞轮阵列发送充放电控制指令，CAN总线波特率1Mbps，在标准帧模式下通信时间几个毫秒左右，为此，飞轮阵列1和飞轮阵列2的同步时间在几个毫秒水平内；而且，飞轮电磁响应时间在十几到二十毫秒范围，完全可以接纳CAN总线通信延迟；

同时，在飞轮同步控制时，采用直流母线电压的变化自动完成飞轮的充放电控制，具体过程如下：

第一步，在预充模式时，PCS1和PCS2分别控制两组直流母线电压630VDC，飞轮阵列1分别充电至9000转后处于保持模式，飞轮阵列2分别充电至4000转后处于保持模式；

第二步，PLC控制器通过以太网分别给PCS1和PCS2发送对拖控制命令；PCS1接收到对拖控制命令后，将飞轮阵列1的直流母线电压降低至600VDC；同时，PCS2接收到对拖控制命令后，将飞轮阵列2的直流母线电压抬高至660VDC；

第三步，飞轮阵列1的两台飞轮检测到直流母线电压降低至放电电压，自动放电稳压610VDC，即直流母线电压处于590V～610VDC时，飞轮内置程序自动完成由保持模式向放电模式转换；

第三步续，飞轮阵列2的两台飞轮检测到直流母线电压抬至充电电压，自动充电至额定转速，即直流母线电压处于650V～670VDC时，飞轮内置程序自动完成由保持模式向充电模式转换；

在第三步飞轮自动充放电控制过程中，完全依据直流母线电压的变化完成充放电模式切换，由于电压信号采用模拟AD通道采集，采集速率几十兆赫兹，整个过程电压采集和模式切换时间都在微秒水平，完全可以实现飞轮之间的同步控制；

另一方面，在系统结构图中K1为市电电网交流接触器，具有一定的配置容量，如果在飞轮对充对放电控制过程中，两组飞轮阵列同步性较差，则电网参与能量循环深度较大，达到一定数值则K1断路保护；K1具有电压、电流和功率显示，可以此判断两组飞轮阵列的同步性能；同时，飞轮阵列中的两台飞轮的同步性由CAN总线的通信速率保证，可以实时监测两台飞轮的转速变化速率考核同步性问题；

能量补充控制：以对拖控制为例，飞轮阵列1由9000转恒功率放电至4000转，飞轮阵列2由5000转恒功率充电至9000转，理论上两组阵列的能量消耗是一致的，电网可不参与能量流动过程；但实际上，由于飞轮自身损耗、电机控制效率和附加损耗等存在，两组阵列在对拖过程中会出现能量损失现象，即飞轮阵列1已放电至4000转，而飞轮阵列2只充电至8700转左右，损失的能量以电机热能消耗；

因此，当一组阵列放电结束后，另一组阵列未充电至额定转速时，需要电网对该组阵列进行能量补充，此时能量由电网流入飞轮阵列，在能量补充控制中，飞轮阵列进入预充模式，充电功率设置为较小值。