[發明專利]雙單片機飛輪儲能系統控制器及控制方法

有效

• 申請號: 201310289832.5
• 申請日: 2013-07-11
• 公開（公告）號: CN103326390A
• 公開（公告）日: 2013-09-25
• 發明（設計）人: 高晗瓔;劉端增;李偉力;楊忠生;趙杰
• 申請（專利權）人: 哈爾濱理工大學
• 主分類號: H02J3/30
• 分類號: H02J3/30
• 代理公司: 哈爾濱東方專利事務所 23118
• 代理人: 陳曉光

1.一種雙單片機飛輪儲能系統控制器，其組成包括:?飛輪，其特征是:?所述的飛輪與充電儲能系統連接，所述的充電儲能系統與高速永磁無刷電機連接，所述的高速永磁無刷電機與所述的飛輪連接，所述的充電儲能系統與放電釋能系統連接。

2.根據權利要求1?所述的雙單片機飛輪儲能系統控制器，其特征是：所述的充電儲能系統包括MCU1控制電路、BUCK電路、卸荷電路、PWM逆變電路、單相整流電路，所述的MCU1控制電路分別與所述的BUCK電路、所述的卸荷電路、所述的PWM逆變電路、所述的單相整流電路連接，所述的PWM逆變電路與所述的高速永磁無刷電機連接，所述的高速永磁無刷電機與MCU1控制電路連接，所述的MCU1控制電路與所述的飛輪連接，所述的BUCK電路分別與所述的卸荷電路、所述的PWM逆變電路、所述的單相整流電路連接，所述的卸荷電路與所述的PWM逆變電路連接。

3.根據權利要求1?或2所述的雙單片機飛輪儲能系統控制器，其特征是：所述的放電釋能系統包括MCU2控制電路、高頻升壓穩壓電路、單相逆變電路、濾波電路，所述的MCU2控制電路分別與所述的單相整流電路、所述的高頻升壓穩壓電路、所述的單相逆變電路、所述的MCU1控制電路連接，所述的高頻升壓穩壓電路分別與所述的BUCK電路、所述的卸荷電路、所述的PWM逆變電路、所述的MCU1控制電路、所述的單相逆變電路連接，所述的單相逆變電路與所述的濾波電路連接。

4.一種雙單片機飛輪儲能系統控制器的控制方法，其特征是:

（1）充電儲能系統的控制方法:

在充電儲能時，電能通過PWM逆變電路驅動電機，帶動飛輪加速轉動，完成電能到機械能的轉換，能量儲存在高速旋轉的飛輪中；之后，電機維持在一個恒定轉速；當MCU1控制電路檢測工頻輸入電壓Uac的大小，當Uac<10V時，認為電網斷電，此時，BUCK電路停止工作，飛輪存儲能量通過PWM逆變電路T1~T6中的續流二極管將飛輪能量回饋至直流母線Udc1，通過T11~T14、高頻升壓變壓器、D11~?D12進行得到340V的直流電壓Udc2，經SPWM單相逆變及選擇適當的調制比M輸出單相（正弦脈寬調制）SPWM波，經濾波處理后得到單相220V、50Hz交流電；

單相220V電網電壓經不控整流得到310V直流電壓，通過檢測BUCK電路的直流輸出Udc1作為電壓外環的的電壓反饋，經過PI調節后作為電流內環的給定，與直流母線電流的反饋值經過電流環PI調節，輸出控制BUCK功率開關管T5的占空比，使直流電壓Udc1從0V增加并穩定在100V；飛輪電機采用高速永磁無刷電機；在儲能過程中飛輪控制器采用MCU1控制電路、ST7FMC2S4T6對無刷電機的反電動勢過零點進行檢測；由于轉速低時很難檢測到反電動勢，故采用三段式啟動法進行電機啟動：即首先進行步進模式換相，反電動勢的幅值隨著轉速的提高而不斷增大，當達到一定轉速時，通過檢測反電動勢的過零點，發出相應的六路PWM驅動信號驅動逆變電路，經功率放大后驅動功率開關管，使電機由它控式切換到自控式高速運行，完成電能到機械能的轉換；當檢測到過零點m1時，之后延時30o到換相點n1，此刻由AB→AC換相，同理，當檢測到過零點m2時，再延時30o到換相點n2，由AC-BC，以此類推，完成一個電周期的六次換相；?

（2）放電釋能系統的控制方法:

在放電釋能過程中，MCU1控制電路停止輸出逆變器的SPWM控制波，飛輪能量通過逆變單元的續流二極管將飛輪能量回饋直流母線Udc1；飛輪儲能完成后處于保持模式；MCU1控制電路檢測工頻輸入電壓Uac的大小，當Uac<10V時，認為電網斷電儲能單元中控制電路停止工作，PWM逆變電路關斷，釋能單元電路中的控制電路開始工作，此時飛輪高速旋轉，因其慣性將帶動電機旋轉并釋放電能，經逆變電路中的六個續流二極管回饋至直流母線Udc1；

MCU2控制電路為高頻升壓、穩壓單元提供控制信號；由于電機發電運行時，電機轉速不斷降低，輸出電壓也不斷降低；為保持逆變輸出為交流220V，通過調節高頻升壓穩壓單元的功率開關管的占空比以獲得穩定的340V交流電壓；單相逆變電路采用SPWM控制，通過查表（正弦表，為標幺值）以及選擇適當的調制比M輸出單相（正弦脈寬調制）SPWM波，經濾波處理后得到單相220V、50Hz交流電。

5.根據權利要求4所述的雙單片機飛輪儲能系統控制器的控制方法，其特征是：三種工作模式的切換方法：

（1）儲能階段，MCU1控制電路接收外部的啟動指令，輸出BUCK的控制波形，經降壓、穩壓環節達到直流100V，經過PWM逆變環節驅動無刷直流電機，帶動飛輪旋轉，此時為儲能階段；

（2）保持階段，當外加電壓達到100V且飛輪轉速達到15000rpm時，此時進入保持階段；保持模式可看作是儲能模式與釋能模式的中間過渡狀態；既沒有能量的正向流動，也沒有能量的反向流動，在這種模式下，系統的能量維持恒定，并以最小的損耗運行在空閑狀態；該階段等待釋能控制信號輸入，并進入釋能階段；

（3）釋能階段，當飛輪轉速達到15000rpm且維持10分鐘后，系統進入等待切入釋能模式；MCU1控制電路檢測工頻輸入電壓Uac的大小，當Uac<10V時，認為電網斷電，此時，BUCK停止工作，飛輪存儲能量通過PWM逆變器T1~T6中的續流二極管將飛輪能量回饋至直流母線Udc1；隨著無刷電機轉速的下降，其輸出的電壓也在不斷降低，所以需要穩壓電路進行升壓，才能保證輸出電壓恒定，確保負載正常工作；Udc1是直流母線電壓，根據直流輸出側Udc1的變化，通過PI調節改變開關管的占空比以獲得穩定的340V電壓，通過單相逆變、濾波單元輸出220V、50Hz的交流電；當檢測Udc1小于60V時，禁止PWM輸出，飛輪儲能控制器釋能過程停止，放電結束；

（4）釋能階段→儲能階段，當Uac>=180V時，MCU1判定電網恢復，控制儲能過程恢復工作，此時，進入儲能階段。