专利名称：多飞轮储能单元并联的飞轮阵列储能系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种面向电网级应用的大功率飞轮阵列储能系统。
背景技术：
飞轮储能是一种将电能以机械能形式储存在高速旋转的飞轮转子中的储能技术，一般由飞轮转子、支撑轴承、电机、保护外壳以及电力变换电路构成。根据飞轮转子的工作转速可以将其分为高速飞轮储能系统与低速飞轮储能系统，前者使用复合材料转子和磁悬浮轴承，工作转速在几万转/分；后者使用金属材料转子和机械轴承，工作转速一般为几千转/分。根据国内外飞轮储能技术领域的相关资料显示，独立飞轮储能系统的额定输出功率最大可达225kW(400VAC)，此类独立系统主要用于应急电源、航天卫星以及电动汽车等。 随着风力和光伏发电等新能源的并网需求愈加强烈，省去新能源并网逆变环节的分布式直流电网开始受到关注。由于风电和光伏自身存在间歇性和波动性特征，直流电网内部必须配置合适功率的快速储能设备才能保证整个电网系统的功率平衡。与传统化学电池储能相比，飞轮储能技术具有无污染、充放电循环次数无限制、能量转换效率高等优点，用于平抑新能源的功率波动比较适合。但是，独立的飞轮储能单元容量有限，而且受转子材料、以及整机制造成本的约束，能够满足直流电网功率需求的大容量飞轮储能单元的研制成本非常高。中国的发明专利200910219473公开了一种兆瓦级飞轮储能装置，其十米直径的飞轮转子对于气浮或者液浮轴承的要求太高，不易实现，并且兆瓦级电机的成本高昂、体积巨大，将大幅降低飞轮储能系统的功率密度。因此，应对MW级别的电网功率需求，可采取将特定功率等级的飞轮储能单元并联，构建大容量的飞轮阵列储能系统。通过优化设计飞轮储能单元的容量，实现模块化生产，达到降低系统成本的目的。国外专利W003049249A1公开了一种至少由两个飞轮储能系统构成的备用电源，该电源经过一个固定容量的逆变器将飞轮储存的电能并入交流电网。这种电源无法直接用于直流电网，而且系统的容量受到并网逆变器的限制，无法自由添加新的飞轮储能单元。综上所述，面对新能源大量并入直流电网，从而需要在电网中配置储能设备的要求，仍需研发一种能够直接并入直流电网的大功率飞轮阵列储能系统，拓展飞轮储能技术的应用领域。
发明内容
本发明的目的在于克服现有飞轮储能技术的不足，提供一种能够直接并入分布式直流电网的飞轮阵列储能系统。本发明所采用的技术方案是将内部结构和参数特性相同的多个飞轮储能单元并联在同一条直流母线上，构成一个飞轮阵列储能系统，所述的飞轮阵列储能系统通过其内部的一个并网静态开关实现并入直流电网的功能。本发明通过采取合理的控制方法，可以完成该飞轮阵列储能系统与直流电网之间的能量交换，确保后者的功率平衡，维持电网系统的稳定。
本发明的飞轮阵列储能系统由一条公共直流母线，一个并网静态开关，一个制动电阻、一个飞轮阵列控制器以及两个以上的飞轮储能单元及其单元控制器组成。其中，各个飞轮储能单元的直流侧引出端并联于公共直流母线上，公共直流母线的正、负母线分别与并网静态开关的正、负回路开关连接，并网静态开关再与直流电网连接，通过控制并网静态开关，飞轮阵列储能系统实现并入或者脱离直流电网的功能。制动电阻的两个引出端直接并联在公共直流母线上。飞轮阵列控制器通过通信控制信号线与各个单元控制器连接，并利用工业以太网协议完成控制器之间的信号传输。所述的飞轮储能单元的数量可根据直流电网所需配置储能的容量确定。飞轮阵列储能系统内部含有一条公共直流母线，所有飞轮储能单元的直流侧引出端均并联在这条公共直流母线上，并联的飞轮储能单元数量可以增加或减少。所述的公共直流母线经过一个并网静态开关接入直流电网。如果直流电网和飞轮阵列储能系统均处于正常状态，并网静态开关闭合，飞轮阵列储能系统以电流源的形式并入直流电网，实现吸收或者释放功率的功能；如果直流电网和飞轮阵列储能系统二者中的任何一方出现故障情况，则并网静态开关断开，确保正常运行的系统不受影响。此时，飞轮阵列储能系统处于离网状态，必须将系统内剩余的能量通过制动电阻释放完毕，才可以再次并网。所述的飞轮储能单元由双向功率变换电路、永磁同步电机、支撑轴承以及飞轮转子组成。其中，双向功率变换电路包含直流侧和交流侧引出端，两个直流侧弓I出端与公共直流母线连接，三个交流侧引出端分别与永磁同步电机的A相、B相和C相线连接。永磁同步电机与飞轮转子同轴连接并安装于支撑轴承上。飞轮储能单元在并入直流电网情况下的正常工作模式有三种充电、待机和放电。如果飞轮储能单元工作于充电模式，则由直流电网为飞轮储能单元内部的公共直流母线提供能量，单元控制器控制双向功率变换电路将直流电逆变成交流电，供给与飞轮转子同轴安装的永磁同步电机，驱动飞轮转子加速至给定转 速，将电能转化为机械能，实现吸收功率的功能；如果飞轮储能单元工作于待机模式，则直流电网不与飞轮储能单元发生功率交换；当飞轮储能单元工作于放电模式，则由单元控制器控制双向功率变换电路将永磁同步电机发出的交流电整流成直流，由多飞轮储能单元并联的飞轮阵列储能系统以电流源形式向直流电网释放功率，将机械能转化为电能。所述的飞轮阵列储能系统采用主从控制模式，阵列控制器为主控制器，各个单元控制器为从控制器。由阵列控制器垂直向下控制每一个单元控制器。具体实现方法为阵列控制器可由支持工业以太网协议的工控机和显示设备组成，阵列控制器利用一种协调控制算法，将维持直流电网功率平衡的功率需求合理分配至每一个单元控制器。所述的单元控制器利用一种飞轮储能单元控制方法，控制双向功率变换电路驱动永磁同步电机向直流电网吸收或者释放功率。所述的协调控制算法可以根据各个飞轮储能单元的储能状态以及直流电网所需的功率，随时调整参与能量交换的飞轮储能单元数量，确保飞轮阵列储能系统运行在较优状态。阵列控制器和各个单元控制器之间的指令传输经由工业以太网实现，保证功率指令和单元状态准确迅速的在主从控制器间传输。所述的并网静态开关由飞轮阵列控制器控制，当飞轮阵列储能系统满足并网条件，则阵列控制器向并网静态开关发出闭合指令；当直流电网或者飞轮阵列储能系统自身发生故障，不再满足并网条件，则飞轮阵列控制器向并网静态开关发出断开指令。本发明与现有技术相比，克服了大功率飞轮储能单元的加工成本过高的不足，将模块化飞轮储能单元并联连接，组成能够满足电网级应用需求的飞轮阵列储能系统。此外，与传统的面向交流电网应用的飞轮储能系统不同，本发明提供的飞轮阵列储能系统省去了逆变并网环节，直接由直流侧并入直流电网，大大提高了系统的储能效率。
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明图I本发明飞轮阵列储能系统的原理图；图2本发明飞轮阵列储能系统控制系统框图；图3所述直流电网的一个实施例的结构；图4本发明飞轮阵列控制器的控制流程图； 图5本发明单元控制器的控制流程图。
具体实施例方式图I为本发明飞轮阵列储能系统的原理图。一种能够直接并入直流电网100的飞轮阵列储能系统103由一条公共直流母线200，一个并网静态开关203，一个制动电阻204以及两个以上的飞轮储能单元及其单元控制器组成。其中，公共直流母线200由正母线201与负母线202组成，每个飞轮储能单元的两个直流侧引出端分别与公共直流母线200的正、负母线连接。例如第一飞轮储能单元300直流侧的第一引出端411与第二引出端412分别与公共直流母线200的正母线201与负母线202连接；第二飞轮储能单元310直流侧的第一引出端421和第二引出端422分别与公共直流母线200的正母线201与负母线202连接；……；第N飞轮储能单元320直流侧的第一引出端431和第二引出端432分别与公共直流母线200的正母线201与负母线202连接。公共直流母线200的正、负母线分别与并网静态开关203的正、负回路开关连接，而并网静态开关203再与直流电网100连接。即，公共直流母线200的正母线201与并网静态开关203的正回路开关203a连接，公共直流母线200的负母线202与并网静态开关203的负回路开关203b连接。并网静态开关203的正回路开关203a再与直流电网100的正母线101连接，负回路开关203b再与直流电网100的负母线102连接。飞轮阵列储能系统103通过控制并网静态开关203实现并入或者脱离直流电网100的功能。制动电阻204的两个引出端直接并联在公共直流母线上，即制动电阻204的第一引出端406与公共直流母线200的正母线201连接，制动电阻204的第二引出端407与公共直流母线200的负母线202连接。制动电阻204由飞轮阵列控制器400直接控制，二者通过通信控制信号线504连接。飞轮阵列控制器400通过通信控制信号线与各个单元控制器连接，并利用工业以太网协议完成控制器之间的信号传输。例如，第一单元控制器401通过通信控制信号线501与飞轮阵列控制器400连接，第二单元控制器402通过通信控制信号线502与飞轮阵列控制器400连接，……，第N单元控制器403通过通信控制信号线503与飞轮阵列控制器400连接。构成飞轮阵列储能系统103的飞轮储能单元分别是第一飞轮储能单元300，第二飞轮储能单元310，......，和第N飞轮储能单元320，N彡2。每个飞轮储能单元的内部结构和参数特性完全一致。这里以第一飞轮储能单元300为例对其内部结构进行说明。第一飞轮储能单元300由双向功率变换电路301、永磁同步电机302、支撑轴承303以及飞轮转子304组成。双向功率变换电路301包含直流侧和交流侧引出端，其中直流侧第一引出端411与公共直流母线200的正母线201连接，直流侧第二引出端412与公共直流母线200的负母线202连接。双向功率变换电路301交流侧的第一引出端413、第二引出端414和第三引出端415分别与永磁同步电机302的A相、B相和C相线连接。永磁同步电机302与飞轮转子304同轴连接并安装于支撑轴承303上，第一飞轮储能单元300在充电加速状态下，永磁同步电机302的速度增加，而飞轮转子304在支撑轴承303的传动作用下，速度跟随永磁同步电机302同步增加。同样，飞轮阵列储能系统103内部每个飞轮储能单元直流侧的第一引出端与公共 直流母线200的正母线201连接，每个飞轮储能单元直流侧的第二引出端与公共直流母线200的负母线202连接。制动电阻204的第一引出端406与公共直流母线200的正母线201连接，制动电阻204的第二引出端407与负母线202连接。并联接入飞轮阵列储能系统103的公共直流母线200的飞轮储能单元，其数量可以根据飞轮阵列储能系统103所设计的容量决定，飞轮储能单元的数量也可以根据直流电网100的需要增加或者减少，灵活性较强。双向功率变换电路301是能量转换的接口，可实现功率的双向流动，即，当第一飞轮储能单元300吸收来自于直流电网100的功率时，双向功率变换电路301工作于逆变模式，将飞轮阵列储能系统103内部的公共直流母线200上的电压逆变成交流电，驱动永磁同步电机302加速，结合支撑轴承303的作用，永磁同步电机302带动飞轮转子304加速，将电能以机械能形式储存。当第一飞轮储能单元300向直流电网100释放功率时，双向功率变换电路301工作于整流模式，将永磁同步电机302发出的交流电整流成直流并入飞轮阵列储能系统103内部的公共直流母线200。此过程中永磁同步电机302降速制动，结合支撑轴承303的作用，飞轮转子304拖动永磁同步电机302发电，将机械能转化成为电能。飞轮阵列储能系统103内部的公共直流母线200由正母线201和负母线202组成，正母线201的对地电压为650V，负母线的对地电压为0V。公共直流母线200经过一个并网静态开关203接入直流电网100，其中，公共直流母线200的正母线201经过并网静态开关203的正回路开关203a接入直流电网100的正母线101 ;公共直流母线200的负母线202经过并网静态开关203的负回路开关203b接入直流电网100的负母线102。并网静态开关203可以由晶闸管或者可控硅构成，起到并网开关的作用，受飞轮阵列控制器400的控制。当飞轮阵列储能系统103和直流电网100均正常工作，则并网静态开关203在飞轮阵列控制器400的控制下闭合，公共直流母线200的正母线201与直流电网100的正母线101连接，公共直流母线200的负母线202与直流电网100的负母线102连接。飞轮阵列储能系统103以电流源形式并入直流电网100，公共直流母线电压200的电压幅值与直流电网100的电压幅值保持一致，均为650V。如果飞轮阵列储能系统103或者直流电网100出现故障，则并网静态开关203断开，确保正常设备和系统不受影响。当并网静态开关203断开，即飞轮阵列储能系统103处于离网状态，需要迅速停机，则制动电阻204接入公共直流母线200。飞轮阵列储能系统103内部剩余的能量均通过制动电阻204释放，将飞轮阵列储能系统103储存的机械能以热能的形式耗散。当并网静态开关203正常闭合，飞轮阵列储能系统103处于并网状态，制动电阻204不发挥任何作用。图2具体描述了飞轮阵列储能系统103的控制系统构成方式。飞轮阵列储能系统采用主从控制模式，飞轮阵列控制器400作为主控制器，能够收集并显示飞轮阵列储能系统103内部各个飞轮储能单元的状态信息，例如电压、电流、转子转速、温度、以及各单元的剩余能量。飞轮阵列控制器400还负责将直流电网100的功率需求分配至每一个单元控制器，例如第一单元控制器401、第二单元控制器402，……，第N单元控制器403，N彡2，功率分配的依据是一种协调控制算法，按照各个飞轮储能单元的运行状态，计算每个单元所应承担的功率，能够保证飞轮阵列储能系统103运行损耗较小，能量转换效率较优。各个
单元控制器，例如第一单元控制器401、第二单元控制器402，......，第N单元控制器403，
N ^ 2，接收到飞轮阵列控制器400的功率指令，利用一种飞轮储能单元控制方法，控制各飞轮储能单元内部的双向功率变换电路，完成功率的吸收或者释放。
飞轮阵列控制器400可以由高性能工控机与显示设备构成。各单元控制器可由数字信号处理器DSP及其外围电路构成，完成控制功率变换电路的任务。飞轮阵列控制器400与各个单元控制器之间的指令传输是通过工业以太网协议实现的，可以是profinet或者prof ibus。作为主控制器的飞轮阵列控制器400通过通信控制信号线与各个单元控制器连接，可以是专用工业以太网数据线，也可以是普通网线。例如第一单元控制器401通过通信控制信号线501与飞轮阵列控制器400连接，第二单元控制器402通过通信控制信号线502与飞轮阵列控制器400连接，……，第N单元控制器403通过通信控制信号线503与飞轮阵列控制器400连接。并网静态开关203由飞轮阵列控制器400直接控制，二者之间通过通信控制信号线500连接。制动电阻204由飞轮阵列控制器400直接控制，二者之间通过通信控制信号线504连接。图3所示为飞轮阵列储能系统103的一个具体实施例，以单线结构图的形式描述了含有飞轮阵列储能系统103的直流电网100的内部配置及其外部连接方式。所述直流电网100含有一条直流母线107、光伏电站106、风力发电场105、飞轮阵列储能系统103以及直流负荷104。直流母线107的电压等级为650V，其中正母线对地650V，负母线对地0V。直流电网100经过并网变流器110和公共连接点(PCC)120与交流电网130连接。其中，直流电网100的直流母线107与并网变流器110的直流侧引出端111连接，并网变流器110的交流侧引出端112与公共连接点(PCC) 120连接。公共连接点(PCC) 120处于常闭状态，直流电网100内部的直流母线107上的650V母线电压由交流电网130经过并网变流器110整流得到，因此直流电网100内部的光伏电站106、风力发电场105以及飞轮阵列储能系统103均以电流源形式并入直流电网100。由于光伏电站106和风力发电场105发出的功率存在间歇性和波动性，容易造成直流电网100内部的功率供求不平衡，导致直流母线107的电压不稳定，因此配置飞轮阵列储能系统103，当光伏电站106和风力发电场105发出的功率超过直流负荷104的需求，则多余的功率由飞轮阵列储能系统103吸收，当光伏电站106和风力发电场105发出的功率低于直流负荷104的需求，欠缺的功率由飞轮阵列储能系统
103释放来补足。图4所示为飞轮阵列控制器400采用的阵列控制方法的流程图。当飞轮阵列储能系统103接通电源开始运行，则飞轮阵列控制器400进入步骤600，开始启动。首先，在步骤601巡检各单元控制器状态，利用工业以太网通讯协议，采集各个飞轮储能单元的状态信息，并检测直流电网100的状态。在步骤602判断直流电网和各单元状态是否正常。如果直流电网100存在短路故障或者状态非正常的飞轮储能单元数量超过允许值，则进入步骤609发出故障报警信号，飞轮阵列储能系统103仍处于停机状态。飞轮阵列控制器400重新回到步骤601执行程序；如果直流电网100与各个飞轮储能单元都正常，则进入步骤603控制并网静态开关203闭合，飞轮阵列控制器400向并网静态开关203发出闭合指令，使得飞轮阵列储能系统103可以与直流电网100发生能量交换。然后，在步骤604向各飞轮储能单元控制器发送吸收功率指令，意图让每个飞轮储能单元从直流电网100吸收能量，表现为飞轮转子的速度增加，并保持在某一设定值，此时，飞轮阵列储能系统103完全进入正常待机状态，随时可以向直流电网100吸收或者释放功率。飞轮阵列控制器400在步骤605检测直流电网100和各个飞轮储能单元的状态是否正常，如果是，则飞轮阵列控制器400进入步骤705，计算飞轮阵列储能系统103所需要向直流电网吸收或者释放的功率，并依据协调控制算法将此功率合理分配给各个单元控制器。当功率指令下发完毕后，飞轮阵列控制器400的控制程序重新回到步骤605检测直流电网100和各个飞轮储能单元的状态，并进 行下一次功率分配的任务。如果二者有任何故障，则飞轮阵列控制器400进入步骤607控制并网静态开关203迅速断开，确保正常的设备或系统不受影响。发生故障事件后，飞轮阵列储能系统103必须停机再重新启动，等待合适的并网机会。因此，飞轮阵列控制器400接着进入步骤607控制制动电阻204放电，将各个飞轮储能单元储存的能量释放完毕直至停止运行，并在步骤609发出故障报警信号，然后飞轮阵列控制器400重新返回系统初始状态，回到步骤601巡检个飞轮储能单元控制器的状态。图5所示为各个飞轮储能单元控制器，例如第一单元控制器401，第二单元控制器402，……，第N单元控制器403，N彡2，所采用的飞轮储能单元控制方法的流程图。由于各个单元控制器软硬件参数完全一样，因此，此处仅描述飞轮储能单元控制方法运行在第一单元控制器401中的各个步骤，飞轮储能单元控制方法运行在其余单元控制器的步骤与此相同。首先，当飞轮阵列储能系统103接通电源，第一单元控制器401进入步骤700启动，在步骤701采集第一飞轮储能单元300中的双向功率变换电路301以及永磁同步电机302的状态信息，并在后续步骤702向阵列控制器400发送该状态信息。然后，第一单元控制器401进入步骤703检测是否收到飞轮阵列控制器400的吸收功率的指令，如果没有，则重新回到步骤701 ;如果收到指令，则第一单元控制器401进入步骤704，控制永磁同步电机302加速至工作转速，此时，第一飞轮储能单元300已经完成启动过程，进入待机状态，随时可以与直流电网100交换能量。第一单元控制器401在步骤705接收阵列控制器400的功率指令，然后在步骤706利用矢量控制算法控制第一飞轮储能单元300向直流电网100吸收或者释放功率。步骤707，第一单元控制器401利用各种传感器的信息判断第一飞轮储能单元300的电压、电流以及转速是否正常，如果均正常，并且第一单元控制器401在后续的步骤708没有收到飞轮阵列控制器400发出的停机指令，则第一单元控制器401返回步骤705接收阵列控制器400的下一个功率指令。如果第一单元控制器401在步骤707检测到第一飞轮储能单元300的电压、电流以及转速不正常或者在后续的步骤708接收到飞轮阵列控制器400发出的停机指令，则运行程序跳转至步骤709控制双向功率变换电路301停止输出，第一飞轮储能单元300逐渐进入停机状态。然后第一单元控制器401在步骤710发出故障报警信号，并重新回到步骤701采集第一飞轮储能单元300中的双向功率变换电路301和永磁同步电机302的状态信息，等待所有部件状态正常后第一飞轮储能单元300 才可以进行下一次吸收或者释放功率的任务。
权利要求
1.一种多飞轮储能单元并联的飞轮阵列储能系统，其特征在于，所述的飞轮阵列储能系统(103)由一条公共直流母线(200)，一个并网静态开关(203)，一个制动电阻(204)，一个飞轮阵列控制器(400)，以及两个以上的飞轮储能单元及其单元控制器组成；所述的飞轮储能单元均包含两个直流侧引出端；所述公共直流母线(200)由正母线(201)与负母线(202)组成，每个飞轮储能单元的直流侧第一引出端与公共直流母线(200)的正母线(201)连接，每个飞轮储能单元的直流侧第二引出端与公共直流母线(200)的负母线(202)连接；所述的并网静态开关(203)由正回路开关(203a)和负回路开关(203b)组成；公共直流母线(200)的正母线(201)经过并网静态开关(203)的正回路开关(203a)接入直流电网(100)的正母线(101);公共直流母线(200)的负母线(202)经过并网静态开关(203)的负回路开关(203b)接入直流电网(100)的负母线(102);所述制动电阻(204)的第一引出端(406)与公共直流母线(200)的正母线(201)连接，制动电阻(204)的第二引出端(407)与公共直流母线(200)的负母线(202)连接；所述的飞轮阵列控制器(400)通过通信控制信号线与各个单元控制器连接，并利用工业以太网协议完成控制器之间的信号传输。
2.根据权利要求I所述的一种多飞轮储能单元并联的飞轮阵列储能系统，其特征在于所述的飞轮储能单元由双向功率变换电路(301)、永磁同步电机(302)、支撑轴承(303)以及飞轮转子(304)组成；所述的双向功率变换电路(301)包含直流侧引出端和交流侧引出端，其中直流侧第一引出端(411)与公共直流母线(200)的正母线(201)连接，直流侧第二引出端(412)与公共直流母线(200)的负母线(202)连接；双向功率变换电路(301)的交流侧第一引出端(413)、第二引出端(414)和第三引出端(415)分别与永磁同步电机(302)的A相、B相和C相连接；永磁同步电机(302)与飞轮转子(304)同轴连接并安装于支撑轴承(303)上。
3.根据权利要求I所述的一种多飞轮储能单元并联的飞轮阵列储能系统，其特征在于以所述的飞轮阵列控制器(400)作为飞轮阵列储能系统(103)的主控制器，各飞轮储能单元的单元控制器作为从控制器，采用主从控制模式；其中，飞轮阵列控制器(400)采用阵列控制方法对飞轮阵列储能系统(103)进行控制；各个单元控制器，例如第一单元控制器(401)、第二单元控制器(402)，……，第N单元控制器(403)，N ^ 2，采用飞轮储能单元控制方法，控制飞轮储能单元向直流电网(100)吸收或者释放功率。
4.根据权利要求I所述的一种多飞轮储能单元并联的飞轮阵列储能系统，其特征在于所述的并网静态开关(203)受飞轮阵列控制器(400)的控制；若飞轮阵列储能系统(103)和直流电网(100)的状态均正常，则并网静态开关(203)在飞轮阵列控制器(400)的控制下闭合，飞轮阵列储能系统(103)接入直流电网(100)，吸收或者释放功率；如果飞轮阵列储能系统(103)或者直流电网(100)的状态异常，则并网静态开关(203)断开，飞轮阵列储能系统(103)停止运行。
5.根据权利要求I所述的一种多飞轮储能单元并联的飞轮阵列储能系统，其特征在于所述的制动电阻(204)受飞轮阵列控制器(400)的控制；在飞轮阵列储能系统(103)运行时，如果并网静态开关(203)闭合，则制动电阻(204)不发挥作用；如果并网静态开关(203)断开，则飞轮阵列控制器(400)启用制动电阻(204)将飞轮阵列储能系统(103)内部剩余的能量以热能形式释放。
6.根据权利要求I或2所述的一种多飞轮储能单元并联的飞轮阵列储能系统，其特征在于所述的飞轮阵列控制器(400)对飞轮阵列储能系统(103)的控制步骤为 步骤600，飞轮阵列控制器(400)启动；步骤601，飞轮阵列控制器(400)通过工业以太网协议，巡检各单元控制器的状态，采集各飞轮储能单元以及直流电网的状态信息；步骤602，判断直流电网(100)以及各飞轮储能单元的状态是否正常，如果不正常，则进入步骤(609)发出故障报警信号，然后回到步骤601继续执行；如果直流电网(100)以及各飞轮储能单元的状态均正常，则进入步骤603，飞轮阵列控制器(400)控制并网静态开关(203)闭合，飞轮阵列储能系统(103)并入直流电网(100);步骤604，飞轮阵列控制器(400)向各单元控制器发送吸收功率的指令，使各飞轮储能单元完成由静止加速至工作转速的过程，进入待机状态；步骤605再次判断直流电网(100)和各个飞轮储能单元的状态，如果均正常，则进入步骤606，计算飞轮阵列储能系统(103)需要向直流电网(100)吸收或者释放的总功率，并使用协调控制算法将其分配至各个单元控制器；然后，控制程序返回步骤605循环执行；如果直流电网(100)或飞轮储能单元出现故障，则进入步骤607，控制并网静态开关(203)断开；在步骤608，飞轮阵列控制器(400)控制制动电阻(204)接入公共直流母线(200)，将飞轮阵列储能系统(103)内部剩余的能量通过制动电阻(204)释放；然后进入步骤609，发出故障报警信号，最后控制程序回到步骤601重新执行。
7.根据权利要求3所述的一种多飞轮储能单元并联的飞轮阵列储能系统，其特征在于，所述的飞轮储能单元控制器(401)对飞轮储能单元(300)的控制步骤为 步骤700，第一单元控制器(401)启动；在步骤701，第一单元控制器(401)通过传感器采集双向功率变换电路(301)和永磁同步电机(302)的状态信息，并在步骤702将状态信息经由工业以太网发送至阵列控制器(400);然后执行步骤703，第一单元控制器(401)判断是否接到飞轮阵列控制器(400)发送的吸收功率的指令，如果没有，则程序返回步骤701循环执行；如果有，则进入步骤704，控制永磁同步电机(302)加速至工作转速；在步骤705，第一单元控制器(401)接收阵列控制器(400)所分配的功率指令，按照该指令，执行步骤706，控制飞轮储能单元(300)向直流电网(100)吸收或者释放功率；步骤707，第一单元控制器(401)再次判断飞轮储能单元(300)的电压、电流以及转速是否正常，如果正常，并且在步骤708没有收到阵列控制器(400)发出的停机指令，则控制程序返回步骤705循环执行；如果飞轮储能单元(300)的电压、电流以及转速不正常，或者在步骤708收到阵列控制器(400)发出的停机指令，则控制程序转至步骤709，控制双向功率变换电路(301)停止输出，并在步骤710发出故障报警信号，此时飞轮储能单元(300)逐渐降速直至停止运行，控制程序返回步骤701运行。
8.根据权利要求I所述的一种多飞轮储能单元并联的飞轮阵列储能系统，其特征在于所述的并网静态开关(203)由晶闸管或者可控硅构成。
9.根据权利要求I所述的一种多飞轮储能单元并联的飞轮阵列储能系统，其特征在于公共直流母线(200)的电压等级由直流电网(100)决定；当并网静态开关(203)闭合，各个飞轮储能单元以电流源的方式并入公共直流母线(200)。
全文摘要
一种多飞轮储能单元并联的飞轮阵列储能系统，由公共直流母线、并网静态开关、制动电阻、飞轮阵列控制器以及至少两个以上的飞轮储能单元及其单元控制器组成，每个飞轮储能单元的内部结构和参数特性相同。每个飞轮储能单元以电流源的方式并入公共直流母线，且并入的单元数量可随意增减。本发明飞轮阵列储能系统采用主从控制模式，作为主控制器的飞轮阵列控制器计算维持直流电网功率平衡所需的功率，并利用协调控制算法将该功率分配至每一个飞轮储能单元控制器；作为从控制器的单元控制器根据得到的功率指令，利用飞轮储能单元控制方法控制双向功率变换电路和永磁同步电机向直流电网吸收或者释放功率。
文档编号H02J1/16GK102751719SQ201210237828
公开日2012年10月24日 申请日期2012年7月9日 优先权日2012年7月9日
发明者刘文军, 周龙, 唐西胜, 齐智平 申请人:中国科学院电工研究所