一种基于最小功率拓扑的磁悬浮储能飞轮充放电控制方法与流程

本发明涉及一种基于最小功率拓扑的磁悬浮储能飞轮的充放电控制方法。

背景技术：
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与其它储能方式相比，磁悬浮飞轮储能技术具有充放电迅速、功率大、能量密度高、寿命长且对环境污染小等优点，是一种新兴的、先进的机械储能方式，在电网调峰、轨道交通制动能回收、不间断电源以及大功率充放电场合有较好的应用。由于结构简单、体积小、功率因数高、功率密度高、转动惯量低等优点，采用高速永磁同步电机驱动飞轮转子完成充放电控制过程是理想的选择。

基于使用方式与工作条件的不同需求，磁悬浮储能飞轮具有三种工作模式：充电模式，保持模式和放电模式。在充电模式下，电机从直流母线电网吸收能量，通过控制IGBT开关管通断完成“直-交”逆变过程，驱动飞轮转子进行升速储存能量，此时电机处于电动状态；在保持模式下，电机以最小电流保持飞轮转速恒定，此时电机仍处于电动状态；在放电模式下，飞轮转子通过电机定子向直流母线电网释放能量，通过控制IGBT开关管通断完成“交-直”整流过程，保持直流母线电压恒定，此时电机处于发电状态。

为完成飞轮充放电控制过程，需要具备“直-交”逆变和“交-直”整流的功率拓扑结构，目前普遍采用两套独立控制的功率单元：基于IGBT高频逆变单元和PWM整流单元，飞轮充电时，逆变单元工作，飞轮放电时，整流单元工作。采用两套功率拓扑结构进行独立控制，充放电过程互不干扰，适合于低速、小功率场合。但同时增加了硬件资源，加大了成本投入。而且，该方案无法实现充放电的快速切换，存在一定的时间劣势。由于磁悬浮储能飞轮应用于轨道交通制动能回收、不间断服务电源，都需要飞轮能够在毫秒级水平实现充放电切换，因此采用独立的功率单元控制无法实现。

技术实现要素：
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本发明的目的是提供一种基于最小功率拓扑结构的磁悬浮储能飞轮充放电控制方法，可以实现“直-交”逆变和“交-直”整流双向变换器功能，使充放电控制的相互切换达到毫秒级水平。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种基于最小功率拓扑的磁悬浮储能飞轮充放电控制方法，其特征是：本发明的最小功率拓扑包括：DSP控制单元、功率驱动及保护电路、旁路继电器、软启动电阻、均压电阻、稳压电容、IGBT开关管、霍尔电流传感器、永磁同步电机、飞轮及直流负载。本方法包含三种工作模式：充电模式、保持模式和放电模式，具体实施步骤如下：

充电模式：第一步，市电启动，直流Udc通过软启动电阻R0给稳压电容C1、C2、C3充电，此时旁路继电器KT断开；均压电阻R1、R2、R3用于保证各个稳压电压分压均衡，防止电容过压击穿。

第二步，直流母线电压Udc高于设定的充电电压时，DSP控制单元发送启动运行指令，此时旁路继电器KT闭合，功率单元的保护电路及冷却机构均已开始运行。

第三步，DSP控制单元发送转速设定值、加速电流最大值、过压及过流保护值等指令，IGBT开关管处于高频逆变状态，电机驱动飞轮以设定模式加速至转速设定值。其中，霍尔电流传感器用于测量电机三相电流，用于电流闭环控制及过流保护。

保持模式：永磁电机转速达到设定值后，DSP控制单元以最小电流驱动电机维持当前转速，IGBT开关管仍处于高频逆变状态。

放电模式：第一步，市电断开，直流母线电压Udc低于设定的放电电压，IGBT开关管进入高频整流状态。

第二步，DSP控制单元检测到Udc低于放电电压，将转速闭环切换至直流母线电压闭环，以维持直流母线电压恒定。

第三步，DSP控制单元根据直流母线电压的变化控制电机三相电流反向，永磁电机进入发电状态，完成飞轮的动能向电网电能的转换。

所述的充电模式控制结构由转速外环与双电流内环组成，所述的放电模式控制结构由电压外环与双电流内环组成，各回路控制作用如下：

转速环：作用是维持转速恒定，由转速设定值nref与转速估计值nest作差，转速误差输至转速补偿器得到Iq电流参考值Iqref，用于产生有效的电磁转矩。

电压环：作用是维持直流母线电压恒定，由电压设定值Vref与直流母线电压检测值Vdc作差，电压误差输至电压补偿器得到Iq电流参考值Iqref，用于产生有效的电磁转矩。

电流环：作用是维持Iq与Id电流恒定，使电机电流均用于产生电磁转矩而无励磁转矩。Iq电流环根据转速环生成的参考值Iqref与测量值Iq作差，电流误差输至电流补偿器得到电压Vq，而Id电流环根据参考值Idref与测量值Id作差，电流误差输至电流补偿器得到电压Vd。生成的Vq与Vd经过IPARK(两相旋转向两相静止坐标)转换得到Vα与Vβ。生成的Vα与Vβ输至SVPWM(空间矢量脉宽调制)单元生成三路信号Ta，Tb，Tc，三路信号Ta，Tb，Tc输至PWM单元生成三路PWM波形PWMA、PWMB、PWMC用于控制电机旋转。

测量回路：串联在电机输入端的霍尔传感器测量出电机三相电流Ia，Ib，Ic，输至CLARKE(三相静止向两相静止坐标)转换得到Iα与Iβ。生成的Iα与Iβ输至PARK(两相静止向两相旋转坐标)转换得到测量值Id与Iq。

估计回路：根据测量得到的电机三相电流Ia，Ib，Ic以及直流母线电压Vdc，经过CLARKE(三相静止向两相静止坐标)转换分别得到Iα、Iβ、uα、uβ，输至滑模观测器单元生成角位置估计值θest与转速估计值nest。

有益效果：

1.本发明提供了一种磁悬浮储能飞轮充放电系统的最小功率拓扑及控制方法，简化了控制结构、节省了资源与成本，解决了充放电切换带来的相位延迟、过流保护等问题，使充放电控制的相互切换达到毫秒级水平。

2.本发明不使用任何位置传感器，有效地避免了磁悬浮轴承支撑技术引入的传感器无法安装的问题，并能够依据电机模型获得准确的转子位置信息，从而进一步提高整个磁悬浮储能飞轮系统的可靠性。

附图说明：

附图1是本发明的磁悬浮储能飞轮充放电控制系统最小功率拓扑结构。

附图2为本发明的磁悬浮储能飞轮充电模式控制结构图。

附图3为本发明的磁悬浮储能飞轮放电模式控制结构图。

附图4为充电控制时的UV线电压与U相电流波形图。

附图5为放电控制时的UV线电压与U相电流波形图。

具体实施方式：

实施例1：本发明的最小功率拓扑包括：DSP控制单元、功率驱动及保护电路、旁路继电器、软启动电阻、均压电阻、稳压电容、IGBT开关管、霍尔电流传感器、永磁同步电机、飞轮及直流负载。本方法包含三种工作模式：充电模式、保持模式和放电模式，具体实施步骤如下：

充电模式：第一步，市电启动，直流Udc通过软启动电阻R0给稳压电容C1、C2、C3充电，此时旁路继电器KT断开；均压电阻R1、R2、R3用于保证各个稳压电压分压均衡，防止电容过压击穿。

第二步，直流母线电压Udc高于设定的充电电压时，DSP控制单元发送启动运行指令，此时旁路继电器KT闭合，功率单元的保护电路及冷却机构均已开始运行。

第三步，DSP控制单元发送转速设定值、加速电流最大值、过压及过流保护值等指令，IGBT开关管处于高频逆变状态，电机驱动飞轮以设定模式加速至转速设定值。其中，霍尔电流传感器用于测量电机三相电流，用于电流闭环控制及过流保护。

保持模式：永磁电机转速达到设定值后，DSP控制单元以最小电流驱动电机维持当前转速，IGBT开关管仍处于高频逆变状态。

放电模式：第一步，市电断开，直流母线电压Udc低于设定的放电电压，IGBT开关管进入高频整流状态。

第二步，DSP控制单元检测到Udc低于放电电压，将转速闭环切换至直流母线电压闭环，以维持直流母线电压恒定。

第三步，DSP控制单元根据直流母线电压的变化控制电机三相电流反向，永磁电机进入发电状态，完成飞轮的动能向电网电能的转换。

实施例2：充电模式控制结构由转速外环与双电流内环组成，各回路控制作用如下：

转速环：作用是维持转速恒定，由转速设定值nref与转速估计值nest作差，转速误差输至转速补偿器得到Iq电流参考值Iqref，用于产生有效的电磁转矩。

电流环：作用是维持Iq与Id电流恒定，使电机电流均用于产生电磁转矩而无励磁转矩。Iq电流环根据转速环生成的参考值Iqref与测量值Iq作差，电流误差输至电流补偿器得到电压Vq，而Id电流环根据参考值Idref与测量值Id作差，电流误差输至电流补偿器得到电压Vd。生成的Vq与Vd经过IPARK(两相旋转向两相静止坐标)转换得到Vα与Vβ。生成的Vα与Vβ输至SVPWM(空间矢量脉宽调制)单元生成三路信号Ta，Tb，Tc，三路信号Ta，Tb，Tc输至PWM单元生成三路PWM波形PWMA、PWMB、PWMC用于控制电机旋转。

测量回路：串联在电机输入端的霍尔传感器测量出电机三相电流Ia，Ib，Ic，输至CLARKE(三相静止向两相静止坐标)转换得到Iα与Iβ。生成的Iα与Iβ输至PARK(两相静止向两相旋转坐标)转换得到测量值Id与Iq。

估计回路：根据测量得到的电机三相电流Ia，Ib，Ic以及直流母线电压Vde，经过CLARKE(三相静止向两相静止坐标)转换分别得到Iα、Iβ、uα、uβ，输至滑模观测器单元生成角位置估计值θest与转速估计值nest。

实施例3：放电模式控制结构由电压外环与双电流内环组成，各回路控制作用如下：

电压环：作用是维持直流母线电压恒定，由电压设定值Vref与直流母线电压检测值Vde作差，电压误差输至电压补偿器得到Iq电流参考值Iqref，用于产生有效的电磁转矩。

电流环、测量回路与估计回路均与实施例2中内容一致，不同之处是估计回路只需要得到角位置估计值θest。

如附图4所示为采用本发明的磁悬浮储能飞轮充电控制时的UV线电压与U相电流波形图。从中可以看出，输入电机的U相电流呈正弦特性，谐波成分较小，可满足永磁同步电机控制的高效率要求。同时，由于在相位上线电压超前相电压30°，而图中UV线电压与U相电流同向并略超前后者，表明了该系统充电控制时具有较高的功率因数。

如图5所示为采用发明的磁悬浮储能飞轮放电控制时的UV线电压与U相电流波形图。从中可以看出，由于电机处于发电状态，电流从电机定子流向IGBT开关管，UV线电压与U相电流反向并略滞后后者，表明在发电模式下控制系统同样具有较高的功率因数。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。