飞轮储能两级功率变换系统及控制方法与流程

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种飞轮储能两级功率变换系统及控制方法。

背景技术：

飞轮储能作为一种物理储能技术，随着磁悬浮技术和电力电子功率变换技术的发展，近年来也得到了长足的进步。飞轮储能装置因为具有安全可靠性高、功率密度高、长达20年使用寿命、不限充放电次数、运行温度范围宽、运维成本低、绿色无污染等优势，在越来越多的领域得到了应用。

在飞轮储能装置的应用场景中，有些应用场景需要将飞轮储能装置接入直流系统，例如：轨道交通直流牵引网、光伏电站、直流微电网等。世界各国城市轨道交通的直流供电电压大都在dc600～1500v之间。我国的城市轨道交通牵引网供电电压主要包括两种制式：一种制式额定电压为直流750v，另一种制式额定电压为直流1500v，目前的主流是采用直流1500v制式。在光伏电站方面，目前的主流是直流1000v，但是直流1500v作为一种新的技术趋势，已经开始得到越来越多的研究与应用。

飞轮储能装置采用的是交流电机，需要进行电力电子功率变换后才能接入直流系统。常规的飞轮储能功率变换系统通常用于直流1000v及以下的系统。对于额定电压为1500v的直流系统，直流电压等级和飞轮储能装置的交流电压等级之间差距大，并且要求传输的功率大，常规的飞轮储能功率变换系统难以满足要求。如果采用带隔离变压器的双向变流器来实现直流1500v大范围升压，又会带来体积增大、效率降低等问题。

现有的技术中一般采用一级dc/ac功率变换的方式，直流侧电压难以达到1500v，应用场景受限。

鉴于此，克服以上现有技术中的缺陷，提供一种新的飞轮储能两级功率变换系统及控制方法成为本领域亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的上述缺陷，提供一种飞轮储能两级功率变换系统及控制方法。

本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：

本发明提供了一种飞轮储能两级功率变换系统，该系统包括：

与直流电网连接的第一端；

与飞轮储能装置连接的第二端；

设于所述第一端和所述第二端之间依次连接的第一级功率变换单元、第二级功率变换单元，所述第一级功率变换单元包括用于直流-直流转换的第一双向变流器、第一控制器，所述第一级功率变换单元被配置为对所述直流电网与所述第二级功率变换单元之间的功率进行变换，所述第二级功率变换单元包括用于直流-交流相互转换的第二双向变流器、与所述第一控制器通信连接的第二控制器，所述第二级功率变换单元被配置为对所述第一级功率变换单元与所述飞轮储能装置之间的功率进行变换；

所述第一控制器被配置为执行如下步骤：实时监测直流母线电压，根据所述直流母线电压控制第一双向变流器的运行状态；或接收外部指令，根据外部指令控制第一双向变流器的运行状态；

所述第二控制器被配置为执行如下步骤：实时获取第一控制器的运行状态，根据所述第一控制器的运行状态不间断监测所述第二双向变流器的直流侧电压，根据所述直流侧电压控制所述飞轮储能装置进行充电或放电。

优选地，所述直流电网与所述第一级功率变换单元之间、所述第一级功率变换单元与所述第二级功率变换单元之间均通过直流母线连接，所述第二级功率变换单元与所述飞轮储能装置之间通过三相交流线连接，所述直流电网与所述第一级功率变换单元之间设有第一直流断路器，所述第一级功率变换单元与所述第二级功率变换单元之间设有第二直流断路器。

优选地，所述第一双向变流器包括：第一变流模块和第一滤波电容，所述第二双向变流器包括：第二变流模块和第二滤波电容。

优选地，所述第一级功率变换单元还包括：设于第一直流断路器输出端与所述第一双向变流器之间的第一预充回路、设于第一直流断路器输入端与所述第一双向变流器之间的第一保护电路，所述第一预充回路与所述第一双向变流器之间设有第一电感。

优选地，所述第二级功率变换单元还包括：设于第二直流断路器输出端与所述第二双向变流器之间的第二预充回路、设于所述第一直流断路器输入端与所述第二双向变流器之间的第二保护电路。

本发明还提供了一种飞轮储能两级功率变换系统的控制方法，该控制方法包括：

第一控制器接收外部指令，根据外部指令控制所述第一双向变流器的运行状态；或实时监测直流母线电压，根据所述直流母线电压控制第一双向变流器的运行状态；

第二控制器实时获取所述第一控制器的运行状态，根据所述第一控制器的运行状不间断监测所述第二双向变流器的直流侧电压，根据所述直流侧电压控制所述飞轮储能装置进行充电或放电。

优选地，所述外部指令包括充电指令和放电指令；

当所述第一控制器接收充电指令时，控制所述第一双向变流器的功率方向从高压侧流向低压侧；

当所述第一控制器接收放电指令时，控制所述第一双向变流器的功率方向从低压侧流向高压侧。

优选地，

当所述直流母线电压大于或等于第一充电电压阈值时，所述第一控制器控制所述第一双向变流器的功率方向从高压侧流向低压侧；

当所述直流母线电压小于或等于第一放电电压阈值时，控制所述第一双向变流器的功率方向从低压侧流向高压侧。

优选地，当“所述第一控制器控制所述第一双向变流器的功率方向从高压侧流向低压侧”时，

当所述第二控制器监测到所述第二双向变流器的直流侧电压大于或等于第二充电电压阈值时，控制所述飞轮储能装置充电。

优选地，当“所述第一控制器控制所述第一双向变流器的功率方向从低压侧流向高压侧”时，

当所述第二控制器监测到所述第二双向变流器的直流侧电压小于或等于第二放电电压阈值时，控制所述飞轮储能装置放电。

优选地，所述“当所述第二控制器监测到所述第二双向变流器的直流侧电压大于或等于第二充电电压阈值时，控制所述飞轮储能装置充电”的步骤包括：

当所述直流侧电压大于或等于第二充电电压阈值时，控制所述第二双向变流器的功率方向从直流侧流向交流侧；

当飞轮的转速低于最高转速时，控制充电功率为维持直流侧电压保持在第二充电电压阈值所需功率；

当飞轮的转速达到最高转速时，控制充电功率为维持飞轮的最高转速所需功率。

优选地，所述“当所述第二控制器监测到所述第二双向变流器的直流侧电压小于或等于第二放电电压阈值时，控制所述飞轮储能装置放电”的步骤包括：

当所述直流侧电压小于或等于第二放电电压阈值时，控制所述第二双向变流器的功率方向从交流侧流向直流侧；

当飞轮的转速不低于最低转速时，控制放电功率为维持直流侧电压保持在第二放电电压阈值所需功率；

当飞轮的转速低于最低转速时，所述飞轮储能装置停止放电。

本发明的系统及控制方法采用两级功率变换可解决飞轮储能装置应用于高压直流系统时的功率变换问题。该系统在不采用带隔离变压器的双向变流器的情况下利用两级功率变换满足常规的飞轮储能功率变换系统难以满足的直流电压等级与飞轮交流电压等级差距大，传输功率大的要求，扩大了该系统的使用范围和适应性，提高系统效率。

附图说明

图1是本发明的系统的结构框图。

图2是本发明的系统的原理图。

图3是本发明的系统的第一种控制方法的第一种实施例流程图。

图4是本发明的系统的第一种控制方法的第二种实施例流程图。

图5是本发明的系统的第一种控制方法的第三种实施例流程图。

图6是本发明的系统的第一种控制方法的第四种实施例流程图。

图7是本发明的系统的第二种控制方法的第一种实施例流程图。

图8是本发明的系统的第二种控制方法的第二种实施例流程图。

图9是本发明的系统的第二种控制方法的第三种实施例流程图。

图10是本发明的系统的第二种控制方法的第四种实施例流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对本发明的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其它具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。

本发明提供了一种飞轮储能两级功率变换系统，该系统采用两级功率变换可解决飞轮储能装置应用于高压直流系统时的功率变换问题。

请参见图1，图1示出了一种飞轮储能两级功率变换系统，该系统包括：与直流电网10连接的第一端20、与飞轮储能装置40连接的第二端30、第一级功率变换单元50、第二级功率变换单元60。第一级功率变换单元50和第二级功率变换单元60依次设于第一端20和第二端30之间，直流电网10与第一级功率变换单元50之间、第一级功率变换单元50与第二级功率变换单元60之间均通过直流母线100连接，第二级功率变换单元60与飞轮储能装置40之间通过三相交流线1000连接。在本实施例中，第一级功率变换单元50可实现直流电网10与第二级功率变换单元60之间的功率变换，第二级功率变换单元60可实现第一级功率变换单元50与飞轮储能装置40之间的功率变换。

其中，第一级功率变换单元50包括用于直流-直流转换的第一双向变流器501、与外部通信的第一控制器502，第一双向变流器501的高压侧额定电压为1500v，连接直流电网10，低压侧额定电压为750v；第二级功率变换单元60包括用于直流-交流相互转换的第二双向变流器601、与第一控制器502通信连接的第二控制器602，第二控制器602与外部通信，第二双向变流器601的直流侧额定电压为750v，连接第一双向变流器501的低压侧，交流侧为三相交流电，连接飞轮储能装置40。

其中，第一控制器502被配置为两种控制方式，这两种控制方式择一进行，第一种控制方式执行如下步骤：第一控制器502实时监测直流母线电压，根据直流母线电压控制第一双向变流器501的运行状态；当直流母线电压大于或等于第一充电电压阈值时，第一控制器502控制第一双向变流器501的功率方向从高压侧流向低压侧，当直流母线电压小于或等于第一放电电压阈值时，第一控制器502控制第一双向变流器501的功率方向从低压侧流向高压侧。第二种控制方式执行如下步骤：第一控制器502接收外部指令，根据外部指令控制第一双向变流器501的运行状态；外部指令包括：充电指令和放电指令，当第一控制器502接收充电指令时，控制第一双向变流器501的功率方向从高压侧流向低压侧，当第一控制器502接收放电指令时，控制第一双向变流器501的功率方向从低压侧流向高压侧。第二控制器602被配置为执行如下步骤：实时获取第一控制器502的运行状态，根据第一控制器502的运行状态不间断监测第二双向变流器601的直流侧电压，根据直流侧电压控制飞轮储能装置40进行的充电或放电。

本实施例的系统适用于额定电压为1500v及以下的直流系统，在不采用带隔离变压器的双向变流器的情况下利用两级功率变换满足常规的飞轮储能功率变换系统难以满足的直流电压等级与飞轮交流电压等级差距大，传输功率大的要求，扩大了该系统的使用范围和适应性，提高系统效率。

进一步地，请参见图2，直流电网10与第一级功率变换单元50之间设有第一直流断路器qf1，第一级功率变换单元50与第二级功率变换单元60之间设有第二直流断路器qf2。

进一步地，请参见图2，第一双向变流器501包括：第一变流模块(图中未示出)和第一滤波电容c1，第二双向变流器601包括：第二变流模块(图中未示出)和第二滤波电容c2。第一双向变流器501与第二双向变流器601之间设有第二电感l2和第三滤波电容c3。

第二变流模块采用非隔离全桥型拓扑结构，每个桥壁均由igbt大功率开关管组成，采用pwm控制，不需要采用隔离升压变压器，节省了设备体积，提高整体效率，降低了成本。

更进一步地，请参见图2，第一级功率变换单元50还包括：设于第一直流断路器qf1输出端与第一双向变流器501之间的第一预充回路503、设于第一直流断路器qf1输入端与第一双向变流器501之间的第一保护电路504，第一预充回路503与第一双向变流器501之间设有第一电感l1。

第一预充回路503和第一保护电路504用于在接通直流电网10时减小冲击电流，保护电路。请参见图2，第一预充回路503包括：第一接触器km1、第二接触器km2、第一熔断器fu1、第二熔断器fu2和第一电阻r1，第一接触器km1的一端与第一直流断路器qf1连接，第一接触器km1的另一端与第一熔断器fu1的一端连接，第一熔断器fu1的另一端与第一电感l1连接，第二接触器km2的一端设于第一接触器km1与第一直流断路器qf1之间，第二接触器km2另一端与第一电阻r1的一端连接，第一电阻r1的另一端与第二熔断器fu2的一端连接，第二熔断器fu2的另一端设于第一熔断器fu1与第一电感l1之间。第一保护电路504包括：依次连接的第三接触器km3和第三熔断器fu3。通电时，第一直流断路器qf1合闸，依次将第一接触器km1断开、第三接触器km3闭合、第二接触器km2闭合，通过第一电阻r1进行限流，当直流电流小于预设值后，依次将第一接触器km1闭合、第二接触器km2断开，完成预充。

在上述实施例的基础上，本实施例中，请参见图2，第二级功率变换单元60还包括：设于第二直流断路器qf2输出端与第二双向变流器601之间的第二预充回路603、设于第一直流断路器qf1输入端与第二双向变流器601之间的第二保护电路604。

进一步地，第二预充回路603和第二保护电路604用于在接通直流电网10时减小冲击电流，保护电路。请参见图2，第二预充回路603包括：第四接触器km4、第五接触器km5、第四熔断器fu4、第五熔断器fu5和第二电阻r2，第四接触器km4的一端与第二直流断路器qf2连接，第四接触器km4的另一端与第四熔断器fu4的一端连接，第四熔断器fu4的另一端与第二双向变流器601连接，第五接触器km5的一端设于第四接触器km4与第二直流断路器qf2之间，第五接触器km5另一端与第二电阻r2的一端连接，第二电阻r2的另一端与第五熔断器km5的一端连接，第五熔断器fu5的另一端设于第四熔断器fu4与第二双向变流器601之间。第二保护电路604包括：依次连接的第六接触器km6和第六熔断器fu6。通电时，第二直流断路器qf2合闸，依次将第四接触器km4断开、第六接触器km6闭合、第五接触器km5闭合，通过第二电阻r2进行限流，当直流电流小于预设值后，依次将第四接触器km4闭合、第五接触器km5断开，完成预充。

第一级功率变换单元50和第二级功率变换单元60采用模块化设计，结构紧凑、可以作为独立的模块集成在一个装置的内部也可以作为独立的装置，安装维护方便。

本发明提供了一种飞轮储能两级功率变换系统的控制方法，请参见图3，图3示出了第一种控制方法的控制流程，该控制方法包括：

步骤s2：第一控制器502接收外部指令；

步骤s3：第一控制器502根据外部指令控制第一双向变流器501的运行状态；

步骤s4：第二控制器602实时获取第一控制器502的运行状态；根据第一控制器502的运行状态不间断监测第二双向变流器601的直流侧电压；

步骤s5：第二控制器602根据直流侧电压控制飞轮储能装置40进行充电或放电。

该控制方法可以支持以下三种控制模式中的一种或多种：

充电模式：直流电网10输送功率依次经过第一级功率变换单元50、第二级功率变换单元60至飞轮储能装置40，飞轮储能装置40将电能转化为动能。

放电模式：飞轮储能装置40将储存动能转化为电能输出，输出电能依次经过第二级功率变换单元60、第一级功率变换单元50输送至直流电网10。

待机模式：第一级功率变换单元50和第二级功率变换单元60均正常连接，但处于空载运行状态，不进行功率变换或飞轮储能装置40停止工作，不进行能量转化。

进一步地，请参见图4，第一种控制方法还包括步骤s1：第一级功率变换单元50和第二级功率变换单元60进行预充。该控制方法从开机启动步骤s1开始，在开机启动步骤中，第一级功率变换单元50开机启动，第一直流断路器qf1合闸并完成预充，进入待机状态；然后第二级功率变换单元60开机启动，第二直流断路器qf2合闸并完成预充，进入待机模式。在待机模式中，第一级功率变换单元50和第二级功率变换单元60均正常连接，但处于空载运行状态。

具体地，请参见图5，在开机启动步骤s101中，第一级功率变换单元50和第二级功率变换单元60进行预充，在步骤s201中，第一控制器502采用第一种控制方式时，当第一控制器502接收外部的充电指令时，在步骤s301中，控制第一双向变流器501的功率方向从高压侧流向低压侧，低压侧的直流电压上升，在步骤s401中，第二控制器602实时获取第一控制器502的运行状态，并不间断监测第二双向变流器601的直流侧电压，在判断步骤s501中，当第二控制器602监测到第二双向变流器601的直流侧电压大于或等于第二充电电压阈值时，控制第二双向变流器601的功率方向从直流侧流向交流侧，控制飞轮储能装置40充电。在接下来的判断步骤s601中，通过判断飞轮的转速是否达到最高转速，以控制充电功率的输出状态，当飞轮的转速低于最高转速时，控制充电功率为维持直流侧电压保持在第二充电电压阈值所需功率；当飞轮的转速达到最高转速时，控制充电功率为维持飞轮的最高转速所需功率。

在判断步骤s501中，当第二控制器602监测到第二双向变流器601的直流侧电压小于第二充电电压阈值时，控制第二双向变流器601不进行功率变换，控制飞轮储能装置40待机。

请参见图6，在开机启动步骤s102中，第一级功率变换单元50和第二级功率变换单元60进行预充，在步骤s202中，当第一控制器502接收外部的放电指令时，在步骤s302中，控制第一双向变流器501的功率方向从低压侧流向高压侧，低压侧直流电压下降，在步骤s402中，第二控制器602实时获取第一控制器502的运行状态，并不间断监测第二双向变流器601的直流侧电压，在判断步骤s502中，当第二控制器602监测到第二双向变流器601的直流侧电压小于或等于第二放电电压阈值时，控制第二双向变流器601的功率方向从交流侧流向直流侧，控制飞轮储能装置40放电。在接下来的判断步骤s602中，通过判断飞轮的转速是否达到最低转速，以控制充电功率的输出状态，当飞轮的转速不低于最低转速时，控制放电功率为维持直流侧电压保持在第二放电电压阈值所需功率。

在判断步骤s502中，当第二控制器602监测到第二双向变流器601的直流侧电压大于第二放电电压阈值时，控制第二双向变流器601不进行功率变换，控制飞轮储能装置40待机。在判断步骤s602中，当飞轮的转速低于最低转速时，飞轮储能装置40停止放电，进入待机模式。

当第一级功率变换单元50和/或第二级功率变换单元60处于异常状态，第一控制器502和/或第二控制器602与外部通信，发出告警信号，且系统停止充电、放电。

本实施例中的第一级功率变换单元50与第二级功率变换单元60协同控制功率变换，使飞轮储能装置40适用于额定电压高达1500v的直流系统。

在另一个优选地实施方式中，请参见图7，图7示出了第二种控制方法的控制流程，该控制方法包括：

步骤s20：第一控制器502实时监测直流母线电压；

步骤s30：第一控制器502根据直流母线电压控制第一双向变流器501的运行状态；

步骤s40：第二控制器602实时获取第一控制器502的运行状态；根据第一控制器502的运行状态不间断监测第二双向变流器601的直流侧电压；

步骤s50：第二控制器602根据直流侧电压控制飞轮储能装置40进行充电或放电。

请参见图8，第二种控制方法还包括步骤s10，步骤s10与上述步骤s1一致，在此不在赘述。在第二种控制方法中，请参见图9，在开机启动步骤s103中，第一级功率变换单元50和第二级功率变换单元60进行预充，在步骤s203中，第一控制器502采用第二种控制方式时，第一控制器502实时监测直流母线电压，在判断步骤s703中，当直流母线电压小于第一充电电压阈值时，第一控制器502控制第一双向变流器501不进行功率变换；当直流母线电压大于或等于第一充电电压阈值时，进行步骤s303中，第一控制器502控制第一双向变流器501的功率方向从高压侧流向低压侧，接下来的步骤s403、s503、s603分别与上述步骤s401、s501、s601一样，在此不再赘述。

请参见图10，在开机启动步骤s104中，第一级功率变换单元50和第二级功率变换单元60进行预充，在步骤s204中，第一控制器502采用第二种控制方式，第一控制器502实时监测直流母线电压，在判断步骤s704中，当直流母线电压大于第一放电电压阈值时，第一控制器502控制第一双向变流器501不进行功率变换；当直流母线电压小于或等于第一放电电压阈值时，进行步骤s304，第一控制器502控制第一双向变流器501的功率方向从低压侧流向高压侧，接下来的步骤s404、s504、s604分别与上述步骤s402、s502、s602一样，在此不再赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。