专利名称：一种飞轮储能装置的测试系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及飞轮储能技术领域，具体涉及一种飞轮储能装置的测试系统。
背景技术：
飞轮储能技术是以高速旋转的飞轮为载体，将电能转化成机械能储存在高速旋转的飞轮中，通过飞轮及电机的升速和降速来实现电能的存储和释放。目前飞轮朝着超大储能量、大功率的方向发展，如何进一步降低储能飞轮系统的功耗，提高系统的安全性和可靠性成为制约飞轮发展的挑战。一套大功率飞轮储能装置的测试系统对于研究飞轮储能系统充放电系统的稳定性、机电参数匹配等问题具有重要的理论和实践意义。
传统的飞轮储能系统测试装置充电实验和放电实验是分开进行的，充电过程通过变频器驱动飞轮实现储能充电过程，飞轮充电储存的能量通过制动电阻消耗掉，无法作为飞轮放电时的初始能量；放电实验是通过变频器或与飞轮电机共轴电机的被动拖动实现的，此时飞轮电机运行于第四象限，与实际飞轮放电运行在第二象限的实际工况不同。传统的飞轮储能装置的充电和放电运行过程不连续，飞轮系统储能的能量无法通过变频器回馈，不适于飞轮储能系统的能量转换效率、充放电效率、荷电状态SOC和放电深度D0D、怠速损耗等关键技术性能的研究，也不适用于飞轮储能系统长时间连续充放电运行性能研究。
实用新型内容本实用新型的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种可保证飞轮在不同负载条件下连续充放电工作需要的飞轮储能装置的测试系统。为实现上述目的，本实用新型的技术方案是设计一种飞轮储能装置的测试系统，所述测试系统包括:电源、测试控制单元、变流单元和控制器单元，其特征在于:所述测试控制单元包括用于抑制冲击电流的投切控制电路、用于将飞轮储能回馈给电机的放电控制电路和用于检测设备实际带载能力的交流负载子单元；所述变流单元包括直流母线电容器组、功率模块和交流滤波电抗器；所述控制器单元用于为变流器中的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)功率模块和放电控制电路中为电力晶体管提供开关信号，并且为交流负载子单元中的交流负载继电器和投切控制电路中的直流接触器提供控制信号。其中优选的技术方案是:所述的直流母线电容器组由若干组铝电解电容串联之后并联于直流母线正负极之间；所述功率模块由6组IGBT开关管构成半桥模块，IGBT开关管中的S1与S4，S2与S5, S3与S6分别组成变流器的第1、2和3桥臂；Si与S4，S2与S5，S3与S6的中间点作为交流输出端；所述功率模块的直流侧和电容器组并联接入直流母线，其交流侧通过滤波电抗器与飞轮电机的三相绕组对应连接。[0013]优选的技术方案还包括:所述的投切控制电路由两个直流接触器和预充电电阻组成，两个直流接触器分别串接于直流母线正负极上，预充电电阻和熔断器串联之后并联于直流接触器两端，并接于变流器的直流侧正输入端，接触器的通断电由所述的控制器单元控制；所述放电控制单元包括电力晶体管和与之串联的水冷直流负载箱，直流负载箱用于吸收飞轮电机在发电运行时回馈到母线的能量；所述的交流负载子单元包括交流负载继电器和与之串联的水冷交流负载箱，水冷交流负载箱用于飞轮电机在发电运行时实际带载能力的检测设备。优选的技术方案还包括，在所述电源的三相不可控整流桥和投切控制单元之间的直流母线正、负极之间各连有一个快速熔断器。优选的技术方案还包括，在所述投切控制电路的直流母线正负极之间并联有薄膜电容器，在所述薄膜电容器和放电控制电路之间的直流母线正、负极之间并联有动态制动其；所述动态制动器包括动态制动单元和制动电阻。优选的技术方案还有，所述控制器单元包括:数据采集单元，用于采集飞轮电机的定子相电流、飞轮转子转速以及变流器的直流母线电压和直流母线电流信号；数据处理单元，用于根据飞轮充放电控制策略对信号采集单元采集到的信号进行计算处理，输出 脉宽调制(PWM)控制信号、接触器和继电器控制信号；驱动单元，用于对所述IGBT中的PWM信号和电力晶体管开关信号进行隔离及功率放大后输出，以控制变流器中IGBT功率开关器件和放电控制电路中电力晶体管的通断。本实用新型的技术方案可实现在不同负载条件下大功率飞轮储能系统连续充放电测试。在充电过程中，首先经过三相调压器对系统的充电功率进行调整，三相交流电经过二极管不可控整流之后进入直流母线的投切控制电路；飞轮系统在上电初期，通过投切控制电路中的预充电电阻和直流接触器的配合，抑制上电的冲击电流对整流原件和电源的冲击；完成预充电过程后，整流电源被接入直流母线，再由控制器单元中的高性能数字信号处理器(DSP)将充电控制算法产生相应的充电驱动电流，通过对变流器的PWM逆变脉冲控制，以控制变流器中IGBT功率开关器件，完成飞轮储能系统的恒流充电过程；飞轮储能系统充电过程完成后，飞轮达到额定转速，此时飞轮储能系统进入高速怠速运行状态，飞轮运行的主要损耗来自自身的怠速损耗，所需的电源功率降低，飞轮储能系统将维持在高速运行状态。通过控制器调整飞轮储能系统控制策略进入放电控制过程，配合接触器和继电器关断控制信号，实现稳定的能量回馈过程。放电开始时，控制器对投切控制电路中的直流接触器提供关断控制信号，电源不再向飞轮储能系统提供能量。同时，控制器通过驱动控制单元将放电控制电路中电力晶体管导通，为回馈能量提供放电通道。随着外部充电电源的切除，飞轮电机将进入第二象限并处于发电运行状态，随着转速的降低，飞轮储能系统储存的能量在经过变流器整流后通过放电负载进行稳定放电。控制器中的高性能数字信号处理器DSP将放电控制算法产生相应的充电驱动电流，通过对变流单元的PWM整流脉冲控制，以控制变流器中IGBT功率开关器件，完成飞轮储能系统的稳定放电过程。若放电回路回馈的能量超过直流负载的容量，控制器将输出控制信号吸合交流负载单元中的交流负载继电器，过量的回馈能量将被部分或全部通过交流箱负载箱进行旁路放电。交流负载也可作为飞轮电机在发电运行时实际带载能力的检测设备。本实用新型的优点和有益效果在于:(I)本实用新型在飞轮储能装置放电时采用PWM可控整流控制，省略了升降压斩波控制电路，减少了飞轮发电工况下整流输入侧的谐波电流和高频纹波，提高了飞轮储能系统的功率因数和能量转换效率。(2)本实用新型内置的传感器、交直流负载以及高性能的数字处理器，可对不同功率等级的飞轮储能系统进行包括能量转换效率、充放电效率、荷电状态SOC和放电深度D0D、怠速损耗等在内的多种关键技术性能的测试研究，也适用于飞轮储能系统长时间连续充放电运行性能测试研究。(3)本实用新型采取多种有效的故障和过载保护措施。直流母线快速熔断器对三相不可控整流桥进行短路保护，交流熔断器进行短路保护或严重过载保护，动态制动单元对测试平台进行过压保护、过流保护和过温保护，交流负载单元在直流负载箱过载或变流器故障时为飞轮电机提供能量回馈通道。
图1是本实用新型飞轮储能装置的测试系统示意图2是图1中变流器和控制器的结构示意图。图中:1、电源；2、投切控制电路；3、放电控制电路；4、功率模块；5、飞轮电机；6、
飞轮；7、交流负载单元；8、动态制动单元；9、控制器单元，S0、电力晶体管；RMh、预充电电阻；KM广KM2、直流接触器；KM3、交流接触器；FU^ FU7、熔断器；&、水冷直流负载箱；Ra。、水冷交流负载箱；Rdis、制动电阻；C广C21、电容器；C22、C23、薄膜电容器；S6、IGBT开关管。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式
作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。如图1、2所示，本实用新型是一种飞轮储能装置的测试系统，该系统包括:电源1、测试控制单元、变流单元和控制器单元。电源包括相互连接的三相交流电源UVW、三相自耦调压器、三相断路器和三相不可控制整流桥。测试控制单元，包括投切控制电路2、放电控制电路3和交流负载子单元7 ;其中:投切控制电路2由直流接触器KMp KM2和预充电电阻RMh组成，KM1JM2分别串接于直流母线正负极，预充电电阻Rreh和熔断器FU3串联之后并联于直流接触器KM1两端，并接于变流器的直流侧正输入端，接触器通断电由控制器单元9控制；放电控制电路3包括电力晶体管SO和与之串联的水冷直流负载箱&，水冷直流负载箱&将吸收飞轮电机在发电运行时回馈到母线的能量；交流负载单元7包括交流负载继电器KM3和与之串联的水冷交流负载箱Ra。，交流负载箱Ra。作为飞轮电机在发电运行时实际带载能力的检测设备。在三相不可控整流桥和投切控制电路2之间各连有一个快速熔断器FUpFU2,能够有效对三相不控整流桥进行短路保护；在投切控制电路2和放电控制电路3之间的直流母线正负极之间，并联有薄膜电容器C22 X23和熔断器FU4,能够有效的吸收直流母线电压纹波和电流纹波；在薄膜电容器C1X2和放电控制电路3之间的直流母线正、负极之间，并联有动态制动单元8 ；所述的动态制动包括动态制动单元和制动电阻Rdis ;其动作电压可调，能够有效对测试系统进行过压保护、过流保护和过温保护；如图1和图2所示，变流单元包括直流母线电容器组C、功率模块4和交流滤波电抗器Ls。其中:直流母线电容器组C由若干组铝电解电容C广C18串联之后通过层叠母排并联于直流母线正负极；在直流母线电容器组C的每个电容的正负极间并联有水泥均压电阻R1I18,其能有效的利用分压原理保证使各个电容C广C18上面电压均等；功率模块4的6组由IGBT开关管构成半桥模块，IGBT开关管S1与S4，S2与S5，S3与S6分别组成变流器的第1、2和3桥臂，上下桥臂的驱动信号来自控制器分别为A+、A-、B+、B-、C+、C- 与S4，S2与S5，S3与S6的中间点分别作为交流侧ABC三相的输出点；功率模块4直流侧通过直流母线电容器C组接入直流母线，交流侧通过滤波电抗器Ls与飞轮电机5的三相绕组对应连接，系统驱动电机与飞轮6连接在同一主轴；在IGBT上、下桥臂的正负极两端并联有突波吸收电容器CliTC21,能够有效的吸收掉尖峰电压，消除由于母排的杂散电感引起的尖峰电压，避免绝缘栅双极型晶体管IGBT的损坏；在功率模块4交流输出点和交流电抗器Ls之间分别连接有交流熔断器FUfFU7,能够有效的对飞轮储能系统进行短路保护或严重过载保护。本实施例中的IGBT驱动器为瑞士 CONCEPT公司专门为高可靠性的应用领域而设计的的基于SCALE-2驱动内核的2SC0435T，可驱动1700V以内的IGBT，支持IOOkHZ的开关频率，支持直接并联驱动。IGBT采用德国INFINEON的高性能第四代IGBT半桥模块FF900R12IP4，变流器功率可到300kW，可满足不同功率等级的飞轮储能系统的测试需求。控制器单元9是变流器中的IGBT功率开关器件和放电控制电路中电力晶体管SO提供开关信号，并且为交流负载单元中的交流负载继电器和投切控制电路中的直流接触器提供控制信号，其包括: 数据采集单元、数据处理单元和驱动单元；其中:数据采集单元，用于采集飞轮电机的定子相电流、飞轮转子转速以及变流器的直流母线电压和直流母线电流等信号；数据处理单元，用于根据飞轮充放电控制策略对信号采集单元采集到的信号进行计算处理，输出PWM控制信号、接触器和继电器控制信号；驱动单元，用于对所述的IGBT PWM信号和电力晶体管SO开关信号进行隔离及功率放大后输出，以控制变流单元中的IGBT功率开关器件和放电控制电路中电力晶体管的通断。以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
权利要求1.一种飞轮储能装置的测试系统，所述测试系统包括:电源、测试控制单元、变流单元和控制器单元，其特征在于: 所述测试控制单元包括用于抑制冲击电流的投切控制电路、用于将飞轮储能回馈给电机的放电控制电路和用于检测设备实际带载能力的交流负载子单元； 所述变流单元包括直流母线电容器组、功率模块和交流滤波电抗器； 所述控制器单元用于为变流器中的IGBT功率模块和放电控制电路中为电力晶体管提供开关信号，并且为交流负载子单元中的交流负载继电器和投切控制电路中的直流接触器提供控制信号。
2.如权利要求1所述的飞轮储能装置的测试系统，其特征在于: 所述的直流母线电容器组由若干组铝电解电容串联之后并联于直流母线正负极之间； 所述功率模块由6组IGBT开关管构成半桥模块，IGBT开关管中的S1与S4，S2与S5，S3与S6分别组成变流器的第1、2和3桥臂A1与S4，S2与S5，S3与S6的中间点作为交流输出端; 所述功率模块的直流侧和电容器组并联接入直流母线，其交流侧通过滤波电抗器与飞轮电机的三相绕组对应连接。
3.如权利要求1所述的飞轮储能装置的测试系统，其特征在于: 所述的投切控制电路由两个直流接触器和预充电电阻组成，两个直流接触器分别串接于直流母线正负极上，预充电电阻和熔断器串联之后并联于直流接触器两端，并接于变流器的直流侧正输入端，接触器的通断电由所述的控制器单元控制； 所述放电控制单元包括电力晶体管和与之串联的水冷直流负载箱，直流负载箱用于吸收飞轮电机在发电运行时回馈到母线的能量； 所述的交流负载子单元包括交流负载继电器和与之串联的水冷交流负载箱，水冷交流负载箱用于飞轮电机在发电运行时实际带载能力的检测设备。
4.如权利要求1所述的飞轮储能装置的测试系统，其特征在于: 在所述电源的三相不可控整流桥和投切控制单元之间的直流母线正、负极之间各连有一个快速熔断器。
5.如权利要求1所述的飞轮储能装置的测试系统，其特征在于: 在所述投切控制电路的直流母线正负极之间并联有薄膜电容器，在所述薄膜电容器和放电控制电路之间的直流母线正、负极之间并联有动态制动其；所述动态制动器包括动态制动单元和制动电阻。
6.如权利要求1所述的飞轮储能装置的测试系统，其特征在于， 所述控制器单元包括:数据采集单元，用于采集飞轮电机的定子相电流、飞轮转子转速以及变流器的直流母线电压和直流母线电流信号； 数据处理单元，用于根据飞轮充放电控制策略对信号采集单元采集到的信号进行计算处理，输出PWM控制信号、接触器和继电器控制信号； 驱动单元，用于对所述IGBT中的PWM信号和电力晶体管开关信号进行隔离及功率放大后输出，以控制变流器中IGBT功率开关器件和放电控制电路中电力晶体管的通断。
专利摘要本实用新型公开了一种飞轮储能装置的测试系统，该测试系统包括电源、测试控制单元、变流单元和控制器单元，测试控制单元包括用于抑制冲击电流的投切控制电路、用于将飞轮储能回馈给电机的放电控制电路和用于检测设备实际带载能力的交流负载子单元；变流单元包括直流母线电容器组、功率模块和交流滤波电抗器；控制器单元用于为变流器中的IGBT功率模块和放电控制电路中为电力晶体管提供开关信号，并且为交流负载子单元中的交流负载继电器和投切控制电路中的直流接触器提供控制信号。该系统放电时采用可控整流控制，并采取多种有效的故障和过载保护措施，可满足在连续充放电条件下不同功率等级的飞轮储能系统关键技术性能测试研究的需要。
文档编号H02K7/02GK203119680SQ201220730760
公开日2013年8月7日 申请日期2012年12月26日 优先权日2012年12月26日
发明者胡震, 杨家强, 许加凯 申请人:江阴市振江钢结构有限公司