一种飞轮储能装置与储能变流器的协同充放电控制方法与流程

本发明涉及飞轮储能领域，特别是涉及一种飞轮储能装置与储能变流器的协同充放电控制方法。

背景技术：

飞轮储能装置是利用高速旋转飞轮的动能来存储能量的物理储能装置，通过交流电机来实现动能和电能的相互转换。交流电机的机端为三相交流电，并且其频率是变化的。飞轮储能装置内部配置具备dc/ac双向转换功能的飞轮变流器，飞轮变流器的ac侧与交流电机进行连接，飞轮变流器的dc侧作为飞轮储能装置的对外接口。充电时，交流电机为电动机运行模式，外部输入的直流电经飞轮变流器转换为交流电，驱动电动机加速旋转，将电能转换为飞轮的动能；放电时，交流电机为发电机运行模式，将飞轮的动能转换成电能，飞轮变流器将机端的交流电变换为直流电对外输出。

因为飞轮储能装置对外充放电接口为直流接口，如果飞轮储能装置要接入交流系统，需要通过具备ac/dc双向变换功能的储能变流器（简称pcs）实现直流电和交流电之间的转换。飞轮储能装置需要和储能变流器组合成一个系统整体，协同进行充电或者放电。在充放电过程中，飞轮变流器和储能变流器应协调一致地进行控制。现有技术解决方案中，飞轮变流器和储能变流器之间需要通过通信进行协同充放电控制，充放电响应速度慢，控制配合复杂。

技术实现要素：

本发明提供一种飞轮储能装置与储能变流器的协同充放电控制方法，能够解决飞轮储能装置和储能变流器之间需要通过通信进行协调控制的问题，简化了控制的复杂度，提高了充放电响应速度。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种飞轮储能装置与储能变流器的协同充放电控制方法，所述储能变流器通过直流母线与所述飞轮储能装置连接，所述飞轮储能装置连接上级控制系统，所述方法包括：。

实时获取直流母线电压，根据所述直流母线电压判断所述储能变流器的工作状态并确定充放电稳定电压；

基于pid调节器，根据所述直流母线电压和所述充放电稳定电压计算所述储能变流器的充放电功率；

根据所述充放电功率进行充放电操作，以使所述储能变流器的直流侧电压为所述充放电稳定电压。

根据本发明的一个实施例，所述实时获取直流母线电压，根据所述直流母线电压判断所述储能变流器的工作状态并确定充放电稳定电压的步骤包括：

当所述直流母线电压处于第一预设阈值范围内，所述储能变流器处于充电状态，确定充电稳定电压；

当所述直流母线电压处于第二预设阈值范围内，所述储能变流器处于放电状态，确定放电稳定电压。

根据本发明的一个实施例，所述基于pid调节器，根据所述直流母线电压和所述充放电稳定电压计算所述储能变流器的充放电功率的步骤包括：

计算所述直流母线电压与所述充放电稳定电压的误差；

基于pid调节器，根据所述误差计算所述储能变流器的充放电功率。

根据本发明的一个实施例，所述计算所述直流母线电压与所述充放电稳定电压的误差的步骤包括：

按照如下公式计算所述误差：，其中，所述储能变流器处于充电状态时，为所述直流母线电压与所述充电稳定电压的误差，所述储能变流器处于放电状态时，为所述直流母线电压与所述放电稳定电压的误差，为所述充电稳定电压或所述放电稳定电压，为所述直流母线电压。

根据本发明的一个实施例，所述基于pid调节器，根据所述误差计算所述储能变流器的充放电功率的步骤包括：

当所述储能变流器处于充电状态时，所述储能变流器的充电功率按照如下公式进行计算，，其中，为所述储能变流器的充电功率，为所述直流母线电压与所述充电稳定电压的误差，为第一比例常数，为第一积分常数，为第一微分常数，t为时间。

根据本发明的一个实施例，所述基于pid调节器，根据所述误差计算所述储能变流器的充放电功率的步骤包括：

当所述储能变流器处于放电状态时，所述储能变流器的放电功率按照如下公式进行计算，，其中，为所述储能变流器的放电功率，为所述直流母线电压与所述放电稳定电压的误差，为第二比例常数，为第二积分常数，为第二微分常数，t为时间。

根据本发明的一个实施例，在所述实时获取直流母线电压，根据所述直流母线电压判断所述储能变流器的工作状态并确定充放电稳定电压的步骤之后，还包括：

判断所述飞轮储能装置是否处于可充放电状态；

当所述储能变流器处于充电状态时，若所述飞轮储能装置处于可充电状态，计算所述储能变流器的充电功率，若所述飞轮储能装置处于不可充电状态，所述储能变流器的充放电功率为零；

当所述储能变流器处于放电状态时，若所述飞轮储能装置处于可放电状态，计算所述储能变流器的放电功率，若所述飞轮储能装置处于不可放电状态，所述储能变流器的充放电功率为零。

根据本发明的一个实施例，在所述实时获取直流母线电压，根据所述直流母线电压判断所述储能变流器的工作状态并确定充放电稳定电压的步骤之前，还包括：

实时获取所述储能变流器的直流侧电压和直流侧电流，并根据所述储能变流器的直流侧电压和直流侧电流计算所述储能变流器的直流侧功率；

当所述直流侧功率在预设直流侧功率范围内时，实时获取直流母线电压，根据所述直流母线电压判断所述储能变流器的工作状态并确定充放电稳定电压。

根据本发明的一个实施例，在所述实时获取直流母线电压，根据所述直流母线电压判断所述储能变流器的工作状态并确定充放电稳定电压的步骤之前，还包括：

实时获取所述储能变流器的交流侧电压和交流侧电流，并根据所述储能变流器的交流侧电压和交流侧电流计算所述储能变流器的交流侧功率；

当所述交流侧功率在预设交流侧功率范围内时，实时获取直流母线电压，根据所述直流母线电压判断所述储能变流器的工作状态并确定充放电稳定电压。

根据本发明的一个实施例，所述方法还包括：

接收所述上级控制系统的控制指令以及充放电指令功率，所述充放电指令功率包括充电指令功率和放电指令功率；

判断所述飞轮储能装置是否处于可充放电状态；

当所述飞轮储能装置处于可充电状态时，根据所述控制指令控制所述飞轮储能装置的充电功率为所述充电指令功率；

当所述飞轮储能装置处于可放电状态时，根据所述控制指令控制所述飞轮储能装置的放电功率为所述放电指令功率。

本发明的有益效果是：飞轮储能装置和储能变流器之间通过直流母线进行耦合，无需通信连接，飞轮储能装置根据上级控制系统的充放电指令进行充放电，储能变流器根据直流母线电压自适应地调整充放电功率，解决了飞轮储能装置和储能变流器之间需要通过通信进行协调控制的问题，简化了控制的复杂度，提高了充放电响应速度和充放电功率的精度。

附图说明

图1是本发明实施例的飞轮储能装置与储能变流器的协同充放电控制系统的结构示意图；

图2是本发明第一实施例的飞轮储能装置与储能变流器的协同充放电控制方法的流程示意图；

图3是本发明实施例的储能变流器的功率调节控制流程示意图；

图4是本发明实施例的储能变流器控制充放电的流程示意图；

图5是本发明第二实施例的飞轮储能装置与储能变流器的协同充放电控制方法的流程示意图；

图6是本发明实施例的飞轮储能装置的充放电控制流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明中的术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

图1是本发明实施例的飞轮储能装置与储能变流器的协同充放电控制系统的结构示意图。请参见图1，飞轮储能装置与储能变流器的协同充放电控制系统包括：储能变流器10和飞轮储能装置20，储能变流器10和飞轮储能装置20之间通过直流母线30连接，一台储能变流器10通过直流母线30可连接多台飞轮储能装置20，由储能变流器10建立直流母线电压，飞轮储能装置20连接上级控制系统40。

进一步地，储能变流器10包括功率模块11和与功率模块11连接的pcs控制器12，其中，功率模块11的交流侧与外部交流系统连接，功率模块11的直流侧与直流母线30连接。飞轮储能装置20包括飞轮控制器21、与飞轮控制器21连接的飞轮变流器22、交流电机23以及飞轮24，其中，飞轮变流器22的直流侧与直流母线30连接，飞轮变流器22的交流侧与交流电机23连接。

飞轮控制器21与pcs控制器12通信连接，飞轮控制器21向pcs控制器12发送的主要信息包括：飞轮储能装置20的状态信息、飞轮储能装置20的电量状态；pcs控制器12向飞轮控制器21发送的主要信息包括：储能变流器10的状态信息。飞轮控制器21与上级控制系统40通信连接，飞轮控制器21向上级控制系统40发送的主要信息包括：飞轮储能装置20的状态信息、飞轮储能装置20的电量状态、储能变流器10的状态信息；上级控制系统40向飞轮控制器21发送的主要信息包括：充电或放电指令。在本实施例中，飞轮储能装置20的状态信息包括自检状态、充放电状态、直流侧电压、直流侧电流和直流侧功率，储能变流器10的状态信息包括自检状态、交流侧电压、交流侧电流、交流侧功率直流侧电压、直流侧电流以及直流侧功率。

图2是本发明第一实施例的飞轮储能装置与储能变流器的协同充放电控制方法的流程示意图。需注意的是，若有实质上相同的结果，本发明的方法并不以图2所示的流程顺序为限。如图2所示，该方法应用于储能变流器，包括：

步骤s201：实时获取直流母线电压，根据直流母线电压判断储能变流器的工作状态并确定充放电稳定电压。

在步骤s201中，当直流母线电压处于第一预设阈值范围内，储能变流器处于充电状态，确定充电稳定电压；当直流母线电压处于第二预设阈值范围内，储能变流器处于放电状态，确定放电稳定电压。本实施例中，设定直流母线电压的充电起始值为uc0，直流母线电压的充电稳定电压为uc1，直流母线电压的最低充电电压为uc2；设定直流母线电压的放电起始值为ud0，直流母线电压的放电稳定电压为ud1，直流母线电压的最低放电电压为ud2，则有uc2<uc1<uc0<ud0<ud1<ud2。

当直流母线电压处于uc0≤u(t)≤ud0，或u(t)≤uc2，或u(t)≥ud2时，储能变流器处于待机状态，既不充电也不放电；当直流母线电压处于uc2<u(t)<uc0时，储能变流器处于充电状态，通过调整充电功率将直流母线电压稳定在充电稳定电压uc1；当直流母线电压处于ud0<u(t)<ud2时，储能变流器处于放电状态，通过调整放电功率将直流母线电压稳定在放电稳定电压ud1。

进一步地，在本实施例中，在步骤s201之后以及步骤s202之前，还包括判断飞轮储能装置是否处于可充放电状态；当储能变流器处于充电状态时，若飞轮储能装置处于可充电状态，执行步骤s202，计算储能变流器的充电功率，若飞轮储能装置处于不可充电状态，储能变流器的充放电功率为零；当储能变流器处于放电状态时，若飞轮储能装置处于可放电状态，执行步骤s202，计算储能变流器的放电功率，若飞轮储能装置处于不可放电状态，储能变流器的充放电功率为零。

在另一实施例中，在步骤s201之前还包括实时获取储能变流器的直流侧电压和直流侧电流，并根据储能变流器的直流侧电压和直流侧电流计算储能变流器的直流侧功率；当直流侧功率在预设直流侧功率范围内时，实时获取储能变流器的交流侧电压和交流侧电流，并根据储能变流器的交流侧电压和交流侧电流计算储能变流器的交流侧功率；当交流侧功率在预设交流侧功率范围内时，执行步骤s201。

步骤s202：基于pid调节器，根据直流母线电压和充放电稳定电压计算储能变流器的充放电功率。

在步骤s202中，首先，计算直流母线电压与充放电稳定电压的误差。按照如下公式计算误差：，其中，储能变流器处于充电状态时，为直流母线电压与充电稳定电压的误差，储能变流器处于放电状态时，为直流母线电压与放电稳定电压的误差，为充电稳定电压或放电稳定电压，为直流母线电压。

然后，基于pid调节器，根据误差计算储能变流器的充放电功率。

当储能变流器处于充电状态时，储能变流器的充电功率按照如下公式进行计算，，其中，为储能变流器的充电功率，量纲为瓦特（w），为直流母线电压与充电稳定电压的误差，量纲为伏特（v），为第一比例常数，量纲为安培（a），为第一积分常数，量纲为a•s^-1，为第一微分常数，量纲为a•s，t为时间，量纲为秒（s）。

当储能变流器处于放电状态时，储能变流器的放电功率按照如下公式进行计算，，其中，为储能变流器的放电功率，量纲为瓦特（w），为直流母线电压与放电稳定电压的误差，量纲为伏特（v），为第二比例常数，量纲为安培（a），为第二积分常数，量纲为a•s^-1，为第二微分常数，量纲为a•s，t为时间，量纲为秒（s）。

当储能变流器处于待机状态时，储能变流器的充放电功率为零，既不充电也不放电。

步骤s203：根据充放电功率进行充放电操作，以使储能变流器的直流侧电压为充放电稳定电压。

在步骤s203中，储能变流器控制其功率模块按照计算得到的充放电功率进行充放电操作，以使储能变流器的直流侧电压为充放电稳定电压。

具体地，储能变流器的功率调节控制流程如图3所示，首先根据充放电稳定电压和直流母线电压获得电压误差，pid调节器基于该误差计算储能变流器的充放电功率，功率模块根据计算得到的充放电功率进行功率调节。

具体地，在一实施例中，储能变流器控制充放电过程如图4所示，

首先执行步骤s401：实时获取储能变流器的直流侧电压和直流侧电流，并根据储能变流器的直流侧电压和直流侧电流计算储能变流器的直流侧功率，当直流侧功率在预设直流侧功率范围内时，执行步骤s402：实时获取储能变流器的交流侧电压和交流侧电流，并根据储能变流器的交流侧电压和交流侧电流计算储能变流器的交流侧功率；当交流侧功率在预设交流侧功率范围内时，执行步骤s403：判断直流母线电压是否大于最低充电电压且小于充电起始值，即uc2<u（t）<uc0，若是，则执行步骤s404，若否，则执行步骤s405，步骤s404：判断飞轮储能装置是否处于可充电状态，当飞轮储能装置处于可充电状态时，根据对应的公式计算储能变流器的充电功率，并执行充电操作并重新执行步骤s401，当飞轮储能装置处于不可充电状态时，则充放电功率为0，储能变流器执行待机操作并重新执行步骤s401；步骤s405：判断直流母线电压是否大于放电起始值且小于最低充电电压，即ud0<u（t）<ud2，若是，则执行步骤s406，若否，则充放电功率为0，储能变流器执行待机操作并重新执行步骤s401；步骤s406：判断飞轮储能装置是否处于可放电状态，当飞轮储能装置处于可放电状态时，根据对应的公式计算储能变流器的放电功率，并执行放电操作并重新执行步骤s401，当飞轮储能装置处于不可放电状态时，则充放电功率为0，储能变流器执行待机操作并重新执行步骤s401。

图5是本发明第二实施例的飞轮储能装置与储能变流器的协同充放电控制方法的流程示意图。需注意的是，若有实质上相同的结果，本发明的方法并不以图5所示的流程顺序为限。如图5所示，该方法应用于飞轮储能装置，包括：

步骤s501：接收上级控制系统的控制指令以及充放电指令功率，充放电指令功率包括充电指令功率和放电指令功率。

步骤s502：判断飞轮储能装置是否处于可充放电状态。

在步骤s502中，当飞轮储能装置处于可充电状态时，执行步骤s503，当飞轮储能装置处于可放电状态时，执行步骤s504。

步骤s503：根据控制指令控制飞轮储能装置的充电功率为充电指令功率。

步骤s504：根据控制指令控制飞轮储能装置的放电功率为放电指令功率。

在一个优选地实施例中，请参见图6，步骤s601：飞轮控制器实时监测飞轮变流器的直流侧电压和电流，并根据直流侧电压和电流计算飞轮变流器的直流侧功率，当飞轮变流器的直流侧功率在预设阈值范围内时，执行步骤s602：飞轮控制器接收上级控制系统下发的控制指令以及充放电指令功率；然后执行步骤s603：判断控制指令是否为充电指令，若控制指令为充电指令，执行步骤s604：判断飞轮储能装置是否处于可充电状态，若控制指令不是充电指令，执行步骤s605：判断控制指令是否为放电指令，若控制指令为放电指令，执行步骤s606：判断飞轮储能装置是否为可放电状态，若控制指令不是放电指令，飞轮变流器的充放电功率为零，飞轮变流器执行待机操作并重新执行步骤s601。在步骤s604中，若飞轮储能装置处于可充电状态，则飞轮变流器执行充电操作并重新执行步骤s601，充电功率为充电指令功率；若飞轮储能装置处于不可充电状态，飞轮变流器执行待机操作并重新执行步骤s601，充放电功率为零。在步骤s606中，若飞轮储能装置处于可放电状态，则飞轮变流器执行放电操作并重新执行步骤s601，放电功率为放电指令功率；若飞轮储能装置处于不可放电状态，飞轮变流器执行待机操作并重新执行步骤s601，充放电功率为零。

本发明实施例的飞轮储能装置与储能变流器的协同充放电控制方法通过飞轮储能装置根据上级控制系统的充放电指令进行充放电，储能变流器根据直流母线电压自适应地调整充放电功率，实现飞轮储能装置和储能变流器之间的配合简单可靠，解决了飞轮储能装置和储能变流器之间需要通过通信进行协调控制的问题，简化了控制的复杂度，提高了充放电响应速度和充放电功率的精度。

以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。