双单片机飞轮储能系统控制器及控制方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种双单片机飞轮储能系统控制器及控制方法。

背景技术：

近年来，世界各地屡屡发生大面积停电等重大电力事故，其损失和造成的影响都是难以估量的，急需采取一些有效的措施把用电低谷时多余的电能储存起来，在用电高峰时释放出来缓解用电压力是各国都在积极考虑的问。现在己采取的储能技术有机械储能(飞轮、抽水、弹簧、压缩空气等)、热能蓄能(显热、潜热、蒸发、融解、升华等)、电磁蓄能(电容器、超导等)和化学蓄能(蓄电池、合成燃料、浓度差发电、物理化学能量等)，其中发展最快、规模最大的是抽水蓄能，其次是压缩空气蓄能，排在第二位的就是飞轮蓄能。飞轮蓄能装置可配置在城市和用电中心附近的变电所，用来调峰调频.它的规模己达几十和几百MW级，特别是由于高温超导磁力轴承的开发和应用，将加速飞轮储能技术的发展。与其他形式的储能方式相比较，飞轮储能具有大容量、高效率、无限循环寿命、零排放、无污染和装置对环境无要求等优点。传统的飞轮储能控制器存在以下问题：飞轮在储能过程中，电机不能以最短的时间上升到额定转速，电能消耗过多，同时影响飞轮输出效率。

发明内容：

本发明的目的是提供一种双单片机飞轮储能系统控制器及控制方法。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种双单片机飞轮储能系统控制器，其组成包括: 飞轮，所述的飞轮与充电储能系统连接，所述的充电储能系统与高速永磁无刷电机连接，所述的高速永磁无刷电机与所述的飞轮连接，所述的充电储能系统与放电释能系统连接。

所述的双单片机飞轮储能系统控制器，所述的充电储能系统包括MCU1控制电路、BUCK电路、卸荷电路、PWM逆变电路、单相整流电路，所述的MCU1控制电路分别与所述的BUCK电路、所述的卸荷电路、所述的PWM逆变电路、所述的单相整流电路连接，所述的PWM逆变电路与所述的高速永磁无刷电机连接，所述的高速永磁无刷电机与MCU1控制电路连接，所述的MCU1控制电路与所述的飞轮连接，所述的BUCK电路分别与所述的卸荷电路、所述的PWM逆变电路、所述的单相整流电路连接，所述的卸荷电路与所述的PWM逆变电路连接。

所述的双单片机飞轮储能系统控制器，所述的放电释能系统包括MCU2控制电路、高频升压稳压电路、单相逆变电路、滤波电路，所述的MCU2控制电路分别与所述的单相整流电路、所述的高频升压稳压电路、所述的单相逆变电路、所述的MCU1控制电路连接，所述的高频升压稳压电路分别与所述的BUCK电路、所述的卸荷电路、所述的PWM逆变电路、所述的MCU1控制电路、所述的单相逆变电路连接，所述的单相逆变电路与所述的滤波电路连接。

一种双单片机飞轮储能系统控制器的控制方法，

（1）充电储能系统的控制方法:

在充电储能时，电能通过PWM逆变电路驱动电机，带动飞轮加速转动，完成电能到机械能的转换，能量储存在高速旋转的飞轮中；之后，电机维持在一个恒定转速；当MCU1控制电路检测工频输入电压Uac的大小，当Uac<10V时，认为电网断电，此时，BUCK电路停止工作，飞轮存储能量通过PWM逆变电路T1~T6中的续流二极管将飞轮能量回馈至直流母线Udc1，通过T11~T14、高频升压变压器、D11~ D12进行得到340V的直流电压Udc2，经SPWM单相逆变及选择适当的调制比M输出单相（正弦脉宽调制）SPWM波，经滤波处理后得到单相220V、50Hz交流电；

单相220V电网电压经不控整流得到310V直流电压，通过检测BUCK电路的直流输出Udc1作为电压外环的的电压反馈，经过PI调节后作为电流内环的给定，与直流母线电流的反馈值经过电流环PI调节，输出控制BUCK功率开关管T5的占空比，使直流电压Udc1从0V增加并稳定在100V；飞轮电机采用高速永磁无刷电机；在储能过程中飞轮控制器采用MCU1控制电路、ST7FMC2S4T6对无刷电机的反电动势过零点进行检测；由于转速低时很难检测到反电动势，故采用三段式启动法进行电机启动：即首先进行步进模式换相，反电动势的幅值随着转速的提高而不断增大，当达到一定转速时，通过检测反电动势的过零点，发出相应的六路PWM驱动信号驱动逆变电路，经功率放大后驱动功率开关管，使电机由它控式切换到自控式高速运行，完成电能到机械能的转换；当检测到过零点m1时，之后延时30o到换相点n1，此刻由AB→AC换相，同理，当检测到过零点m2时，再延时30o到换相点n2，由AC-BC，以此类推，完成一个电周期的六次换相；

（2）放电释能系统的控制方法:

在放电释能过程中，MCU1控制电路停止输出逆变器的SPWM控制波，飞轮能量通过逆变单元的续流二极管将飞轮能量回馈直流母线Udc1；飞轮储能完成后处于保持模式；MCU1控制电路检测工频输入电压Uac的大小，当Uac<10V时，认为电网断电储能单元中控制电路停止工作，PWM逆变电路关断，释能单元电路中的控制电路开始工作，此时飞轮高速旋转，因其惯性将带动电机旋转并释放电能，经逆变电路中的六个续流二极管回馈至直流母线Udc1；

MCU2控制电路为高频升压、稳压单元提供控制信号；由于电机发电运行时，电机转速不断降低，输出电压也不断降低；为保持逆变输出为交流220V，通过调节高频升压稳压单元的功率开关管的占空比以获得稳定的340V交流电压；单相逆变电路采用SPWM控制，通过查表（正弦表，为标幺值）以及选择适当的调制比M输出单相（正弦脉宽调制）SPWM波，经滤波处理后得到单相220V、50Hz交流电。

所述的双单片机飞轮储能系统控制器的控制方法，三种工作模式的切换方法：

（1）储能阶段，MCU1控制电路接收外部的启动指令，输出BUCK的控制波形，经降压、稳压环节达到直流100V，经过PWM逆变环节驱动无刷直流电机，带动飞轮旋转，此时为储能阶段；

（2）保持阶段，当外加电压达到100V且飞轮转速达到15000rpm时，此时进入保持阶段；保持模式可看作是储能模式与释能模式的中间过渡状态；既没有能量的正向流动，也没有能量的反向流动，在这种模式下，系统的能量维持恒定，并以最小的损耗运行在空闲状态；该阶段等待释能控制信号输入，并进入释能阶段；

（3）释能阶段，当飞轮转速达到15000rpm且维持10分钟后，系统进入等待切入释能模式；MCU1控制电路检测工频输入电压Uac的大小，当Uac<10V时，认为电网断电，此时，BUCK停止工作，飞轮存储能量通过PWM逆变器T1~T6中的续流二极管将飞轮能量回馈至直流母线Udc1；随着无刷电机转速的下降，其输出的电压也在不断降低，所以需要稳压电路进行升压，才能保证输出电压恒定，确保负载正常工作；Udc1是直流母线电压，根据直流输出侧Udc1的变化，通过PI调节改变开关管的占空比以获得稳定的340V电压，通过单相逆变、滤波单元输出220V、50Hz的交流电；当检测Udc1小于60V时，禁止PWM输出，飞轮储能控制器释能过程停止，放电结束；

（4）释能阶段→储能阶段，当Uac>=180V时，MCU1判定电网恢复，控制储能过程恢复工作，此时，进入储能阶段。

有益效果：

1.本发明采用了无位置传感器的直流无刷电机，省去了电机内部容易损坏的霍尔传感器，也减少了电机及控制系统的引线数量，同时大幅度提高电机及控制系统可靠性和电机的工作效率。

2.本发明在启动过程中采用电压、电流双闭环控制，通过BUCK电路配合逆变电路减缓启动电流的尖峰，同时将启动电流保持在限流的最大值，保证飞轮电机以最短的时间升至最高转速，缩短了充电时间。

3.本发明提供一种稳定、高效、经济的飞轮储能控制器，其优点在于更充分地利用电力资源，提高了电能质量，并快速地进行储能和释能。过流、过压保护功能提高了系统的稳定性。

附图说明：

附图1是本发明的系统整体框图。图中，1为MCU1控制电路，2为卸荷电路，3为单相整流电路，4为BUCK电路，5为PWM逆变电路，6为MCU2控制电路，7为高频升压稳压电路，8为单相逆变电路，9为滤波电路，10为高速永磁无刷电机，11为飞轮，12为充电储能系统，13为放电释能系统。

附图2是本发明的主电路原理图。

附图3是本发明的充电储能系统的电路原理图。

附图4是本发明的PWM逆变及位置检测电路原理图。

附图5是本发明的基于IR2130的自举驱动PWM逆变电路的电路原理图。

附图6是本发明的基于反电势位置检测法的三相反电动势波形图。

附图7是本发明的BUCK稳压电路原理图。

附图8是本发明的充电储能系统程序流程图。

附图9是本发明的飞轮储能控制器放电释能系统电路原理图。

附图10是本发明的电压电流双闭环控制原理图。

附图11是本发明的放电释能系统程序流程图。

附图12是本发明的三种工作过程切换原理图。

具体实施方式：

实施例1：

一种双单片机飞轮储能系统控制器，其组成包括: 飞轮，所述的飞轮与充电储能系统连接，所述的充电储能系统与高速永磁无刷电机连接，所述的高速永磁无刷电机与所述的飞轮连接，所述的充电储能系统与放电释能系统连接。

实施例2：

根据实施例1所述的双单片机飞轮储能系统控制器，所述的充电储能系统包括MCU1控制电路、BUCK电路、卸荷电路、PWM逆变电路、单相整流电路，所述的MCU1控制电路分别与所述的BUCK电路、所述的卸荷电路、所述的PWM逆变电路、所述的单相整流电路连接，所述的PWM逆变电路与所述的高速永磁无刷电机连接，所述的高速永磁无刷电机与MCU1控制电路连接，所述的MCU1控制电路与所述的飞轮连接，所述的BUCK电路分别与所述的卸荷电路、所述的PWM逆变电路、所述的单相整流电路连接，所述的卸荷电路与所述的PWM逆变电路连接。

实施例3：

根据实施例1或2所述的双单片机飞轮储能系统控制器，所述的放电释能系统包括MCU2控制电路、高频升压稳压电路、单相逆变电路、滤波电路，所述的MCU2控制电路分别与所述的单相整流电路、所述的高频升压稳压电路、所述的单相逆变电路、所述的MCU1控制电路连接，所述的高频升压稳压电路分别与所述的BUCK电路、所述的卸荷电路、所述的PWM逆变电路、所述的MCU1控制电路、所述的单相逆变电路连接，所述的单相逆变电路与所述的滤波电路连接。

实施例4：

一种双单片机飞轮储能系统控制器的控制方法，

（1）充电储能系统的控制方法:

在充电储能时，电能通过PWM逆变电路驱动电机，带动飞轮加速转动，完成电能到机械能的转换，能量储存在高速旋转的飞轮中；之后，电机维持在一个恒定转速；当MCU1控制电路检测工频输入电压Uac的大小，当Uac<10V时，认为电网断电，此时，BUCK电路停止工作，飞轮存储能量通过PWM逆变电路T1~T6中的续流二极管将飞轮能量回馈至直流母线Udc1，通过T11~T14、高频升压变压器、D11~ D12进行得到340V的直流电压Udc2，经SPWM单相逆变及选择适当的调制比M输出单相（正弦脉宽调制）SPWM波，经滤波处理后得到单相220V、50Hz交流电；

单相220V电网电压经不控整流得到310V直流电压，通过检测BUCK电路的直流输出Udc1作为电压外环的的电压反馈，经过PI调节后作为电流内环的给定，与直流母线电流的反馈值经过电流环PI调节，输出控制BUCK功率开关管T5的占空比，使直流电压Udc1从0V增加并稳定在100V；飞轮电机采用高速永磁无刷电机；在储能过程中飞轮控制器采用MCU1控制电路、ST7FMC2S4T6对无刷电机的反电动势过零点进行检测；由于转速低时很难检测到反电动势，故采用三段式启动法进行电机启动：即首先进行步进模式换相，反电动势的幅值随着转速的提高而不断增大，当达到一定转速时，通过检测反电动势的过零点，发出相应的六路PWM驱动信号驱动逆变电路，经功率放大后驱动功率开关管，使电机由它控式切换到自控式高速运行，完成电能到机械能的转换；当检测到过零点m1时，之后延时30o到换相点n1，此刻由AB→AC换相，同理，当检测到过零点m2时，再延时30o到换相点n2，由AC-BC，以此类推，完成一个电周期的六次换相；

（2）放电释能系统的控制方法:

在放电释能过程中，MCU1控制电路停止输出逆变器的SPWM控制波，飞轮能量通过逆变单元的续流二极管将飞轮能量回馈直流母线Udc1；飞轮储能完成后处于保持模式；MCU1控制电路检测工频输入电压Uac的大小，当Uac<10V时，认为电网断电储能单元中控制电路停止工作，PWM逆变电路关断，释能单元电路中的控制电路开始工作，此时飞轮高速旋转，因其惯性将带动电机旋转并释放电能，经逆变电路中的六个续流二极管回馈至直流母线Udc1；

MCU2控制电路为高频升压、稳压单元提供控制信号；由于电机发电运行时，电机转速不断降低，输出电压也不断降低；为保持逆变输出为交流220V，通过调节高频升压稳压单元的功率开关管的占空比以获得稳定的340V交流电压；单相逆变电路采用SPWM控制，通过查表（正弦表，为标幺值）以及选择适当的调制比M输出单相（正弦脉宽调制）SPWM波，经滤波处理后得到单相220V、50Hz交流电。

实施例5：

根据实施例4所述的双单片机飞轮储能系统控制器的控制方法，三种工作模式的切换方法：

（1）储能阶段，MCU1控制电路接收外部的启动指令，输出BUCK的控制波形，经降压、稳压环节达到直流100V，经过PWM逆变环节驱动无刷直流电机，带动飞轮旋转，此时为储能阶段；

（2）保持阶段，当外加电压达到100V且飞轮转速达到15000rpm时，此时进入保持阶段；保持模式可看作是储能模式与释能模式的中间过渡状态；既没有能量的正向流动，也没有能量的反向流动，在这种模式下，系统的能量维持恒定，并以最小的损耗运行在空闲状态；该阶段等待释能控制信号输入，并进入释能阶段；

（3）释能阶段，当飞轮转速达到15000rpm且维持10分钟后，系统进入等待切入释能模式；MCU1控制电路检测工频输入电压Uac的大小，当Uac<10V时，认为电网断电，此时，BUCK停止工作，飞轮存储能量通过PWM逆变器T1~T6中的续流二极管将飞轮能量回馈至直流母线Udc1；随着无刷电机转速的下降，其输出的电压也在不断降低，所以需要稳压电路进行升压，才能保证输出电压恒定，确保负载正常工作；Udc1是直流母线电压，根据直流输出侧Udc1的变化，通过PI调节改变开关管的占空比以获得稳定的340V电压，通过单相逆变、滤波单元输出220V、50Hz的交流电；当检测Udc1小于60V时，禁止PWM输出，飞轮储能控制器释能过程停止，放电结束；

（4）释能阶段→储能阶段，当Uac>=180V时，MCU1判定电网恢复，控制储能过程恢复工作，此时，进入储能阶段。

实施例6：

所述的双单片机飞轮储能系统控制器，本发明采用具有8位的微处理器的ST7FMC2S4T6单片机实现，该芯片具有适于电机控制的功能，如其数字单元包括：有/无传感器控制模式选择、PWM事件管理器、梯形波或正弦波工作模式选择等；其模拟单元包括：位置反馈、信号输入、相电流闭环控制电路以及输出模块等。本发明中采用三电阻法检测反电动势确定电动机的转子位置如图4所示。

基于自举技术的IR2130实现，该芯片内部具有3个独立的高、低端输出通道，可同时控制6个功率开关管的通断。该芯片还具有过流、过欠压保护、故障封锁和故障指示功能。

图3为充电储能系统的电路原理图，采用BUCK单元和PWM逆变相结合的控制方式，即采用BUCK单元进行调制波幅值调制，采用PWM进行频率调制，采用双自由度SPWM的生成、控制方式，大大提高了飞轮控制的可靠性和灵活性。在电机加速过程中采用BUCK电路限制启动电流，同时保持电流为最大限流值，保证电机以最短时间达到额定转速。由于选用的飞轮电机为直流无刷电机，采用基于反电动势过零点的无位置检测法进行转子位置检测，提高了系统的可靠性和对环境的适应能力，系统结构简单，安装方便，成本更低，并大大提高了装置的可靠性。

实施例7：

所述的双单片机飞轮储能系统控制器，如图7所示，采用电压、电流双闭环控制策略，以直流母线电压Udc1为被控量，经电压PI调节器得到电流内环给定量，与电流反馈量进行电流环PI调节器得到功率开关管T5的占空比，以此调节输出电流、电压。启动时采用最大电流限流下工作，可以确保电动机以最短时间达到额定转速。

图9为放电释能系统的电路原理图，采用T11~T14全桥变换，将直流母线电压变换为高频方波，经过高频升压变压器、D11~D14高频整流单元以及L2、C3滤波环节，以输出直流电压为被控量，通过调节T11~T14的输入占空比得到稳定的340V直流电压，以满足交流220V输出的需要。

随着发电机转速的下降，其输出的电压也不断降低，所以需要稳压电路进行升压，才能保证输出电压恒定，确保负载正常工作。如图9、10所示，Udc1是发电机输出的直流电压，根据直流输出侧Udc1的变化，通过PI调节改变开关管的占空比以获得稳定的340V电压，当检测Udc1小于60V时，禁止单相逆变，飞轮储能控制器释能过程停止，放电结束。

实施例8：

所述的双单片机飞轮储能系统控制器，如图1所示，系统由以ST7FMC2S4T6（MCU1、MCU2）为核心构成，当飞轮储能时，由外部提供的电能，经功率变换器，驱动电机带动飞轮高速旋转，达到并保持恒定高速，以动能的形式把能量储存起来，从而完成电能—机械能转换的储能过程。当电网断电时，高速旋转的飞轮作为原动机反拖电机发电，经功率变换器输出适用于负载的电流与电压，从而完成机械能—电能转换的释放能量过程。由此，整个飞轮储能系统实现了电能的输入、储存和输出过程。

本发明采用无位置传感器模式，由于电机内部没有位置传感器，因此采用三段式启动法。即首先进行预定位，通过导通任意两个不同桥臂的开关管，使转子预先旋转到一个确定的位置，之后采用它控式，按照产生逆时针旋转磁场的顺序控制两个开关管的导通，待电机达到一定转速时，通过检测反电动势过零点来确定电机的换相点。由于在电机运行时无法检测反电动势波形，所以本发明采用端电压检测代替反电动势进行自动换相。由于电机旋转过程中，定子磁场与转子磁场相互作用产生的反电动势波形是梯形波，因此在换相过程中采用两相导通、三相六状态、120度导通方案。

储能电路的工作方案如下：

单相220V交流电经不控整流、滤波处理后得到约为300V直流电压。如图2所示，采用电压霍尔采样BUCK输出电压，并由MCU1、ST7FMC2S4T6单片机进行采样，作为电压环的反馈量，电压参考值对应100V。电压环调节器的输出作为电流环参考值，通过电流霍尔对直流母线Udc1的电流进行采样，进行电流闭环控制，进行BUCK降压斩波，从而控制直流母线电压和电流。

无位置无刷直流电机运行采用三段式启动法，即首先进行预定位，通过导通任意两个不同桥臂的开关管，使转子旋转到一个确定的位置，之后采用它控式方法，按照产生逆时针旋转磁场的顺序分别控制两个开关管的导通，待电机达到一定转速可以检测到电动势时进入自控模式。首先使能MCU1单片机的Z（过零检测）事件和C（换相中断）事件，当检测反电动势过零点时，进入Z中断，执行完30度延时后进入C中断执行换相程序。根据检测到反电动势过零点的跳变沿，ST7控制电路发出六路PWM信号，经功放后驱动功率开关管IGBT的通断，使电机由它控式切换到自控式高速旋转。由于电机是感性负载，电流不能突变，当功率开关管由导通变为截至时，由续流二极管D1-D6提供续流通道。通过BUCK电路和PWM逆变电路的相互配合，完成电机升速、飞轮储能。

保持模式

电能存储在飞轮后，电机保持一恒定转速，等待释能控制信号输入。保持模式看作是储能模式与释能模式的中间过渡状态。既没有能量的正向流动，也没有能量的反向流动，在这种模式下，系统的能量维持恒定，并以最小的损耗运行在空闲状态。

释能单元

在储能和保持过程中，储能控制系统MC1、ST7FMC2S4T6一直检测无刷电机转子转速，当电机维持额定转速15000rpm 10分钟后，认为储能过程完成。MCU1检测工频输入电压Uac的大小，当Uac<10V时，认为电网断电，此时，MCU1、ST7FMC2S4T6禁止发送PWM逆变控制信号和BUCK电路控制信号，BUCK停止工作，飞轮存储能量通过PWM逆变器T1~T6中的续流二极管将飞轮能量回馈至直流母线Udc1，通过T11~T14、高频升压变压器、D11~ D12整流得到340V的直流电压Udc2，经SPWM单相逆变及选择适当的调制比M输出单相（正弦脉宽调制）SPWM波，经滤波处理后得到单相220V、50Hz交流电。

系统保护

过温保护：任何电子元件以及功率器件都有一个工作范围，温度过高会影响系统的正常运行，本系统通过温度开关控制，当温度达到温度开关的动作点时，温度开关闭合，风扇开始工作，当温度降下来时，温度开关断开，风扇停止工作。

过流保护：本发明中采用IR2130芯片内部过流保护电路对电路进行保护，通过功率电阻对母线电流进行采样，当系统发生过流时，IR2130输出通道关断，禁止输出PWM驱动信号，当电流恢复正常之后，IR2130开始正常工作。