一种飞轮电池充放电控制系统及控制方法

摘要

一种飞轮电池充放电控制系统及控制方法，该系统包括三相不可控整流电路、储能滤波电容、IGBT功率变换电路、过零检测电路、电压、电流检测电路、直流电压检测及过压保护电路、采样滤波过流保护电路、位移、温度采样电路、DSP控制器、储能电感、三相联动开关和旋转变压器信号处理电路，储能电感串接在IGBT功率变换电路交流侧每相输出端与飞轮电机输入端之间，三相联动开关分别与储能电感并接，旋转变压器信号处理电路连接在飞轮电机旋转变压器信号输出端与DSP控制器QEP口之间；方法基于上述系统实现飞轮电池充放电控制。本发明输出直流电压稳定，高频纹波小，动态响应快，大大提高系统功率因数和效率，特别适合快充快放工况。

说明书

技术领域

本发明涉及一种对飞轮电池进行充电、放电控制的系统，还涉及利用该系统对飞轮电池进行控制的方法。

背景技术

飞轮电池的充电、放电过程是飞轮电池的基本控制过程。目前国内外的飞轮电池充放电控制系统均采用如图1所示的交-直-交系统，该系统包括三相不可控整流电路1、升降压斩波控制电路2、储能滤波电容3、IGBT功率变换电路4、过零检测电路5、电压、电流检测电路6、直流电压检测及过压保护电路7、采样滤波过流保护电路8、霍尔信号处理电路9、位移、温度采样电路10和DSP控制器200，其中，三相不可控整流电路1、升降压斩波控制电路2和IGBT功率变换电路4依次连接，IGBT功率变换电路4的交流侧连接飞轮电机100，储能滤波电容3连接于升降压斩波控制电路2与IGBT功率变换电路4之间的直流母线之间，直流电压检测及过压保护电路7连接在三相不可控整流电路1的直流侧与DSP控制器200的A/D口之间，DSP控制器200与IGBT功率变换电路4控制连接，IGBT功率变换电路4的故障输出端连接DSP控制器200的PDP INT输入端，过零检测电路5连接在飞轮电机100的一相输入端与DSP控制器200的CAP6口之间，电压、电流检测电路6连接飞轮电机100的三相输入端，电压、电流检测电路6、采样滤波过流保护电路8、DSP控制器200的A/D口依次连接，霍尔信号处理电路9连接在飞轮电机100的霍尔信号输出端与DSP控制器200的QEP口之间，位移、温度采样电路10连接在飞轮电机100的位移、温度传感器输出端与DSP控制器200的I/O口之间，DSP控制器200通过其智能通信模块与人机界面进行通信。

当飞轮电池充电时，系统将来自市电或者其他电源的电能通过DSP微处理器(Digital Signal Processor)控制IGBT功率变换模块来驱动飞轮加速到一定转速，把电能转化为机械能储存起来，完成飞轮电池的充电过程；当系统需要放电时，飞轮电机转为发电工况下工作，飞轮就将所储存的机械能转化为电能，系统通过IGBT功率变换模块自身的续流二极管把飞轮电机发出的三相变频变压的交流电进行不控整流转化为直流电，并通过母线上的升降压斩波控制电路把该直流电稳定在某个区间供负载使用。

现有的飞轮电池充放电控制系统存在如下缺陷：

1、由于飞轮电池充放电控制系统应用的整流装置大多采用二极管不控整流或晶闸管相控整流，飞轮电池在放电过程中产生电压和频率都不断减少的三相交流电，该交流电频率为高频，采用不可控二极管整流或者相控整流，使系统的谐波含量增加，交流侧波形畸变严重，导致整个系统的功率因数低、效率低；

2、由于飞轮电池充放电控制系统的后级还采用升降压斩波稳压电路，系统模块多导致系统可靠性降低，同时增加系统的硬件成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题之一在于，提供一种飞轮电池充放电控制系统，克服现有飞轮电池充放电控制系统功率因数低、效率低的缺陷，提高系统可靠性，降低系统硬件成本。

本发明要解决的技术问题之二在于，提供一种飞轮电池充放电控制方法，克服现有飞轮电池充放电控制系统缺陷，提高系统功率因数、系统效率和系统可靠性，降低系统硬件成本。

本发明解决其技术问题之一所采用的技术方案是：构造一种飞轮电池充放电控制系统，包括三相不可控整流电路、储能滤波电容、IGBT功率变换电路、过零检测电路、电压、电流检测电路、直流电压检测及过压保护电路、采样滤波过流保护电路、位移、温度采样电路和DSP控制器，

所述三相不可控整流电路直流侧与所述IGBT功率变换电路直流侧连接，所述IGBT功率变换电路交流侧连接飞轮电机，所述储能滤波电容连接于所述三相不可控整流电路与所述IGBT功率变换电路之间的直流母线之间；

所述直流电压检测及过压保护电路连接在所述三相不可控整流电路直流侧与所述DSP控制器的A/D口之间；

所述DSP控制器的PWM输出口与所述IGBT功率变换电路连接，该IGBT功率变换电路的故障输出端连接DSP控制器的PDP INT输入端；

所述过零检测电路连接在飞轮电机的一相输入端与DSP控制器的CAP6口之间；

所述电压、电流检测电路连接飞轮电机的三相输入端，该电压、电流检测电路、所述采样滤波过流保护电路、所述DSP控制器的A/D口依次连接；

所述位移、温度采样电路连接在飞轮电机的位移传感器、温度传感器输出端与所述DSP控制器的I/O口之间；

所述DSP控制器通过其智能通信模块与人机界面进行通信；

其特征在于，包括储能电感、三相联动开关和旋转变压器信号处理电路；

所述储能电感串接在所述IGBT功率变换电路交流侧每相输出端与飞轮电机的输入端之间；

所述三相联动开关分别与所述储能电感并接；

所述旋转变压器信号处理电路连接在飞轮电机的旋变信号输出端与DSP控制器的QEP口之间。

在本发明的飞轮电池充放电控制系统中，所述采样滤波过流保护电路包括依次连接的反向放大电路、滞环比较电路和保护输出电路。

本发明解决其技术问题之二所采用的技术方案是：提供一种飞轮电池充放电控制方法，基于如权利要求1所述的飞轮电池充放电控制系统实现飞轮电池充放电控制，其特征在于，包括如下步骤：

SP1、DSP控制器屏蔽所有中断信号；

SP2、对系统进行初始化；

SP3、对A/D采样、事件管理器、I/O口、通信模块进行初始化；

SP4、使能DSP内部定时器T1下溢中断，使能DSP外部中断1、外部中断；开DSP中断；

SP5、系统进入现场主循环，等待中断信号；

所述中断信号包括定时器T1下溢中断、DSP外部中断1、DSP外部中断2；

当产生DSP外部中断1时，系统进入充电处理，步骤如下：

A1、置位充电信号，转速维持信号清零；

A2、定时器T1下溢中断开始，保护现场；

A3、根据充电置位信号调用充电子程序；

A4、判断飞轮电机转速是否大于等于设定转速，当飞轮电机转速小于设定转速时，转步骤A3；当飞轮电机转速大于等于设定转速时，转下步；

A5、将充电置位信号清零，置位电机转速维持信号，清除DSP外部中断1的标志位后，返回现场；

所述充电子程序为：

Aa、对系统直流母线电压、飞轮电机电流进行采样和A/D转换；

Ab、判断飞轮电机转子相位是否初始化，当转子相位未初始化时，初始化转子相位后转步骤Ad；当转子相位已初始化时，计算转子磁通转角增量和转子绝对位置；

Ac、判断是否到转速采样时，当到转速采样时，计算转子转速，对转速进行闭环PID调节后转下步；当未到转速采样时，转下步；

Ad、对采样回来的电流、电压信号进行规格化处理；

Ae、进行Clarke变换；

Af、查sin、cos表，进行Park变换；

Ag、进行q轴、d轴电流闭环PID调节；

Ah、进行Park逆变换；

Ak、进行SVPWM调节后，结束充电；

当产生DSP外部中断2时，系统进入放电处理，步骤如下：

B1、置位放电信号，转速维持信号清零；

B2、定时器T1下溢中断开始，保护现场；

B3、根据放电置位信号调用放电子程序；

B4、判断飞轮电机转速是否小于等于设定转速，当飞轮电机转速大于设定转速时，转步骤B3；当飞轮电机转速小于等于设定转速时，转下步；

B5、将放电置位信号清零，置位电机转速维持信号，清除DSP外部中断2的标志位后，返回现场；

所述放电子程序为：

Ba、软件启动A/D采样，读取采样数据；

Bb、判断输出直流母线电压是否需要调节，当电压勿需调节时，转步骤Bd，当电压需要调节时，转下步；

Bc、对输出直流母线电压进行电压闭环PID调节；

Bd、对飞轮电机转子进行位置检测，计算转子相位；

Be、对等效来的交直轴的电流进行电流闭环PID调节；

Bf、进行SVPWM调节；

Bg、刷新比较寄存器后，结束放电；

在现场主循环中，系统进入状态维持处理，步骤如下：

C1、定时器T1下溢中断开始；

C2、保护现场；

C3、根据转速维持信号调用转速维持子程序；

C4、返回现场；

所述转速维持子程序为：

Ca、判断当前转速是否小于设定转速的95％，当前转速大于等于设定转速的95％时转入步骤SP5，当前转速小于设定转速的95％时转下步；

Cb、进行飞轮电机电流、直流母线电压AD采样和转换；

Cc、对飞轮电机转速进行闭环PID调节；

Cd、对飞轮电机转速、转子位置信息进行检测；

Ce、对等效来的交直轴的电流进行电流闭环PID调节；

Cf、进行SVPWM调节后，结束转速维持子程序。

在本发明的飞轮电池充放电控制方法中，所述中断信号包括DSP外部中断3，所述步骤SP4包括使能DSP外部中断3；当产生DSP外部中断3时，系统进入能量查询处理，步骤如下：

Da、保护现场数据；

Db、判断DSP外部中断1是否运行，运行时，停止DSP外部中断1后，转步骤Dd；不运行时转下步；

Dc、判断DSP外部中断2是否运行，运行时，停止DSP外部中断2；不运行时直接转下步；

Dd、计算飞轮储存的能量，输出能量计算结果。

在本发明的飞轮电池充放电控制方法中，所述中断信号包括故障中断信号，所述步骤SP4包括使能DSP故障中断；当产生故障中断信号时，系统进入故障处理，步骤如下：

Ea、保护现场；

Eb、禁止发出驱动信号；

Ec、判断故障；

Ed、清除故障标志；

Ee、恢复现场，结束故障中断。

实施本发明的飞轮电池充放电控制系统及控制方法，与现有技术比较，其有益效果是：

1.系统采用储能电感、三相联动开关和旋转变压器信号处理电路，省略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，最终输出的直流电压稳定，高频纹波小，动态响应快，且负载部分输出电流连续、脉动小；使得飞轮电池系统的功率因数接近1，系统的效率在90％以上，特别适应用飞轮电池快充快放的工况；

2.本发明采取基于旋转变压器反馈的矢量控制方法，由于旋转变压器是一种精密角度、位置、速度检测装置，在高速的工况下，旋转变压器能够实时并准确地检测到转速、转子位置等信息，基于旋转变压器的矢量控制方法具有动态响应特性好，速度控制精度高，能满足高精度同步控制要求；

3.本发明采用基于空间矢量的PWM整流技术，PWM整流控制系统为一个由电压外环和电流内环构成的双闭环系统，电压外环稳定输出电压，电流内环迫使实际电流跟踪给定电流。通过选择适当的工作模式和工作时间间隔，交流侧的电流可以按规定目标变化，使得能量在交流侧和直流侧实现双向流动，且交流侧电流非常接近正弦波并与交流侧电压同相位，可使变流装置获得较高的功率因数，从而大大提高了系统的功率因数和系统效率。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是现有飞轮电池充放电控制系统电路图。

图2是本发明飞轮电池充放电控制系统电路图。

图3是本发明飞轮电池充放电控制系统中采样滤波过流保护电路的一种实施方式。

图4是本发明飞轮电池充放电控制方法主流程图。

图5是本发明飞轮电池充放电控制方法中T1下溢中断里的飞轮电池充电响应流程图。

图6是本发明飞轮电池充放电控制方法中飞轮电池充电子程序流程图。

图7是本发明飞轮电池充放电控制方法中T1下溢中断里的飞轮电池放电响应流程图。

图8是本发明飞轮电池充放电控制方法中飞轮电池放电子程序流程图。

图9是本发明飞轮电池充放电控制方法中飞轮放电整流器双环基本控制框图。

图10是本发明飞轮电池充放电控制方法中T1下溢中断里的飞轮电池状态维持控制流程图。

图11是本发明飞轮电池充放电控制方法中飞轮电池转速维持子程序流程图。

图12是本发明飞轮电池充放电控制方法中飞轮电池能量查询流程图。

图13是本发明飞轮电池充放电控制方法中故障处理子程序流程图。

具体实施方式

如图2所示，本发明的飞轮电池充放电控制系统包括三相不可控整流电路1、储能滤波电容3、IGBT功率变换电路4、过零检测电路5、电压、电流检测电路6、直流电压检测及过压保护电路7、采样滤波过流保护电路8、位移、温度采样电路10、DSP控制器200、储能电感12、三相联动开关11和旋转变压器信号处理电路13。

三相不可控整流电路1直流侧与IGBT功率变换电路4直流侧连接，IGBT功率变换电路4交流侧连接飞轮电机100，储能滤波电容3连接于三相不可控整流电路1与IGBT功率变换电路4之间的直流母线之间。

直流电压检测及过压保护电路7连接在三相不可控整流电路1直流侧与DSP控制器200的A/D口之间。

DSP控制器200的PWM输出口与IGBT功率变换电路连接，IGBT功率变换电路4的故障输出端连接DSP控制器200的PDP INT输入端。

过零检测电路5连接在飞轮电机100的一相输入端与DSP控制器200的CAP6口之间。在本实施例中，过零检测电路5连接在飞轮电机100的A相输入端，故称A过零检测电路。在其他实施例中，过零检测电路5连接在飞轮电机100的B相输入端或C相输入端。

电压、电流检测电路6连接飞轮电机100的三相输入端。电压、电流检测电路6、采样滤波过流保护电路8、DSP控制器200的A/D口依次连接。

位移、温度采样电路10连接在飞轮电机100的位移传感器、温度传感器输出端与DSP控制器200的I/O口之间。

DSP控制器200通过其智能通信模块与人机界面300进行通信。

储能电感12(La、Lb、Lc)串接在IGBT功率变换电路4交流侧每相输出端与飞轮电机100的输入端之间。

三相联动开关11(SCR)分别与储能电感12(La、Lb、Lc)并接。

旋转变压器信号处理电路13连接在飞轮电机100的旋变信号输出端与DSP控制器200的QEP口之间。

如图3所示，在本实施例中，采样滤波过流保护电路8包括依次连接的反向放大电路81、滞环比较电路82和保护输出电路83。图中，ISAMPLE为电流输入信号，PROTECT端是保护信号输出端。霍尔检测到的电流信号经前级的电压滤波跟随电路输入到ISAMPLE端电压输入信号，前级放大电路的作用是将此电压信号放大一定的倍数，输入到滞环比较电路的负极，当该电压值不在滞环比较电路的范围之内时，PROTECT就会输出低电平，封锁PWM输出，以限制绕组中电流继续增大。

在其他实施例中，采样滤波过流保护电路8可以采用其他常用的采样率波过流保护电路结构。

本发明的飞轮电池充放电控制方法基于上述飞轮电池充放电控制系统实现对飞轮电池进行充放电控制、查询控制和故障处理。

如图4所示，本发明的飞轮电池充放电控制方法包括如下步骤：

SP1、DSP控制器屏蔽所有中断信号；

SP2、对系统进行初始化；

SP3、对A/D采样、事件管理器、I/O口、通信模块进行初始化；

SP4、使能DSP内部定时器T1下溢中断，使能DSP外部中断1、外部中断2、外部中断3和故障中断；开DSP中断；

SP5、系统进入现场主循环，等待中断信号。

当产生DSP外部中断1时，系统进入充电处理。充电相应流程如图5所示，包括如下步骤：

A1、置位充电信号，将转速维持信号清零；

A2、定时器T1下溢中断开始，保护现场；

A3、根据充电置位信号调用充电子程序；

A4、判断飞轮电机转速是否大于等于设定转速(该设定转速根据控制需要人为设定)，当飞轮电机转速小于设定转速时，转步骤A3；当飞轮电机转速大于等于设定转速时，转下步；

A5、将充电置位信号清零，置位电机转速维持信号，清除DSP外部中断1的标志位后，返回现场。

充电子程序如图6所示，包括如下步骤：

Aa、对系统直流母线电压、飞轮电机电流进行采样和A/D转换；

Ab、判断飞轮电机转子相位是否初始化，当转子相位未初始化时，初始化转子相位后转步骤Ad；当转子相位已初始化时，计算转子磁通转角增量和转子绝对位置；

Ac、判断是否到转速采样时，当到转速采样时，计算转子转速，对转速进行闭环PID调节后转下步；当未到转速采样时，转下步；

Ad、对采样回来的电流、电压信号进行规格化处理；

Ae、进行Clarke变换；

Af、查sin、cos表，进行Park变换；

Ag、进行q轴、d轴电流闭环PID调节；

Ah、进行Park逆变换；

Ak、进行SVPWM调节后，结束充电。

当产生DSP外部中断2时，系统进入放电处理。放电相应流程如图7所示，包括如下步骤：

B1、置位放电信号，转速维持信号清零；

B2、定时器T1下溢中断开始，保护现场；

B3、根据放电置位信号调用放电子程序；

B4、判断飞轮电机转速是否小于等于设定转速，当飞轮电机转速大于设定转速时，转步骤B3；当飞轮电机转速小于等于设定转速时，转下步；

B5、将放电置位信号清零，置位电机转速维持信号，清除DSP外部中断2的标志位后，返回现场。

放电子程序如图8所示，包括如下步骤：

Ba、软件启动A/D采样，读取采样数据；

Bb、判断输出直流母线电压是否需要调节，当电压勿需调节时，转步骤Bd，当电压需要调节时，转下步；

Bc、对输出直流母线电压进行电压闭环PID调节；

Bd、对飞轮电机转子进行位置检测，计算转子相位；

Be、对等效的交直轴电流闭环PID调节；

Bf、进行SVPWM调节；

Bg、刷新比较寄存器后，结束放电。

如图9所示，本发明飞轮电池充放电控制方法中的PWM整流为一个双闭环系统，由电压外环PID调节模块、电流内环PID模块和SVPWM模块等组成，其中SVPWM模块及坐标变化所用的角度由安装在飞轮上的旋转变压器实时检测到，电压环是参考电压V_ref与反馈回来的直流母线电压V_f之差进行PID调节，电流环是经电压环调节后的电流参考值i_dref与反馈回来的电流i_d进行PID调节，i_qref与反馈回来的电流i_q进行PID调节。图中电压外环稳定输出电压，而电流内环迫使实际电流跟踪给定电流(给定电流由电压外环得到)。

在现场主循环中，系统进入状态维持处理，状态维持控制如图10所示，包括如下步骤：

C1、定时器T1下溢中断开始；

C2、保护现场；

C3、根据转速维持信号调用转速维持子程序；

C4、返回现场。

转速维持子程序如图11所示，包括如下步骤：

Ca、判断当前转速是否小于设定转速的95％，当前转速大于等于设定转速的95％时转入步骤SP5，当前转速小于设定转速的95％时转下步：

Cb、对系统直流母线电压、飞轮电机电流进行采样和A/D转换；

Cc、对飞轮电机转速进行闭环PID调节；

Cd、对飞轮电机转速、转子位置信息进行检测；

Ce、对等效的交直轴电流进行电流闭环PID调节；

Cf、进行SVPWM调节后，结束转速维持子程序。

当产生DSP外部中断3时，系统进入能量查询处理。飞轮电池能量查询流程如图12所示，包括如下步骤：

Da、保护现场数据；

Db、判断DSP外部中断1是否运行，运行时，停止DSP外部中断1后，转步骤Dd；不运行时转下步；

Dc、判断DSP外部中断2是否运行，运行时，停止DSP外部中断2；不运行时直接转下步；

Dd、计算飞轮储存的能量，输出能量计算结果。

当产生故障中断信号时，系统进入故障处理。故障处理子程序流程如图13所示，包括如下步骤：

Ea、保护现场；

Eb、禁止发出驱动信号；

Ec、判断故障；

Ed、清除故障标志；

Ee、恢复现场，结束故障中断。

在本实施例中，中断信号包括定时器T1下溢中断、DSP外部中断1、DSP外部中断2、DSP外部中断3和故障中断。

在其他实施例中，中断信号包括定时器T1下溢中断、DSP外部中断1和DSP外部中断2，此时步骤SP4为使能DSP内部定时器T1下溢中断，使能DSP外部中断1和外部中断2。

在其他实施例中，中断信号包括定时器T1下溢中断、DSP外部中断1、DSP外部中断2和DSP外部中断3，此时步骤SP4为使能DSP内部定时器T1下溢中断，使能DSP外部中断1、外部中断2和DSP外部中断3。