飞轮储能与在线式工频双变换UPS集成系统、控制方法与流程

本发明涉及不间断电源系统技术领域，具体涉及一种飞轮储能与在线式工频双变换ups集成系统及其控制方法。

背景技术

现有技术提供的磁悬浮飞轮储能ups系统集成应用方法，飞轮电池系统需要和ups装置通信，增加了控制系统的复杂度，增加了现场接线和调试的复杂度，增加了不同厂家设备之间兼容的难度；同时，飞轮储能装置需要和备用柴油发电机系统通信，增加了控制系统的复杂度，增加了现场接线和调试的复杂度，增加了不同厂家设备之间兼容的难度。

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与在线式工频双变换ups集成系统及其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，提供一种飞轮储能与在线式工频双变换ups集成系统及其控制方法。

本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：

本发明第一方面提供了一种飞轮储能与在线式工频双变换ups集成系统，该集成系统包括：

与备用柴油发电机和市电连接的电源端；

与负载连接的负载端；

与所述电源端和所述负载端耦合的双变换ups装置，所述双变换ups装置包括：交流-直流整流器、以及与所述交流-直流整流器耦合的直流-交流逆变器；

耦合于所述交流-直流整流器和所述直流-交流逆变器之间的直流母线的飞轮储能装置，其被配置为当在所述市电和所述备用柴油发电机之间切换时，为所述负载提供负载所需功率；所述飞轮储能装置包括：与所述直流母线连接的直流-交流双向变换器、与所述直流-交流双向变换器连接的飞轮储能单元、和与所述直流-交流双向变换器和所述飞轮储能单元均连接的飞轮控制器；

所述飞轮控制器被配置为执行如下步骤：

不间断的监测所述飞轮储能装置输入端的输入电压；

当所述输入电压大于或等于第一电压阈值时，控制市电或备用柴油发电机对所述飞轮储能装置进行充电；以及

当所述输入电压小于或等于第二电压阈值时，控制飞轮储能装置放电以为所述负载提供所需功率。

优选地，所述飞轮储能单元包括：

用于储存能量的飞轮本体；

与所述飞轮本体连接的电机。

优选地，所述飞轮控制器被配置为执行如下步骤：

不间断的监测所述飞轮储能装置输入端的输入电压；

当所述输入电压大于或等于第一电压阈值时，控制所述直流-交流双向变换器的功率流向为由直流侧流向交流侧，控制电机工作模式为电动机模式，驱动飞轮本体旋转，将电能转换为动能；

当所述输入电压小于或等于第二电压阈值时，控制所述直流-交流双向变换器的功率流向为由交流侧流向直流侧，控制电机工作模式为发电机模式，飞轮本体的惯性驱动发电机转子旋转，将动能转换为电能；

当所述输入电压大于第二电压阈值且小于第一电压阈值时，控制所述直流-交流双向变换器停止功率变换，控制飞轮储能装置进入待机状态。

优选地，所述双变换ups装置还包括设于所述直流母线和飞轮储能装置之间的第一直流开关；和/或

所述飞轮储能装置还包括设于直流-交流双向变换器和双变换ups装置之间的第二直流开关。

优选地，所述双变换ups装置还包括ups控制器；

所述ups控制器被配置为执行如下步骤：

当所述输入电压大于或等于上限电压阈值时，控制所述第一直流开关断开，以使所述双变换ups装置与所述飞轮储能装置去耦。

本发明第二方面提供了上述的飞轮储能与在线式工频双变换ups集成系统的控制方法，该控制方法包括：

不间断的监测所述飞轮储能装置输入端的输入电压；

当所述输入电压大于或等于第一电压阈值时，控制市电或备用柴油发电机对所述飞轮储能装置进行充电；以及

当所述输入电压小于或等于第二电压阈值时，控制飞轮储能装置放电以为所述负载提供所需功率。

优选地，所述“当所述输入电压大于或等于第一电压阈值时，控制市电或备用柴油发电机对所述飞轮储能装置进行充电”的步骤包括：

当所述输入电压大于或等于第一电压阈值时，控制所述直流-交流双向变换器的功率流向为由直流侧流向交流侧，控制电机工作模式为电动机模式，驱动飞轮本体旋转，将电能转换为动能。

优选地，所述“当所述输入电压小于或等于第二电压阈值时，控制飞轮储能装置放电以为所述负载提供所需功率”的步骤包括：

当所述输入电压小于或等于第二电压阈值时，控制所述直流-交流双向变换器的功率流向为由交流侧流向直流侧，控制电机工作模式为发电机模式，飞轮的惯性驱动发电机转子旋转，将动能转换为电能。

优选地，该控制方法还包括：

当所述输入电压大于或等于第一电压阈值且当所述飞轮本体达到最高转速时，控制所述直流-交流双向变换器的输出功率为维持所述飞轮本体的最高转速所需的功率；和/或

当所述输入电压小于或等于第二电压阈值时，控制所述飞轮储能装置的输出电压为第二电压阈值。

优选地，该控制方法还包括：

当所述输入电压大于或等于上限电压阈值时，控制所述双变换ups装置与所述飞轮储能装置去耦。

本发明的飞轮储能与在线式工频双变换ups集成系统及其控制方法，双变换ups装置和飞轮储能装置之间、备用柴油发电机和飞轮储能装置之间均无通信联系，简化了系统接线，降低了设备之间的依赖性，增强了双变换ups装置和飞轮储能装置之间的兼容性；飞轮储能装置根据其输入端的输入电压在充电状态和放电状态之间调节，简化了系统控制的复杂程度，且基于上述调节方式，可以根据需要增加飞轮储能装置的数量，系统具有良好的可扩展性。

附图说明

图1是本发明实施例的飞轮储能与在线式工频双变换ups集成系统的结构框图。

图2是本发明实施例的飞轮储能与在线式工频双变换ups集成系统的结构示意图。

图3是本发明实施例的控制方法的流程图。

图4是本发明实施例的控制方法的优选方式的流程图。

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。

请参阅图1所示结构框图示出了在正常情况下为负载140服务的市电110，在市电110失电时为负载140服务的备用柴油发电机120，以及飞轮储能与在线式工频双变换ups集成系统130，该集成系统130在备用柴油发电机120启动过程中为负载140提供供电服务。市电110通过自动切换开关150与备用柴油发电机120以及负载140连接，该自动切换开关150被配置为在市电110失电时从市电110去耦并与备用柴油发电机120耦合。

图2集成系统130的结构示意图，请参阅图1和图2所示，飞轮储能与在线式工频双变换ups集成系统130包括：电源端130a、负载端130b、双变换ups装置10和飞轮储能装置20。电源端130a与备用柴油发电机120和市电110耦合；负载端130b与负载140耦合。另外，在自动切换开关150和负载140之间还形成有静态旁路160。

其中，该双变换ups装置10设于自动切换开关150和负载140之间，该双变换ups装置10包括：交流-直流整流器101、直流-交流逆变器102和第一直流开关104。交流-直流整流器101的交流侧与自动切换开关150连接，交流-直流整流器101的直流侧通过直流母线105与直流-交流逆变器102的直流侧连接，直流-交流逆变器102的交流侧与负载140连接，直流母线105通过线路103和第一直流开关104与飞轮储能装置20连接。在正常情况下，在市电110供电下，将电能供应至电源端130a；以及在市电110的失电、在备用柴油发电机120服务时，将备用柴油发电机电能供应至电源端130a，再通过交流-直流整流器101和直流-交流逆变器102将功率输送至负载端130b，这被称为双变换操作。另外，还通过交流-直流整流器101和直流-交流逆变器102之间的直流链路实现对飞轮储能装置20充电、以及飞轮储能装置20通过直流-交流逆变器102向负载端130b供电。具体地，本实施例的双变换ups装置10为双变换式ups工频机，采用的交流-直流整流器101为scr整流器，本实施例中的直流-交流逆变器102为igbt逆变器，因此，本实施例的双变换ups装置10直流母线105输出的直流电压无需进行降压处理，可直接输送至飞轮储能装置20，因此，本实施例的双向变换装置10无需设置双向dc/dc电池变换器。

飞轮储能装置20与双变换ups装置10的直流母线105通过线路103耦合，飞轮储能装置20被配置为当在市电110和备用柴油发电机120之间切换时，为负载140提供所需功率。

飞轮储能装置20包括：直流-交流双向变换器201、飞轮储能单元202和飞轮控制器203，直流-交流双向变换器201的直流侧通过第二直流开关204与线路103连接；直流-交流双向变换器201的交流侧与飞轮储能单元202连接，用于为飞轮储能单元202提供充电功率、以及接收飞轮储能单元202的输出功率为负载供电。

飞轮控制器203集成为飞轮储能装置20的一部分，其被配置为执行如下步骤：不间断的监测飞轮储能装置20输入端的输入电压；当该输入电压大于或等于第一电压阈值时，控制市电或备用柴油发电机对该飞轮储能装置20进行充电；当该输入电压小于或等于第二电压阈值时，控制飞轮储能装置20放电以为该负载140提供所需功率。飞轮储能装置20输入端的输入电压即为直流母线105输出的直流电压，飞轮控制器203可以监测例如m1、m2和/或m3等监测点处的采样信号，飞轮控制器203包括可编程处理器，该可编程处理器中写有软件程序，该程序可执行本文描述的功能。具体地，该软件程序可以通过网络以电子格式的形式下载至处理器中；或者，该软件程序可以存储在如磁存储器、光学存储器或电子存储器等存储介质上。在一些实施例中，飞轮控制器203还可以包括用于加速其操作的附加或嵌入式硬件模块。前述硬件模块可以包括离散部件、至少一个现场可编程门列阵(fpga)和/或至少一个专用集成电路(asic)。

具体地，该飞轮储能单元202包括：电机2021和飞轮本体2022，其中，电机2021为电动机/发电机一体机，飞轮储能单元202充电时作为电动机使用，飞轮储能单元202放电时，作为发电机使用。充电时，电机2021获得直流-交流双向变换器201的输出电力以驱动飞轮本体2022旋转，飞轮本体2022用于存储动能，放电时，飞轮本体2022将储存的动能传输给电机2021，电机2021的电输出端与直流-交流双向变换器201的交流侧连接，将由动能转化的电能输送至负载140。

飞轮控制器203被配置为执行如下步骤：不间断的监测该飞轮储能装置20输入端的输入电压；根据该输入电压控制飞轮储能装置20的状态转换。具体地，飞轮储能装置20具有充电状态、放电状态和待机状态(既不充电也不放电的状态)。

当该输入电压大于或等于第一电压阈值时，控制电机驱动该飞轮本体旋转，以保持将动能转化为电能的飞轮能力。即飞轮储能装置20为充电状态。

当该输入电压小于或等于第二电压阈值时，控制存储在飞轮本体中的动能传递至该电机，以使该电机发电，为该负载提供负载所需功率。即飞轮储能装置20为放电状态。

当该输入电压大于第二电压阈值且小于第一电压阈值时，控制该电机进入待机状态。即飞轮储能装置20为待机状态，在不考虑能量损失的前提下，飞轮本体将靠自身惯性以当前转速继续旋转。

在一个优选实施方式中，双变换ups装置10还包括ups控制器107，ups控制器107集成于双变换ups装置10中，ups控制器107和飞轮控制器203之间相互独立，分别不间断的监测飞轮储能装置20输入端的输入电压，无通信联系。

其中，ups控制器107被配置为执行如下步骤：不间断的监测飞轮储能装置20输入端的输入电压；当该输入电压大于或等于上限电压阈值时，控制该第一直流开关104断开，以使该双变换ups装置10与该飞轮储能装置20去耦。

其中，飞轮控制器203被配置为执行如下步骤：当所述输入电压大于或等于第一电压阈值时，控制所述直流-交流双向变换器的功率流向为由直流侧流向交流侧，控制电机工作模式为电动机模式，驱动飞轮本体旋转，将电能转换为动能；当所述输入电压小于或等于第二电压阈值时，控制所述直流-交流双向变换器的功率流向为由交流侧流向直流侧，控制电机工作模式为发电机模式，飞轮本体的惯性驱动发电机转子旋转，将动能转换为电能；当所述输入电压大于第二电压阈值且小于第一电压阈值时，控制所述直流-交流双向变换器停止功率变换，控制飞轮储能装置进入待机状态。

进一步地，飞轮控制器203被配置为执行如下步骤：当该输入电压大于或等于第一电压阈值且当该飞轮本体达到最高转速时，控制该直流-交流双向变换器的输出功率为维持该飞轮本体的最高转速所需的功率；当该输入电压小于或等于第二电压阈值时，控制存储在飞轮本体中的动能传递至该电机，以维持该飞轮储能装置的输出电压为第二电压阈值；当该输入电压大于或等于上限电压阈值时，控制该第二直流开关204断开，以使该双变换ups装置10与该飞轮储能装置20去耦。

进一步地，飞轮控制器除了飞轮储能装置的输入电压和飞轮本体的转速，还可以采集飞轮储能装置的输入直流电流，通过该输入直流电流可以判断集成系统运行状态是否异常，具体地，本发明实施例的集成系统在工作时：

(1)飞轮控制器实时采集飞轮转速和飞轮储能装置的输入电压udc及飞轮储能装置的输入直流电流idc。

(2)飞轮储能装置根据直流电压udc的大小和飞轮的转速来决定飞轮储能充放电的控制策略，通过直流-交流双向变换器来控制飞轮储能装置的充放电。

(3)当飞轮本体转速低于最高转速时，按照飞轮储能装置的额定充电功率充电；当飞轮本体转速达到最高转速后，按照维持最高转速所需要的最小功率进行充电，让飞轮本体保持在最高转速运行。

(4)当检测到输入电压udc>上限电压阈值uh_set时、直流电流idc超出允许值或其他影响系统安全的异常状况时，控制直流开关的跳闸，隔离与双变换ups装置的物理连接。

图3为根据本发明实施例的集成系统130的控制方法，在图3中示出了流程图，可以支持如下四种包含在所描述的控制方法中的控制模式中的一种或多种：

(a)充电模式：在市电110供电正常情况下、及在备用柴油发电机120稳定供电的情况下，控制所述直流-交流双向变换器的功率流向为由直流侧流向交流侧，控制电机工作模式为电动机模式，驱动飞轮本体旋转，将电能转换为动能，并且直流-交流双向变换器的功率为飞轮储能装置的额定充电功率。

(b)保持模式：在飞轮本体转速达到最高转速时，该直流-交流双向变换器的输出功率为维持该飞轮本体的最高转速所需的功率，飞轮本体转速保持为最高转速。

(c)待机模式：直流-交流双向变换器停止功率变换，飞轮储能装置进入待机状态。

(d)放电模式：在市电失电到备用柴油发电机启动过程中，直流-交流双向变换器的功率流向为由交流侧流向直流侧，电机工作模式为发电机模式，飞轮本体的惯性驱动发电机转子旋转，将动能转换为电能，并且直流-交流双向变换器的功率不大于飞轮储能装置的额定放电功率，该飞轮本体将存储在飞轮本体中的动能传递至该电机。

图3中示出的方法从监测步骤s301开始，在监测步骤s301中，不间断的监测飞轮储能装置输入端的输入电压(m1)，当然，本领域技术人员也可以监测m2或m3的电压。在判断步骤s302中，当检测到该输入电压大于或等于第一电压阈值时，推断市电或备用柴油发电机对负载的供电正常，集成系统130的飞轮储能装置20进入充电模式。接下来的判断步骤304中，通过判断飞轮本体转速是否达到最高转速，以判断是否从充电模式进入保持模式，达到最高转速时，进入保持模式，未达到最高转速时，维持充电模式。

在判断步骤s302中，当检测到该输入电压小于第一电压阈值时，进入判断步骤306。在判断步骤306中，当检测到该输入电压小于或等于第二电压阈值时，推断市电或备用柴油发电机对负载的供电异常，需要飞轮本体储能装置输出功率维持对负载的供电，飞轮储能装置20进入放电模式。在判断步骤306中，当检测到该输入电压大于第二电压阈值时，推断市电或备用柴油发电机对负载的供电恢复，无需飞轮储能装置为负载供电，飞轮储能装置20不充电也不放电，飞轮储能装置20进入待机模式。

进一步地，在步骤s307中，还包括：控制该飞轮本体储能装置的输出电压为第二电压阈值。

进一步地，请参阅图4所示，在图3所示流程图的基础上，在判断步骤s302中，当检测到该输入电压大于或等于第一电压阈值时，在进入充电模式之前，可以进入判断步骤309，判断该输入电压是否大于或等于上限电压阈值，在判断步骤309结果为是时，推断集成系统130运行异常，控制该第二直流开关204断开(跳闸)，以使该双变换ups装置10与该飞轮储能装置20去耦；在判断步骤309结果为否时，进入充电模式。

本发明的集成系统130根据其输入端的输入电压在充电状态、放电状态、待机状态之间调节，简化了系统控制的复杂程度，且基于上述调节方式，可以根据需要增加飞轮储能装置的数量，系统具有良好的可扩展性。

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。