基于双DSP的飞轮储能系统控制平台的研制.pdf

第４Ｏ卷第ｌ１期２０１２年６月１日电力系统保护与控制ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ、ｂ１．４０ＮＯ．１１Ｊｕｎ．１，２０１２基于双ＤＳＰ的飞轮储能系统控制平台的研制谈震，李永丽（天津大学智能电网教育部重点实验室，天津３０００７２）摘要：为了克服风能和太阳能等可再生能源其固有的间隙性、不可预测性的缺点，提高用户的供电质量，采用分布式电源、储能单元和负荷构成微网将是可再生能源有效利用的方式之一。针对飞轮储能系统所用永磁无刷直流电机的控制和能量转换—问题，采用双向ＤｃＤｃ的电能变换电路，实现储能和释能的双向控制，并给出其双ＰＩ闭环控制策略。在理论研究仿真的基础上，研制了基于双ＤＳＰ的控制平台搭建了飞轮储能实验系统，进行了储能和释能的实验，成功地将飞轮平稳升速至设定转速并维持恒转速，且能实现对负载的恒压放电，验证了控制算法和硬件平台的有效性。关键词：可再生能源发电；储能；飞轮；永磁无刷直流电机；双向ＤＣ－ＤＣ；双ＤＳＰＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｆｌｙｗｈｅｅｌｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｓｙｓｔｅｍｃｏｎｔｒｏｌｐｌａｔｆｏｒｍｂａｓｅｄｏｎｄｕａｌ－ＤＳＰ—ＴＡＮＺｈｅｎ，ＬＩＹｏｎｇｌｉ（ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＳｍａｒｔＧｒｉｄｏｆＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，ＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３０００７２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｕｔｉｌｉｚｅｒｅｎｅｗａｂｌｅｅｎｅｒｇｙｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙａｎｄｏｖｅｒｃｏｍｅｔｈｅｉｒｉｎｈｅｒｅｎｔｉｎｔｅｒｍｉｔｔｅｎｔａｎｄｕｎｐｒｅｄｉｃｔａｂｌｅｎａｔｕｒｅ．ｉｔｉｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｏｃｏｎｓｔｒｕｃｔｍｉｃｒｏｇｒｉｄｓｎｏｔｏｎｌｙｗｉｔｈｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｇｅｎｅｒａｔｉｏｎａｎｄｌｏａｄ，ｂｕｔａｌｓｏｗｉｔｈｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｕｎｉｔｓ．ＴｏｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｂｒｕｓｈｌｅｓｓＤＣｍｏｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｅｎｅｒｇｙｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｉｎａｆｌｙｗｈｅｅｌｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｓｙｓｔｅｍ，ａｂｉ－ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌＤＣ－ＤＣｐｏｗｅｒｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｉｔｓｄｕａｌ－ＰＩｃｌｏｓｅｄ－ｌｏｏｐｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｕｎｄｅｒｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ａｃｏｎｔｒｏｌｐｌａｔｆｏｒｍｂａｓｅｄｏｎｄｕａｌ－ＤＳＰｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｔｏａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｔａｓｋｓｉｎｃｈａｒｇｉｎｇａｎｄｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｅｓ．Ｏｎｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｙｓｔｅｍｏｆｆｌｙｗｈｅｅｌｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅ，ｃｈａｒｇｉｎｇａｎｄｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓａｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ．Ｔｈｅｆｌｙｗｈｅｅｌａｃｃｅｌｅｒａｔｅｓｓｍｏｏｔｈｌｙｔｏｔｈｅｔａｒｇｅｔｓｐｅｅｄａｎｄｍａｉｎｔａｉｎｓｔｈｅｃｏｎｓｔａｎｔｓｐｅｅｄｗｈｅｎｃｈａｒｇｉｎｇ，ａｎｄｉｔｃａｎａｃｈｉｅｖｅａｃｏｎｓｔａｎｔｖｏｌｔａｇｅｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇｏｎｔｈｅｌｏａｄ．Ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓｏｆｂｏｔｈｃｏｎｔｒｏｌｐｌａｔｆｏｒｍａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙ．ＴｈｉｓｗｏｒｋｉｓｓｕｐｐｏｓｅｄｂｙｔｈｅＮ￣ｉｏｎａｌＢａｓｉｃＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒａｍｏｆＣｈｉｎａ（９７３Ｐｒｏｇｒａｍ）（Ｎｏ．２００９ＣＢ２１９７０４），ＮａｔｉｏｎａｌＨｉｇｈＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＰｒｏｇｒａｍｏｆＣｈｉｎａ（８６３Ｐｒｏｇｒａｍ）（Ｎｏ．２００７ＡＡ０５Ｚ２４１）ａｎｄＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＴｉａｎｊｉｎＭｕｎｉｃｉｐａｌｉｔｙ（Ｎｏ．０８ＪＣＹＢＪＣ１３５００）．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｅｎｅｗａｂｌｅｅｎｅｒｇｙ；ｅｎｅｒｇ—ｙｓｔｏｒａｇｅ；ｆｌｙｗｈｅｅｌ；ｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｂｒｕｓｈｌｅｓｓＤＣｍｏｔｏｒ；ｂｉ－ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌＤＣ－ＤＣ；ｄｕａｌ－ＤＳＰ中图分类号：ＴＭ６１９文献标识码：Ａ文章编号：１６７４－３４１５（２０１２）１１．０１２７－０６０引言近年来，可再生能源发电因其环境友好的特点发展迅速；依其分散性的特点采用分布式发电技术，联合储能系统、负荷建设成微网已成为电力工业的发展方向［１－２］。由于可再生能源存在固有的间歇性和不可预测性，微网中易出现电能的供需不平衡，造成电能质量下降【】】。储能系统可以吸收过剩能量并在缺额时及时返送，保证电能的稳定连续供应，在基金项目：国家重点基础研究发展计划（９７３计划）（２００９ＣＢ２１９７０４）；国家高技术研究发展计划（８６３计划）（２００７ＡＡ０５Ｚ２４１）；天津市自然科学基金项目（０８ＪＣＹＢＪＣＩ３５００）微网中必不可少【２］。常见的储能方式包括飞轮储能、蓄电池储能、超级电容器储能、抽水蓄能、压缩气体储能、超导储能等【３｛】。飞轮储能作为一种储能密度高、功率大、寿命长的清洁储能系统，国内外已经展开了广泛的研究ｌＪ。文献［９】通过理论分析和仿真验证说明，在微网中应用飞轮储能系统可以有效提高供电可靠性。文献［１０．１３］研究了不同类型的飞轮储能的应用，提出了相关的控制算法，通过仿真和实验验证了其有效性。研究中电力电子设备及其控制已成为核心内容，为此本文设计了一种针对飞轮储能系统的控制平台，研究了储能和释能的控制算法，并进行了实验验证。．．１２８．．电力系统保护与控制１飞轮储能系统的工作原理飞轮储能的基本原理是电机的电动机／发电机双模式运行，利用飞轮的升速和降速实现电能的存储和释放：电能充足时驱动飞轮电机升速，电能转化为飞轮的动能储存；当需要电能时，电机作发电机运行，飞轮减速，将飞轮动能转化成电能释放；其他时间，系统处于待机状态，可通过很小的功率保持转速。三个过程对应系统三种工作状态：储能、释能和恒转速待机。飞轮储能系统由飞轮转子、轴承系统、真空室、电动／发电机、电能变换电路和控制系统六部分组成，如图１所示。与外界系统的电能交换电动，发电机真空室躲…图１飞轮储能系统的基本结构Ｆｉｇ．１Ｂａｓｉｃｌａｙｏｕｔｏｆａｆｌｙｗｈｅｅｌｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｓｙｓｔｅｍ飞轮转子是飞轮储能装置的主体。其制造材料主要是钢材或者一些新型复合材料，结合电力系统实际应用时的高储能密度和高经济性的原则，现多使用钢材。轴承系统用来支承飞轮转子，保证其高转速、低损耗。现有的方式主要是电磁．永磁悬浮轴承、永磁．机械轴承、高温超导悬浮轴承等几种类型。电磁．永磁悬浮轴承利用永磁体使飞轮转子悬浮，采用电磁设备使其稳定，无任何接触，也不需要润滑，但是需要复杂的导向系统；高温超导悬浮轴承是一种理想的选择，但是需要复杂的冷却系统；应用最广泛的是永磁．机械轴承，由永磁体承担飞轮转子大部分的质量，底端用机械轴承稳定转动Ｊ。同时，为了减小高转速的转子风阻，进一步提高储能的效率，将整个转动部分置于可靠的真空室中是必不可少的。飞轮储能系统中实现电能与机械能转换的核心是电机。该电机必须可以适应释能过程中短时间内转速的大幅变化，并且调速方便、效率高，因此感应电机和永磁电机是比较好的选择Ｌ４Ｊ。本文的研究采用永磁无刷直流电机【１，其设计适合于飞轮转子本身的构造，并且体积小、；双模式运行方便。电能变换电路是飞轮储能系统的枢纽。该电路基于电力电子开关器件来驱动电机以实现电能与机械能的相互转换，并且提供接口与外界系统相连接。随着电力电子技术的进步，开关器件经历了ＳＣＲ、ＧＴＯ到ＩＧＢＴ的发展，其中ＩＧＢＴ以其高开关频率、简单的驱动电路适用于飞轮储能系统。２飞轮储能系统的电能变换电路及其控制策略根据飞轮储能系统应用场合不同，其电能变换电路的接口方式分为交流和直流两种。前者主要用于ＵＰＳ等场合，直接接入交流系统；而考虑到微网中直流电源丰富的特点，可以通过直流接口将飞轮储能系统接入直流系统，稳定直流母线电压，提高直流电能质量，进而为提高交流系统电能质量打好基础。图２所示为飞轮储能系统接入微网的示意图。图２飞轮储能系统接入微网示意图Ｆｉｇ．２Ｓｃｈｅｍｅｏｆａｆｌｙｗｈｅｅｌｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｓｙｓｔｅｍｉｎｍｉｃｒｏｇｒｉｄ飞轮储能系统有三种不同的工作状态：恒转速待机、储能和释能。飞轮电机在待机和储能两种状态下均作为电动机运行；释能时电机作为发电机运行。根据直流无刷电机的特点，假设三相电枢绕组完全对称，Ｙ连接，电势为，各相导通时的电枢电流为，各相电阻相同均为，，忽略电枢绕组的漏抗，可以得到一组方程Ｕ＝２＋２＋２（１）Ｕ＝２一２一２（２）＝ｃ（３）ａ式中：为电机三相全桥驱动电路直流电压；为电机各相绕组电势；为开关管的管压降；６为每极磁通量；为相电动势常数；ｎ为电机转速。式（１）描述了电动机状态下的三相全桥直流路一电一张桃自制统控系谈震，等基于双ＤＳＰ的飞轮储能系统控制平台的研制．１２９。电压和电枢绕组电势的关系，式（２）描述了发电机状态下的三相全桥直流电压和电枢绕组电势的关系，根据式（３）可知在两种状态下电枢绕组电势均与电机转速成正比。本文研究中，飞轮样机三相绕组采用Ｙ连接，“”储能时其三相全桥驱动电路采用传统的两两导通控制策略，释能时驱动电路的开关管全部关断，采用不控整流策略。因此在储能和待机两种状态下，根据式（１）、式（３），电流变化不大时驱动电压和转速ｎ成正比，通过改变电压可以改变电机转速ｎ。在释能过程中，飞轮存储的能量不断输出，转速下降，根据式（２）、式（３）可知驱动电路直流电压随之下降，必须通过调整使接入直流母线的电压稳定。因此，提出一种如图３所示的应用双向—ＤＣＤＣ的变换电路，采用以电压为目标作外环调节、电流调节为内环的双ＰＩ闭环控制策略，在两个方向上直流电压可调。ＶＶ２－Ｌ斟ＪＶＶＤＶＤ２，＋ＥＬ３十ｖＣ１Ｃｚ一ｌｊ双向Ｄｃ．Ｄｃ变换器电机驱动单元图３应用双向ＤＣ－ＤＣ的电能变换电路示意图Ｆｉｇ．３Ｂａｓｉｃｐｏｗｅｒｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔｄｉａｇｒａｍｕｓｉｎｇｂｉ．ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌＤＣ．ＤＣ在飞轮系统储能和待机两种状态下，考虑到电机的电阻、电抗都比较小，进行储能升速时采用限流启动的方式：限制电流在设定的范围内启动电机并不断升高驱动电压，直至电机升速至设定转速。之后通过维持驱动电压恒定保持恒转速待机状态。此过程的双向ＤＣ．ＤＣ变换器中，Ｖ１和ＶＤ１工作，ｖ２恒关断，飞轮储能系统接口电压Ｅ为输入电压，电机三相全桥驱动电路直流电压为输出电压，变换器等效为经典的ｂｕｃｋ－ｂｏｏｓｔ变换器，当Ｖ１开通时，电感Ｌ充电；ｖ关断时，电感Ｌ向电容Ｃ２和驱动电路放电；通过调节ｖ的占空比Ｄ，即可得到所需的输出电压。理想状态下连续电流工作状态（ＣＣＭ）的两端电压关系为：（４）———。。一一。。。一～，—ＥｌＤ图４所示的是控制策略框图，给定电压参考值ｆ，与实际测量电压值进行比较，得到的差值通过电压环的ＰＩ调节之后，根据电机对启动电流的限制，设置限幅环节得到电感电流的参考值；而电感实际电流存在波动，其测量值经过平均环节后和参考值比较，得到的差值通过电流环的ＰＩ调节计算出开关管的占空比Ｄ；为了保护电路器件安全，设置占空比的限制。由此输出ＰＷＭ信号控制开关管Ｖ１使ＤＣ．ＤＣ首先工作于降压模式，保持电感电流在限幅环节的最大限制值，防止启动电流过大并保证电机升速快；之后不断升高占空比使上升；随着电压上升至设定值，电流减小，进入待机状态，此时ＤＣ．ＤＣ变换器维持输出端电压恒定，则电机转速恒定。图４双ＰＩ闭环控制框图Ｆｉｇ．４ＤｏｕｂｌｅＰＩｃｌｏｓｅｄ－ｌｏｏｐｃｏｎｔｒｏｌｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍ在飞轮系统释能状态下，为了使飞轮接入系统时可以得到稳定的直流电压，双向ＤＣ．ＤＣ变换器中Ｖ２和ＶＤ２工作，Ｖ１恒关断，Ｅ为变换器的输出—电压，为输入电压，此时变换器也为ｂｕｃｋｂｏｏｓｔ变换器，当Ｖ２导通时，飞轮电机通过不控整流得到直流电压向电感Ｌ充电，Ｖ２关断时，电感Ｌ向电容Ｃ和负载放电，通过调节Ｖ２的占空比Ｄ进行ＰＷＭ调制来实现在逐渐降低的情况下维持电压Ｅ恒定。理想状态ＣＣＭ模式下的两端电压关系为鱼：（５）——一、１Ｊ１一Ｄ此时，由于电路的对称性，采用与图４相同的控制策略，控制的对象为飞轮储能系统出口电压，仅改动具体的参数，输出ＰＷＭ信号控制开关管Ｖ２。经过ＤＣ．ＤＣ变换器的调节之后可以实现电压Ｅ稳定在所需的电压上。３飞轮储能系统控制平台的硬件设计基于上文的分析，控制平台的核心任务是监测电机三相全桥驱动电路直流电压飞轮储能系统接口直流电压、双向ＤＣ变换器电感电流屯，采集数据进行实时计算，实现所述的控制算法，并为变换器电路提供ＰＷＭ控制信号。考虑到飞轮系统的实际应用，在平台中还应加入通信和人机交互功能。为此，基于双ＤＳＰ设计系统平台如图５所示。图中两片ＤＳＰＴＭＳ３２０Ｆ２８１２，一片负责飞轮储能系统的核心控制功能，构成控制板；另一片负责通信和人机交互功能，构成显示通信板。两板相对独立，交换数据量小且互不妨碍各自主要任务的完．．１３０．．电力系统保护与控制成，之间的通信通过ＤＳＰ自带的异步串行通信（ｓｃＩ）模块实现，控制系统具有较高实时性，可以提供更多的冗余备用模块，并有助于降低两块ＤＳＰ之间的电磁干扰。图中控制板ＤＳＰ的ＥＷＭ模块为变换电路提供ＰＷＭ控制信号，ＸＩＮＴＦ模块用于Ａ／Ｄ芯片的读写，ＥＶ／ＣＡＰ模块用于接受电机的霍尔位置信号。显示通信版ＤＳＰ的ＸＩＮＴＦ模块用于控制ＬＣＤ和ＬＡＮ通信，ｅＣＡＮ模块扩展为ＣＡＮ通信，ＳＣＩ扩展为４８５通信，ＧＰＩＯ模块接收键盘信号。随着电力电子技术和控制理论的快速发展，其对开关频率、控制精度的要求随之提高。作为飞轮储能系统的控制平台，必须考虑到这方面的问题和以后的软件升级，因此在设计中特别注重了数据的高精度采集和电磁干扰的抑制。系统中，电压电流模拟量的采集应用霍尔传感器，具有精度高、线性度好的优点；得到的模拟信号经过基于高性能运放的调理电路后输入Ａ／Ｄ转换模块。设计中应用了ｌ４位的ＡｉＤ芯片，通过并行数据接口与ＤＳＰ连接。在电磁干扰的抑制方面，将两片ＤＳＰ分置于两块电路板上有效减少了两者之间的相互干扰。所有的数字量输入输出均用高压光耦进行隔离，在开关器件的驱动电路中再增加一级高压光耦隔离。并且测量所用霍尔器件的原边、副边在电气上天然隔离。电源方面，整个平台不仅数字、模拟部分分开独立供电，所有隔离原件的两侧也同样各自独立供电。这样有效地切断了大部分电磁干扰的耦合路径。图５双ＤＳＰ控制平台结构框图—Ｆｉｇ．５Ｂｌｏｃｌ（ｄｉａｇｒａｍｏｆｄｕａｌＤＳＰｃｏｎｔｒｏｌｐｌａｔｆｏｒｍ４飞轮储能控制系统的软件设计在上述的硬件结构和算法设计基础上，分别对控制板和显示通信板进行ＤＳＰ的程序设计，包括控制程序、显示及键盘程序、通信程序等三大部分。其中控制程序是核心，主要任务如下：判断与切换系统工作模式；在储能模式下，通过控制双向—ＤＣＤＣ变换器，驱动飞轮电机加速，当飞轮达到设定转速后，保持电机驱动电压恒定进入恒转速待机模式；在释能模式下，通过控制双向ＤＣ．ＤＣ变换器，实现系统输出的电压恒定。利用ＣＣＳ软件为ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２编程，程序分为主程序、主中断和换相子程序。主程序完成系统的初始化和系统工作模式的判断与切换。由于充电与待机的控制方式相同，因此程序仅在储能和释能两种模式间进行切换。在切换时，既可以通过检测飞轮储能系统接口电压实现智能切换，也可以通过接收外部命令进行手动切换。主中断是一个定时中断，进行各量值的采集，实现上文算法，输出控制信号，并和显示通信板进谈震，等基于双ＤＳＰ的飞轮储能系统控制平台的研制．１３１．行数据、命令的交换。图６所示为主中断的程序流程。飞轮电机的位置传感器采用霍尔元件，在驱动电机时需要采集霍尔信号并进行判断和换相，这些功能在换相子程序中实现：通过ＥＷＣＡＰ模块捕捉电机霍尔信号的上升／下降沿，之后读取其状态，以此确定三相全桥驱动电路六只开关管的状态，输出相应控制信号。ＡＤ采样，读入电压电流值储能［储能双ＰＩ闭环计算———。ｒ一．皇．厂计算电感电流平均值输出量换算为开关管ｖ．占空比ｌｌ输出量换算为开关管ｖ占空比ＰＷＭ输出ｉｌＰＷＭ输出通过ＳＣＩ发送数据至显示通信板通过ＳＣＩ从显示通信板接受命令改变相应标志位——————ｊＬ一重新使能主中断（主堑墨旦）图６主中断程序流程Ｆｉｇ．６Ｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｔｈｅｍａｓｔｅｒｉｎｔｅｒｒｕｐｔ５实验验证为了验证飞轮储能系统控制算法与硬件电路的有效性，研究中利用一台小型飞轮（车载飞轮）样机搭建了实验系统，见图７，样机参数如表１所示，系统的电能变换电路按照图３的拓扑设计。按照软件设计中的算法流程和程序结构为控制平台编写ＤＳＰ程序，分别进行储能和释能实验。实验中所用示波器为ＹＯＫＯＧＡＷＡ．ＤＬ１６４０。表１样机参数Ｔ＿ａｂｌｅ１Ｐｒｏｔｏｔｖｏｅｏａｒａｍｅｔｅｒｓ图７飞轮储能控制实验系统Ｆｉｇ．７Ｂａｓｉｃｌａｙｏｕｔｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｙｓｔｅｍ储能时所用电源为４８Ｖ直流稳压电源，即图３中Ｅ＝４８Ｖ，通过上文提出的储能双ＰＩ闭环算法控制双向ＤＣ．ＤＣ，使电机驱动电路直流电压ｕ平稳上升，保证电机电流在限制值之内驱动电机升速，最终达到设定目标，维持转速。图８所示即储能过程中的波形，目标电压２５Ｖ，实际实验中，电压以一定速率上升，最终稳定于２５．１Ｖ。从图中可以看出电压存在一定的波动，这是由驱动飞轮时的开关换相所引起的。图９所示是储能过程中飞轮转速的上升曲线，可以看出转速平稳上升，设定的目标转速为４０００ｒ／ｍｉｎ，电压稳定时的实际转速为４０７０ｒ／ｍｉｎ。飞轮储能系统达到储能目标的速率主要受到电流大小的限制，实验中所用实验飞轮可承受电流较小，所以升速过程较慢。图８储能过程中电机三相全桥驱动电路直流电压的波形Ｆｉｇ．８Ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅｆｕｌｌ－ｂｒｉｄｇｅｍｏｔｏｒｄｒｉｖｅｒｃｉｒｃｕｉｔＤＣｖｏｌｔａｇｅＵｗａｖｅｆｏｒｍｉｎｃｈａｒｇｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ如图１０所示，在释能过程中飞轮转速由稳定转速开始迅速下降，电机三相全桥驱动电路采用不控整流策略，其直流电压随之下降。为了在飞轮储能系统出口处得到稳定的直流电压Ｅ，应用释能双ＰＩ闭环算法，经过双向ＤＣ．ＤＣ的稳压调整后直接向５Ｑ的电阻负载释能。图１１为释能过程中负载．１３２．电力系统保护与控制两端电压的波形。可以看出，负载两端电压Ｅ在设定的电压稳定值２０Ｖ维持了２５Ｓ，之后维持电压所需电感电流超过了设定的上限，Ｅ开始下降。目阜蜱一。ｉ一一＿．，幂著；二－－－ｉ誉Ｏ５０１００１５０２００２５０３００３５０４００ｔ／ｓ图９储能过程中的飞轮升速曲线Ｆｉｇ．９Ｓｐｅｅｄｗａｖｅｆｏｒｍｏｆｆｌｙｗｈｅｅｌｉｎｃｈａｒｇｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ４５００４０００３５００：３０００２５００２０００１５００ｌ０００＃８Ｏｓ＝１２９５０１０２０３０４０５０６０７０８０ｇｓ图１０释能过程中的飞轮降速曲线Ｆｉｇ．１０Ｓｐｅｅｄｗａｖｅｆｏｒｍｏｆｆｌｙｗｈｅｅｌｉｎｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ３０§Ｏ图１１释能过程中５Ｑ负载两端电压Ｅ的波形Ｆｉｇ．１】ＤＣｖｏｌｔａｇｅｗａｖｅｆｏｒｍｏｎ５Ｑｌｏａｄｉｎｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ６结语本文研制了基于双ＤＳＰ的飞轮储能控制平台，结合飞轮样机和双向ＤＣ．ＤＣ的电能变换电路搭建了飞轮储能实验系统，对硬件控制电路和控制算法进行了实验验证。在储能过程中，电流能够限制在设定范围内，最后电机转速稳定在设定值，保持待机状态；在释能过程中，尽管电机转速及其出口电压不断降低，但由于ＤＣ．ＤＣ控制电路的作用使得负载两端电压能够保持稳定。实验验证了控制平台硬件、软件的有效性和可靠性，为进一步的飞轮储能研究、应用打下基础。参考文献［１］ＩｐａｋｃｈｉＡ，ＡｌｂｕｙｅｈＦ．Ｇｒｉｄｏｆｔｈｅｆｏｔｕｒｅ［Ｊ］．ＩＥＥＥＰｏｗｅｒａｎｄＥｎｅｒｇｙＭａｇａｚｉｎｅ，２００９，７（２）：５２－６２．’［２］Ｒｏｂｅ，ｓＢＰＳａｎｄｂｅｒｇＣ．Ｔｈｅｒｏｌｅｏｆｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｉｎｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｓｍａｒｔｇｒｉｄｓ［Ｊ］．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＩＥＥＥ，２０１１，９９（６）：１１３９－１１４４．［３］周林，黄勇，郭珂，．微电网储能技术研究综述［Ｊ］．电力系统保护与控制，２０１１，３９（７１：１４２．１５７．ＺＨＯＵＬｉｎ，ＨＵＡＮＧＹｏｎｇ，ＧＵＯＫｅ，ｅｔａ１．Ａｓｕｒｖｅｙｏｆｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒｍｉｃｒｏｇｒｉｄ【Ｊ】．Ｐｏｗｅｒ—ＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２０１１，３９（７）：１４２１５７．［４］ＬｅｅＪ，ＪｅｏｎｇＳ，ＨａｎＨｅｔａ１．Ｃｏｎｃｅｐｔｏｆｃｏｌｄｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｆｏｒｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇｆｌｙｗｈｅｅｌｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＡｐｐｌｉｅｄＳｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ，２０１１，２１（３）：２２２１－２２２４．［５］ＳｕｂｋｈａｎＭ。ＫｏｍｏｒｉＭ．ＮｅｗｃｏｎｃｅｐｔｆｏｒｆｌｙｗｈｅｅｌｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｓｙｓｔｅｍｕｓｉｎｇＳＭＢａｎｄＰＭＢ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＡｐｐｌｉｅｄＳｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ，２０１１，２１（３）：１４８５．１４８８．［６］ＶａｚｑｕｅｚＳ，ＬｕｋｉｃＳＭ，ＧａｌｖａｎＥ，ｅｔａ１．Ｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｓｙｓｔｅｍｓｆｏｒｔｒａｎｓｐｏｒｔａｎｄｇｒｉｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２０１０，５７（１２）：３８８１－３８９５．［７］张占奎，王德意，迟永宁，．超导储能装置提高风电场暂态稳定性的研究［Ｊ］．电力系统保护与控制，２０１０，—３８（２４）：３８４２．———ＺＨＡＮＧＺｈａｎｋｕｉ，ＷＡＮＧＤｅｙｉ，ＣＨＩＹｏｎｇｎｉｎｇ，ｅｔａ１．Ｓｔｕｄｙｏｆｔｒａｎｓｉｅｎｔｓｔａｂｉｌｉｔｙｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔｏｆｗｉｎｄｆａｒｍｂｙａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇｍａｇｎｅｔｉｃｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｄｅｖｉｃｅｓ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２０１０，—３８（２４）：３８４２．［８］邱培春，葛宝明，毕大强．基于蓄电池储能的光伏并网发电功率平抑控制研究［Ｊ］．电力系统保护与控制，２０１１，３９（３）：２９－３３．ＱＩＵＰｅｉ－ｃｈｕｎ，ＧＥＢａｎ－ｍｉｎｇ，ＢＩＤａ－ｑｉａｎｇ．Ｂａｋｅｒｙｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅ－ｂａｓｅｄｐｏｗｅｒｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｆｏｒ—ｇｒｉｄｃｏｎｎｅｃｔｅｄｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２０１１，３９（３）：２９．３３．［９］黄宇淇，方宾义，孙锦枫．飞轮储能系统应用于微网的仿真研究［Ｊ】．电力系统保护与控制，２０１１，３９（９）：８３．８７．ＨＵＡＮＧＹｕ－ｑｉ，ＦＡＮＧＢｉｎ－ｙｉ，ＳＵＮＪｉｎ－ｆｅｎｇ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｍｉｃｒｏｇｒｉｄｗｉｔｈｆｌｙｗｈｅｅｌｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２０１１，—３９（９）：８３８７．１１０ＪＲａｙＰＫ，ＭｏｈａｎｔｙＲＳ，ＫｉｓｈｏｒＮ．Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ－ｉｎｔｅｇｒａｌｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｂａｓｅｄｓｍａｌｌ－ｓｉｇｎａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｈｙｂｒｉｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．ＥｎｅｒｇｙＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎａｎｄＭａｎａｇｅｍｅｎｔ，２０１１，５２（４）：１９４３－１９５４．（下转第１３９页ｃｏｎｔｉｎｕｅｄｏｎｐａｇｅ１３９）姗㈣螂咖ｏ４４３３２２１ｌ郭启伟，等银东＿＋６６０ｋＶ直流系统故障的动态特性仿真研究．．１３９．．ｒｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｃｏｎｔｒｏｌｏｎＵＨＶＤＣ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍ—ＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２００８，３６（１４）：４８５１．［６］王徭．特高压直流输电控制与保护技术的研究［Ｊ］．电力系统保护与控制，２００９，３７（１５）：５３．５８．ＷＡＮＧＹａｏ．Ｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｏｆｕｌｔｒａｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅｄｉｒｅｃｔｃｕｒｒｅｎｔｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２００９，３７（１５）：５３－５８．［７］赵勇，苏毅，陈峰，等．福建电网在线稳定控制系统中对华东电网实时动态等值的研究［Ｊ］．电网技术，２００５，—２９（４）：１８２２．ＺＨＡＯＹｏｎｇ，ＳＵＹｉ，ＣＨＥＮＦｅｎｇ，ｅｔａ１．Ｒｅａｌ－ｔｉｍｅｄｙｎａｍｉｃｅｑｕｉｖａｌｅｎｃｅｏｆＥａｓｔＣｈｉｎａＰｏｗｅｒＧｒｉｄｆｏｒｏｎｌｉｎｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｏｆＦｕｊｉａｎｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００５，２９（４）：１８－２２．［８］许剑冰，薛禹胜，张启平，．电力系统同调动态等值的述评［Ｊ］．电力系统自动化，２００５，２９（１４）：９１．９５．ＸＵＪｉａｎ－ｂｉｎｇ，ＸＵＥＹｕ－ｓｈｅｎｇ，ＺＨＡＮＧＱｉ－ｐｉｎｇ，ｅｔａ１．Ａｃｒｉｔｉｃａｌｒｅｖｉｅｗｏｎｃｏｈｅｒｅｎｃｙ－ｂａｓｅｄｄｙｎａｍｉｃｅｑｕｉｖａｌｅｎｃｅｓ［Ｊ］．ＡｕｔｏｍａｔｉｏｎｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓ，２００５，２９（１４）：—９１９５．［９］温柏坚，张海波，张伯明，．广东省地区电网外网等值自动生成系统设计［Ｊ］．电力系统自动化，２００４，—２８（２０）：７７７９．—ＷＥＮＢｏ－ｊｉａｎ，ＺＨＡＮＧＨａｉ－ｂｏ，ＺＨＡＮＧＢｏｍｉｎｇ，ｅｔａ１．Ｄｅｓｉｇｎｏｆａｒｅａｌ－－ｔｉｍｅｅｘｔｅｒｎａｌｏｆｓｕｂ．－ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋａｕｔｏｅｑｕｉｖａｌｅｎｃｅｓｙｓｔｅｍｎｅｔｗｏｒｋｓｉｎＧｕａｎｇｄｏｎｇ［Ｊ］．ＡｕｔｏｍａｔｉｏｎｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓ，—２００４，２８（２０）：７７７９．［１０］万国成，任震，田翔．配电网可靠性评估的网络等值法模型研［Ｊ］．中国电机工程学报，２００３，２３（５）：４８．５２．—ＷＡＮＧｕｎｃｈｅｎｇ，ＲＥＮＺｈｅｎ，ＴＩＡＮＸｉａｎｇ．Ｓｔｕｄｙｏｎｍｏｄｅｌｏｆｎｅｔｗｏｒｋ－ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｏｆｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｅｖａｌｕａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＣＳＥＥ，２００３，２３（５）：４８－５２．［１１］荆勇，欧开健，任震．交流单相故障对高压直流输电换相失败的影响［Ｊ】．高电压技术，２００４，３Ｏ（３）：６０．６２．ＪＩＮＧＹｏｎｇ，ＯＵＫａｉ－ｊｉａｎ，ＲＥＮＺｈｅｎ．ＩｍｐａｃｔｏｎＨＶＤＣｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎｆａｉｌｕｒｅｏｆＡＣｓｉｎｇｌｅｐｈａｓｅｆａｕｌｔ［Ｊ］．Ｈｉ曲ＶｏｌｔａｇｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００４，３０（３）：６０－６２．［１２］朱韬析，宁武军，欧开健．直流输电系统换相失败探讨［Ｊ］．电力系统保护与控制，２００８，３６（２３）：１１６．１２０．—ＺＨＵＴａｏｘｉ，ＮＩＮＧＷｕ－ｊｕｎ，ＯＵＫａｉ－ｊｉａｎ．ＤｉｓｃｕｓｓｉｏｎｏｎｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎｆａｉｌｕｒｅｉｎＨＶＤＣｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２００８，３６（２３）：ｌ１６１２０．［１３］任永生，王晓丽，艾飞．交流单相故障引起直流输电换相失败的仿真研究及其预防措施［Ｊ】．浙江电力，—２００９，１０（５）：１６１９．ＲＥＮＹｏｎｇ－ｓｈｅｎｇ，ＷＡＮＧＸｉａｏ－ｌｉ，ＡＩＦｅｉ．Ｓｉｍｕｌ￣ｉｏｎｓｔｕｄｙａｎｄｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｓｏｎＨＶＤＣｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎｆａｉｌｕ—ｒｅｓｉｎｄｕｃｅｄｂｙｓｉｎｇｌｅｐｈａｓｅｇｒｏｕｎｄｆａｕｌｔｉｎＡＣｌｉｎｅｓ［Ｊ］．Ｚｈ￣ｉａｎｇＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒ，２００９，１Ｏ（５）：１６－１９．［１４］李少华，刘涛，苏匀，．±８００ｋＶ特高压直流输电系统解锁／闭锁研究［Ｊ］．电力系统保护与控制，２０１０，３８（６）：８４－８７．—ＬＩＳｈａｏｈｕａ，ＬＩＵＴａｏ，ＳＵＹｕｎ，ｅｔａ１．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｄｅ－ｂｌｏｃｋｉｎｇ／ｂｌｏｃｋｉｎｇｏｐｅｒａｔｉｏｎｉｎ￣８００ｋＶＵＨＶＤＣｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２０１０，—３８（６）：８４８７．收稿Ｅｌ期：２０１１－０７－０４；修回Ｅｔ期：２０１１－０８－１９作者简介：郭启伟（１９８５一），男，硕士研究生，研究方向为高压直流输电：Ｅ－ｍａｉｌ：ｇｕｏｑｉｗｅｉ＠ｓｄｕ．ｅｄｕ．ｃａ赵建国（１９５５一），男，博士，教授，博士生导师，研究方向为特高压榆电技术、电力系统运行分析与控制、电力电子与电力传动；牛林（１９８０－），男，博士，高级工程师，研究方向为特高压输电技术（上接第１３２页ｃｏｎｔｉｎｕｅｄｆｒｏｍｐａｇｅ１３２）【１１ＪＲａｎＬ，ＸｉａｎｇＤＷＫｉ￣ｌｅｙＪＬ．Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓｉｎａｆｌｙｗｈｅｅｌｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈａｄｏｕｂｌｙｆｅｄｉｎｄｕｃｔｉｏｎｍａｃｈｉｎｅ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＩｎｄｕｓｔｒｙＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１ｌ，４７（３）：１４９８－１５０６．［１２］ＣｉｍｕｃａＧＢｒｅｂａｎＳ，ＲａｄｕｌｅｓｃｕＭＭ．Ｄｅｓｉｇｎａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｉｅｓｏｆａｎｉｎｄｕｃｔｉｏｎ．ｍａｃｈｉｎｅ．ｂａｓｅｄｆｌｙｗｈｅｅｌｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｓｙｓｔｅｍａｓｓｏｃｉａｔｅｄｔｏａｖａｒｉａｂｌｅ－ｓｐｅｅｄｗｉｎｄｇｅｎｅｒａｔｏｒ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎ—ＥｎｅｒｇｙＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，２０１０，２５（２）：５２６５３４．［１３］ＳｕｎＸ，ＫｏｈＫＨ，ＹｕＢＧＦｕｚｚｙ．１ｏｇｉｃ．ｂａｓｅｄＳＶ／Ｉ￥ｃｏｎｔｒｏｌｏｆａｎｉｎｄｕｃｔｉｏｎｍｏｔｏｒｆｏｒａＤＣｇｒｉｄｐｏｗｅｒ－ｌｅｖｅｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍｕｓｉｎｇｆｌｙｗｈｅｅｌｅｎｅｒｇｙｓｔｏｒａｇｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＩｎｄｕｓ仃ｉａｌＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００９，５６ｒ８）：３１６１－３１６８．【１４ＪＳｈａｈＮ只ＨｉｒｚｅｌＡＤ，ＣｈｏＢ．Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｅｓｓｓｅｌｅｃｔｉｖｅｌｙａｌｉｇｎｅｄｓｕｒｆａｃｅ．－ｐｅｒｍａｎｅｎｔ．．ｍａｇｎｅｔＢＬＤＣｍｏｔｏｒｉｎｈｙｂｒｉｄｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２０１０，５７ｆ２）：６６９．６７７．收稿日期：２０１１－０７－１９：—修回日期：２０１１－０７２９作者简介：谈震（１９８６－），男，硕士研究生，研究方向为电力系统保护与控制；Ｅ－ｍａｉｌ：ｔａｎｚｈｅｎ．ｘ＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｍ李永丽（１９６３－），女，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为电力系统保护与控制。