[发明专利]双单片机飞轮储能系统控制器及控制方法

权利要求书

1.一种双单片机飞轮储能系统控制器，其组成包括: 飞轮，其特征是: 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。

2.根据权利要求1 所述的双单片机飞轮储能系统控制器，其特征是：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。

3.根据权利要求1 或2所述的双单片机飞轮储能系统控制器，其特征是：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。

4.一种双单片机飞轮储能系统控制器的控制方法，其特征是:

（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。

5.根据权利要求4所述的双单片机飞轮储能系统控制器的控制方法，其特征是：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。