（电力系统及其自动化专业论文）飞轮储能系统电动发电运行控制技术的研究.pdf

二 生 二0口 尸明 本人郑重声明: 此处所提交的硕士学位论文 飞 轮储能系统电动发电 运行控制技术 的 研究 ，是本人在华北电 力大学攻读硕士学位期间，在导师指导 下进行的 研究 工作和 取得的 研究 成果。 据本人所知， 除了 文中特别加以 标注和致谢之处外， 论文中不 包含其 他 人色 经 发 表 或 撰写 过的 研 究 成 果， 也 不 包 含 为 获 得 华 北电 力 大 学 或 其 他 教 育 机 构 的 学 位或 证书而使用过的 材料。 与我尸同工作的同志 对本研究所做的 任何贡献均已 在论文中 作了明 确的说明并表示了谢意。、 学位论文作者签名:日期 关于学位论文使用授权的说明 本人完 全了 解华北电力大学 有关保留、 使用学位论文的规定， 即: 学校有权 保管、 并向 有关部门送交学 位论 文的原 件与复印 件; 学校可以 采用影印、 缩印 或其它复制 手 段复 制并保存学位论文; 学校可允许学 位论文 被查阅 或借阅; 学校可以 学术交流为 目 的 ， 复制赠送和交换学位论文: 同 意学校可以 用不同 方式在不同 媒体上发表、 传播学 位论文的 全部或部分内 容。 ( 涉密的 学 位论文 在解密 后遵守此 规定 ) 作者签名 :导师签名: 日期:日期 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 1 . 1 课题的研究背景和意义 能量储存技术是一个世界性的研究课题，为了更有效利用现有的能源就需要发 展先进节能技术和储能技术，需要储能环节来进行调节。长期以来，电能的储存一 般采用化学蓄电池，直到最近几十年，科技工作者对超导储能、飞轮储能等其它的 储能技术进行了大量的研究，并取得了一定的成果。 飞轮储能技术比 较成熟，具有使用寿命长、功率密度高、储能密度大、基本上 不受充放电次数的限制、安装维护方便、对环境无危害等优点，比化学蓄电池技术 具 有 更 大 的 优 越 性 1- 5 1 . 飞 轮 储 能 是 一 种 具 有 广 泛 应 用 前 景 的 新 型 机 械 储 能 技 术 ， 与其 它形式的 储能 方式相比 较， 优缺点 如表1 -1 所示1 1 ,2 1 表 1 -1各种储能方式优缺点比较 项目蓄电池抽水蓄能压缩空气飞轮储能 小型超 导储能 超导 储能 效率 ( %) - 7 0印5 0 - 9 0-9 0 - 9 0 储能量中高高高极低高 模块性是否否是是否 循环寿命几百几千几千无限无限 无限 充电时间小时小时小时分分小时 环境影响大大大良好良好很好 可用性现在现在现在 开发中 ( 已 有应用) 开发中开发中 单位重量 储能密度 小中中大大大 飞轮储能技术被认为是近期最有希望和最有竞争力的新型能量储存技术，受到 国内 外专家的一致重视.飞轮储能技术在改善电能质量、电网调峰、电动汽车、航 空 航 天、 不间 断 供电 备 用电 源u p s 等 诸多 领 域都 有 广泛的 应用 前景 1, 3 , 4 , 5 , 6 , 7 1 许多用电场合对电能质量要求很高，为了提高配电网的电能质量，需要注入 一定的功率来解决由功率冲击、电 力系统故障等引起的电 压方面的问 题，这就需要 储 能 系 统 来 提 供 能 量 u ,一 。 由 于 飞 轮 储 能 系 统 既 可以 为 配电 网 提 供 有 功 和 无 功 功 率， 又可以 从配电网吸收有功和无功功率， 可以将其应用于配电网的电能质量控制， 当配电网电能质量不满足要求时， 储能系统自 动调节自身的运行状态，实时控制配 华北电力大学硕士学位论文 电网电能质量指标;特别是当电网出 现停电事故时，可以继续为重要用户短时提供 电能，保证用户有足够的时间进行重要事件的处理。 由 于用电高峰和用电低谷时的电力负荷差达到 1 0 % 以 上，因此电力调峰是电 力系统中非常重要的问题。目 前电力系统主要的调峰手段是抽水蓄能，而飞轮储能 系统具有充放电快、占地面积小、不污染环境、可就近分散放置且不受地理环境限 制等优点，因此用飞轮储能系统来进行电力调峰也是一个热点研究方向. 将飞轮储 能技术应用于电力系统的调峰， 当电网负荷处于低谷时， 飞轮机组作为电 动机运行， 把电能转换为飞轮动能储能起来;在用电高峰时，飞轮机组作为发电机运行，将飞 轮动能转化为电能返送回系统，从而可以 起到平衡电网负荷的作用。 随着电动机车的发展，飞轮储能装置己 经开始使用在混合电动汽车中，它在 汽车制动时储存能量，在加速和爬坡等需要大电流时释放能量。由于飞轮储能装置 具有清洁、 高效、 充放电迅捷并且不污染环境等特点可以提高汽车效率， 降低能耗。 实验己经证明，使用这种装置可以提高汽车的运行性能和减少尾气排放量。 随着对航天器性能和功率要求的不断增加，飞轮储能装置也应用在航天飞机 和低轨道运行卫星方面。特别是用在航天飞机中，它既能起到储存能量的作用，又 能利用储能飞轮产生的动量转矩对航天器的姿态进行有效控制。 可以 应 用 在 分 布 式 发电 系 统 s , 10 1 ， 为 风 力 发电 站、 太阳 能 发电 站 等间 断 性 发 电系统提供不间断的供电储能环节。 例如在风力发电站， 在风力很小或是风中断时， 电能存储系统是非常重要的。 飞轮储能系统可以取代 u p s ( 不间断电源) 中的化学蓄电池，特别是在通信行 业中， 由于很多u p s电源是在户外工作， 工作环境差， 一般的化学蓄电池不能适应， 飞轮储能装置对环境无要求，工作适应能力强。 1 . 2 飞轮储能技术的发展和国内外研究现状 早在2 0 世纪5 0 年代就有人提出了用于电动汽车的飞轮储能技术，并持续进行了 多年的研究。由于受当时科技发展水平的限制，早期的飞轮材料通常采用钢材( 或 其他金属) ，飞轮只能以 相对较低的速度旋转，单位质量储能低、损耗大，另外能 量传递和转换系统也非常复杂，所以当时飞轮储能技术一直未取得突破性的进展， 其 应 用 范 围 受 到 很 大 的 限 制 3 , 4 , 5 .6 1 近年来，与飞轮储能技术密切相关的三项技术取得了重要突破:一是磁悬浮技 术的 研究进展很快，磁悬浮配合真空技术，可把轴系的摩擦损耗和风损降低到人们 所期望的限度:二是高强度碳素纤维和玻璃纤维的出现，允许飞轮边缘速度达到 1 0 0 0 m / s 以上， 大大增加了单位质量的动能储存量: 三是现代电力电子技术的发展给 华北电 力大学硕士学位 论文 飞轮电 机与配电网系统之间的能量交换提供了灵活的 桥梁。这三项技术的新进展， 使飞轮储能技术也取得了突破性的 进展，并在许多领域中获得成功应用，其潜在价 值和优越性逐渐体现 出来。 目 前美国、日 本、 英国 、法国、德国等工业强国正在大力开展飞轮储能 技术的 研究 与开发，并取得了 很大进展，开始由实验室研究转向试运行与实际应用，并向 产业化、市场化方 向发展。 美国在飞轮储能技术研究方面处于世界领先水平。 美国飞轮系统公司( u s f s ) 与 h o n e y - w e l l 公司合作，研制出电动汽车用飞轮电池，充电后飞轮的最高转速可达到 2 0 万转/ 分钟，这种飞轮电 池储能密度为铅酸电池的3 -6 倍， 寿命为2 0 年左右。 美国 能源部与州立爱迪生电 力公司、阿贡国 家试验室合作，进行了高温超导磁轴承飞轮 储能 系统的研究开发， 研制出的高 温超导磁轴承摩擦系数达到3 x 1 0 - 7 ，并于1 9 9 7 年 研制出了储能为1 m w h 的高温超导储能系统。当 然，要把飞轮储能技术真正应用于 电力 系统，还有许多安全性、 经济性的问题尚需 进一步解决。 日 本在飞轮储能技术研究方面也不落后。日 本石油公司和雪谷控制研究所共同 研制出的电动汽车用飞轮电池，飞轮最高转速为3 . 6 万转/ 分钟，其8 5 %的动能可转 化成电能。在高温超导磁轴承飞轮储能研究方面，由 三菱、日 立、精工等公司和多 个研究所、高校组成的3 个研究组已 研制出3 种试验模型机，并进行了储能容量为 8 m w h 、功率为l 0 0 0 k w的飞轮储能 机组的概念设计。 法国国 家科研中心、德国 物理高科技研究所、 意大利的s 工 s e 在2 0 世纪9 0 年代初 即开 展高温超导磁浮轴承的 飞轮储能系统研究，瑞士联邦工学院机器人及机电一体 化研究所也开展了主动磁浮轴承飞轮储能系统的研究。 我国 在飞轮储能技术领域的 研究起步较晚，近几年来从事飞轮储能技术研究的 单位有清华大学、中科院电工研究所、北京飞轮储能柔性研究所、华北电 力大学、 北京航空航天大学、南京航空航天大学、东南大学、西安交通大学、 合肥工业大学 等。中国科学院电 工研究所、华北电力大学等单位就电 力系统调峰用飞轮储能系统 进行了研究，在超导磁悬浮储能 研究方面取得了 重大突破。中国科学院电工研究所 已 经研制出飞轮电池用高速电 机，其对我国 飞轮蓄能研究的发展起到了 促进作用; 华北电力大学研制出储能 2 mj ,最高发 电功率 l o k w 的准磁悬浮飞轮储能装置。 3 飞轮储能系统的工作原理和电 机的选择 所 谓 飞 轮 储 能 (2 , 3, 9, b ( f ly w h e e l e n e r g y s t o r a g e ) 技 术 ， 就 是 利 用 高 速 旋 转 的 飞轮将电能以 动能的形式储存起来。飞轮是一个作定轴转动的旋转体，飞轮高速旋 转储存的能量e可表示为: 华北电 力大学硕士学位论文 e = 工 j w 2 2 式( 1 - 1 ) 中j 为飞轮转动惯量， 存的动能与其转速的平方成正比。 低速飞轮。 ( 1 - 1 ) m为飞轮的转速。由式( 1 - 1 ) 可以看出:飞轮储 所以，高速飞轮的储能量和能量密度都远远高于 不平衡转动力矩的作用是飞轮转速改变的根本原因，这一关系可描述为: _ d a m m = j -( 1 - 2 ) at 当转矩的方向与飞轮转动方向 一致时， 飞轮受到正向不平衡转矩的作用而加速， 能 量转化为动能储存起来; 相反，当飞轮减速时， 动能转化为电能输出。飞轮在给定的最 高 速 度口 .与 最 低 速 度 之间w . i. 之 间 循 环 运 转 时 ， j ( a m 2 二一 w 2 . ) 可以吸收和释放的能量为: ( 1 - 3 ) 1 . 3 . 1 飞轮储能系统的构成和工作原理 飞 轮 储 能 装 置 的 结 构 如 图 1 - 1 所 示 ， 主 要 包 括 5 个 基 本 组 成 部 分 3 .4 ,5 . 61 . 1 ) 采 用 高强 度玻璃纤维( 或碳纤维) 复合材料的飞轮本体: 2 ) 悬浮飞轮的电 磁轴承及机械保 护轴承;3 ) 电 动/ 发电互逆式电 机; 4 ) 电 机控制与电 力转换器; 5 ) 高真空及安全保护 罩。 真空翠 飞轮 图1 一1飞轮储能装置结构图 现代飞轮储能系统一般都是由一个圆柱形旋转质量块和磁悬浮轴承支撑机构 组成. 采用磁悬浮轴承的目的是消除摩擦损耗，提高系统的寿命。为了保证足够高 的储能效率，减少风阻损耗，飞轮储能系统应该运行于真空度较高的环境中。飞轮 华北电力大学硕士 学位论文 与电 动/ 发电机同轴相连， 通过电力电子能量转换装置， 可进行飞轮转速的调节， 实 现储能装置与电网之间的能量交换。 飞轮储能系统是一种机电能量转换与储存装置， 其工作原理为: 系统储能时， 电机作为电动机运行，由工频电网提供的电能经功率电子变换器驱动电机加速，电 机拖动飞轮加速储能，能量以 动能形式储存在高速旋转的飞轮体中;当飞轮达到设 定的 最大转速以后， 系统处于能量保持状态， 直到接收到一个释放能量的 控制信号， 系统释放能量，高速旋转的飞轮利用其惯性作用拖动电 机减速发电， 经功率变换器 输出 适用于负载要求的电能，从而完成动能到电能的转换。由 此，整个飞轮储能系 统实现了电能的 输入、储存和输出控制。 1 . 3 . 2 飞轮电 机的选择 飞 轮 储能 系 统的 运行 特点 以 及 对飞 轮电 机 的 要 求主 要 有(3, 4. 6, 6 .7, l0 1 1 ) 飞轮电机应具有可逆性，能运行于电动和发电 两种工作状态; 2 ) 飞轮 需 要高 速 旋转， 要求电 机易 于高 速 运 行; 3 ) 储能 和 释能 工 作方 式的 转 换 要求电 机能 够 适 应大 范围 的 速 度变 化; 4 ) 长 时间 的 不间 断 运 行需 要电 机有 较长的 稳定 使 用 寿 命; 5 ) 长 时 间的 储 能运 行 要求电 机的 空 载损 耗 不能 太 大; 6 ) 要求电机有较大的输出转矩和输出功率; 7 ) 要 求电 机 运 行效 率高、 调速 性能 好; 8 ) 要 求电 机 具有 结构 简 单、 运 行 可靠、 易 于 维 护等 优点 . 根据以上的运行特点和要求，在飞轮电动i 发电机的选取上有四 种电 机可供选 择: 感应电 机、 开 关 磁阻电 机、 同 步 磁阻电 机、 永 磁 无 刷直 流电 机ii . 考 虑到 飞轮 储能系统的 运行特点，从系统结构及降低功耗出发， 在实际应用中，国内 外研究机 构或单位多采用永磁无刷直流电 机， 永磁无刷电 机具有易于调速、 恒功率调速范围 宽、 无励磁损耗、 易于实现双向 功率流动等优点， 在飞轮储能应用中有很大吸引力。 美国 i n d i g o 能 源公 司的飞 轮 储能 系 统就 是采 用三 相高 效 永磁 无 刷直 流电 机， 其能 量 转换效率高达9 5 %. 3 . 3 永磁 无刷直流电机工作原理 普通直流电机的电 枢在转子上，而定子产生固定不变的 磁场。为了 使直流电机 旋转，需要通过换相器和电刷不断的改变电 枢绕组中电流的方向， 使两个磁场的方 向始终保持垂直， 从而产生恒定的转矩驱动电 机不断旋转。 永磁无刷直流电机为了 去掉电 刷， 将电枢放在了定子上， 而转子做成了 永磁体， 华北电力大学硕士学位论文 这样结构正好和普通直流电机相反。然而这样还不够，因为定子上的电枢通入直流 电以 后，只能产生不变的磁场，电机依然旋转不起来。为使电 机旋转起来，必须使 定子电 枢各相绕组不断的换相通电，这样才能使定子磁场随着转子位置的改变不断 变化，从而使定子磁场和转子永磁磁场始终保持9 0 0 左右的空间角。 永 磁 无 刷 直 流电 机 i ii ( 简 称b l d c m ) 主 要 由 电 机 本 体 、 转 子 位 置 传 感 器 和 功 率逆变器三部分组成.本论文中所选用的集电动和发电功能于一体的永磁无刷直流 电 机在基本构成的外部形式上与普通永磁无刷直流电机一样， 但在工作方式上可以 实现电动和发电 可逆的两种工作状态，工作原理如图1 - 2 所示。 d _时， 采用p ( 比 例 ) 调 节器. 由 于 三相桥式 逆变电 路 供电 下 永磁无刷直流电机在0 = 6 0 。 时基波转矩存在过零点，为减小转矩脉动，应限定 0 d _时， 输出0 限 幅为6 0 0 . 2 . 5 发电运行输出电压稳定控制 飞轮储能系统发电的主要要求是，要有稳定的输出电压，另外负载的功率不能 超过电机的额定功率，因此要有一定的保护措施。由于在发电过程中飞轮转速不断 下降， 永磁同步发电机 ( 永磁无刷直流电机作发电机用)发出的电 压不断降低，另 外负载的变化也会影响发电机上电压降的大小，从而影响发电机发出的电压的大 小， 这些不固定因素增加了获得良 好的稳压输出 性能的难度。 在本文提出的利用电机电感储能的升压斩波方案中，由于发电过程中发出电 压 的是不断降低的，所以不可能采用开环控制，必须采用闭环控制方案。对于输出电 压 的 稳 定 来 说 ， p w m控 制 器的 设 计 至 关 重 要， 电 压闭 环 控 制 可以 有 两 种 方 案 (1 7 , 19 7 1 9 华北电力大学硕士学位论文 第一种方案是把闭环环节选在电机发出的电压上，测量电机的转速从而测量电 机的电 动势，通过改变功率开关管的占空比来调节输出电压，这种控制方案控制原 理简单，但是，由于反馈量不是输出电压，而且没有考虑到电机定子绕组上的电压 降，动态性能比较差。 第二种方案是把闭环环节选在输出侧直流电压上，根据输出侧直流电压的变 化， 通过p i d调节原理改变开关管的占空比， 来获得稳定的输出电 压。 这种方案的 动态稳定性和静态稳定性都较好， 控制原理也较简单，对于电机转速在一定的范围 内且负载功率一定的情况下，p i d调节能获得很好的输出性能。 为了控制飞轮储能系统的输出电压的稳定，同时也可以对发电功率进行控制， 本文 设计了电 压电 流双闭 环控制系统， 前级是电压控制器， 后级是电流控制器， 控制器是两 个带限幅的p i / p i d调节器， 前后级串 联构成了以 输出电 压为主控制对象、 输出电 流为副 控制对象的双闭环控制系统。 u .卜 1黔 t . it t# l目p w en l ,i11,# +1 永磁无刷直流 电机和飞轮 转子位置反饿 电流反馈 电压反馈 图2 -5 输出直流电 压控制原理图 图 2 - 5 为 控 制 系 统 原 理 框 图 ， 其 调 节 原 理 为 : 电 压 给 定 u 与 电 压 反 馈 u 进 行 比 较 ， 得 到 的 误 差 经 电 压 控 制 器 输 出 作 为 电 流 给 定 i ， i 与 电 流 反 馈 1 进 行 比 较 ， 得 到 的 误 差 经电 流控制器输出p wm的脉冲宽度， 对机电双向能量变换器进行p wm升压斩波控制。 在电 压电流双闭 环中， 外环是电压环， 其作用是稳定输出电压， 在电源发生扰动或 负载扰动情况下保证负载电 压稳定。由于电压控制器的输出作为电流控制器的给定值， 故电 压控制器的限 幅值决定了电流控制器的最大输出电 流。 电 流环为内 环， 其在稳态时 跟踪外环， 对于飞轮转速变化引起的反电动势变化有快速反应能力， 并且电 流环限值决 定了 最大输出电 流，防止了飞轮降 速过快和过度释能情况的发生。 华北电力大学硕士学位论文 2 . 6 本章小结 本章设计了 基于永磁无刷直流电机的飞轮储能能量转换系统主电 路，研究了 加 速储能过程和减速发电 过程电 机控制方案。加速储能工作方式下，本文提出了 低速 恒定转 矩、高速恒定功率控制的复合控制方案， 并给出了控制方案原理图。 在飞轮 释放能量的 减速发电工作方式下，为了 输出恒定的直流电压，提出了电机能量回馈 制动的绕组电感储能升压控制方案，给出了控制方案原理图。 华北电力大学硕士学位论文 第三章 控制系统硬件设计 本文设计的飞轮储能控制系统中， 功率主电路部分采用了 三菱公司的智能i g b t 模块p m 3 0 c s j o 6 0 ， 控制电路以t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p 芯片为核心， 辅以 转子 位置检测电路，电压和电 流检测电 路、故障保护与判断电路和驱动信号隔离电 路等，实现了系统的全数字化控制。 3 . 1 功率主电路及其驱动电路 根据电 力电子开关器件的 性能特点， 在设计功率电路时，对于主电 路中功率开 关器 件 的 选 择一 般 应该 遵循以 下几 个 原则 12 1 1 )在几百k v a以上的 大容量和超大容量的 逆变电路中， 开关器件主要以g t o 为主。 如高压直流输电、 大型电 机驱动、 超大型 u p s 电 源和大型化学电 源。 2 )在几 k v a到几百k v a甚至上 m v a的中大容量的逆变器中，主开关器件 将以i g b t为主， 开关频率一般选为 1 0 k h z - 2 5 k h z . g t r虽然也己被广泛 地应用， 但是由于其具有驱动功耗大、开关速度慢和二次击穿问题等不足， 因此将逐步被 i g b t 和其它新型开关器件所取代。 3 )在几k w 以 下的逆变电电 源中， 主开关器件以m o s f e t 为主。 逆变频率一 般为几十k h z 至几百k h z . 本课题中我们设计的飞轮储能系统， 要求系统工作在储能方式时电 机的额定功 率为 5 k w ，输入直流母线电压为 3 0 0 v ; 系统在发电 方式下工作时，额定输出功率 为 5 k w . 输出 直流电压为 3 0 0 v 。两种工作方式下系统的功率器件的载波频率均选 择为2 0 k h z ，根据以上要求， 我们选用i g b t作为功率开关器件。 本课题的功率部分采用三菱公司生产的智能 i g b t模块 p m3 0 c s j o 6 0 ， 该产品 是非常成熟的第三代高频 i p m，采用绝缘基板工艺，内置优化后的栅极驱动和保护 电路， 适合用于频率高达2 0 k h z 的高频场合， 如 u p s 、变频器等， 可以满足飞轮储 能系统的设计要求。 该i p m具有完整的功率输出电路， 可直接连接负载，内置栅极驱动电路，并且 具有短路保护、过流保护、内置温度探头的过温保护、驱动电压欠压保护等保护功 能. 智能功率模块 p m3 0 c s j o 6 0 在使用时应注意以 下事项: 该工 p m 直流侧电压即加在p n 两端的电压需小于4 0 0 v ，而不是6 0 0 v ; 和常规不一样， 驱动信号是高电平关断，低电平开通; 为防止上下桥臂直通， 死区时间必须大于2 p s ; d s p 驱动部分与i p m连接需要使用高 速光祸， 而且绝缘电 压必须高于1 0 0 0 v ; 2 1 华北电力大学硕士学位论文 在 i p m有故障时，其故障输出脚输出电 流为 1 0 m a、宽度为 1 . 8 r n s 的脉冲 信号，在此期间控制器应该对其作出反应，否则循环输出故障信号容易损 坏i p m模块。 在d s p 控制器和i p m之间，因为d s p 是弱电部分，电 压为3 . 3 v ， 它驱动 工 p m 时信号不能直接加在引脚上。为了更好的匹配两者的工作电压，设计中使用了 t l p 5 5 0 光电藕合器， 它是连接控制信号和 i p m模块的桥梁，其性能的好坏直接影 响到控制品质的优劣。驱动回路电路原理图如图3 - 1 所示，其中r 1 是光祸输入侧 的限流电阻。 v” 睡 1 5 v v如 琳 图 3 -1光电祸合的驱动电路 3 . 2 基干t ms 3 2 0 l f 2 4 0 7 a芯片的控制系统设计 3 . 2 . 1 t ms 3 2 0 f 2 4 0 7 a 芯片简介 本控制系统中采用的t ms 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p 芯片是美国 德州仪器公司 ( t i )公 司于1 9 9 7 推出的一款专为电机控制应用设计的d s p 芯片， 其运行速度达到4 0 m i p s ( 每秒百 万次指令) 。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a具有强大的片上u o和其他外设，它的两个 事件管理器 ( e v e n t m a n a g e r ) 模块e v a和 e v b 是专门为控制设计的，丰富的i / 0 口 为 控 制 信号的 输 入 输出 提供 了 极大 的 便利 (25 , 25 ,2 7,2 8 1 每个事件管理器包括:两个1 6 位通用定时器，每个都有其对应的比较寄存器， 可 工 作 于 连续向 上计 数模 式 和连 续上 /下计 数 模 式: 8 个1 6 位的 脉 宽 调制 ( p w m ) 通 道， 能够实现三相逆变器控制， 支持非对称p w m 波形、 对称p wm 波形以及s v p wm 波形 的产生， 并可实现可编程的 p wm 死区控制， 以防止上下桥臂同时输出 触发脉冲，当 外 部引 脚元 万 而万出 现低电 平时 ，能 够 快 速关闭 p w m 通 道: 另外 还包括 三个 捕 获 单元， 片内光电 编码器接口电路以及1 6 通道a / d 转换器。 事件管理器模块非常适用于控制交流感应电 机、 无刷直流电 机、 开关磁阻电 机、 步进电机、多级电机和逆变器。 华北电力大学硕士学位论文 3 . 2 . 2 以d s p 为核心 的系统接 口配置 本文设计了 基于 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p的单芯片飞轮储能控制器，用以实 现对 飞轮储能系统三种工作方式的 控制， 在 d s p最小系统的基础上进行扩展，将 d s p 的高速处理能力和强大的接口能力结合起来，以实现硬件资源的合理配置，系统扩 展框图如图3 - 2 所示。在 d s p 最小系统基础上，本控制系统的接口 扩展主要包括: 1 ) 反馈信号接口:包括电压和电 流的检测接口 ( 模拟量输入通道) ， 与 a d c的 模拟输入引脚相连:位置/ 速度检测接口( 开关量输入通道) ，与事件管理器 e v a中c a p 的3 个捕获输入引 脚相连. 2 ) 驱动电 路接口 :e v a的6 路p wm输出， 与i p m驱动芯片的输入引脚相连. 3 ) 保护电 路接口 : 该接口为两个外部中断输入引脚， 故障检测与保护电路通过 该接口 与d s p 的子 可而万和x i n t 1 引 脚 相连 . 4 ) 1 / o接口 :双向 接口，可根据需要灵活配置。本控制系统中，故障类型的判 断和飞 轮储能系统三种工作方式的判断都是利用 1 / o接口 结合软件查询来 实现的。 5 )通信接口:双向接口，s c i 的引脚分别与r s - 4 8 5 转换芯片相连以方便与上 位机进行数据通信. 电压/ 电流检测驱动电路接口 a/ d转换器 e v a 户 w输出 通信接口 保护电路 t ms 3 2 o i x2 4 0 7 d s p控制核心 e va的c ap 捕获接口 转子位置 信号检测 1 / 0接口 其他接口 工作方式 按键输入 输出控制工作 方式转换开关 图3 一基于d s p 的系统接c 7 扩展框图 华北电 力大学硕士学位论文 3 . 3 检测电路设计 3 . 3 . 1 转子位置信号检测 位置传感器是组成无刷直流电 动机系统的三大部分之一，也是区别于有刷直流 电动机的主要标志，其作用是检测转子在运动过程中的位置，将转子磁钢磁极的位 置信号转换成电 信号，为逆变电路提供正确的换相信息，以控制功率器件的导 通与 截止， 从而完成换相。 在本课题中，位置传感器采用的是三个霍尔位置传感器，其转子与电机转子一 同旋转，以指示电机转子的位置， 其定子包括三个霍尔位置传感器， 它们等距地安 装 在定 子 上 ( 空间 均 匀分 布， 互差1 2 0 0 电 角 度) ， 这 样， 三 个位置 传感 器的 输出 信号 能 可 靠 地反 映 转 子的 位置 e ll , 29 1霍尔 位 置 传感 器 输出 的3 个相互 交 叠1 8 0 0 的 反 映 转 子位置的 三相位置信号如图3 - 3 所示。 今 co0 图 3 - 3 霍尔位置传感器输出3 相位置信号 因为霍尔位置传感器输出的高电 平是+ 5 v ， 低电平是 o v ， 所以 其输出要经过电 平转换方可送到 d s p 芯片， 这里用 s n 7 4 l v c 4 2 4 5 a来完成十 5 v到+ 3 . 3 v的电 平转 换， 然后再与 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a的捕获单元相连，这样就可以 通过检测该信号的 上 升沿与下降沿，以中断方式在中断服务子程序中获得 6 个相位交变的时刻以及换相 所需的位置信号。 位置传感器直接安装在电机转子轴上， 其传输线一般较远，而且有一部分离电 机比 较近，很容易受到周围 环境的影响，波形不可避免的要出 现畸变。这时要做好 波形的 滤波工作，应从软硬件两方面对传感器波形进行处理. 对于 t ms 3 2 0 f l 2 4 0 7 一一一一一一一 一一一一一一当 曳 力 ic 学 硕 士 学 位 论 文 来说， 采用高速捕获单元来获取转子位置的 转换 信息是比较合适的，为了控制的可 靠性和稳定性，防止转子位置的误触发， 在软件编程时需要对转子位置信息进行防 抖动处理，即加上软件滤波环节。 速度反 馈信号是借 助位置 传感器的 输出 信号 通过软件计算获得的， 因 此霍尔传感器 同时 充当了 位置 传感器 和速度 传感器。 实 现速度检 测的 基本 原理是: 由于电 机每旋转一 周， 霍尔位置传感器会输出6 个反映 转子位置的交 变信号， 而传感 器的位 置是固 定不变 的 ， 也 就 是 说， 每 相 邻 两 个交 变 信号 的 相 位 差 是 不 变的 ， 即 9 不 变 ( 口 = 6 0 0 ) ， 而 每 两 个 相 邻 交 变信 号 的 时 间 差a t 随 转 速的 变 化 而 变 化 ( 与 转 速 成 反 比 ) ， 这 样 只 要 获 得了 上 述 相 邻 交 变 信号 发 生 跳 变 的 时 刻 t l r t2 就 可 知a t = t2 - tj ， 从而 就 可 利 用 公 式 b l a t 计 算 得 到电机的旋转速度。 3 . 3 . 2 电压电流检测 为了 实现对系统的电压电流进行闭环控制，同时也为了 进行故障保护，需要设 计电压、电 流测量电 路。传统的电 流检测方法是采用电阻取样法和电流互感器法。 前者用于直流或交流检测， 存在一定的功率损耗， 且输入与输出之间没有电 气隔离。 后者虽然实现了输入与输出 之间的电 气隔离， 但只能用于交流检测。为了克服以上 两种方法的缺点和不足，本文采用霍尔 电流传感器检测电流。 霍尔电流传感器的突出 特点是输入和输出间 具有良 好的电气隔离， 可以 不失真 地传递自 直流至 1 0 0 k h z频带内的任何波形电流，具有很高的线性度和准确度 ( 士 1 % ) ，属于无电 感性器件，动态特性好，跟踪速度快。霍尔电 流传感器适合电 流反馈、截流控制和稳流调节等控制需要，同时 也可满足系统过流和过载保护电路 中检测电 流信号，以实现快速保护。 图3 - 4 为是采用霍尔电 流传感器的电流检测电路。 传感器需要外接士 1 5 v的直 流电源，m端是输出信号端， 需外接取样电 阻r u f i o 图3 - 4 霍尔电 流检测电路 华北电力大学硕士学位论文 电压的检测采用霍尔电压传感器，其工作原理与霍尔电 流传感器相同，只是必 须先在传感器原边电路串联一个电阻 r a l ，以得到规定的原边额定电流 l o m a ， 然 后再并接被测电 压，电压检测电 路如图3 - 5 所示。 图3 - 5 电压检测电路 由 于 d s p芯片的a d c输入引脚的采样信号输入电 压范围 ( 0 - 3 . 3 v ) ，最大不 能超过 3 . 9 v ，否则将导致 a d c模块损坏，所以电压电 流信号经霍尔传感器输出以 后，需要经过信号调理电路，才可以 送入d s p芯片的a d c 输入引脚，如图3 - 6 所 v o 图3 - 6信号调理电路 3 . 3 . 3 温度检测 温度检测包括对控制器温度的 检测和电机温度的 检测，两者的检测方法稍有不 同。控制器温度的 检测利用热敏开 关，电 机温度的检测电路利用热电阻，它们的输 出信号主要用于控制器过热保护和电机过热保护。 温度检测电 路把电 机和控制器的温度转换成模拟电压信号， 经由d s p的的a d c 转换成数字信号， 然后 d s p对数字信号进行处理，a d c所得的 值与设定的安全工 作温度值进行比 较，如果所检测到的温度值高于设定值，则d s p 关闭所有的p w m 输 出，否则，系统正常工作。 华北电力大学硕士学位论文 3 . 4 故障检测和保 护电路 飞轮储能系统工作方式比 较复杂，为了保证电 机和功率主电 路可靠工作，需要 设立故障检测与保护电路。在系统储能工作模式下，电机作为电 动机工作，主要包 括直流输入电压的 过电 压、欠电压保护，电机过载保护，电 机过电 流保护以及电机 和控制器过热保护;在系统释能发电工作模式下，电机作为发电 机工作，主要包括 直流侧输出电压的 过电 压、输出过电 流保护以 及电机过热和控制器过热保护。 系统 的保护方案如图3 - 7 所示。 图3 - 7 系统保护设计方案 本文设计的保护方案分为两个层次:首先是故障检测层次，专门设计的故障检 测电 路将检测到的电压、电 流、温度等信号与保护设定值进行比较， 若发生故障， 则输出相应的故障信号;其次是故障类型判断与保护层次，上述各种故障检测电 路 的输出 信号分为两路，一路作为可编程逻辑器件 g a l 1 6 v s的输入信号，另一路与 t ms 3 2 0 l f 2 4 0 7 的 1 / o端口相连。 g a l 1 6 v 8 按故障级别将各路故障信号分组相或后， 信号也分为两路输出: 一路 与t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的功率驱动保护中断引脚p d p i n t a 和外部中断引脚x i n t i 相接， 另一路与t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a的i / o端口 相连。 第一路中p d p i n t a中断是高优先级中 断， 用于过电流、 过电 压的快速保护， x i n t i 优先级低于前者， 用于过热、欠电压 等保护;第二路故障信号用于故障中断服务子程序判断发生何种类型的故障， 控制 系统 根据故障类型执行相应的保护 程序，从而完成相应的保护功能。 本保护方案采用硬件和软件相结合的方法、以中断方式响应外部故障信号，可 华北电力大学硕士学位论文 以实现对功率器件和电机的快速故障检测与保护，也便于对故障检测与保护电 路进 行集中化的扩展设计。 3 . 5 控制电路系统设计中的其它问题 3 . 5 . 1 控制电源 控制电 源为控制电 路中的各个器件或芯片提供工作电 源，控制电源不仅用以获 得所需的电 压，而且要做好隔离措施和抗千扰措施， 这对控制器的 可靠运行十分重 要。 这里的控制电路需要士 1 5 v , + 5 v , + 3 . 3 v ( 数字) 和+ 3 . 3 v ( 模拟) 等不同电压的 直 流电源，控制电源的详细配置如下: 1 . + 1 5 电源:主要为霍尔电流传感器正端、霍尔电压传感器正端、驱动芯片、 电 压比 较器、 运算放大器、光电 祸合驱动电路等供电。 2 . - 1 5 v 电 源: 主要为霍尔电流传感器负端、霍尔电压传感器负端供电. 3 .十 5 v电 源:主要为霍尔位置传感器、可编程逻辑器件等供电。 4 . + 3 . 3 v 数字 ( 模拟)电源:主要为 t ms 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ds p供电， 士 1 5 v直流电源和十 5 v电源由外部电源经变换得到， + 3 . 3 v模拟电 源和十 3 . 3 v数 字电源， 通过t i 公司的两路输出电源芯片t p s 7 6 7 d 3 0 1 由 + 5 v电源变换得到。 需要 注意的是， 控制电 源的模拟地和数字地是隔离的，为了消除尖峰干扰，需要在各个 芯片的电 源引脚与地之间串接一个 0 . 1 尸 的去祸电 容:在布局布线时， 要采取多种 措施提高控制 电源的抗干扰能力。 3 . 5 . 2 输入输出信号电平转换 由 于控制系统中各种器件的输入输出电压不同，因此需要对各种输入输出 信号 进行电 平转换，主要的电平转换包括: 1 . 霍尔位置传感器输出的高低电平分别为+ 5 v和 o v ， 其送入 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的c a p 捕获引脚之前需要经过s n 7 4 l v c 4 2 4 5 a 完成十 5 v 到+ m v 的电平转换。 2 . g a l 1 6 v s的工作输出电压最高为+ 5 v ，其输出信号与 t ms 3 2 0 l f 2 4 0 7 a的 p d p i n t a , x i n t i 引脚连接时也需要s n 7 4 l v c 4 2 4 5 a来完成+ 5 v到+ 3 . 3 v的 电平转换。 3 . 来 自故障检测 电路的各路故障信号也要进行 电平转换之后才能送入 t ms 3 2 0 l f 2 4 0 7 a的 1 / o口: 4 .由 于 d s p芯片的 a d c输入引脚的采样信号输入电压范围为0 -3 . 3 v ， 最大 不能超过 3 .9 v ，电压电流信号经霍尔传感器输出以 后，需要经过信号调理电 华北电力大学硕士学位论文 路转换后送入 a dc输入引脚。 3 . 6 本章小结 本章对控制系统的硬件部分进行了 设计，功率电路部分采用了智能 i g b t模块 p m 3 0 c s j o 6 0 ; 采用 t ms 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p 芯片作为系统的控制核心，并在d s p 最 小系统的基础上对控制电路进行了扩展，对检测电路、故障保护电 路以 及不同 接口 之间的电平转换进行 了设计。 华北电力大学硕士学位论文 第四章 控制系统的软件设计 在上一章中己 经设计了 控制系统的硬件结构， 本章将基于t ms 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p 芯片， 对控制系统的控制程序进行设计。 4 . 1 主程序设计 主程序主要由 系统初始化和主程序循环组成。主程序首先完成c p u的初始化、 软件变量的定义和赋值、外围模块的 初始化、系统中断的配置等系统初始化任务; 接下来开中断，接受面板控制或进行数据通信，获得起动和运行参数或指令， 系统 在获得起动指令后即进入起动子程序; 之后， 系统进入主循环， 系统处于无限 循环、 等待中断的 状态。 当c p u不执行任何中断服务程序时， 程序就在主循环中运行。 主 循环主要完成工作模式改变之后标志变量的设置、系统中断的配置以 及根据各种标 志变量决定作何种处理。主程序和主循环的流程图如图4 - 1 和图4 - 2 所示。 图4 - 1主程序流程图 华北电力大学硕士学位论文 图4 - 2主循环程序流程图 图4 - 2 中 的 标志 变 量r u n m o d e = 0 , 1 , 2 分 别表 示 飞轮 储 能 系统 处 于加 速 储能、 释能发电和能量保持工作模式。 4 . 2 主要控制算法和子程序 4 . 2 . 1 电 流换相子程序 换相过程中，当 位置信号发生变化时，功率开关管的导通逻辑也发生变化，程 序中 是根据位置信号查表以 控制功率开关管的导 通和关断的。 在 t ms 3 2 0 l f 2 4 0 7 a芯片中，功率开关管的 开关控制逻辑由比较单元来完成， 它可以 实现p wm输出、 强制高输出以及强制低输出。 d s p 中有两个事件管理器e v a 和e v b ，每个事件管理器有3 个全比较单元， 每个比较单元都有两个相关的p wm 输出，在上一章控制电路的硬件设计中使用的是e v a . 控制比较方式控制寄存器a c t r可以控制比 较输出引脚的输出电 平。a c t r寄 存器可以设置引脚输出方式为强制低、低有效、 高有效以 及强制高四种上作方式。 定子电 流换相主要是通过改变a c t r寄存器的设 置来实现的。 如果电机控制系统逆 变器驱动信号为低电 平时开关管导通，则电机控制系统的换相表如表4 - 1 所示。 华北电力大学硕士学位论文 表 4 - 1电动/ 发电工作模式开关表 三相位置信号ru n - mo d eru n - mo d e =l p s ap s b p s e导通开关管a c t rao 导通开关管 ac tr a i 101 vi p wm / v 6 1 0 3 f e h v4 p wm o f bf h i00 v 1 p 1 v m / v 2 1 o f f 2 h v4 p wm o f bf h 1i 0 v 3 p w m / v 2 1 o f e 3 h v 6 p wm o bf f h 0i0 v 3 p wm / v 4 1 o f 2 f h v 6 p wm o bf f h 011 v 5 p wm / v 4 1 o e3 f h v 2 p wm o f f b h 001 v 5 p w m / v 6 1 0 2 f f h v 2 p wm o f f b h 表4 - 1 给出了r u n m o d e ( 电动工 作方式 ) 和r u n - m o d e = l ( 发电工 作方式) 两种工 作方 式下转子位置和导通开关管的对应 关系。 v i p w m 表示开关管在工 作区间 p w m 控 制， v i 1 表示开关管在工作区间内 恒通。由 表4 - 1 可以发现， 在r u n m o d e = i 控 制模 式下， 将上桥臂设置为 “ 高有效” ， 而下桥臂设置为“ 强制低厅 ， 这样做的目 的是使 下桥 臂功 率开 关管按一定规则循环导通， 而 对上 桥臂对应的 功率开关管进 行p wm斩波 控制: 在r u n m o d e = l 工 作 方 式 下， 则 是 根 据 转 子 位 置 信 号 ， 按 一 定 规 则 对 下桥 臂 进 行p w m 斩波控制，上桥臂则一直处于截至状态。 我 们 可以 建 立 两 个 数 组a c t r a o 和a c t r a i ， 数 组 里 元 素 表 示r u n - m o d e 和 r u n m o d e = l 两种工作方式下的a