DSP飛輪儲能控制系統研究

陳嘉銘

（北華大學電氣信息工程學院，吉林 吉林 132021）

隨著世界各國經濟的快速發展和科技水平的不斷進步，人們對能源的需要和消耗也表現出前所未有的迫切和增加，傳統的能源表現出日益匱乏的態勢。由于能量的利用往往是先轉化為電能，伴隨著新型能源的利用，必須由相應的先進的儲能裝置與之配合，否則，難以實現新能源的產業化發展和有效的利用。大容量儲能不但能夠提高能源的利用率，還有更重要的功效。這種方法無能量損耗，效果理想，對電網系統而言可以說是投資少而效益高，具有其他方式無法與之相比的優越性。

目前化學蓄能在蓄能市場中得到了廣泛的應用，常用的蓄電池具有能耗量低、需要長時間充電、使用周期短、對環境污染大等缺點。本文設計了一項新穎的電能存儲方法，突破了傳統的化學能儲能方式，將電能用機械能的方式蓄存起來，即飛輪儲能。

飛輪儲能包括三部分，分別是電能輸入、存儲和電能輸出。系統基本的工作原理具體來說是，充電過程中，飛輪被電機驅動，在電機的帶動下高速旋轉，將電能以機械能的形式儲存。放電過程中，已經在高速旋轉的飛輪提供原動力，作用相當于原動機，旋轉過程中帶動發電機，發電機產生的電能經過電力電子變換器的調整，最后輸出穩定的、可以供負載直接使用的電壓、電流飛輪是真正的儲能元件，也是整個儲能系統的核心，系統儲能的多少由飛輪直接決定，飛輪儲能過程中做的是高速的旋轉運動。

飛輪儲能系統工作過程包括充電模式，此時電能轉換為動能；保持模式，此時電能已經被轉化為機械能，由高速旋轉的飛輪負責儲存這些能量。放電模式，即系統將機械能轉化為電能，供負載使用。充電模式，外部電源通過電子變換器驅動電機旋轉，飛輪在電動機的帶動下高速旋轉，電機工作在電動狀態，電能由此被儲存在飛輪中，此過程中消耗了外部電能，增加了飛輪的機械能，進而實現能量的轉換、存儲。保持模式，飛輪系統依靠交流電輸入，飛輪保持在最高工作轉速運行，能量基本保持恒定，系統損耗最低。此時，可以控制系統進入低壓模式，使飛輪以額定能量運轉，負載所需能量由電源直接提供。放電工作模式。高速旋轉的飛輪將自身的動能轉換成電能傳遞給負載，電機工作在發電狀態。機械能被消耗，輸出連續的電能。

本文研究的飛輪儲能控制系統主要是對直流無刷直流電機的控制。即當系統工作在對飛輪充能狀態下時，通過DSP控制電力電子器件，實現直流無刷電機帶動飛輪高迅速旋轉；當系統工作在飛輪釋能狀態時，飛輪帶動電機轉動，使其工作在發電狀態。本章就針對無刷直流電機構建數學模型，并對其進行分析，運用特定的計算公式，以便確定各項參數。

本系統硬件結構主要包括MCU控制電路、電壓電流檢測電路、隔離驅動電路、系統電源和輔助電路等4個部分?？刂齐娐肥侵饕侵敢訫CU為控制核心的最小系統電路，它是整個飛輪儲能系統的控制核心，采集電壓、電流等反饋信號，經過分析處理后，按照程序預設輸出多路PWM控制信號并負責發出聲光報警信號，確保飛輪儲能控制系統能正常、穩定、可靠地工作。

本文選用TMS320LF240x系列來做控制電路的核心器件。TMS320LF240x系列DSP采用高性能靜態CMOS集成電路制造技術，具有先進的哈佛結構，流水線技術，片內外圍模塊，片內存貯器和高度專業化指令系統。該控制器具有低成本、高性能處理的DSP內核和幾種最適合電機控制的先進外圍設備結合在一起。

TMS320系列DSP控制器集強大的實時信號處理能力和眾多控制器外設功能于一身，其這種體系結構是專門針對實時信號處理功能而設計，是高速信號處理的一種專用芯片，強大的處理速度功能是其它控制芯片無法相比的。

本文充電回路逆變器選用的是富士公司的PM30F070。該IPM內置了保護電路，與普通IGBT驅動電路設計相比，本次設計中只需要設計隔離電路即可。隔離電路的作用就是將IPM模塊與控制電路的信號進行可靠的分離，即驅動IPM的PWM信號和IPM自保護產生的故障信號之間要隔離。

本文選用了IR公司的IR2103集成芯片作為功率驅動芯片，柵極驅動芯片IR2103是一種高壓高速的功率MOSFET驅動器。它有兩個獨立的高端和低端輸出通道，一個芯片可以驅動兩個MOSFET管。此芯片電路基于自舉驅動方法，直接驅動功率MOS-FET，其輸出的浮置通道可用來驅動高端接于最大供電電壓為600V的N溝道MOS-FET。

直流回路電壓過大會造成功率管損壞，欠壓則會使得逆變后的交流壓值下降?；魻栁恢脵z測電路在這主要有兩個作用：一是檢測電機定、轉子的相對位置并提供驅動換相信號；二是通過檢測某一路脈沖信號的個數，經軟件計算后轉換為速度信號，構成速度的反饋環節。

本文設計的飛輪儲能控制系統在正常工作的時候，需要的電源有+24V、±15V、+5V等。控制系統中驅動、隔離、保護、檢測等都需要不同的電壓，所以，對電壓需要特定的電路保障。根據飛輪儲能系統的不同工作模式，能量轉換系統在儲能運行時對電動機力矩電流進行調整，確保飛輪運轉的平穩、安全、可靠；而在飛輪系統釋能運行時，需要對輸出設備的母線電壓進行調整。我們建立了飛輪儲能系統的仿真模型，并進行仿真分析，確定了仿真參數。

系統主要軟件分析設計要根據功能需要而設計，充電部分主要是DSP芯片TMS320F2407通過控制電力電子器件完成對無刷直流電機的控制。在軟件設計和開發上，也采取了程序的模塊化設計理念并且根據DSP芯片的硬件資源豐富的優點，完成充電部分控制系統的各項指標。電流環的輸出換算成PWM的占空比。所以在本文的軟件設計中DSP會根據電流環的輸出來改變PWM占空比寄存器中輸入，從而完成電流環的調節。速度的反饋量是依據轉子位置信號變化的時間間隔計算得出的，它與給定轉速形成的偏差，經過PID調節算法來控制無刷直流電機的轉速，使其具有穩態性能好、響應速度快和抗干擾能力強等特點。放電部分程序主要分為兩大部分，一是當飛輪在帶動直流無刷電機旋轉時，經三相全橋整流后，直流母線電壓會隨飛輪轉速的下降而降低，這個時候就要調節BOOST升壓電路將直流母線電壓穩定在310V左右，第二就是對MOSFET逆變電路控制使控制系統輸出220 V的工頻交流電。A/D轉換及調理模塊選用的是DSP 2407自帶的10位轉換模塊。

本文主要是對基于DSP芯片控制的飛輪電池儲能系統的分析研究，使整個飛輪電池儲能控制系統能量高效率的轉換和使用，采用模塊化設計理念，提出一些新方法，并結合MATLAB軟件進行了仿真試驗。提出了一種采用電力電子器件的飛輪電池儲能控制系統：并進行了理論分析和仿真建模，論文主要分析了充電和放電部分，對整體設計做出指導。

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