DSP飞轮储能控制系统研究

陈嘉铭

（北华大学电气信息工程学院，吉林 吉林 132021）

随着世界各国经济的快速发展和科技水平的不断进步，人们对能源的需要和消耗也表现出前所未有的迫切和增加，传统的能源表现出日益匮乏的态势。由于能量的利用往往是先转化为电能，伴随着新型能源的利用，必须由相应的先进的储能装置与之配合，否则，难以实现新能源的产业化发展和有效的利用。大容量储能不但能够提高能源的利用率，还有更重要的功效。这种方法无能量损耗，效果理想，对电网系统而言可以说是投资少而效益高，具有其他方式无法与之相比的优越性。

目前化学蓄能在蓄能市场中得到了广泛的应用，常用的蓄电池具有能耗量低、需要长时间充电、使用周期短、对环境污染大等缺点。本文设计了一项新颖的电能存储方法，突破了传统的化学能储能方式，将电能用机械能的方式蓄存起来，即飞轮储能。

飞轮储能包括三部分，分别是电能输入、存储和电能输出。系统基本的工作原理具体来说是，充电过程中，飞轮被电机驱动，在电机的带动下高速旋转，将电能以机械能的形式储存。放电过程中，已经在高速旋转的飞轮提供原动力，作用相当于原动机，旋转过程中带动发电机，发电机产生的电能经过电力电子变换器的调整，最后输出稳定的、可以供负载直接使用的电压、电流飞轮是真正的储能元件，也是整个储能系统的核心，系统储能的多少由飞轮直接决定，飞轮储能过程中做的是高速的旋转运动。

飞轮储能系统工作过程包括充电模式，此时电能转换为动能；保持模式，此时电能已经被转化为机械能，由高速旋转的飞轮负责储存这些能量。放电模式，即系统将机械能转化为电能，供负载使用。充电模式，外部电源通过电子变换器驱动电机旋转，飞轮在电动机的带动下高速旋转，电机工作在电动状态，电能由此被储存在飞轮中，此过程中消耗了外部电能，增加了飞轮的机械能，进而实现能量的转换、存储。保持模式，飞轮系统依靠交流电输入，飞轮保持在最高工作转速运行，能量基本保持恒定，系统损耗最低。此时，可以控制系统进入低压模式，使飞轮以额定能量运转，负载所需能量由电源直接提供。放电工作模式。高速旋转的飞轮将自身的动能转换成电能传递给负载，电机工作在发电状态。机械能被消耗，输出连续的电能。

本文研究的飞轮储能控制系统主要是对直流无刷直流电机的控制。即当系统工作在对飞轮充能状态下时，通过DSP控制电力电子器件，实现直流无刷电机带动飞轮高迅速旋转；当系统工作在飞轮释能状态时，飞轮带动电机转动，使其工作在发电状态。本章就针对无刷直流电机构建数学模型，并对其进行分析，运用特定的计算公式，以便确定各项参数。

本系统硬件结构主要包括MCU控制电路、电压电流检测电路、隔离驱动电路、系统电源和辅助电路等4个部分。控制电路是主要是指以MCU为控制核心的最小系统电路，它是整个飞轮储能系统的控制核心，采集电压、电流等反馈信号，经过分析处理后，按照程序预设输出多路PWM控制信号并负责发出声光报警信号，确保飞轮储能控制系统能正常、稳定、可靠地工作。

本文选用TMS320LF240x系列来做控制电路的核心器件。TMS320LF240x系列DSP采用高性能静态CMOS集成电路制造技术，具有先进的哈佛结构，流水线技术，片内外围模块，片内存贮器和高度专业化指令系统。该控制器具有低成本、高性能处理的DSP内核和几种最适合电机控制的先进外围设备结合在一起。

TMS320系列DSP控制器集强大的实时信号处理能力和众多控制器外设功能于一身，其这种体系结构是专门针对实时信号处理功能而设计，是高速信号处理的一种专用芯片，强大的处理速度功能是其它控制芯片无法相比的。

本文充电回路逆变器选用的是富士公司的PM30F070。该IPM内置了保护电路，与普通IGBT驱动电路设计相比，本次设计中只需要设计隔离电路即可。隔离电路的作用就是将IPM模块与控制电路的信号进行可靠的分离，即驱动IPM的PWM信号和IPM自保护产生的故障信号之间要隔离。

本文选用了IR公司的IR2103集成芯片作为功率驱动芯片，栅极驱动芯片IR2103是一种高压高速的功率MOSFET驱动器。它有两个独立的高端和低端输出通道，一个芯片可以驱动两个MOSFET管。此芯片电路基于自举驱动方法，直接驱动功率MOS-FET，其输出的浮置通道可用来驱动高端接于最大供电电压为600V的N沟道MOS-FET。

直流回路电压过大会造成功率管损坏，欠压则会使得逆变后的交流压值下降。霍尔位置检测电路在这主要有两个作用：一是检测电机定、转子的相对位置并提供驱动换相信号；二是通过检测某一路脉冲信号的个数，经软件计算后转换为速度信号，构成速度的反馈环节。

本文设计的飞轮储能控制系统在正常工作的时候，需要的电源有+24V、±15V、+5V等。控制系统中驱动、隔离、保护、检测等都需要不同的电压，所以，对电压需要特定的电路保障。根据飞轮储能系统的不同工作模式，能量转换系统在储能运行时对电动机力矩电流进行调整，确保飞轮运转的平稳、安全、可靠；而在飞轮系统释能运行时，需要对输出设备的母线电压进行调整。我们建立了飞轮储能系统的仿真模型，并进行仿真分析，确定了仿真参数。

系统主要软件分析设计要根据功能需要而设计，充电部分主要是DSP芯片TMS320F2407通过控制电力电子器件完成对无刷直流电机的控制。在软件设计和开发上，也采取了程序的模块化设计理念并且根据DSP芯片的硬件资源丰富的优点，完成充电部分控制系统的各项指标。电流环的输出换算成PWM的占空比。所以在本文的软件设计中DSP会根据电流环的输出来改变PWM占空比寄存器中输入，从而完成电流环的调节。速度的反馈量是依据转子位置信号变化的时间间隔计算得出的，它与给定转速形成的偏差，经过PID调节算法来控制无刷直流电机的转速，使其具有稳态性能好、响应速度快和抗干扰能力强等特点。放电部分程序主要分为两大部分，一是当飞轮在带动直流无刷电机旋转时，经三相全桥整流后，直流母线电压会随飞轮转速的下降而降低，这个时候就要调节BOOST升压电路将直流母线电压稳定在310V左右，第二就是对MOSFET逆变电路控制使控制系统输出220 V的工频交流电。A/D转换及调理模块选用的是DSP 2407自带的10位转换模块。

本文主要是对基于DSP芯片控制的飞轮电池储能系统的分析研究，使整个飞轮电池储能控制系统能量高效率的转换和使用，采用模块化设计理念，提出一些新方法，并结合MATLAB软件进行了仿真试验。提出了一种采用电力电子器件的飞轮电池储能控制系统：并进行了理论分析和仿真建模，论文主要分析了充电和放电部分，对整体设计做出指导。

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