一、 项目简介

1.     近几年，随着石油、天然气等传统能源的使用危机日益严峻，对超高速的飞轮储能技术的研究已经逐渐成为当前一个热门话题，本项目就是我公司为河北冀东集团盾石电气设计制造的一套飞轮储能自动化控制系统。

2.     该系统主要包括一套900V/500A的直流控制系统和一套900V/444A的放电系统。直流控制系统给飞轮电机供电，飞轮储存能量，放电系统通过直流斩波给飞轮储存的能量放电，通过触摸屏给定和监控电源参数。

使用的主要器件有S7-200 224XP，EM231模拟量模块，EM232模拟量输出模块，LOGO！12/24RC LOGO！AM2AQ  西门子接触器3TF6944-0C（820A）西门子3RT-5056（330A）2台英飞凌IGBT 3300V/1200A 英飞凌600A/1700V快恢复二极管模块等。

一、 控制系统构成

1.   直流系统采用12脉波整流，利用温度传感器测量变压器温度，用稳流稳压触发板控制整流器工作。参数的显示、给定、远传均使用西门子S7-200PLC及相应的扩展模块来做。

放电系统采用IGBT作为主要元件，通过PWM放电控制板与光纤驱动板来控制，参数的显示、设定等均使用西门子LOGO！来控制。

               整流柜及放电柜

2.   控制原理图

2.1整流系统原理图

KM 交流接触器3TF6944-0C

T     12脉波变压器

FU    快速熔断器

L     平衡电抗器

C     电容器组

WL/WY 稳流稳压控制板

AC/DC 开关电源

HMI   触摸屏

Us    电压取样

Is    电流取样

Uso   电压变送输出

Iso   电流变送输出

以上分别为整流电路和放电电路原理图

1.    该项目采用了12脉波整流技术及斩波放电技术，比传统的全桥整流脉动更小，在较小的平衡电抗器和滤波电容器的情况下，可以很容易地将纹波系数限制在0.5%以下。

 2.   利用西门子PLC和LOGO!控制器作为状态监控和电压给定，对功能参数的读取更直观，控制更方便。

二、 控制系统完成的功能

1.     利用西门子PLC进行模拟量的处理，并通过专用仪器对照实测电流和电压参数进行调整后，可以实现精确的参数观测及远传，实时计算飞轮的存储功率，通过读取稳流稳压控制板的过流、过热、过压、缺相等保护信号，在程序和界面中加以体现，确保飞轮的稳定可靠运行。另外，该控制程序还增加了根据负载轻重自动投切滤波电容，从一定程度上消除了小功率负载接入后大的直流滤波电容器产生的惯量，从一定程度上提高了控制精度和系统的动态性能。

放电系统采用高压IGBT，使用光线驱动技术，通过LOGO！去给定放电参数，而且具备多种放电曲线供测试时选择，最终放电采用1分钟为周期，循环放电的方式，软启动、软停车，避免了对整个系统的冲击。通过对电流电压值的取样、标定，在LOGO！的自带屏幕上可以准确显示实际值和给定值。

2.     调试过程中的问题

由于所应用的西门子产品都是成熟技术，在调试过程中除简单校正了显示参数之外，几乎没遇到什么问题。

在测试时，因为IGBT的RCD吸收电路没有做好，造成一只芯片过压击穿，重新更换IGBT并优化吸收电路参数后，故障排除。

在现场调试时，因客户定制的电阻箱容量不足，造成电阻起火烧毁，经我方与电阻厂家协调后，已更换足功率电阻箱。

3.     电源波形图

3.1直流电源输出波形

因为用户的使用范围是DC650V-DC900V，所以在实际测试时，我们分别抓取了底限650V和高限900V的波形，纹波系数完全满足用户的要求。

4、整流系统在调试时主要针对输出的给定、滤波电容的投切、输出功率的计算作了重点的调整，对输出电压、电流以及相应的过压过流值根据可用要求在触摸屏上作了调整。

4.1 给定值的运算：

下面给出了各项给定值运算方法和编程思路。

// 1、整流给定值运算

// 2、放电给定值运算，放电按照显示值进行控制，即，最大允许1.2倍的给定量程

// 3、整流给定值的逆运算

//       当采用近控时，给定数值由近控控制

//       当采用源控制，给定数值由远控电位器控制，并进行逆运算，防止近远控给定数值的不一致性

// 4、放电的电压要比给定电压至少高10V，否则被代替

// 5、加辅助关断，用于故障关断

4.2 滤波电容的投切：

电容的投切控制是根据投入的负载电阻决定滤波电容器的投切级数。

滤波电容投切的思路：

// 设定参数保存

// 将系统参入写入到永久性存储器中

// 根据状态位修改需要写入的

// Cn 投入的总电容值

// C1、C2、C3每级的电容值

// R 计算所得的负载电阻值

4.3 输出功率的计算

功率计算是根据客户要求后加的程序，直接在现场进行了修改，即用V*I/1000换算为千瓦数。通过功率的显示，可以很直观地读出飞轮存储的能量，反应储能和能量释放过程的动态变化。

//VD508 电流测量值

  VD512 电压测量值

  VD524 功率值

LD     SM0.0

MOVR   VD508, AC0

AENO

*R   VD512, AC0

AENO

MOVR   AC0, VD524

/R     1000.0, VD524

5、放电系统的调试主要针对现场实际情况加入了循环放电程序，并根据负载情况对循环时间作了调整，针对信号的稳定问题作了均值滤波。

使用斜坡函数发生器给定斩波器的控制信号，可以很方便的进行软启动和软停车。

循环控制程序以异步脉冲触发器为核心，通过对触发器周期和脉宽的设置，来控制斩波器的循环工作时间。

    在中控台给LOOO！发送启动信号时，LOGO！向中控发送应答信号，并使能放电控制器。

就地使用电位器给定，为DC0-5V控制信号，主要作用为现场调试和校对用。

中控使用4-20mA信号。方法是将给定信号细分为0-444A的电流值，使用模拟量放大器将控制信号标定为实际值，使用均值滤波程序稳定给定显示参数。用校准仪和福禄克电压表校对斩波器输出值和LOGO！显示值，结果非常理想。

对于LOGO！控制实现的效果，用户负责验收的工程师对此赞不绝口，没想到一款简单的控制器，能做成这样的效果。

以下为循环放电程序：

程序以1min为1个周期，放电17S，这个时间在异步脉冲触发器B057中设置。B006和B004分别为中控和本地启动信号。

给定信号：通过B014和I2选取本地电流给定（B001）或中控电流给定（B008），并将其送给滤波及信号处理程序。处理好的信号由B011输出，并由斜坡函数发生器引用输出。

                                          LOGO！程序图

因篇幅问题，滤波程序及多次曲线程序未在此处列出。思路是，LOGO！取得的电流值在20次取值后相加，所得的值在B012功能块中除以20，作为滤波后的稳定值。