一种基于ARM架构MCU的飞轮储能系统及设计方法与流程

一种基于arm架构mcu的飞轮储能系统及设计方法
技术领域
1.本发明涉及多台飞轮协同控制技术领域，特别是涉及一种基于arm架构mcu的飞轮储能系统及设计方法。


背景技术：

2.飞轮储能是一种新式的能量回收利用装置，可以将多余的外部能量以转子动能的形式储存起来，当外部能量不足时将转子动能转化为电能将能量释放出去。
3.发电输出端在大力推广和建设新能源电场(风电、光伏、核电等)，同时也在逐步停建火力发电场和降低火力发电份额。由于新能源电场自身的特殊性，输出的电能并入到电网后，会影响电网频率和用电安全。解决该问题的唯一办法是在新能源电场配备一次调频储能装置，使电网频率维持在合理区间内。
4.此外，在轨道交通领域，机车刹车制动时，释放大量的再生制动能量，该部分能量可被飞轮储能系统回收利用，机车启动加速时，飞轮储能系统释放储存的能量，从而可减少从电网吸收的能量，抑制牵引网压的波动，达到节能和保护用电设备的目的。其中，飞轮单机功率较小，无法满足上述应用场景的功率需求，因此需要将多台飞轮并联起来，组成大功率的飞轮储能系统。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种基于arm架构mcu的飞轮储能系统及设计方法。
6.为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
7.一种基于arm架构mcu的飞轮储能系统，所述飞轮储能系统包括：飞轮阵列控制器和飞轮储能单元；所述飞轮阵列控制器包括：stm32f103zet6芯片、输入接口电路、输出接口电路、以太网通讯电路、模拟量采集电路、人机界面和串口通讯电路，其中：
8.所述输入接口电路，识别能量管理系统发出的各种控制信号，用于飞轮阵列控制器的各种逻辑运算；
9.所述输出接口电路，用于向能量管理系统反馈飞轮储能系统的各种状态信号；
10.所述以太网通讯电路，通过stm32f103zet6芯片的spi模块实现10m/100m网口通信，用于向各台飞轮储能单元发出充放电指令信号、充放电功率值；
11.所述模拟量采集电路，通过stm32f103zet6芯片的ad模块采集风电场并网电的电压、电流、频率以及能量管理系统的充放电功率值；
12.所述人机界面，用于实时显示飞轮控制器的各项数据，并记录历史数据；
13.所述串口通讯电路，用于将uart外设的ttl电平通过max232芯片转化为符合rs-232规范的电平，实现与人机界面进行通讯；
14.所述飞轮储能单元与以太网通讯电路连接，用于将所述飞轮储能单元的各种参数上传至飞轮阵列控制器。
15.在上述技术方案中，所述输入接口电路通过光电耦合器将外部输入信号进行隔离。
16.在上述技术方案中，所述输出接口电路通过板载继电器输出若干连接点至能量管理系统。
17.在上述技术方案中，所述飞轮阵列控制器采集到能量管理系统的充电功率值、接收到允许飞轮充电的指令，通过内部逻辑运算后，并通过tcp/ip通讯，向各台飞轮储能单元下发充指令及充电功率值，所述飞轮储能单元通过tcp/ip通讯接收到飞轮阵列控制器下发的充电指令后，立即进入充电状态。
18.在上述技术方案中，当所述飞轮阵列控制器没有采集到能量管理系统的充放电功率值或未接收到允许飞轮充放电指令时，各台飞轮储能单元维持待机状态；当飞轮阵列控制器检测到飞轮储能单元发生故障时，飞轮阵列控制器发出飞轮总故障信号，此时屏蔽能量管理系统发出的各种指令。
19.在上述技术方案中，所述tcp/ip通讯基于16口千兆交换机实现。
20.在上述技术方案中，所述人机界面包括主界面、飞轮储能单元参数界面和充放电数据记录界面
21.在上述技术方案中，所述飞轮储能系统的设计方法如下：：
22.s1：从主程序进入；
23.s2：配置时钟模块：配置stm32f103zet6芯片的系统时钟、高速时钟和低速时钟，使能运行于gpio、uart、ad、spi和定时器的时钟功能；
24.s3：配置各种外设：配置定时器、gpio、uart、ad、spi模块的相关寄存器；
25.s4：初始化参数：给定时器相关的寄存器赋予初始值；
26.s5：故障检测：检测各台飞轮储能单元是否有故障，以及检测rs-232通讯、tcp/ip通讯是否有工作异常；
27.s6：飞轮阵列控制器工作使能：当飞轮阵列控制器显示允许工作标志置时，允许运行；
28.s7：循环等待：所述飞轮阵列控制器运行进入主循环，在主循环中飞轮阵列控制器向人机界面或各台飞轮储能单元发送数据或命令时，等待定时器中断发生。
29.在上述技术方案中，所述stm32f103zet6芯片1的系统时钟为72mhz。
30.在上述技术方案中，所述高速时钟和低速时钟分别为72mhz和36mhz。
31.在上述技术方案中，所述允许工作标志置是1。
32.在上述技术方案中，所述定时器中断发生过程如下：
33.步骤1，定时器中断发生时，进入定时器中断程序；
34.步骤2，识别定时器中断：清除定时器的中断标志位，使定时器可申请后续中断；
35.步骤3，采集充放电功率指令：基于预先训练完成的ad模块采集能量管理系统的充放电功率值，根据内嵌算法转化为飞轮阵列控制器对应的实际功率；
36.步骤4，识别允许充放电指令：基于预先训练完成的gpio模块识别能量管理系统下发的允许充放电指令，若允许充电指令有效且充电功率为正值，则允许飞轮储能单元充电；若允许放电指令有效且放电功率为负值，则允许飞轮储能单元放电；否则，飞轮储能单元维持待机状态；
37.步骤5，通过tcp/ip协议下发飞轮储能单元充放电功率值；
38.步骤6，中断完成返回主程序。
39.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
40.本发明设计了一种基于arm架构mcu的飞轮阵列控制器。在实际应用中，飞轮阵列控制器可协同控制多台飞轮储能单元，充放电功率值具有良好的线性度，飞轮储能单元充电、放电、待机三种状态下均可正常工作，可满足新能源电场一次调频和轨道交通再生制动能量综合利用场景的需求。
附图说明
41.图1所示为本发明的飞轮储能系统架构示意图。
42.图2所示为本发明的飞轮阵列控制器的设计方法的流程图。
43.图3所示为本发明的定时器中断发生过程的流程图。
具体实施方式
44.以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
45.实施例1
46.一种基于arm架构mcu的飞轮储能系统，所述飞轮储能系统包括：飞轮阵列控制器和飞轮储能单元8；参见图1，所述飞轮阵列控制器包括：stm32f103zet6芯片1、输入接口电路2、输出接口电路3、以太网通讯电路4、模拟量采集电路5、人机界面6和串口通讯电路7，其中：
47.所述输入接口电路2，识别能量管理系统发出的各种控制信号，用于飞轮阵列控制器的各种逻辑运算。
48.所述输出接口电路3，用于向能量管理系统反馈飞轮储能系统的各种状态信号。
49.所述以太网通讯电路4，通过stm32f103zet6芯片1的spi模块实现10m/100m网口通信，用于向各台飞轮储能单元发出充放电指令信号、充放电功率值。
50.所述模拟量采集电路5，通过stm32f103zet6芯片1的ad模块采集风电场并网电的电压、电流、频率以及能量管理系统的充放电功率值。
51.所述人机界面6，用于实时显示飞轮控制器的各项数据，并记录历史数据。
52.所述串口通讯电路7，用于将uart外设的ttl电平通过max232芯片转化为符合rs-232规范的电平，实现与人机界面6进行通讯。
53.所述飞轮储能单元与以太网通讯电路4连接，用于将所述飞轮储能单元的各种参数上传至飞轮阵列控制器。
54.进一步的，所述飞轮阵列控制器采集到能量管理系统的充电功率值、接收到允许飞轮充电的指令，通过内部逻辑运算后，并通过tcp/ip通讯，向各台飞轮储能单元下发充指令及充电功率值，所述飞轮储能单元通过tcp/ip通讯接收到飞轮阵列控制器下发的充电指令后，立即进入充电状态。
55.其中，当所述飞轮阵列控制器没有采集到能量管理系统的充放电功率值或未接收到允许飞轮充放电指令时，各台飞轮储能单元维持待机状态；当飞轮阵列控制器检测到飞
轮储能单元发生故障时，飞轮阵列控制器发出飞轮总故障信号，此时屏蔽能量管理系统发出的各种指令。
56.进一步的，所述tcp/ip通讯基于16口千兆交换机实现。
57.具体的讲，为了减少外部干扰信号引起所述飞轮阵列控制器产生错误动作，所述输入接口电路2通过光电耦合器将外部输入信号进行隔离；所述输出接口电路3通过板载继电器输出若干连接点至能量管理系统。
58.进一步的，所述输入接口电路2、输出接口电路3、以太网通讯电路4、模拟量采集电路5、人机界面6和串口通讯电路7为以stm32f103zet6芯片1为核心的外围电路。其中，所述stm32f103zet6芯片1能够满足飞轮阵列控制器的各种功能需求。
59.进一步的，所述人机界面6包括主界面、飞轮储能单元参数界面和充放电数据记录界面。
60.实施例2
61.在实施例1的基础上，参见图2，所述飞轮阵列控制器的设计方法如下：
62.s1：从主程序进入。
63.s2：配置时钟模块。
64.具体的，配置stm32f103zet6芯片1的系统时钟、高速时钟和低速时钟，使能运行于gpio、uart、ad、spi和定时器的时钟功能。
65.进一步的，所述stm32f103zet6芯片1的系统时钟为72mhz；所述高速时钟和低速时钟分别为72mhz和36mhz。
66.s3：配置各种外设。
67.配置定时器、gpio、uart、ad、spi模块的相关寄存器，使其运行于正常工作模式，使能运行于定时器的中断功能。
68.s4：初始化参数。
69.给定时器相关的寄存器赋予初始值，
70.s5：故障检测。
71.检测各台飞轮储能单元是否有故障，以及检测rs-232通讯、tcp/ip通讯是否有工作异常；若飞轮储能单元有故障或rs-232通讯、tcp/ip通讯工作异常，则飞轮阵列控制器报警并停止运行。
72.s6：飞轮阵列控制器工作使能。
73.当飞轮阵列控制器显示允许工作标志置时，允许运行。
74.进一步的，所述允许工作标志置是1。
75.s7：循环等待。
76.所述飞轮阵列控制器运行进入主循环，在主循环中飞轮阵列控制器向人机界面7或各台飞轮储能单元8发送数据或命令时，等待定时器中断发生。
77.具体的，参见图3，所述定时器中断发生过程如下：
78.步骤1，定时器中断发生时，进入定时器中断程序。
79.步骤2，识别定时器中断。
80.清除定时器的中断标志位，使定时器可申请后续中断。
81.步骤3，采集充放电功率指令。
82.基于预先训练完成的ad模块采集能量管理系统的充放电功率值，根据内嵌算法转化为飞轮阵列控制器对应的实际功率。
83.步骤4，识别允许充放电指令。
84.基于预先训练完成的gpio模块识别能量管理系统下发的允许充放电指令。若允许充电指令有效且充电功率为正值，则允许飞轮储能单元充电；若允许放电指令有效且放电功率为负值，则允许飞轮储能单元放电；否则，飞轮储能单元维持待机状态。
85.步骤5，通过tcp/ip协议下发飞轮储能单元充放电功率值。
86.计算每台飞轮储能单元8的充放电功率值，并将该功率值通过tcp/ip协议下发至每台飞轮储能单元。所述飞轮储能单元8充放电结束后，取消发送充放电功率值。
87.步骤6，中断完成返回主程序。
88.以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于arm架构mcu的飞轮储能系统，其特征在于，所述飞轮储能系统包括：飞轮阵列控制器和飞轮储能单元；所述飞轮阵列控制器包括：stm32f103zet6芯片、输入接口电路、输出接口电路、以太网通讯电路、模拟量采集电路、人机界面和串口通讯电路，其中：所述输入接口电路，识别能量管理系统发出的各种控制信号，用于飞轮阵列控制器的各种逻辑运算；所述输出接口电路，用于向能量管理系统反馈飞轮储能系统的各种状态信号；所述以太网通讯电路，通过stm32f103zet6芯片的spi模块实现10m/100m网口通信，用于向各台飞轮储能单元发出充放电指令信号、充放电功率值；所述模拟量采集电路，通过stm32f103zet6芯片的ad模块采集风电场并网电的电压、电流、频率以及能量管理系统的充放电功率值；所述人机界面，用于实时显示飞轮控制器的各项数据，并记录历史数据；所述串口通讯电路，用于将uart外设的ttl电平通过max232芯片转化为符合rs-232规范的电平，实现与人机界面进行通讯；所述飞轮储能单元与以太网通讯电路连接，用于将所述飞轮储能单元的各种参数上传至飞轮阵列控制器。2.根据权利要求1所述的飞轮储能系统，其特征在于，所述输入接口电路通过光电耦合器将外部输入信号进行隔离。3.根据权利要求1所述的飞轮储能系统，其特征在于，所述输出接口电路通过板载继电器输出若干连接点至能量管理系统。4.根据权利要求1所述的飞轮储能系统，其特征在于，所述飞轮阵列控制器采集到能量管理系统的充电功率值、接收到允许飞轮充电的指令，通过内部逻辑运算后，并通过tcp/ip通讯，向各台飞轮储能单元下发充指令及充电功率值，所述飞轮储能单元通过tcp/ip通讯接收到飞轮阵列控制器下发的充电指令后，立即进入充电状态。5.根据权利要求4所述的飞轮储能系统，其特征在于，当所述飞轮阵列控制器没有采集到能量管理系统的充放电功率值或未接收到允许飞轮充放电指令时，各台飞轮储能单元维持待机状态；当飞轮阵列控制器检测到飞轮储能单元发生故障时，飞轮阵列控制器发出飞轮总故障信号，此时屏蔽能量管理系统发出的各种指令。6.根据权利要求4所述的飞轮储能系统，其特征在于，所述tcp/ip通讯基于16口千兆交换机实现。7.根据权利要求1所述的飞轮储能系统，其特征在于，所述人机界面包括主界面、飞轮储能单元参数界面和充放电数据记录界面。8.如权利要求1所述飞轮储能系统的设计方法如下：s1：从主程序进入；s2：配置时钟模块：配置stm32f103zet6芯片的系统时钟、高速时钟和低速时钟，使能运行于gpio、uart、ad、spi和定时器的时钟功能；s3：配置各种外设：配置定时器、gpio、uart、ad、spi模块的相关寄存器；s4：初始化参数：给定时器相关的寄存器赋予初始值；s5：故障检测：检测各台飞轮储能单元是否有故障，以及检测rs-232通讯、tcp/ip通讯是否有工作异常；
s6：飞轮阵列控制器工作使能：当飞轮阵列控制器显示允许工作标志置时，允许运行；s7：循环等待：所述飞轮阵列控制器运行进入主循环，在主循环中飞轮阵列控制器向人机界面或各台飞轮储能单元发送数据或命令时，等待定时器中断发生。9.根据权利要求8所述的飞轮储能系统的设计方法，其特征在于，所述stm32f103zet6芯片1的系统时钟为72mhz。10.根据权利要求8所述的飞轮储能系统的设计方法，其特征在于，所述高速时钟和低速时钟分别为72mhz和36mhz。11.根据权利要求8所述的飞轮储能系统的设计方法，其特征在于，所述允许工作标志置是1。12.根据权利要求8所述的飞轮储能系统的设计方法，其特征在于，所述定时器中断发生过程如下：步骤1，定时器中断发生时，进入定时器中断程序；步骤2，识别定时器中断：清除定时器的中断标志位，使定时器可申请后续中断；步骤3，采集充放电功率指令：基于预先训练完成的ad模块采集能量管理系统的充放电功率值，根据内嵌算法转化为飞轮阵列控制器对应的实际功率；步骤4，识别允许充放电指令：基于预先训练完成的gpio模块识别能量管理系统下发的允许充放电指令，若允许充电指令有效且充电功率为正值，则允许飞轮储能单元充电；若允许放电指令有效且放电功率为负值，则允许飞轮储能单元放电；否则，飞轮储能单元维持待机状态；步骤5，通过tcp/ip协议下发飞轮储能单元充放电功率值；步骤6，中断完成返回主程序。

技术总结
本发明公开了一种基于ARM架构MCU的飞轮储能系统，所述飞轮储能系统包括：飞轮阵列控制器和飞轮储能单元；所述飞轮阵列控制器包括：STM32F103ZET6芯片、输入接口电路、输出接口电路、以太网通讯电路、模拟量采集电路、人机界面和串口通讯电路。本发明的飞轮阵列控制器可协同控制多台飞轮储能单元，充放电功率值具有良好的线性度，飞轮储能单元充电、放电、待机三种状态下均可正常工作，可满足新能源电场一次调频和轨道交通再生制动能量综合利用场景的需求。的需求。的需求。


技术研发人员：姚广 肖萌 赵武玲
受保护的技术使用者：核工业理化工程研究院
技术研发日：2023.03.03
技术公布日：2023/9/11