采用电励磁同步电机的飞轮储能机侧变流系统控制方法与流程

本发明涉及一种电机控制技术，特别涉及一种采用电励磁同步电机的飞轮储能机侧变流系统控制方法。

背景技术：

1、飞轮储能系统是一种物理储能装置，通过电动机将电能转换为飞轮的动能进行存储，在需要时再通过发电机将动能转换为电能。飞轮储能系统具有功率密度高、循环寿命长，对环境友好等优点，在电力系统调频、不间断电源、轨道交通能量回收等领域具有广泛应用前景。

2、飞轮储能电机主要有永磁同步电机和电励磁同步电机；永磁同步电机由于结构简单、高功率密度等优点被广泛采用，但其气隙磁场固定不可调，导致待机阶段空载损耗难以抑制，造成能量浪费，且永磁材料存在失磁风险，成本较高。相比之下，电励磁同步电机作为一种励磁可调的电机，在飞轮储能系统中具有明显优势：通过调节励磁电流可以控制电机的气隙磁场，电机具有更宽的满载运行转速区间，放电深度可达90%，并可在待机时关断励磁，大幅降低待机损耗。

3、然而，现有的飞轮储能系统控制方法主要依托永磁同步电机进行设计，控制手段较为单一，而飞轮储能系统在实际运行中需要应对多种工况，例如在电网调频时需要快速响应，在能量保持阶段需要高效率，在一般运行阶段需要在性能和效率间取得平衡。

4、因此，亟需一种方法针对电励磁同步电机的励磁可调节功能设计的飞轮储能机侧变流系统控制方法。

技术实现思路

1、针对现有飞轮储能领域控制技术中的缺失，本发明提出了一种采用电励磁同步电机的飞轮储能机侧变流系统控制方法，通过建立双向变流系统拓扑结构与d-q旋转坐标系下的电机数学模型，设计机侧变流器系统的控制方法，采用电压外环-电流内环的双闭环控制方法，电流内环采用前馈解耦控制，并针对电压外环，提出了一种多模式控制方法，包括高性能模式、低功耗模式和平衡模式。

2、发明的技术方案为：提供一种采用电励磁同步电机的飞轮储能机侧变流系统控制方法，通过以下步骤实现：

3、步骤1：建立飞轮储能系统的双向变流系统拓扑结构，包括机侧变流器、直流母线、网侧变流器以及电励磁同步电机和飞轮转子。

4、优选的，为降低器件开关损耗、减少输出波形的谐波，所述机侧变流器采用三相三电平拓扑结构，网侧变流器采用三相两电平拓扑结构，直流母线并联有支撑电容，其中机侧变流器还包含了励磁系统和预充电路，励磁系统采用h桥电路，三相ups通过不控整流给励磁系统和机侧变流器预充电路供电。

5、步骤2：建立电励磁同步电机在abc三相静止坐标系下的数学模型，通过clarke变换和park变换，将数学模型转换到d-q旋转坐标系下的电机方程，得到d-q轴坐标系下的电压方程和磁链方程。

6、优选的，所述的d-q旋转坐标系的d轴于励磁绕组磁链正方向一致，q轴超前d轴90°，并规定以电动机惯例对电励磁同步电机进行数学建模，d轴和q轴电压方程为：

7、

8、其中，、分别为d轴和q轴电压，、分别为d轴和q轴电流，为定子电阻，、分别为d轴和q轴电感，为电角速度，为励磁绕组与电枢绕组互感。励磁电压和磁链方程如下：

9、

10、其中，为励磁电压，为励磁电流，为励磁绕组电阻，为励磁绕组自感，为励磁磁链。

11、步骤3：基于电压外环-电流内环的双闭环控制架构，设计机侧变流系统控制方法，其中电流内环采用前馈解耦控制，分别设计d轴电流pi控制器和q轴电流pi控制器，实现d轴和q轴电流的独立控制。

12、优选的，所述前馈解耦控制，定义一组量、作为d-q轴电流pi控制器，在d轴电流pi控制器的输出中加入q轴电流耦合项作为前馈补偿，在q轴电流pi控制的输出中加入d轴电流耦合项作为前馈补偿。所述电流内环pi控制器如下：

13、

14、其中、分别为d轴和q轴电压参考值，、分别为d轴和q轴电流参考值，、分别为d轴电流环比例和积分系数，、分别为q轴电流环比例和积分系数，s为拉普拉斯算子。

15、步骤3中还包括励磁电流环控制，设计励磁电流pi控制器，实现对励磁电流的闭环控制，所述励磁电流pi控制器的输出为励磁电压参考值：

16、

17、其中，、分别为励磁电流环比例和积分系数，为励磁电流参考值，为实际励磁电流。

18、步骤4：设计电压外环控制器，为电流内环提供d轴、q轴和励磁电流参考值，所述电压外环根据不同的电流参考值计算方法，设计高性能、平衡和低功耗三种控制模式，所述电压外环根据飞轮储能系统的实时运行状态和外部指令，动态选择或切换运行模式。

19、优选的，所述高性能控制模式，以提高系统动态响应速度和输出能力为目标，模拟永磁电机的工作方式，维持励磁电流不变，调节、来维持机端电压和功率稳定，该模式下励磁电流参考值根据额定功率建立，励磁电流参考值、q轴电流参考值和d轴电流参考值如下：

20、

21、其中，为额定功率，为功率参考值，为额定电压，为励磁绕组与单相电枢绕组的互感峰值，、为直轴和交轴同步电感，为电机相数。

22、所述低功耗模式，以降低系统损耗为目标，当飞轮储能系统处于待机状态时，无需响应功率指令，可关闭励磁，首先根据实时转速确定励磁电流、额定直轴电流、额定交轴电流，其中额定功率应与参考功率符号一致：

23、

24、随后，根据功率参考值等比缩放至电流内环参考值、、，注意须保持与同极性，始终为正，始终为负（去磁）。励磁电流参考值、q轴电流参考值和d轴电流参考值如下：

25、

26、所述平衡模式，综合高性能模式响应速度快和低功耗模式待机损耗低的优点，是在飞轮待机时适度降低励磁电流，当响应功率指令时，励磁电流从空载开始建立，可保证响应速度。该模式下d、q轴控制方法与高性能模式相同，励磁电流参考值根据功率参考值计算得到，励磁电流参考值、q轴电流参考值和d轴电流参考值如下：

27、

28、本发明的有益效果在于：本发明提出了一种采用电励磁同步电机的飞轮储能系统控制方法。本发明的方法特别适用于电励磁同步电机，通过控制励磁电流，可以灵活调节气隙磁场，实现宽转速范围内的高效运行；电流内环采用前馈解耦控制，实现了d轴和q轴电流的独立控制，提高了系统的动态响应性能和控制精度；通过设计高性能、平衡和低功耗三种控制模式，可以适应飞轮储能系统在不同工况下的运行需求，提高了系统的适应性和经济性。

1.一种采用电励磁同步电机的飞轮储能机侧变流系统控制方法，其特征在于，通过以下步骤实现：

2.根据权利要求1所述的采用电励磁同步电机的飞轮储能机侧变流系统控制方法，其特征在于，步骤1中所述双向变流系统拓扑结构中，机侧变流器采用三相三电平拓扑结构，网侧变流器采用三相两电平拓扑结构，直流母线并联有支撑电容；电励磁同步电机与飞轮转子采用一体式结构，电机励磁绕组位于定子上，飞轮转子通过磁悬浮轴承支撑，在真空环境中运行。

3.根据权利要求2所述的采用电励磁同步电机的飞轮储能机侧变流系统控制方法，其特征在于，所述机侧变流器还包含了励磁系统和预充电路，励磁系统采用h桥电路，三相ups通过不控整流给励磁系统和机侧变流器预充电路供电。

4.根据权利要求1所述的采用电励磁同步电机的飞轮储能机侧变流系统控制方法，其特征在于，步骤2中所述的d-q旋转坐标系的d轴于励磁绕组磁链正方向一致，q轴超前d轴90°，并规定以电动机惯例对电励磁同步电机进行数学建模，d轴和q轴电压方程为：

5.根据权利要求1所述的采用电励磁同步电机的飞轮储能机侧变流系统控制方法，其特征在于，步骤3中所述前馈解耦控制，定义一组量、作为d-q轴电流pi控制器，在d轴电流pi控制器的输出中加入q轴电流耦合项作为前馈补偿，在q轴电流pi控制的输出中加入d轴电流耦合项作为前馈补偿；所述电流内环pi控制器如下：

6.根据权利要求1或5所述的采用电励磁同步电机的飞轮储能机侧变流系统控制方法，其特征在于，步骤3中还包括励磁电流环控制，设计励磁电流pi控制器，实现对励磁电流的闭环控制，所述励磁电流pi控制器的输出为励磁电压参考值：

7.根据权利要求1所述的采用电励磁同步电机的飞轮储能机侧变流系统控制方法，其特征在于，步骤4中所述高性能控制模式，以提高系统动态响应速度和输出能力为目标，模拟永磁电机的工作方式，维持励磁电流不变，调节、来维持机端电压和功率稳定，该模式下励磁电流参考值根据额定功率建立，励磁电流参考值、q轴电流参考值和d轴电流参考值如下：

8.根据权利要求1所述的采用电励磁同步电机的飞轮储能机侧变流系统控制方法，其特征在于，步骤4中所述低功耗模式，以降低系统损耗为目标，当飞轮储能系统处于待机状态时，无需响应功率指令，可关闭励磁；首先根据实时转速确定励磁电流、额定直轴电流、额定交轴电流，其中额定功率应与参考功率符号一致：

9.根据权利要求1所述的采用电励磁同步电机的飞轮储能机侧变流系统控制方法，其特征在于，步骤4中所述平衡模式，是在飞轮待机时适度降低励磁电流，当响应功率指令时，励磁电流从空载开始建立，可保证响应速度；该模式下dq轴控制方法与高性能模式相同，励磁电流参考值根据功率参考值计算得到，励磁电流参考值、q轴电流参考值和d轴电流参考值如下：