飞轮电机过载能力的确定方法及飞轮储能系统与流程

本技术涉及飞轮储能，尤其涉及一种飞轮电机过载能力的确定方法及飞轮储能系统。

背景技术：

1、飞轮储能依靠电能与转子旋转动能的双向转换实现功率吞吐。在电网一次调频和风光功率平抑等应用场景中，电网功率波动具有瞬时性强、幅值大的特点，飞轮储能系统需要在短时间内以大功率充放电的方式进行响应，即依靠飞轮储能系统中电机的短时过载能力完成毫秒级大功率充放电。此时，电机允许的短时输出功率上限，也即过载能力，直接决定了飞轮储能系统能否提供调度满足的功率。因此，准确确定电机在实时运行状态下的过载能力，是功率控制策略和安全保护的前提。

2、相关技术中，飞轮储能系统中电机的过载判定方案通常是依据电机出厂铭牌所载的额定电压、额定电流和额定磁链等固定参数，对短时过载能力进行离线估计。但是这种方式未结合电机的实时运行状态，飞轮转子长期高速往复旋转，永磁体磁链会随转速和温度发生小幅变化，固定额定参数无法匹配实时磁链和实时转速状态，导致依据固定参数得到的估算模型与电机实际工况脱节，估算结果与真实短时过载能力之间存在偏差。并且，若估算结果过于保守，会限制飞轮短时输出功率，降低飞轮储能系统利用率、调频收益与功率平抑效果；若估算结果偏高，超出电机真实承载能力，会出现定子电流过载、永磁体退磁和绕组过热烧毁等风险，难以同时兼顾设备运行安全与系统功率利用效率。

技术实现思路

1、本技术实施例提供了一种飞轮电机过载能力的确定方法及飞轮储能系统，以依据电机的实际工况确定其过载能力，提高过载能力确定的准确性，兼顾设备运行安全与系统功率利用效率。

2、第一方面，本技术实施例提供了一种飞轮电机过载能力的确定方法，所述电机包括电机定子、电机转子和永磁体，所述方法包括：

3、获取所述电机转子的第一角速度；

4、根据所述第一角速度，以及预先确定的所述电机转子的机械角速度和最大输出功率的对应关系，确定所述电机在所述第一角速度下的最大输出功率，得到所述电机在当前有效磁链下的过载能力；

5、其中，所述对应关系在飞轮处于滑行间歇阶段时更新；所述更新的过程为：在飞轮处于滑行间歇阶段时，获取所述电机定子的定子端电压信号和所述电机转子的第二角速度；从所述定子端电压信号中提取出所述电机的反电动势幅值；根据所述反电动势幅值和预设的所述电机定子的最大电流限值，利用预设的电机功率计算模型，确定所述电机在所述第二角速度下的最大输出功率；根据所述第二角速度下的最大输出功率和所述第二角速度，更新所述对应关系。

6、在一种可能的实现方式中，所述根据所述反电动势幅值和预设的所述电机定子的最大电流限值，利用预设的电机功率计算模型，确定所述电机在所述第二角速度下的最大输出功率，包括：

7、将所述反电动势幅值和所述最大电流限值，代入所述电机功率计算模型，得到所述电机在所述第二角速度下的最大输出功率；

8、其中，所述电机功率计算模型为反电动势幅值、最大电流限值和最大输出功率之间的对应关系，所述对应关系为以反电动势幅值和最大电流限值为自变量，以最大输出功率为因变量的函数关系。

9、在一种可能的实现方式中，在所述根据所述反电动势幅值和预设的所述电机定子的最大电流限值，利用预设的电机功率计算模型，确定所述电机在所述第二角速度下的最大输出功率之前，还包括：

10、根据反电动势幅值、所述电机转子的机械角速度、所述永磁体的有效磁链和所述电机的反电动势结构常数，建立电机磁链模型；其中，所述反电动势结构常数、机械角速度和有效磁链的乘积等于反电动势幅值的函数关系；

11、根据所述电机的有效磁链、直轴电感、交轴电感和定子电流，建立所述电机的第一电磁功率模型；

12、基于所述电机磁链模型、所述第一电磁功率模型和所述电机定子的最大电流限值，建立电机功率计算模型。

13、在一种可能的实现方式中，所述电机为表贴式电机；所述第一电磁功率模型包括永磁功率项和磁阻功率项；

14、所述基于所述电机磁链模型、所述第一电磁功率模型和所述电机定子的最大电流限值，建立电机功率计算模型，包括：

15、基于所述第一电磁功率模型中的所述永磁功率项，得到第二电磁功率模型；

16、以所述电机定子的最大电流限值作为所述第二电磁功率模型中的定子电流的取值边界，并将所述电机磁链模型代入所述第二电磁功率模型，得到电机功率计算模型。

17、在一种可能的实现方式中，所述机械角速度和最大输出功率的对应关系为以所述机械角速度为自变量，以所述最大输出功率为因变量的一次函数；

18、所述根据所述第二角速度下的最大输出功率和所述第二角速度，更新所述对应关系，包括：

19、计算所述第二角速度下的最大输出功率和所述第二角速度之间的比值，得到功率系数；

20、将所述一次函数中的斜率更新为所述功率系数，得到更新后的对应关系。

21、在一种可能的实现方式中，在所述获取所述电机定子的定子端电压信号和所述电机转子的第二角速度之前，还包括：

22、获取所述飞轮的充放电指令；

23、根据所述飞轮的充放电指令，确定所述飞轮是否处于充电完成且未启动放电的第一区间，或者所述飞轮是否处于放电完成且未启动充电的第二区间；

24、若所述飞轮处于所述第一区间或所述第二区间，则确定所述飞轮处于滑行间歇阶段。

25、在一种可能的实现方式中，所述从所述定子端电压信号中提取出所述电机的反电动势幅值，包括：

26、从所述定子端电压信号中提取出电压幅值；

27、将所述电压幅值确定为所述电机的反电动势幅值。

28、在一种可能的实现方式中，在所述根据所述第一角速度，以及预先确定的角速度和最大输出功率的对应关系，确定所述电机在所述第一角速度下的最大输出功率，得到所述电机在当前有效磁链下的过载能力之后，还包括：

29、根据所述最大输出功率，更新所述电机的过载安全阈值；

30、基于所述过载安全阈值，控制所述电机在所述第一角速度下的输出功率。

31、在一种可能的实现方式中，所述基于所述过载安全阈值，控制所述电机在所述第一角速度下的输出功率，包括：

32、检测接收到的功率指令中的目标功率是否小于或等于所述过载安全阈值；

33、若所述目标功率小于或等于所述过载安全阈值，则控制所述电机按照所述目标功率进行输出；

34、若所述目标功率大于所述过载安全阈值，则控制所述电机按照所述过载安全阈值进行输出。

35、第二方面，本技术实施例提供了一种飞轮电机过载能力的确定装置，所述电机包括电机定子、电机转子和永磁体，所述装置包括：

36、获取模块，用于获取所述电机转子的第一角速度；

37、确定模块，用于根据所述第一角速度，以及预先确定的所述电机转子的机械角速度和最大输出功率的对应关系，确定所述电机在所述第一角速度下的最大输出功率，得到所述电机在当前有效磁链下的过载能力；

38、其中，所述对应关系在飞轮处于滑行间歇阶段时更新；更新模块，用于在飞轮处于滑行间歇阶段时，获取所述电机定子的定子端电压信号和所述电机转子的第二角速度；从所述定子端电压信号中提取出所述电机的反电动势幅值；根据所述反电动势幅值和预设的所述电机定子的最大电流限值，利用预设的电机功率计算模型，确定所述电机在所述第二角速度下的最大输出功率；根据所述第二角速度下的最大输出功率和所述第二角速度，更新所述对应关系。

39、第三方面，本技术实施例提供了一种飞轮储能系统，包括飞轮本体、电机和控制器，所述电机包括电机定子、电机转子和永磁体，所述控制器用于实现如上第一方面或第一方面的任一种可能的实现方式中的方法。

40、第四方面，本技术实施例提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上第一方面或第一方面的任一种可能的实现方式中的方法。

41、第五方面，本技术实施例提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上第一方面或第一方面的任一种可能的实现方式中的方法。

42、本技术实施例与现有技术相比存在的有益效果是：

43、本技术实施例在飞轮处于滑行间歇阶段时更新电机转子的机械角速度和最大输出功率的对应关系，得到与电机的实时运行状态密切相关的对应关系；其中，在滑行间歇阶段，飞轮处于脱离电机和负载、仅靠转子惯性维持旋转的自由滑行状态，此时采集到的定子端电压等效于反电动势，可以从定子端电压信号中提取出电机的反电动势幅值，再根据反电动势幅值和电机定子的最大电流限值，利用电机功率计算模型，能够确定出电机在第二角速度下的最大输出功率；根据第二角速度下的最大输出功率和第二角速度，明确在当前有效磁链下的关系，从而更新上述对应关系。在飞轮有载运行时，通过电机转子的第一角速度，以及电机转子的机械角速度和最大输出功率的对应关系，就能够确定电机在第一角速度下的最大输出功率，准确得到电机在当前有效磁链下的过载能力，提高过载能力确定的准确性，降低采用固定的额定磁链得到的估计结果所产生的偏差，避免得到的结果偏低或偏高，从而同时兼顾设备运行安全与系统功率利用效率。