CN109639204A - 基于十二相永磁同步电机的飞轮储能控制系统及控制方法 - Google Patents

基于十二相永磁同步电机的飞轮储能控制系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于十二相永磁同步电机的飞轮储能控制系统及控制方法，其中，该系统包括：坐标变换模块，用于获取十二相永磁同步电机的十二相电流值和电机转子位置角，根据位置角对电流值进行坐标变换生成同一旋转坐标系下电机的四套绕组的d‑q轴电流值；生成模块，用于获取d‑q轴参考电流值，根据d‑q轴电流值和d‑q轴参考电流值生成飞轮储能系统的电流内环以生成电流内环的输出；控制模块，通过空间电压矢量调制技术对电流内环的输出进行处理得到飞轮储能系统中多个变流器的各个桥臂的驱动信号来控制第一至四变流器的开关管，进而控制飞轮储能系统的充放电。该方法采用矢量控制方法，实现了大功率高效率飞轮储能系统的充放电控制。

Description

基于十二相永磁同步电机的飞轮储能控制系统及控制方法
技术领域
本发明涉及储能及电机控制技术领域，特别涉及一种基于十二相永磁同步电机的飞轮储能控制系统及控制方法。
背景技术
随着大量不稳定的新能源，例如太阳能、风能等接入电网，对电网的稳定运行带来一定的冲击，因此，可以用于缓解冲击提高电网稳定运行能力的储能技术就显得至关重要。飞轮储能技术的高功率密度、长寿命、快速响应能力以及环境友好等优点，使其在电力调峰、不间断电源等领域得到了较为广泛的应用。
近年来，借助电力电子技术，电机相数不再局限为三相，而可以拓展到任意相数。为了实现飞轮储能系统的大功率充放电，目前的解决方法主要有两种：一是基于三相电机，借助多电平技术或是串并联开关器件技术，提高三相电机的电压和电流；二是基于多相电机，增加电机的相数，提高系统功率。第二种方法控制自由度更高，变流器设计简单。另外，多相电机定子励磁产生的空间谐波磁动势次数提高、幅值降低，减小了转子损耗，效率较三相电机有所提高。但还没有相关的研究将十二相永磁同步电机应用于飞轮储能系统。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种基于十二相永磁同步电机的飞轮储能控制系统，该系统采用矢量控制方法，实现了大功率高效率飞轮储能系统的充放电控制。
本发明的另一个目的在于提出一种基于十二相永磁同步电机的飞轮储能控制方法。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种基于十二相永磁同步电机的飞轮储能系统控制系统，包括：坐标变换模块，用于获取十二相永磁同步电机的十二相电流值和电机转子位置角，根据所述电机转子位置角对所述十二相电流值进行坐标变换生成同一旋转坐标系下所述十二相永磁同步电机的四套绕组的d-q轴电流值；生成模块，用于获取d-q轴参考电流值，根据所述四套绕组的d-q轴电流值和所述d-q轴参考电流值生成飞轮储能系统的电流内环以生成所述电流内环的输出；控制模块，通过空间电压矢量调制技术对所述电流内环的输出进行处理得到所述飞轮储能系统中第一至第四变流器的各个桥臂的驱动信号，通过所述驱动信号控制所述第一至四变流器的开关管，进而控制所述飞轮储能系统的充放电。
本发明实施例的基于十二相永磁同步电机的飞轮储能系统控制系统，通过使用十二相永磁同步电机驱动飞轮，在不增加相应变流器电压、电流等级的条件下提高飞轮储能系统充放电的功率，而且通过降低低次谐波含量，减小电机转子损耗，提高了系统的效率，实现了多相电机与飞轮储能系统的结合，拓展了十二相永磁同步电机的应用前景以及飞轮储能系统的应用电机类型。
另外，根据本发明上述实施例的基于十二相永磁同步电机的飞轮储能系统控制系统还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述获取d-q轴参考电流值，包括：在所述飞轮储能系统充电时获取所述飞轮储能系统中飞轮电机的转速信息，根据所述转速信息和所述飞轮电机的参考转速信息生成所述飞轮储能系统的转速外环；在所述飞轮储能系统放电时获取直流母线的电压值，根据所述直流母线的电压值和所述直流母线参考电压值生成所述飞轮储能系统的电压外环；所述转速外环或所述电压外环的输出根据弱磁控制策略生成电流内环的所述d-q轴参考电流值。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述根据所述电机转子位置角对所述十二相电流值进行坐标变换的变换式为：
其中，θ为十二相永磁同步电机的电机转子位置角，
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述通过空间电压矢量调制技术对所述电流内环的输出进行处理包括：对所述电流内环的输出进行反Park变换得到静止坐标系下的参考电压矢量，通过所述空间电压矢量调制技术对所述参考电压矢量进行处理得到所述飞轮储能系统中所述第一至第四变流器的各个桥臂的驱动信号。
进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：设定所述飞轮储能系统中飞轮的最低工作转速和最高工作转速，若所述飞轮的转速小于所述最低工作转速，则所述飞轮储能系统采用恒转矩方式进行充电；若所述飞轮的转速在所述最低工作转速和所述最高工作转速范围内，则系统采用恒功率方式进行充电和放电。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种基于十二相永磁同步电机的飞轮储能系统控制方法，包括：获取十二相永磁同步电机的十二相电流值和电机转子位置角，根据所述电机转子位置角对所述十二相电流值进行坐标变换生成同一旋转坐标系下所述十二相永磁同步电机的四套绕组的d-q轴电流值；获取d-q轴参考电流值，根据所述四套绕组的d-q轴电流值和所述d-q轴参考电流值生成飞轮储能系统的电流内环以得到所述电流内环的输出；通过空间电压矢量调制技术对所述电流内环的输出进行处理得到所述飞轮储能系统中第一至第四变流器的各个桥臂的驱动信号，通过所述驱动信号控制所述第一至四变流器的开关管，进而控制所述飞轮储能系统的充放电。
本发明实施例的基于十二相永磁同步电机的飞轮储能系统控制方法，通过使用十二相永磁同步电机驱动飞轮，在不增加相应变流器电压、电流等级的条件下提高飞轮储能系统充放电的功率，而且通过降低低次谐波含量，减小电机转子损耗，提高了系统的效率，实现了多相电机与飞轮储能系统的结合，拓展了十二相永磁同步电机的应用前景以及飞轮储能系统的应用电机类型。
另外，根据本发明上述实施例的基于十二相永磁同步电机的飞轮储能系统控制方法还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述获取d-q轴参考电流值，包括：在所述飞轮储能系统充电时获取所述飞轮储能系统中飞轮电机的转速信息，根据所述转速信息和所述飞轮电机的参考转速信息生成所述飞轮储能系统的转速外环；在所述飞轮储能系统放电时获取直流母线的电压值，根据所述直流母线的电压值和所述直流母线参考电压值生成所述飞轮储能系统的电压外环；所述转速外环或所述电压外环的输出根据弱磁控制策略生成电流内环的所述d-q轴参考电流值。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述根据所述电机转子位置角对所述十二相电流值进行坐标变换的变换式为：
其中，θ为十二相永磁同步电机的电机转子位置角，
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述通过空间电压矢量调制技术对所述电流内环的输出进行处理包括：对所述电流内环的输出进行反Park变换得到静止坐标系下的参考电压矢量，通过所述空间电压矢量调制技术对所述参考电压矢量进行处理得到所述飞轮储能系统中所述第一至第四变流器的各个桥臂的驱动信号。
进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：设定所述飞轮储能系统中飞轮的最低工作转速和最高工作转速，若所述飞轮的转速小于所述最低工作转速，则所述飞轮储能系统采用恒转矩方式进行充电；若所述飞轮的转速在所述最低工作转速和所述最高工作转速范围内，则系统采用恒功率方式进行充电和放电。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施例的基于十二相永磁同步电机的飞轮储能系统控制系统结构示意图；
图2为根据本发明一个实施例的基于十二相永磁同步电机的飞轮储能系统控制系统的充电控制原理图；
图3为根据本发明一个实施例的基于十二相永磁同步电机的飞轮储能系统控制系统的放电控制原理图；
图4为根据本发明一个实施例的总体电路拓扑图；
图5为根据本发明一个实施例的十二相永磁同步电机的定子绕组连接方式图；
图6为根据本发明一个实施例的基于十二相永磁同步电机的飞轮储能系统控制方法流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于十二相永磁同步电机的飞轮储能系统控制系统及控制方法，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的基于十二相永磁同步电机的飞轮储能系统控制系统。
图1为根据本发明一个实施例的基于十二相永磁同步电机的飞轮储能系统控制系统结构示意图。
如图1所示，该飞轮储能系统控制系统10包括：坐标变换模块100、生成模块200和控制模块300。
其中，坐标变换模块100用于获取十二相永磁同步电机的十二相电流值和电机转子位置角，根据电机转子位置角对十二相电流值进行坐标变换生成同一旋转坐标系下十二相永磁同步电机的四套绕组的d-q轴电流值。
生成模块200用于获取d-q轴参考电流值，根据四套绕组的d-q轴电流值和d-q轴参考电流值生成飞轮储能系统的电流内环以生成电流内环的输出。
控制模块300通过空间电压矢量调制技术对电流内环的输出进行处理得到飞轮储能系统中第一至第四变流器的各个桥臂的驱动信号，通过驱动信号控制第一至四变流器的开关管，进而控制飞轮储能系统的充放电。该系统10采用矢量控制方法，实现了大功率高效率飞轮储能系统的充放电控制。
进一步地，在本发明的一个实施例中，获取d-q轴参考电流值，包括：在飞轮储能系统充电时获取飞轮储能系统中飞轮电机的转速信息，根据转速信息和飞轮电机的参考转速信息生成飞轮储能系统的转速外环；在飞轮储能系统放电时获取直流母线的电压值，根据直流母线的电压值和直流母线参考电压值生成飞轮储能系统的电压外环；转速外环或电压外环的输出根据弱磁控制策略生成电流内环的d-q轴参考电流值。
如图2和图3所示，判断飞轮储能系统的运行指令，如果是充电，则采集飞轮电机的转速信息，并与转速参考进行比较和PI运算，构成系统的控制外环，即转速外环；如果是放电，采集直流母线电压值，并与母线电压参考进行比较和PI运算，构成系统的控制外环，即电压外环。
具体地，四套绕组的d-q轴电流值和d-q轴参考电流值进行比较和比例积分(PI)运算，构成系统的控制内环，即电流内环。
进一步地，在本发明的一个实施例中，根据电机转子位置角对十二相电流值进行坐标变换的变换式为：
其中，θ为十二相永磁同步电机的电机转子位置角，
进一步地，在本发明实施例中使用的是十二相永磁同步电机，电机定子由四套中性点相互隔离，对应相间相差15°的三相绕组构成。
进一步地，在本发明的一个实施例中，通过空间电压矢量调制技术对电流内环的输出进行处理包括：对电流内环的输出进行反Park变换得到静止坐标系下的参考电压矢量，通过空间电压矢量调制技术对参考电压矢量进行处理得到飞轮储能系统中第一至第四变流器的各个桥臂的驱动信号。
其中，本发明实施例的空间电压矢量调制技术为空间矢量SVPWM调制技术，静止坐标系下的参考电压矢量为两电平SVPWM调制技术的参考电压矢量。
进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：设定飞轮储能系统中飞轮的最低工作转速和最高工作转速，若飞轮的转速小于最低工作转速，则飞轮储能系统采用恒转矩方式进行充电；若飞轮的转速在最低工作转速和最高工作转速范围内，则系统采用恒功率方式进行充电和放电。
进一步地，在本发明的实施例中，飞轮储能系统组成结构包括：十二相永磁同步电机、飞轮以及四套两电平变流器(第一变流器、第二变流器、第三变流器、第四变流器)，将电机的十二相绕组分成四组，由四套两电平变流器分别驱动。
如图4所示，本发明涉及的飞轮储能系统主要由六部分组成：十二相永磁同步电机(1)、飞轮(2)、第一变流器(3)、第二变流器(4)、第三变流器(5)、第四变流器(6)。十二相永磁同步电机的定子绕组连接方式图如图5所示，定子由四套三相绕组构成，各套绕组间的中性点相互隔离，且各套绕组的对应相之间相差15°，电机a1相定子绕组与旋转坐标系d轴之间的夹角为电机转子空间位置角θ。
十二相永磁同步电机(1)与飞轮(2)同轴连接。第一至第四变流器均为三相两电平拓扑，变流器交流输出端分别与十二相永磁同步电机(1)四套定子绕组的引出端相连，更具体地说就是第一变流器(3)的交流输出端A1、B1、C1分别与十二相永磁同步电机(1)的定子绕组a1、b1、c1相连；第二变流器(4)的交流输出端A2、B2、C2分别与十二相永磁同步电机(1)的定子绕组a2、b2、c2相连；第三变流器(5)的交流输出端A3、B3、C3分别与十二相永磁同步电机(1)的定子绕组a3、b3、c3相连；第四变流器(6)的交流输出端A4、B4、C4分别与十二相永磁同步电机(1)的定子绕组a4、b4、c4相连。
根据本发明实施例提出的基于十二相永磁同步电机的飞轮储能系统控制系统，通过使用十二相永磁同步电机驱动飞轮，在不增加相应变流器电压、电流等级的条件下提高飞轮储能系统充放电的功率，而且通过降低低次谐波含量，减小电机转子损耗，提高了系统的效率，实现了多相电机与飞轮储能系统的结合，拓展了十二相永磁同步电机的应用前景以及飞轮储能系统的应用电机类型。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的基于十二相永磁同步电机的飞轮储能系统控制方法。
图6为根据本发明一个实施例的基于十二相永磁同步电机的飞轮储能系统控制方法流程图。
如图6所示，该基于十二相永磁同步电机的飞轮储能系统控制方法包括以下步骤：
在步骤S101中，获取十二相永磁同步电机的十二相电流值和电机转子位置角，根据电机转子位置角对十二相电流值进行坐标变换生成同一旋转坐标系下十二相永磁同步电机的四套绕组的d-q轴电流值。
进一步地，在本发明的一个实施例中，根据电机转子位置角对十二相电流值进行坐标变换的变换式为：
其中，θ为十二相永磁同步电机的电机转子位置角，
在步骤S102中，获取d-q轴参考电流值，根据四套绕组的d-q轴电流值和d-q轴参考电流值生成飞轮储能系统的电流内环以得到电流内环的输出。
进一步地，在本发明的一个实施例中，获取d-q轴参考电流值，包括：在飞轮储能系统充电时获取飞轮储能系统中飞轮电机的转速信息，根据转速信息和飞轮电机的参考转速信息生成飞轮储能系统的转速外环；在飞轮储能系统放电时获取直流母线的电压值，根据直流母线的电压值和直流母线参考电压值生成飞轮储能系统的电压外环；转速外环或电压外环的输出根据弱磁控制策略生成电流内环的d-q轴参考电流值。
在步骤S103中，通过空间电压矢量调制技术对电流内环的输出进行处理得到飞轮储能系统中第一至第四变流器的各个桥臂的驱动信号，通过驱动信号控制第一至四变流器的开关管，进而控制飞轮储能系统的充放电。
进一步地，在本发明的一个实施例中，通过空间电压矢量调制技术对电流内环的输出进行处理包括：对电流内环的输出进行反Park变换得到静止坐标系下的参考电压矢量，通过空间电压矢量调制技术对参考电压矢量进行处理得到飞轮储能系统中第一至第四变流器的各个桥臂的驱动信号。
进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：设定飞轮储能系统中飞轮的最低工作转速和最高工作转速，若飞轮的转速小于最低工作转速，则飞轮储能系统采用恒转矩方式进行充电，以限制流经电机以及变流器的电流值；若飞轮的转速在最低工作转速和最高工作转速范围内，则系统采用恒功率方式进行充电和放电。
需要说明的是，前述对基于十二相永磁同步电机的飞轮储能系统控制系统实施例的解释说明也适用于该实施例的方法，此处不再赘述。
根据本发明实施例提出的基于十二相永磁同步电机的飞轮储能系统控制方法，通过使用十二相永磁同步电机驱动飞轮，在不增加相应变流器电压、电流等级的条件下提高飞轮储能系统充放电的功率，而且通过降低低次谐波含量，减小电机转子损耗，提高了系统的效率，实现了多相电机与飞轮储能系统的结合，拓展了十二相永磁同步电机的应用前景以及飞轮储能系统的应用电机类型。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于十二相永磁同步电机的飞轮储能控制系统，其特征在于，包括：
坐标变换模块，用于获取十二相永磁同步电机的十二相电流值和电机转子位置角，根据所述电机转子位置角对所述十二相电流值进行坐标变换生成同一旋转坐标系下所述十二相永磁同步电机的四套绕组的d-q轴电流值；
生成模块，用于获取d-q轴参考电流值，根据所述四套绕组的d-q轴电流值和所述d-q轴参考电流值生成飞轮储能系统的电流内环以生成所述电流内环的输出；
控制模块，通过空间电压矢量调制技术对所述电流内环的输出进行处理得到所述飞轮储能系统中第一至第四变流器的各个桥臂的驱动信号，通过所述驱动信号控制所述第一至四变流器的开关管，进而控制所述飞轮储能系统的充放电。
2.根据权利要求1所述的基于十二相永磁同步电机的飞轮储能控制系统，其特征在于，获取d-q轴参考电流值，包括：
在所述飞轮储能系统充电时获取所述飞轮储能系统中飞轮电机的转速信息，根据所述转速信息和所述飞轮电机的参考转速信息生成所述飞轮储能系统的转速外环；
在所述飞轮储能系统放电时获取直流母线的电压值，根据所述直流母线的电压值和所述直流母线参考电压值生成所述飞轮储能系统的电压外环；
所述转速外环或所述电压外环的输出根据弱磁控制策略生成电流内环的所述d-q轴参考电流值。
3.根据权利要求1所述的基于十二相永磁同步电机的飞轮储能控制系统，其特征在于，所述根据所述电机转子位置角对所述十二相电流值进行坐标变换的变换式为：
其中，θ为十二相永磁同步电机的电机转子位置角，
4.根据权利要求1所述的基于十二相永磁同步电机的飞轮储能控制系统，其特征在于，所述通过空间电压矢量调制技术对所述电流内环的输出进行处理包括：
对所述电流内环的输出进行反Park变换得到静止坐标系下的参考电压矢量，通过所述空间电压矢量调制技术对所述参考电压矢量进行处理得到所述飞轮储能系统中所述第一至第四变流器的各个桥臂的驱动信号。
5.根据权利要求1所述的基于十二相永磁同步电机的飞轮储能控制系统，其特征在于，还包括：
设定所述飞轮储能系统中飞轮的最低工作转速和最高工作转速，若所述飞轮的转速小于所述最低工作转速，则所述飞轮储能系统采用恒转矩方式进行充电；若所述飞轮的转速在所述最低工作转速和所述最高工作转速范围内，则系统采用恒功率方式进行充电和放电。
6.一种基于十二相永磁同步电机的飞轮储能控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取十二相永磁同步电机的十二相电流值和电机转子位置角，根据所述电机转子位置角对所述十二相电流值进行坐标变换生成同一旋转坐标系下所述十二相永磁同步电机的四套绕组的d-q轴电流值；
获取d-q轴参考电流值，根据所述四套绕组的d-q轴电流值和所述d-q轴参考电流值生成飞轮储能系统的电流内环以得到所述电流内环的输出；
通过空间电压矢量调制技术对所述电流内环的输出进行处理得到所述飞轮储能系统中第一至第四变流器的各个桥臂的驱动信号，通过所述驱动信号控制所述第一至四变流器的开关管，进而控制所述飞轮储能系统的充放电。
7.根据权利要求6所述的基于十二相永磁同步电机的飞轮储能控制方法，其特征在于，所述获取d-q轴参考电流值，包括：
在所述飞轮储能系统充电时获取所述飞轮储能系统中飞轮电机的转速信息，根据所述转速信息和所述飞轮电机的参考转速信息生成所述飞轮储能系统的转速外环；
在所述飞轮储能系统放电时获取直流母线的电压值，根据所述直流母线的电压值和所述直流母线参考电压值生成所述飞轮储能系统的电压外环；
所述转速外环或所述电压外环的输出根据弱磁控制策略生成电流内环的所述d-q轴参考电流值。
8.根据权利要求6所述的基于十二相永磁同步电机的飞轮储能控制方法，其特征在于，所述根据所述电机转子位置角对所述十二相电流值进行坐标变换的变换式为：
其中，θ为十二相永磁同步电机的电机转子位置角，
9.根据权利要求6所述的基于十二相永磁同步电机的飞轮储能控制方法，其特征在于，所述通过空间电压矢量调制技术对所述电流内环的输出进行处理包括：
对所述电流内环的输出进行反Park变换得到静止坐标系下的参考电压矢量，通过所述空间电压矢量调制技术对所述参考电压矢量进行处理得到所述飞轮储能系统中所述第一至第四变流器的各个桥臂的驱动信号。
10.根据权利要求6所述的基于十二相永磁同步电机的飞轮储能控制方法，其特征在于，还包括：
设定所述飞轮储能系统中飞轮的最低工作转速和最高工作转速，若所述飞轮的转速小于所述最低工作转速，则所述飞轮储能系统采用恒转矩方式进行充电；若所述飞轮的转速在所述最低工作转速和所述最高工作转速范围内，则系统采用恒功率方式进行充电和放电。
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