CN111371367A - 基于模型预测的储能飞轮电机直接转矩控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模型预测的储能飞轮电机直接转矩控制方法及系统，该控制方法利用电流传感器采集到的当前时刻k的电流i_a，b，c和直流母线电压，根据电机的预测模型从而估计出k+1时刻的电机定子磁链和转矩预测值，以定子磁链和转矩为控制目标，将预测值和给定值带入价值函数，并以价值函数值最小为原则选出最优的开关电压矢量，再将最优开关电压矢量作用于两电平电压逆变器控制开关管的导通和关断，实现电机定子磁链和转矩的直接控制。本发明的控制方法主要针对储能飞轮电机转矩响应快，高速转矩波动小的特点，并结合高速电机无传感器技术而提出的。

Description

基于模型预测的储能飞轮电机直接转矩控制方法及系统

技术领域

本发明涉及储能飞轮高速电机控制技术领域，特别涉及一种基于模型预测的储能飞轮电机直接转矩控制方法及系统。

背景技术

飞轮储能是一种以物理形式进行电能和机械能相互转换的储能装置。它由高速旋转的飞轮本体、飞轮电机、电机控制器、轴承和真空室等辅助装置组成。飞轮储能主要有：储能、待机和释能三种工作状态。飞轮储能时，电源通过飞轮控制器来驱动电机旋转，带动飞轮本体加速至指定转速，将电能转换为飞轮动能储存起来；飞轮待机时，维持飞轮指定转速；飞轮释能时，飞轮降速，电机处于发电状态，通过飞轮控制器输出电能，从而将飞轮动能转换为电能释放。

飞轮电机及其控制器是飞轮储能装置的重要组成部分，飞轮储能系统通过它来实现电能的吸收及释放，采用不同的飞轮电机及其控制技术得到的飞轮储能系统的性能也不同。目前在飞轮储能装置中应用的电机主要有永磁无刷直流电机、永磁同步电机、异步电机和开关磁阻电机，各种电机都有自己的结构特点，其相对应的电机控制技术也不同。飞轮储能系统对电机及其控制器的要求有：工作在电动或发电工况、高速性能好、效率高、空载损耗极低、体积小、噪声低、结构简单、易维护等。综合分析几种电机类型可知永磁同步电机(PMSM)适合飞轮储能系统领域，尤其是在磁悬浮轴承支承的高速飞轮储能系统当中。

永磁同步电机控制通常采用矢量控制方法，技术较为成熟，稳态、动态性能比较好，但是矢量控制存在复杂的坐标变换，而且对电机的参数很敏感，控制效果的好坏一定程度上取决于电机参数辨识的是否准确，而电机是一个机电耦合系统，运行过程中电机参数一直在变化，这就使提高矢量控制的精度具有一定的难度。直接转矩控制以磁链和转矩为控制目标，不需要复杂的坐标变换，而且直接转矩控制不需要精确的转子位置信息，特别适合高速电机中的无传感器技术应用。直接转矩控制存在转矩脉动较大的问题可以通过控制算法的改进来减小。

模型预测控制(MPC)最先应用于工业过程控制，尤其是石油化工领域。近年来，随着MPC研究的深入和拓展，也逐步应用于功率变换器领域。根据功率变换器可产生的开关状态数量，MPC可分为两类：连续控制集模型预测控制(Continuous Control SetMPC，CCS-MPC)和有限控制集模型预测控制(Finite Control Set MPC，FCS-MPC)。CCS-MPC利用预测控制器可连续输出开关状态，而FCS-MPC充分利用功率变换器有限开关状态来处理最优化问题，其优点在于直接控制功率变换器动作，无需调制措施。

2007年智利学者J.Rodríguez首先将FCS-MPC应用于两电平逆变器拓扑结构，与经典的滞环非线性控制和PWM线性控制对比后，表明模型预测控制简单直接且具有更好的动态性能。随后其又将FCS-MPC成功应用于中点箝位型三电平逆变器、矩阵变换器、级联H桥逆变器、有源前端整流器等等，研究成果开启了功率变换器控制技术新的发展方向。

FCS-MPC的显著特点在于其控制的灵活性，可根据系统不同的性能要求设计出满足系统性能最优的价值函数，在功率变换器中应用时，常见的控制变量如电流、电压、转矩、磁链、开关频率、有功功率、无功功率等。在电机控制方面，根据控制目标的不同，FCS-MPC主要分为模型预测电流控制(Model Predictive Current Control,MPCC)、模型预测磁链控制(Model Predictive Flux Control，MPFC)和模型预测转矩控制(Model PredictiveTorque Control，MPTC)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于模型预测的储能飞轮电机直接转矩控制方法及系统，运用无传感器技术直接控制电机转矩和磁链，通过模型预测算法优化开关电压矢量的选择，提高储能飞轮电机的动态响应速度。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于模型预测的储能飞轮电机直接转矩控制方法，该方法包含以下步骤：

S1、采集当前时刻k的三相定子电流以及直流母线电压，计算出当前时刻k的电机的电磁转矩T_e和定子磁链幅值Ψ_s；估计电机的转子位置角θ和角速度ω；

S2、基于步骤S1中的当前时刻k的电磁转矩和定子磁链幅值，预测下一时刻k+1时刻产生的电磁转矩T_e(k+1)和定子磁链幅值Ψ_s(k+1)；

S3、将步骤S2预测得到的k+1时刻的电磁转矩T_e(k+1)和定子磁链幅值Ψ_s(k+1)，与给定的转矩参考值T_e ^*和定子磁链参考值Ψ_s ^*一起代入到价值函数中，选择使该价值函数最小的电压矢量作为在第k时刻的最优的电压矢量并输出给两电平电压逆变器，使得最优的电压矢量用于两电平电压逆变器控制开关管的导通和关断，实现电机定子磁链和转矩的直接控制。

优选地，当前时刻k的三相定子电流i_a、i_b、i_c是通过电流传感器采集得到；通过转子位置观测器估计电机的转子位置角θ和角速度ω。

优选地，所述步骤S2中，进一步包含：

由电磁感应定律和坐标变换原理，建立dq坐标系下定子磁链和电压方程：

电磁转矩和运动学方程方程：

T_e＝p[ψ_fi_q+(L_d-L_q)i_di_q] (3)

式中：Ψ_f为转子磁链幅值；Ψ_d、Ψ_q分别为定子磁链的dq轴分量；L_d、L_q分别为电感的dq轴分量；U_d、U_q分别为电压的dq轴分量；i_d、i_q分别为电流的dq轴分量；ω为转子电角速度；T_e表示电磁转矩，正为电动，负为发电；p表示转子极对数；e₀为空载电动势；J为飞轮与电机转子的总转动惯量；R_s为定子电阻；R_Ω为阻力系数；T₁为负载转矩。

优选地，所述步骤S2中，进一步包含：

通过电流传感器测量当前时刻k的定子电流i_s(k)后，将方程(2)离散化，可得电机电流预测方程：

式中，T_s表示离散控制周期；k表示第k个离散控制周期；i_s(k+l)表示定子电流在第(k+1)时刻的预测值；i_s(k)表示定子电流在第k时刻的实际值；u_s(k)表示第kT_s时刻的基本电压矢量；ω(k)表示第(k)时刻的转子电角速度；ψ_s(k)是当前时刻k的电机的定子磁链值；

电机的定子磁链和转矩在k+1时刻的预测值分别为：

ψ_s(k+1)＝ψ_s(k)+T_s[u_s(k)-R_si_s(k)] (6)

优选地，采用模糊PI模型作为模型参考自适应的可调模型，将实际的电机本体作为参考模型，得到式(8)作为参数可调的估计模型，其中反电动势

作为估计模型中的可调参数：

式中，A、B分别表示对应的系数；u_s、i_s分别是电机定子的电压和电流；e_s为电机实际中反电动势，其为固定值；

为估计模型中的反电动势，其可调；

为估计模型中的定子电流，其可调；

其中，定义状态误差：

得误差状态方程：

从而可得转子估计位置角：

式中，

分别为估计模型反电动势在α、β轴上的分量，ɑ轴和β轴分别为电机两相静止坐标系的两个相互垂直的轴。

所述步骤S3中，进一步包含：将预测的k+1时刻的电磁转矩T_e(k+1)和定子磁链Ψ_s(k+1)连同各自的参考值T_e ^*、Ψ_s ^*代入价值函数中；

以电机转矩和磁链为控制目标，选取价值函数为：

式中，Ψ_s ^*是定子磁链幅值的参考值；T_e ^*是电磁转矩的参考值。

本发明又提供了一种采用如上文所述的储能飞轮电机直接转矩控制方法的储能飞轮电机直接转矩控制系统，该系统包含模型预测转矩控制模块、转矩磁链估计模块、转子位置估计模块、脉冲发生器和两电平电压逆变器；所述转子位置估计模块与储能飞轮电机连接，用于估计电机的转子位置角和角速度；所述转矩磁链估计模块与储能飞轮电机连接，用于估计电机的电磁转矩和定子磁链幅值；所述模型预测转矩控制模块分别与所述转矩磁链估计模块和所述转子位置估计模块连接，分别接收当前时刻的电机的转子位置角与角速度，及电磁转矩和定子磁链幅值，预测下一时刻产生的电磁转矩和定子磁链幅值；模型预测转矩控制模块、脉冲发生器和两电平电压逆变器依次连接；模型预测转矩控制模块内置有价值函数单元，所述价值函数单元接收预测的所述下一时刻产生的电磁转矩和定子磁链幅值，以及给定的转矩参考值和定子磁链参考值，选择使该价值函数最小的电压矢量作为在当前时刻的最优的电压矢量并经过脉冲发生器输出给两电平电压逆变器。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明针对储能飞轮电机转矩响应快，高速转矩波动小的特点，结合高速电机无传感器技术实现电机定子磁链和转矩的直接控制，提高储能飞轮电机的动态响应速度。

附图说明

图1是本发明的储能飞轮电机空间矢量图；

图2是本发明的储能飞轮电机模型预测转矩控制的系统控制框图；

图3是本发明的储能飞轮电机转子位置观测器示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图3结合所示，本发明提供了一种基于模型预测的储能飞轮电机直接转矩控制系统，包含：模型预测转矩控制模块1(MPTC，其内置价值函数单元)、储能飞轮PMSM(储能飞轮高速电机4)、转矩磁链估计模块5、转子位置估计模块6、脉冲发生器2和两电平电压逆变器3。其中，转子位置估计模块6与储能飞轮电机4连接，用于估计电机的转子位置角和角速度；转矩磁链估计模块5与储能飞轮电机4连接，用于估计电机的电磁转矩和定子磁链幅值；模型预测转矩控制模块1分别与转矩磁链估计模块5和所述转子位置估计模块6连接，分别接收当前时刻的电机的转子位置角与角速度，及电磁转矩和定子磁链幅值，预测下一时刻产生的电磁转矩和定子磁链幅值；模型预测转矩控制模块1、脉冲发生器2和两电平电压逆变器3依次连接；模型预测转矩控制模块1内置有价值函数单元，价值函数单元接收预测的所述下一时刻产生的电磁转矩和定子磁链幅值，以及给定的转矩参考值和定子磁链参考值，选择使该价值函数最小的电压矢量作为在当前时刻的最优的电压矢量并经过脉冲发生器2输出给两电平电压逆变器。

本发明的储能飞轮电机直接转矩控制方法，包含以下过程：

S1、将采集到的当前时刻k的三相定子电流i_a、i_b、i_c，以及直流母线电压U_dc发送给转矩磁链估计模块5，并计算出当前时刻k时的电机(即储能飞轮高速电机)的电磁转矩T_e和定子磁链幅值Ψ_s。其中，当前时刻k的三相定子电流i_a、i_b、i_c是由电流传感器采集得到；利用转子位置估计模块6(也称转子位置观测器)估计所述电机的转子位置角θ和角速度ω。

S2、所述模型预测转矩控制模块1获取上述计算出的当前时刻k的电磁转矩和定子磁链幅值，并根据电机的预测模型，预测k+1时刻产生的电磁转矩T_e(k+1)和定子磁链幅值Ψ_s(k+1)。

S3、所述模型预测转矩控制模块1中，以定子磁链和电磁转矩为控制目标，将预测得到的k+1时刻的电磁转矩T_e(k+1)和定子磁链幅值Ψ_s(k+1)，与给定的转矩参考值T_e ^*和定子磁链参考值Ψ_s ^*代入价值函数式，选择使价值函数最小的电压矢量作为在第k时刻的最优的电压矢量并输出给两电平电压逆变器3，使得最优的电压矢量用于两电平电压逆变器控制开关管的导通和关断，实现电机定子磁链和转矩的直接控制。其中，脉冲发生器2就是空间电压矢量选择表，模型预测转矩控制模块1内部价值函数计算得到使价值函数g最小的最优电压矢量u_op和最优占空比γ_op，将这两个值作用于脉冲发生器2，根据需要的最优电压矢量和占空比选择合适的逆变器桥开关状态S_a,b,c输出给两电平电压逆变器3，生成最优电压矢量作用于电机4，实现定子磁链和转矩控制。

所述步骤S2中，进一步包含：

由电磁感应定律和坐标变换原理，建立dq坐标系(如图1所示)下定子磁链和电压方程：

图1中，ɑ和β分别是电机两相静止坐标系的ɑ轴和β轴，δ_sm是定子磁链矢量与转子永磁体磁链矢量之间的夹角；

电磁转矩和运动学方程方程：

T_e＝p[ψ_fi_q+(L_d-L_q)i_di_q] (3)

式中：Ψ_f为转子磁链幅值；Ψ_d、Ψ_q分别为定子磁链的dq轴分量；L_d、L_q分别为电感的dq轴分量；U_d、U_q分别为电压的dq轴分量；i_d、i_q分别为电流的dq轴分量；ω为转子电角速度；T_e表示电磁转矩，正为电动，负为发电；p表示转子极对数；e₀为空载电动势；J为飞轮与电机转子的总转动惯量；R_s为定子电阻；R_Ω为阻力系数；T₁为负载转矩。

所述步骤S2中，进一步包含：

通过电流传感器测量当前时刻k的定子电流i_s(k)后，并将方程(2)离散化，可得电机电流预测方程为：

式中，T_s表示离散控制周期；k表示第k个离散控制周期；i_s(k+l)表示定子电流在第(k+1)时刻的预测值；i_s(k)表示定子电流在第k时刻的实际值；u_s(k)表示第kT_s时刻的基本电压矢量；ω(k)表示第(k)时刻的转子电角速度；ψ_s(k)是当前时刻k的电机的定子磁链值。

进一步地，可得电机的定子磁链和转矩在k+1时刻的预测值分别为：

ψ_s(k+1)＝ψ_s(k)+T_s[u_s(k)-R_si_s(k)] (6)

在本发明，磁悬浮轴承支承的储能飞轮电机转速比较高，传统的旋转变压器、光电编码器存在安装精度、机械强度、可靠度等问题，需要借助无传感器技术来检测转子位置信息θ。如图3所示，储能飞轮高速电机的模型作为模型参考自适应的可调模型，把实际的电机本体作为参考模型，得到式(8)作为参数可调的估计模型(其中反电动势

作为估计模型中的可调参数)：

式中，A、B分别表示对应的系数；u_s、i_s分别是电机定子的电压和电流；e_s为电机实际中反电动势(固定值)；

为估计模型中的反电动势(可调)；

为估计模型中的定子电流(可调)；

定义状态误差：

得误差状态方程：

从而可得转子估计位置角：

式中，

分别为估计模型反电动势在α、β轴上的分量。

本发明采用模糊PI作为模型参考自适应观测器的调节器，通过模糊PI自适应调节器来调节可调模型的可调参数(即反电动势

)。

所述步骤S3中，进一步包含：

为了保证电磁转矩和定子磁链能够跟踪各自的参考值，将预测的k+1时刻的电磁转矩T_e(k+1)和定子磁链Ψ_s(k+1)连同参考值T_e ^*、Ψ_s ^*代入价值函数中；以电机转矩和磁链为控制目标，选取价值函数为：

式中，Ψ_s ^*是定子磁链幅值的参考值；T_e ^*是电磁转矩的参考值。

本实施例中，模型预测转矩控制模块(MPTC)的价值函数中的参考变量是电磁转矩幅值参考值和定子磁链幅值参考值，并且储能飞轮电机(PMSM)为表贴式电机，为降低空载运行损耗，定子磁链幅值的参考值Ψ_s ^*可与转子磁链幅值Ψ_f相等。

在两电平逆变器中，共有7种电压矢量(例如记为μ₁，μ₂，μ₃，μ₄，μ₅，μ₆和零矢量μ₀)，由式(5)～式(7)可分别预测出每一种电压矢量对应的价值函数值，通过比较选择使得价值函数值最小的电压矢量作为最优电压矢量作用于逆变器。

综上所述，本发明提出了一种基于模型预测的储能飞轮电机直接转矩控制方法，该控制方法利用电流传感器采集到的当前时刻k的电流i_a，b，c和直流母线电压U_dc，根据电机的预测模型估计出k+1时刻的电机定子磁链和转矩预测值，以定子磁链和转矩为控制目标，将预测值和给定值带入价值函数，并以价值函数值最小为原则选出最优的开关电压矢量，再将最优开关电压矢量作用于两电平电压逆变器控制开关管的导通和关断，实现电机定子磁链和转矩的直接控制。本发明的控制方法主要针对储能飞轮电机转矩响应快，高速转矩波动小的特点，并结合高速电机无传感器技术而提出的。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种基于模型预测的储能飞轮电机直接转矩控制方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：

S1、采集当前时刻k的三相定子电流以及直流母线电压，计算出当前时刻k的电机的电磁转矩T_e和定子磁链幅值Ψ_s；估计电机的转子位置角θ和角速度ω；

S2、基于步骤S1中的当前时刻k的电磁转矩和定子磁链幅值，预测下一时刻k+1时刻产生的电磁转矩T_e(k+1)和定子磁链幅值Ψ_s(k+1)；

S3、将步骤S2预测得到的k+1时刻的电磁转矩T_e(k+1)和定子磁链幅值Ψ_s(k+1)，与给定的转矩参考值T_e ^*和定子磁链参考值Ψ_s ^*一起代入到价值函数中，选择使该价值函数最小的电压矢量作为在第k时刻的最优的电压矢量并输出给两电平电压逆变器，使得最优的电压矢量用于两电平电压逆变器控制开关管的导通和关断，实现电机定子磁链和转矩的直接控制。

2.如权利要求1所述的储能飞轮电机直接转矩控制方法，其特征在于，

当前时刻k的三相定子电流i_a、i_b、i_c是通过电流传感器采集得到；

通过转子位置观测器估计电机的转子位置角θ和角速度ω。

3.如权利要求2所述的储能飞轮电机直接转矩控制方法，其特征在于，

所述步骤S2中，进一步包含：

由电磁感应定律和坐标变换原理，建立dq坐标系下定子磁链和电压方程：

电磁转矩和运动学方程方程：

T_e＝p[ψ_fi_q+(L_d-L_q)i_di_q] (3)

式中：Ψ_f为转子磁链幅值；Ψ_d、Ψ_q分别为定子磁链的dq轴分量；L_d、L_q分别为电感的dq轴分量；U_d、U_q分别为电压的dq轴分量；i_d、i_q分别为电流的dq轴分量；ω为转子电角速度；T_e表示电磁转矩，正为电动，负为发电；p表示转子极对数；e₀为空载电动势；J为飞轮与电机转子的总转动惯量；R_s为定子电阻；R_Ω为阻力系数；T₁为负载转矩。

4.如权利要求3所述的储能飞轮电机直接转矩控制方法，其特征在于，

所述步骤S2中，进一步包含：

通过电流传感器测量当前时刻k的定子电流i_s(k)后，将方程(2)离散化，可得电机电流预测方程：

式中，T_s表示离散控制周期；k表示第k个离散控制周期；i_s(k+l)表示定子电流在第(k+1)时刻的预测值；i_s(k)表示定子电流在第k时刻的实际值；u_s(k)表示第kT_s时刻的基本电压矢量；ω(k)表示第(k)时刻的转子电角速度；ψ_s(k)是当前时刻k的电机的定子磁链值；

电机的定子磁链和转矩在k+1时刻的预测值分别为：

ψ_s(k+1)＝ψ_s(k)+T_s[u_s(k)-R_si_s(k)] (6)

5.如权利要求4所述的储能飞轮电机直接转矩控制方法，其特征在于，

采用模糊PI模型作为模型参考自适应的可调模型，将实际的电机本体作为参考模型，得到式(8)作为参数可调的估计模型，其中反电动势

作为估计模型中的可调参数：

式中，A、B分别表示对应的系数；u_s、i_s分别是电机定子的电压和电流；e_s为电机实际中反电动势；

为估计模型中的反电动势；

为估计模型中的定子电流；

其中，定义状态误差：

得误差状态方程：

从而可得转子估计位置角：

式中，

分别为估计模型反电动势在α、β轴上的分量，ɑ轴和β轴分别为电机两相静止坐标系的两个相互垂直的轴。

6.如权利要求5所述的储能飞轮电机直接转矩控制方法，其特征在于，

所述步骤S3中，进一步包含：将预测的k+1时刻的电磁转矩T_e(k+1)和定子磁链Ψ_s(k+1)连同各自的参考值T_e ^*、Ψ_s ^*代入价值函数中；

以电机转矩和磁链为控制目标，选取价值函数为：

式中，Ψ_s ^*是定子磁链幅值的参考值；T_e ^*是电磁转矩的参考值。

7.一种采用如权利要求1～6中任意一项所述的储能飞轮电机直接转矩控制方法的储能飞轮电机直接转矩控制系统，其特征在于，该系统包含模型预测转矩控制模块、转矩磁链估计模块、转子位置估计模块、脉冲发生器和两电平电压逆变器；

所述转子位置估计模块与储能飞轮电机连接，用于估计电机的转子位置角和角速度；

所述转矩磁链估计模块与储能飞轮电机连接，用于估计电机的电磁转矩和定子磁链幅值；

所述模型预测转矩控制模块分别与所述转矩磁链估计模块和所述转子位置估计模块连接，分别接收当前时刻的电机的转子位置角与角速度，及电磁转矩和定子磁链幅值，预测下一时刻产生的电磁转矩和定子磁链幅值；

模型预测转矩控制模块、脉冲发生器和两电平电压逆变器依次连接；

模型预测转矩控制模块内置有价值函数单元，所述价值函数单元接收预测的所述下一时刻产生的电磁转矩和定子磁链幅值，以及给定的转矩参考值和定子磁链参考值，选择使该价值函数最小的电压矢量作为在当前时刻的最优的电压矢量并经过脉冲发生器输出给两电平电压逆变器。

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