CN113422554B - 十二相永磁同步电机飞轮储能系统的矢量控制方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种十二相永磁同步电机飞轮储能系统的矢量控制方法及装置。所述矢量控制方法基于多d‑q变换坐标系下的十二相永磁同步电机电压方程，采取进一步Td变换得到解耦的基波与谐波的电压、电流、磁链，从而根据是否参与电磁转矩合成来实现上述物理量的分解；分别通过比例积分控制和准比例谐振控制确定十二相永磁同步电机的参考电压矢量；以此对十二相永磁同步电机进行矢量控制。所述矢量＝控制装置包含相连接的采集处理模块、计算模块和指令模块。本发明能够实现对中性点相互隔离的十二相永磁同步电机的高效控制，有效地抑制谐波电流，减少电机的发热。

Description

十二相永磁同步电机飞轮储能系统的矢量控制方法及装置
技术领域
本发明涉及十二相永磁同步电机的控制领域，特别涉及十二相永磁同步电机飞轮储能系统的矢量控制方法及装置。
背景技术
大量可再生能源通过各类电力电子设备接入电网，以及风电、光伏等新能源出力的随机性与波动性，造成了电力系统阻尼和惯性减小，电网频率稳定性降低等问题，储能是解决这些问题的关键技术之一。飞轮储能作为一种机械型储能方式，具有能量转化效率高、充放电寿命长、可短时释放大功率、对环境友好等特点，可以较好地应对出力频繁的挑战，在不间断电源、电力调峰调频等领域能够起到重要作用。
相较于传统的三相电机，十二相永磁同步电机的空间谐波磁动势频率更高，但幅值更小，因此带来的转矩脉动更小，有效缓解了对电机轴承系统的挑战。十二相永磁同步电机的优势在于：降低对功率管耐压等级的需求；平滑转矩脉动；提高电机容错性能；增加控制自由度；降低电机损耗；提高功率密度。但同时，多相电机由于其多变量、非线性、强耦合的特点，要进行准确的数学建模与控制也更为复杂。
关于多相电机的建模，王海兵公开的《双三相永磁同步电机高性能调速系统及容错运行研究》提出了基于多f-q变换的全解耦模型，原始的多d-q变换建模过程中不同d-q子平面的电压、电流和磁链存在耦合，经过进一步变换可以实现基波电压、电流和磁链与谐波的解耦。该方法是多d-q变换的变型，当电机相数比较低时，如双三相电机、九相电机，解耦效果较好，但是当电机相数比较高时，不同子平面之间的耦合项变得更复杂，要实现完全解耦存在一定困难。
周长攀公开的《双三相永磁同步电机驱动及容错控制技术研究》介绍了基于矢量空间解耦(Vector Space Decomposition，VSD)变换的双三相电机矢量控制，由于VSD变换实现了参与机电能量转换的子平面和不参与机电能量转换的子平面的完全解耦，因此这种控制方法在谐波抑制上表现得较为出色，但同时其调制策略也更加复杂，尤其是当电机相数增加到六相以上时，对电机的建模和空间电压矢量的选择较为困难。
袁飞雄等人公开的《六相永磁同步电机谐波电流抑制技术》介绍了多d-q变换下的双三相电机矢量控制，通过消除电感矩阵中非对角线元素非零分量，实现了基波分量和谐波分量的完全解耦，并且这种控制策略的调制技术可以沿用传统三相电机的调制，比较易于工程实现。但是它没有能够进一步提出在十二相永磁同步电机中的解耦方法。
麦志勤等人公开的《基于准比例谐振级联PI的双三相永磁同步电机谐波电流抑制策略》在多d-q变换的矢量控制基础上，通过采用准比例谐振级联PI控制，有效抑制了特定频次的谐波电流。但是只针对5、7、11、13次谐波进行了抑制，并且没有能够应用在十二相永磁同步电机中。
总体而言，目前技术比较成熟的多相电机主要是五相和双三相电机，而九相、十二相以及更多相数的多相电机使用范围还比较有限，采用的控制策略以基于多d-q变换的矢量控制为主。
对基于十二相永磁同步电机的飞轮储能的高效控制，依赖于准确的数学模型，由于多相电机的谐波子平面中存在低阻抗路径，因此相同的谐波电压产生的谐波电流更大，如果不能有效地抑制谐波电流，将带来机组的发热等问题。此外，在高速飞轮储能系统中，为了减少空气阻力造成的机械损耗，通常将飞轮转子抽真空，难以散热，这也进一步对谐波抑制提出了要求。
发明内容
本发明的目的在于一定程度上解决现有技术的不足之处，提供了一种十二相永磁同步电机飞轮储能系统的矢量控制方法及装置。本发明可实现对十二相永磁同步电机的飞轮储能系统的高效控制，有效地抑制谐波电流。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本公开的实施例第一方面提出的一种十二相永磁同步电机飞轮储能系统的矢量控制方法，包括：
获取十二相永磁同步电机的机械转速、转子角度和定子电流；利用多d-q坐标变换将十二相永磁同步电机的控制变量由自然坐标系变换至d1-q1、d2-q2、d3-q3、d4-q4四个子平面；利用变换矩阵Td将所述十二相永磁同步电机的控制变量由d1-q1、d2-q2、d3-q3、d4-q4四个子平面变换至D1-Q1、D2-Q2、D3-Q3、D4-Q4四个子平面，其中，将所述十二相永磁同步电机的控制变量的基波分量投影至D1-Q1子平面，将所述十二相永磁同步电机的控制变量的谐波分量投影至D2-Q2、D3-Q3、D4-Q4子平面；
确定D1-Q1、D2-Q2、D3-Q3、D4-Q4四个子平面之中各轴的参考电压，以此构成十二相永磁同步电机的参考电压矢量；其中：
在D1-Q1子平面中，将十二相永磁同步电机的转速与设定的参考转速进行比较，并通过比例积分控制，输出十二相永磁同步电机定子的Q1轴参考电流；将十二相永磁同步电机定子的D1轴电流与设定的D1轴参考电流进行比较，并通过比例积分控制，得到D1轴的参考电压；将十二相永磁同步电机定子的Q1轴电流与所述十二相永磁同步电机定子的Q1轴参考电流进行比较并通过比例积分控制，得到Q1轴的参考电压；
在D2-Q2、D3-Q3、D4-Q4子平面中，将十二相永磁同步电机定子的各轴电流与设定的参考电流进行比较，并通过准比例谐振控制，得到相应轴的参考电压；
通过得到的电机参考电压矢量对十二相永磁同步电机进行矢量控制。
在一些实施例中，所述变换矩阵Td的表达式如下：
Figure BDA0003138682940000031
在一些实施例中，在使用所述变换矩阵Td进行坐标变换时，D1-Q1、D2-Q2、D3-Q3、D4-Q4子平面与d1-q1、d2-q2、d3-q3、d4-q4子平面各分量的关系满足：
Figure BDA0003138682940000032
Figure BDA0003138682940000033
其中，xDk、xQk分别为十二相永磁同步电机定子在Dk-Qk子平面的控制变量，xdk、xqk分别为十二相永磁同步电机定子在dk-qk子平面的控制变量，k＝1，2，3，4。
在一些实施例中，所述准比例谐振控制的传递函数为：
Figure BDA0003138682940000034
其中，s为传递函数的复变量，kp为比例系数，kr为时间积分系数，ω0为准比例谐振控制的谐振频率，ωc为准比例谐振控制的截止频率。
在一些实施例中，所述通过得到的电机参考电压矢量对所述永磁同步电机进行矢量控制，包括以下步骤：
将步骤2)得到的所述参考电压矢量，通过逆变换矩阵
Figure BDA0003138682940000041
对十二相永磁同步电机定子D1-Q1、D2-Q2、D3-Q3、D4-Q4子平面的参考电压矢量进行逆变换，得到四组三相绕组对应的d1-q1、d2-q2、d3-q3、d4-q4子平面参考电压矢量；利用十二相永磁同步电机的转子角度，通过反Park变换得到在静止α-β坐标系下四个α-β子平面的参考电压矢量，其中α轴与十二相永磁同步电机的参考轴重合；根据直流母线的实际电压值与静止参考坐标系下的四个参考电压，分别通过空间矢量脉宽调制方法，形成连接十二相永磁同步电机的四组三相绕组对应的四个变流器中各个开关管的驱动信号。
在一些实施例中，还包括：
根据所述十二相永磁同步电机飞轮储能系统中十二相永磁同步电机的转速与极限工作转速进行判断：若十二相永磁同步电机的转速小于规定的最低工作转速，则所述十二相永磁同步电机飞轮储能系统通过恒转矩的控制方式进行充电；若十二相永磁同步电机的转速在规定的最低工作转速和最高工作转速范围内，则所述十二相永磁同步电机飞轮储能系统通过恒功率的控制方式进行充电和放电。
在一些实施例中，所述十二相永磁同步电机飞轮储能系统实现恒转矩或者恒功率控制方式，是通过限制十二相永磁同步电机定子的Q1轴参考电流来实现，即在恒转矩的控制方式下，限制Q1轴参考电流的第一最大值；在恒功率控制方式下，限制Q1轴参考电流的第二最大值。
在一些实施例中，所述Q1轴参考电流的第一最大值和第二最大值通过以下方法得到：
设十二相永磁同步电机的电磁转矩与定子电流之间以及电磁转矩与电磁功率之间分别满足如下公式：
Figure BDA0003138682940000042
/>
其中，Tefw和Pefw分别为十二相永磁同步电机的电磁转矩和电磁功率；pnfw为十二相永磁同步电机的极对数；
根据十二相永磁同步电机定子的D1轴电流iD1fw并通过所述公式，分别得到十二相永磁同步电机定子的Q1轴电流iQ1fw的第一最大值和第二最大值。
本公开的实施例第二方面提出的一种十二相永磁同步电机飞轮储能系统的矢量控制装置，包括：
采集处理模块，用于获得十二相永磁同步电机的转速与转子角度，并通过电流采集装置获得十二相永磁同步电机的电流；以及利用多d-q坐标变换将十二相永磁同步电机的控制变量由自然坐标系变换至d1-q1、d2-q2、d3-q3、d4-q4四个子平面，所述十二相永磁同步电机的控制变量包括十二相永磁同步电机的定子电压、电流和磁链；利用变换矩阵Td将所述十二相永磁同步电机的控制变量由d1-q1、d2-q2、d3-q3、d4-q4四个子平面变换至D1-Q1、D2-Q2、D3-Q3、d4-Q4四个子平面，其中，将所述十二相永磁同步电机的控制变量的基波分量投影至D1-Q1子平面，将所述十二相永磁同步电机的控制变量的谐波分量投影至D2-Q2、D3-Q3、D4-Q4子平面；
计算模块，与所述采集处理模块连接，用于确定D1-Q1、D2-Q2、D3-Q3、D4-Q4四个子平面之中各轴的参考电压，以此构成十二相永磁同步电机的参考电压矢量；其中，在D1-Q1子平面中，将十二相永磁同步电机的转速与设定的参考转速进行比较，并通过比例积分控制，输出十二相永磁同步电机定子的Q1轴参考电流；将十二相永磁同步电机定子的D1轴电流与设定的D1轴参考电流进行比较，并通过比例积分控制，得到D1轴的参考电压；将十二相永磁同步电机定子的Q1轴电流与所述十二相永磁同步电机定子的Q1轴参考电流进行比较并通过比例积分控制，得到Q1轴的参考电压；在D2-Q2、D3-Q3、D4-Q4子平面中，将十二相永磁同步电机定子的各轴电流与设定的参考电流进行比较，并通过准比例谐振控制，得到相应轴的参考电压；
以及指令模块，与所述计算模块连接，用于通过所述计算模块模块得到的电机参考电压矢量对十二相永磁同步电机进行矢量控制。
与现有技术相比，本公开的实施例具有以下特点及有益效果：
1、本公开的实施例通过多d-q坐标变换方法和Td二次变换方法对十二相永磁同步电机的定子分量进行变换，可以将电机的电压、电流或磁链投影至D1-Q1、D2-Q2、D3-Q3、D4-Q4子平面，能够实现基波电压、电流、磁链与谐波的解耦，进一步降低了各子平面之间的耦合度，从而根据是否参与电磁转矩合成来实现上述物理量的分解，实现对电机的高效控制。也可以对变换后的电机物理量进行逆变换得到实际的物理量，例如将电机D1-Q1、D2-Q2、D3-Q3、D4-Q4子平面的参考电压矢量做
Figure BDA0003138682940000051
变换和反Park变换得到α-β平面的参考电压矢量，从而进行空间矢量脉宽调制(SVPWM)。
2、本公开的实施例在对十二相永磁同步电机的内环进行控制时，在D1-Q1电机定子基波电流子平面上，采用了比例积分(PI)控制方法；在D2-Q2、D3-Q3、D4-Q4电机定子谐波电流子平面上，采用准比例谐振控制器(QPR)对其进行控制。采用这种方法能够针对不同的谐波子平面，选取谐振频率，进而保证对特定频次的交流谐波分量进行有效抑制，有效地抑制谐波电流，减少电机的发热。
附图说明
图1为根据本公开的实施例所提出的基于中性点相互隔离的十二相永磁同步电机的飞轮储能系统的主电路结构示意图。
图2为本公开的实施例所提出的基于中性点相互隔离的十二相永磁同步电机的绕组分布示意图。
图3为根据本公开的实施例所提出的基于中性点相互隔离的十二相永磁同步电机的飞轮储能系统的矢量控制方法的原理图。
图4为根据本公开的实施例所提出的基于中性点相互隔离的十二相永磁同步电机的飞轮储能系统的不同电机转速对应的工作范围与控制策略的示意图。
图5是根据本公开的实施例所提出的基于中性点相互隔离的十二相永磁同步电机的飞轮储能系统的矢量控制装置的原理图。
具体实施方式
下面结合系统示例及相关图例对本公开的实施例进行说明，所出现过的相同或类似的符号表示相同或类似功能的元件。图例仅用于解释本发明，不是对本发明的限制。
下面参考图例，对本公开的实施例的控制对象，即十二相永磁同步电机飞轮储能系统进行描述。
参见图1，十二相永磁同步电机飞轮储能系统包括十二相永磁同步电机10、飞轮11、四个机侧滤波器(6～9)和四个机侧变流器(2～5)。十二相永磁同步电机10的转子与飞轮11同轴连接，十二相永磁同步电机10的定子每三相绕组形成一个桥臂共计四个桥臂，各桥臂上分别设有相互串联一个机侧滤波器(6～9)和机侧变流器(2～5)，四个桥臂并联后接入直流母线1。本实施例中各机侧变流器(2～5)均采用二极管箝位型三电平变流器，各机侧滤波器(6～9)均采用与二极管箝位型三电平变流器相配套的LC滤波器。如图2所示，本实施例中十二相永磁同步电机10采用中性点相互隔离的十二相永磁同步电机，十二相永磁同步电机10的绕组被分成四组在空间上相差15°的三相绕组。以十二相永磁同步电机10的定子A1相绕组方向作为参考轴，与旋转坐标系之间的夹角记作电机转子的空间位置角θr。其中，第一至第四变流器2、3、4、5的交流输出端经过第一至第四滤波器6、7、8、9后分别与十二相永磁同步电机10的四个三相定子绕组的引出端相连，具体为：第一变流器2的交流输出端a1、b1、c1经过第一滤波器6分别与十二相永磁同步电机10的三相定子绕组A1、B1、C1相连；第二变流器3的交流输出端a2、b2、c2经过第二滤波器7分别与十二相永磁同步电机10的三相定子绕组A2、B2、C2相连；第三变流器4的交流输出端a3、b3、c3经过第三滤波器8分别与十二相永磁同步电机10的三相定子绕组A3、B3、C3相连；第四变流器5的交流输出端a4、b4、c4经过第四滤波器9分别与十二相永磁同步电机10的三相定子绕组A4、B4、C4相连。
本公开的实施例第一方面提出的十二相永磁同步电机飞轮储能系统的矢量控制方法，其实施例参见图3，包括以下步骤：
1)获取十二相永磁同步电机的机械转速ωr、转子角度θr和电机定子电流I；利用多f-q坐标变换将十二相永磁同步电机的控制变量(包括十二相永磁同步电机的定子电压、电流和磁链)由自然坐标系变换至d1-q1、f2-q2、d3-q3、d4-q4四个子平面，d1-q1、d2-q2、d3-q3、d4-q4四个子平面依次由第一至第四变流器对应的三相定子绕组的电流变换得到；利用变换矩阵Td将十二相永磁同步电机的控制变量由d1-q1、d2-q2、d3-q3、d4-q4四个子平面变换至D1-Q1、D2-Q2、D3-Q3、D4-Q4四个子平面，子平面的变换关系将在之后描述；其中，将十二相永磁同步电机的控制变量的基波分量投影至D1-Q1子平面，用于产生电磁转矩，进行能量转换；将十二相永磁同步电机的控制变量的谐波分量投影至D2-Q2、D3-Q3、D4-Q4子平面，仅产生谐波电流，不用于合成电磁转矩，只产生损耗；
2)确定D1-Q1、D2-Q2、D3-Q3、D4-Q4四个子平面各轴的参考电压，以此构成十二相永磁同步电机的参考电压矢量；其中：
在D1-Q1子平面中，将十二相永磁同步电机的转速与设定的参考转速进行比较，并通过比例积分控制，输出十二相永磁同步电机定子的Q1轴参考电流；将十二相永磁同步电机定子的D1轴电流与设定的D1轴参考电流进行比较，并通过比例积分控制，得到D1轴的参考电压；将十二相永磁同步电机定子的Q1轴电流与所述十二相永磁同步电机定子的Q1轴参考电流进行比较并通过比例积分控制，得到Q1轴的参考电压；
在D2-Q2、D3-Q3、D4-Q4子平面中，将十二相永磁同步电机定子的各轴电流与设定的相应轴参考电流进行比较，并通过准比例谐振控制，得到各轴的参考电压；
3)通过得到的电机参考电压矢量对十二相永磁同步电机进行矢量控制。
在一些实施例中，步骤1)中多d-q坐标变换是通过使用12阶坐标变换矩阵TABC/12r进行，12阶坐标变换矩阵TABC/12r的表达式如下：
Figure BDA0003138682940000081
Figure BDA0003138682940000082
式中，
Figure BDA0003138682940000083
为十二相永磁同步电机中第k组三相定子绕组的3阶变换矩阵，k＝1，2，3，4；θ为参考轴(即十二相永磁同步电机的定子中第一组绕组A1相的轴向)与十二相永磁同步电机的转子d轴之间的电角度；03×3为3×3的0矩阵；
对自然坐标系下的十二相永磁同步电机进行多d-q坐标变换后的电压方程和磁链方程分别为：
Figure BDA0003138682940000084
ψdqfw＝Ldqfwidqfwc+Tcψffw
式中，
udqfw＝[ud1fw uq1fw ud2fw uq2fw ud3fw uq3fw ud4fw uq4fw]T为十二相永磁同步电机的定子电压向量，udkfw和uqkfw分别为十二相永磁同步电机定子的第k组绕组的d轴电压和q轴电压，k＝1，2，3，4；
Rsfw＝RsfwI8为十二相永磁同步电机的定子电阻矩阵，Rsfw为十二相永磁同步电机定子的一相绕组的电阻，I8为8阶单位矩阵；
Figure BDA0003138682940000091
为十二相永磁同步电机定子的电感系数矩阵，Lafw为十二相永磁同步电机定子的d轴自感，Lqfw为十二相永磁同步电机定子的q轴自感，Ladfw＝Ldfw-Llfw为十二相永磁同步电机定子的d轴主自感，Laqfw＝Lqfw-Llfw为十二相永磁同步电机定子的q轴主自感，Llfw为十二相永磁同步电机定子的漏感；
idqfw＝[id1fw iq1fw id2fw iq2fw id3fw iq3fw id4fw iq4fw]T为十二相永磁同步电机的定子电流向量，idkfw和iqkfw分别为十二相永磁同步电机定子的第k组绕组的d轴电流和q轴电流，k＝1，2，3，4；
udqcpfw为十二相永磁同步电机的定子绕组间电压耦合项，由于对控制结果影响非常小，在实际应用中通常忽略此变量；
ψdqfw＝[ψd1fw ψq1fw ψd2fw ψq2fw ψd3fw ψq3fw ψd4fw ψq4fw]T为十二相永磁同步电机的定子磁链向量，ψdkfw和ψqkfw分别为十二相永磁同步电机定子的第k组绕组的d轴磁链和q轴磁链，k＝1，2，3，4；
Tc＝[1 0 1 0 1 0 1 0]T为常系数向量；
ψffw为十二相永磁同步电机的永磁体在单相绕组中的磁链幅值。
在一些实施例中，步骤1)中，变换矩阵Td能够实现十二相永磁同步电机的基波电压、电流、磁链与谐波的解耦，从而根据是否参与电磁转矩合成来实现上述物理量的分解。变换矩阵Td的表达式为：
Figure BDA0003138682940000101
经变换矩阵Td变换后的电压方程为：
Figure BDA0003138682940000102
式中，
uDQfw＝[uD1fw uQ1fw uD2fw uQ2fw uD3fw uQ3fw uD4fw uQ4fw]T为变换后十二相永磁同步电机的定子电压向量，uDkfw和uQkfw分别为变换后的十二相永磁同步电机定子的第k组绕组的D轴电压和Q轴电压，k＝1，2，3，4；
iDQfw＝[iD1fw iQ1fw iD2fw iQ2fw iD3fw iQ3fw iD4fw iQ4fw]T为变换后十二相永磁同步电机的定子电流向量，iDkfw和iQkfw分别为变换后的十二相永磁同步电机定子的第k组绕组的D轴电流和Q轴电流，k＝1，2，3，4；
Ldqfw＝diag(LD1fw LQ1fw Llfw Llfw Llfw Llfw Llfw Llfw)T为变换后十二相永磁同步电机的定子电感系数矩阵，LD1fw和LQ1fw分别为变换后的十二相永磁同步电机定子的第1组绕组的D轴自感和Q轴自感；
ψdqfw＝[0 ψffw 0 0 0 0 0 0]T为变换后十二相永磁同步电机的定子磁链向量；
ωefw为十二相永磁同步电机的转子电角速度；
Figure BDA0003138682940000103
为8阶常系数矩阵，TDQ1fw为2阶系数矩阵，
Figure BDA0003138682940000104
02×2为2×2的0矩阵；
在使用变换矩阵Td变换时，D1-Q1、D2-Q2、D3-Q3、D4-Q4子平面与d1-q1、d2-q2、d3-q3、d4-q4子平面各分量的映射关系为：
Figure BDA0003138682940000105
Figure BDA0003138682940000111
其中，xDk、xQk分别为十二相永磁同步电机定子在Dk-Qk子平面的控制变量(包括电压、电流和磁链)，xdk、xqk分别为十二相永磁同步电机定子在dk-qk子平面的控制变量，k＝1，2，3，4。
经过Td对多d-q坐标系下的电机定子分量进行二次变换，可以将d1-q1、d2-q2、d3-q3、d4-q4子平面上的电压、电流或磁链投影至D1-Q1、D2-Q2、D3-Q3、D4-Q4子平面，降低了各子平面的耦合度。其中，电压、电流或磁链的基波分量投影至D1-Q1子平面，产生电磁转矩，进行能量转换。电压、电流或磁链的谐波分量投影至D2-Q2、D3-Q3、D4-Q4子平面，不产生电磁转矩，只产生谐波电流。
在一些实施例中，参考上述电机模型的表示符号与变换方法，可以对电机的定子电流信息进行处理。
根据多d-q坐标变换方法，TABC/12r单元使用变换矩阵TABC/12r将十二相永磁同步电机定子电流变换至d1-q1、d2-q2、d3-q3、d4-q4四个子平面；再根据所提出的进一步变换的方法，Td单元使用变换矩阵Td又将多d-q坐标系下d1-q1、d2-q2、d3-q3、d4-q4子平面的电流进行进一步变换，变换至D1-Q1、D2-Q2、D3-Q3、D4-Q4子平面。其中，电压、电流或磁链的基波分量投影至D1-Q1子平面，产生电磁转矩，进行能量转换。电压、电流或磁链的谐波分量投影至D2-Q2、D3-Q3、D4-Q4子平面，不产生电磁转矩，只产生谐波电流。
经过变换矩阵Td对多d-q坐标系下的电机定子分量进行二次变换，可以将d1-q1、d2-q2、d3-q3、d4-q4子平面上的电压、电流或磁链投影至D1-Q1、D2-Q2、D3-Q3、D4-Q4子平面。这种变换方法能够实现基波电压、电流、磁链与谐波的解耦，进一步降低了各子平面之间的耦合度，从而根据是否参与电磁转矩合成来实现上述物理量的分解。
在一些实施例中，步骤2)具体方法实施例如下：
21)在D1-Q1子平面中，分别设定十二相永磁同步电机的参考转速ωrref和D1轴参考电流，参考转速ωrref根据使用者所需要被控电机达到的转速进行设定，D1轴参考电流通过弱磁控制策略并根据使用者所需要被控电机产生的D1轴电流大小设定。将十二相永磁同步电机的转速ωr与设定的参考转速ωrref进行比较，并使用PI控制，得到十二相永磁同步电机定子的Q1轴参考电流，以此作为飞轮储能系统的转速外环的输出。将十二相永磁同步电机定子的D1轴电流与设定的D1轴参考电流进行比较，并通过PI控制，得到D1轴的参考电压；将十二相永磁同步电机定子的Q1轴电流与十二相永磁同步电机定子的Q1轴参考电流进行比较并通过PI控制，得到Q1轴的参考电压。
在一些实施例中，为了实现十二相永磁同步电机的正常运行，需要对十二相永磁同步电机定子的Q1轴参考电流进行限制，从而实现十二相永磁同步电机运行在不同的工作状态。如图4所示，根据飞轮储能系统中十二相永磁同步电机的转速ωr与极限工作转速进行判断：若十二相永磁同步电机的转速ωr小于规定的最低工作转速，则飞轮储能系统通过恒转矩的控制方式进行充电；若十二相永磁同步电机的转速在规定的最低工作转速和最高工作转速范围内，则所述飞轮储能系统通过恒功率的控制方式进行充电和放电。其中，飞轮储能系统实现恒转矩或者恒功率控制方式的方法，是通过限制十二相永磁同步电机内环Q1轴的定子电流给定值幅值来实现的：在恒转矩的控制方式下，限制Q1轴参考电流的第一最大值；在恒功率控制方式下，限制Q1轴参考电流的第二最大值。
在一些实施例中，Q1轴参考电流的第一最大值和第二最大值通过以下方法得到：
设十二相永磁同步电机的电磁转矩与定子电流之间以及电磁转矩与电磁功率之间分别满足如下关系：
Figure BDA0003138682940000121
Pefw＝Tefwωr
其中，Tefw和Pefw分别为十二相永磁同步电机的电磁转矩和电磁功率；pnfw为十二相永磁同步电机的极对数。
根据上述关系式，即可在弱磁控制策略给定了十二相永磁同步电机定子的第1组绕组的D轴电流iD1fw的条件下，通过十二相永磁同步电机的电磁转矩Tefw以及十二相永磁同步电机的电磁功率Pefw来确定十二相永磁同步电机定子的第1组绕组的Q轴电流iQ1fw的幅值。根据需求确定十二相永磁同步电机的电磁转矩上限后，即可确定iQ1fw的第一最大值；根据需求确定十二相永磁同步电机的电磁功率上限后，即可确定iQ1fw的第二最大值。
22)在D2-Q2、D3-Q3、D4-Q4子平面(均为十二相永磁同步电机的定子谐波电流子平面)中，设定D2-Q2、D3-Q3、D4-Q4子平面各轴的参考电流为0(用于抑制谐波电流)，将十二相永磁同步电机定子的各轴电谐波流与设定的相应轴参考电流进行比较，并通过准比例谐振(Quasi Proportional Resonant，QPR)控制，得到D2-Q2、D3-Q3、D4-Q4子平面的电压矢量。
在一些实施例中，QPR控制的传递函数为：
Figure BDA0003138682940000131
式中，s为传递函数的复变量，kp为比例系数，kr为时间积分系数，ω0为QPR控制的谐振频率，ωc为QPR控制的截止频率。
综上所述，通过获得十二相永磁同步电机的实时转速作为飞轮储能系统的转速外环，以及生成D1-Q1、D2-Q2、D3-Q3、D4-Q4的电机子平面电流作为飞轮储能系统的电流内环，最终内环输出得到十二相永磁同步电机定子D1-Q1、D2-Q2、D3-Q3、D4-Q4四个子平面的参考电压矢量。
在一些实施例中，步骤3)包括：将得到的十二相永磁同步电机的参考电压矢量转换为相应的驱动信号，控制四套变流器中的各个开关管，最终实现对十二相永磁同步电机的充放电指令。具体实现过程如下：
通过空间矢量电压调制方法对步骤2)得到的十二相永磁同步电机定子D1-Q1、D2-Q2、D3-Q3、D4-Q4子平面的参考电压矢量进行如下操作：将内环的输出作为参考电压矢量，通过逆变换矩阵
Figure BDA0003138682940000132
对十二相永磁同步电机定子D1-Q1、D2-Q2、D3-Q3、D4-Q4子平面的参考电压矢量进行逆变换，得到四组三相绕组对应的d1-q1、d2-q2、d3-q3、d4-q4子平面参考电压矢量。利用十二相永磁同步电机的转子角度θr，使用四个2r/2s变换矩阵进行反Park变换得到四组三相绕组在静止α-β坐标系下四个α-β子平面的参考电压矢量，其中α轴与十二相永磁同步电机的定子中第一组绕组A1相重合。最终根据直流母线的电压实际值与静止参考坐标系下的四个电压矢量，分别通过空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)方法，各自形成连接四组三相绕组对应的四个变流器中各个开关管的驱动信号。
本公开的实施例第二方面提出的十二相永磁同步电机飞轮储能系统的矢量控制装置，其结构参见图5，包括：
采集处理模块，用于通过码盘获得十二相永磁同步电机的转速ωr与转子角度θr，并通过电流采集装置获得十二相永磁同步电机的电流I等信息；以及利用多d-q坐标变换将十二相永磁同步电机的控制变量由自然坐标系变换至d1-q1、d2-q2、d3-q3、d4-q4四个子平面，所述十二相永磁同步电机的控制变量包括十二相永磁同步电机的定子电压、电流和磁链；利用变换矩阵Td将所述十二相永磁同步电机的控制变量由d1-q1、d2-q2、d3-q3、d4-q4四个子平面变换至D1-Q1、D2-Q2、D3-Q3、D4-Q4四个子平面，其中，将所述十二相永磁同步电机的控制变量的基波分量投影至D1-Q1子平面，将所述十二相永磁同步电机的控制变量的谐波分量投影至D2-Q2、D3-Q3、D4-Q4子平面。
计算模块，与采集处理模块连接，用于确定D1-Q1、D2-Q2、D3-Q3、D4-Q4四个子平面各轴的参考电压，以此构成十二相永磁同步电机的参考电压矢量；其中：
在D1-Q1子平面中，将十二相永磁同步电机的转速与设定的参考转速进行比较，并通过比例积分控制，输出十二相永磁同步电机定子的Q1轴参考电流；将十二相永磁同步电机定子的D1轴电流与设定的D1轴参考电流进行比较，并通过比例积分控制，得到D1轴的参考电压；将十二相永磁同步电机定子的Q1轴电流与所述十二相永磁同步电机定子的Q1轴参考电流进行比较并通过比例积分控制，得到Q1轴的参考电压；
在D2-Q2、D3-Q3、D4-Q4子平面中，将十二相永磁同步电机定子的各轴电流与设定的参考电流进行比较，并通过准比例谐振控制，得到相应轴的参考电压。
以及指令模块，与计算模块连接，用于通过计算模块模块得到的电机参考电压矢量对十二相永磁同步电机进行矢量控制。
综上所述，根据本公开的实施例提出的十二相永磁同步电机飞轮储能系统的矢量控制方法及装置，通过所提出的变换方式将十二相永磁同步电机的定子电压、电流、磁链分解至基波平面和谐波平面，能有效地控制电机的转速，完成对基于十二相永磁同步电机的飞轮储能系统的高效控制，实现对电机谐波电流的有效抑制，减少机组的发热等问题，提高飞轮电机储能系统的效率。
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“示意图”、“原理图”、“示例”、或“图例”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表示或示例。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示例以及不同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示例，可以理解的是，上述示例是示范性的，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示例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种十二相永磁同步电机飞轮储能系统的矢量控制方法，其特征在于，包括：
获取十二相永磁同步电机的机械转速、转子角度和定子电流；
利用多d-q坐标变换将所述十二相永磁同步电机的控制变量由自然坐标系变换至d1-q1、d2-q2、d3-q3、d4-q4四个子平面；利用变换矩阵Td将所述十二相永磁同步电机的控制变量由d1-q1、d2-q2、d3-q3、d4-q4四个子平面变换至D1-Q1、D2-Q2、D3-Q3、D4-Q4四个子平面，其中，将所述十二相永磁同步电机的控制变量的基波分量投影至D1-Q1子平面，将所述十二相永磁同步电机的控制变量的谐波分量投影至D2-Q2、D3-Q3、D4-Q4子平面；
确定D1-Q1、D2-Q2、D3-Q3、D4-Q4四个子平面之中各轴的参考电压，以此构成所述十二相永磁同步电机的参考电压矢量；其中：
在D1-Q1子平面中，将所述十二相永磁同步电机的转速与设定的参考转速进行比较，并通过比例积分控制，输出所述十二相永磁同步电机定子的Q1轴参考电流；将所述十二相永磁同步电机定子的D1轴电流与设定的D1轴参考电流进行比较，并通过比例积分控制，得到D1轴的参考电压；将所述十二相永磁同步电机定子的Q1轴电流与所述十二相永磁同步电机定子的Q1轴参考电流进行比较并通过比例积分控制，得到Q1轴的参考电压；
在D2-Q2、D3-Q3、D4-Q4子平面中，将十二相永磁同步电机定子的各轴电流与设定的参考电流进行比较，并通过准比例谐振控制，得到相应轴的参考电压；
通过得到的电机参考电压矢量对所述十二相永磁同步电机进行矢量控制；
所述十二相永磁同步电机飞轮储能系统实现恒转矩或者恒功率控制方式，是通过限制所述十二相永磁同步电机定子的Q1轴参考电流来实现，即在恒转矩的控制方式下，限制Q1轴参考电流的第一最大值；在恒功率控制方式下，限制Q1轴参考电流的第二最大值；
所述Q1轴参考电流的第一最大值和第二最大值通过以下方法得到：
设所述十二相永磁同步电机的电磁转矩与定子电流之间以及电磁转矩与电磁功率之间分别满足如下公式：
Figure FDA0004002494440000011
Pefw＝Tefwωr
其中，Tefw和Pefw分别为十二相永磁同步电机的电磁转矩和电磁功率；pnfw为所述十二相永磁同步电机的极对数；ψffw为十二相永磁同步电机的永磁体在单相绕组中的磁链幅值；Ladfw和Laqfw分别为十二相永磁同步电机定子的d轴和q轴主自感；LD1fw和LQ1fw分别为变换后的十二相永磁同步电机定子的第1组绕组的D轴自感和Q轴自感；ωr为十二相永磁同步电机的转速；
根据所述十二相永磁同步电机定子的D1轴电流iD1fw并通过所述公式，分别得到所述十二相永磁同步电机定子的Q1轴电流iQ1fw的第一最大值和第二最大值。
2.根据权利要求1所述的矢量控制方法，其特征在于，所述变换矩阵Td的表达式如下：
Figure FDA0004002494440000021
3.根据权利要求2所述的矢量控制方法，其特征在于，在使用所述变换矩阵Td进行坐标变换时，D1-Q1、D2-Q2、D3-Q3、D4-Q4子平面与d1-q1、d2-q2、d3-q3、d4-q4子平面各分量的关系满足：
Figure FDA0004002494440000022
Figure FDA0004002494440000023
其中，xDk、xQk分别为所述十二相永磁同步电机定子在Dk-Qk子平面的控制变量，xdk、xqk分别为所述十二相永磁同步电机定子在dk-qk子平面的控制变量，k＝1,2,3,4。
4.根据权利要求1所述的矢量控制方法，其特征在于，所述准比例谐振控制的传递函数为：
Figure FDA0004002494440000024
其中，s为传递函数的复变量，kq为比例系数，kr为时间积分系数，ω0为准比例谐振控制的谐振频率，ωc为准比例谐振控制的截止频率。
5.根据权利要求2所述的矢量控制方法，其特征在于，所述通过得到的电机参考电压矢量对所述永磁同步电机进行矢量控制，包括以下步骤：
将所述参考电压矢量，通过逆变换矩阵
Figure FDA0004002494440000025
对所述十二相永磁同步电机定子D1-Q1、D2-Q2、D3-Q3、D4-Q4子平面的参考电压矢量进行逆变换，得到四组三相绕组对应的d1-q1、d2-q2、d3-q3、d4-q4子平面参考电压矢量；利用所述十二相永磁同步电机的转子角度，通过反Park变换得到在静止α-β坐标系下四个α-β子平面的参考电压矢量，其中α轴与十二相永磁同步电机的参考轴重合；根据直流母线的实际电压值与静止参考坐标系下的四个参考电压，分别通过空间矢量脉宽调制方法，形成连接所述十二相永磁同步电机的四组三相绕组对应的四个变流器中各个开关管的驱动信号。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的矢量控制方法，其特征在于，还包括：
根据所述十二相永磁同步电机飞轮储能系统中所述十二相永磁同步电机的转速与极限工作转速进行判断：若所述十二相永磁同步电机的转速小于规定的最低工作转速，则所述十二相永磁同步电机飞轮储能系统通过恒转矩的控制方式进行充电；若所述十二相永磁同步电机的转速在规定的最低工作转速和最高工作转速范围内，则所述十二相永磁同步电机飞轮储能系统通过恒功率的控制方式进行充电和放电。
7.一种十二相永磁同步电机飞轮储能系统的矢量控制装置，其特征在于，包括：
采集处理模块，用于获得十二相永磁同步电机的转速与转子角度，并通过电流采集装置获得十二相永磁同步电机的电流；以及利用多d-q坐标变换将十二相永磁同步电机的控制变量由自然坐标系变换至d1-q1、d2-q2、d3-q3、d4-q4四个子平面；利用变换矩阵Td将所述十二相永磁同步电机的控制变量由d1-q1、d2-q2、d3-q3、d4-q4四个子平面变换至D1-Q1、D2-Q2、D3-Q3、D4-Q4四个子平面，其中，将所述十二相永磁同步电机的控制变量的基波分量投影至D1-Q1子平面，将所述十二相永磁同步电机的控制变量的谐波分量投影至D2-Q2、D3-Q3、D4-Q4子平面；
计算模块，与所述采集处理模块连接，用于确定D1-Q1、D2-Q2、D3-Q3、D4-Q4四个子平面之中各轴的参考电压，以此构成所述十二相永磁同步电机的参考电压矢量；其中，在D1-Q1子平面中，将所述十二相永磁同步电机的转速与设定的参考转速进行比较，并通过比例积分控制，输出所述十二相永磁同步电机定子的Q1轴参考电流；将所述十二相永磁同步电机定子的D1轴电流与设定的D1轴参考电流进行比较，并通过比例积分控制，得到D1轴的参考电压；将所述十二相永磁同步电机定子的Q1轴电流与所述十二相永磁同步电机定子的Q1轴参考电流进行比较并通过比例积分控制，得到Q1轴的参考电压；在D2-Q2、D3-Q3、D4-Q4子平面中，将所述十二相永磁同步电机定子的各轴电流与设定的参考电流进行比较，并通过准比例谐振控制，得到相应轴的参考电压；
以及指令模块，与所述计算模块连接，用于通过所述计算模块得到的电机参考电压矢量对所述十二相永磁同步电机进行矢量控制；
所述计算模块还用于计算Q1轴参考电流的第一最大值和第二最大值，当所述十二相永磁同步电机飞轮储能系统在恒转矩的控制方式下时，限制Q1轴参考电流的第一最大值，当所述十二相永磁同步电机飞轮储能系统在恒功率控制方式下时，限制Q1轴参考电流的第二最大值，计算方法如下：
设所述十二相永磁同步电机的电磁转矩与定子电流之间以及电磁转矩与电磁功率之间分别满足如下公式：
Figure FDA0004002494440000041
Pefw＝Tefwωr
其中，Tefw和Pefw分别为十二相永磁同步电机的电磁转矩和电磁功率；pnfw为所述十二相永磁同步电机的极对数；ψffw为十二相永磁同步电机的永磁体在单相绕组中的磁链幅值；Ladfw和Laqfw分别为十二相永磁同步电机定子的d轴和q轴主自感；LD1fw和LQ1fw分别为变换后的十二相永磁同步电机定子的第1组绕组的D轴自感和Q轴自感；ωr为十二相永磁同步电机的转速；
根据所述十二相永磁同步电机定子的D1轴电流iD1fw并通过所述公式，分别得到所述十二相永磁同步电机定子的Q1轴电流iQ1fw的第一最大值和第二最大值。
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