一种用于城市轨道交通的十八相储能电机系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种用于城市轨道交通的十八相储能电机系统及其控制方法，系统包括飞轮、十八相储能永磁电机、网侧变流器与机侧变流器。控制方法包括以下步骤：1)检测十八相储能永磁电机的运行参数；2)计算定子磁链指令值；3)观测控制器参数失配的未知扰动；4)计算控制十八相储能永磁电机所需的电压矢量；5)根据所需的电压矢量来生成调制信号，并通过该调制信号控制机侧变流器的工作状态。针对可靠性要求更高、更严格的城市轨道交通用飞轮储能系统领域，本发明专利技术设计了容错性强、可靠度高及结构简单的新型多相储能永磁电机，并实现了多相储能永磁电机在控制器参数失配下的直接功率预测控制。

An 18-Phase Energy Storage Motor System for Urban Rail Transit and Its Control Method

【技术实现步骤摘要】
一种用于城市轨道交通的十八相储能电机系统及其控制方法
本专利技术涉及一种城市轨道交通飞轮储能系统及其控制方法，具体涉及一种用于城市轨道交通的十八相储能电机系统及其控制方法。
技术介绍
城市公共交通是城市经济生活的命脉，是关系国计民生、经济发展和社会稳定的重要基础设施。城市轨道交通作为一种高效、安全、环保的新型交通工具，逐渐成为城市公共交通发展的主流。目前，我国城市轨道交通覆盖全国30多个省市区，城市轨道线路130余条，运营线路长达4050公里。电能作为城市轨道交通牵引动力的主要来源，以城市地铁为例，每公里轨道交通年均用电在300万度以上，耗能巨大。城市轨道交通站间距较短、运行密度高，启停频繁，列车在启动与加速过程中需要消耗大量电能转化为动能，同时制动与减速过程可将大量的动能转化为电能。列车制动过程产生的电能高达其启动牵引能耗的一半，如这部分制动再生能量没有被牵引变电所回收利用，将会造成大量的能量浪费，而且会对牵引电网造成瞬时冲击，严重影响城市轨道交通安全稳定运行。目前常用的轨道交通制动能量存储技术有超级电容储能、电池储能、超导储能以及飞轮储能等。飞轮储能技术具有功率密度高、响应速度快以及绿色环保等优点，在稳定牵引电网电压和提高列车制动再生能量回收等方面具有独特优势，特别适合用于城市轨道交通制动储能发电。储能电机是飞轮储能系统中的核心部件，储能电机的性能直接决定轨道交通制动过程中牵引电网电压的稳定性，以及飞轮储能系统能量转换的品质。随着城市轨道交通负载功率不断提升，对牵引电网的瞬时冲击负荷也不断提高，传统三相储能电机设计与控制方法已不能满足城市轨道交通用飞轮储能系统的需求。在对可靠性要求更高、更严格的城市轨道交通领域，迫切需要开展容错性强、可靠度高及结构简单的新型多相储能电机设计与高性能控制的研究。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，本专利技术设计了一种容错性强、可靠度高及结构简单的用于城市轨道交通的十八相储能电机系统，针对该新型十八相储能永磁电机的特殊结构与特性，提出了一种用于城市轨道交通的十八相储能电机系统的控制方法，该控制方法为控制算法简单、鲁棒性强的直接功率预测控制策略。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种用于城市轨道交通的十八相储能电机系统，包括飞轮、十八相储能永磁电机、网侧变流器与机侧变流器，所述飞轮通过联轴器与十八相储能永磁电机连接，所述机侧变流器的交流侧与十八相储能永磁电机相连，所述机侧变流器的直流侧通过网侧变流器与牵引电网相连。优选的，所述十八相储能永磁电机由六个所有特性相互重复的三相永磁电机单元组成。优选的，所述机侧变流器由六个两电平变流器并联组成。优选的，所述六个两电平变流器的直流侧并联一个公用的电容。优选的，所述用于城市轨道交通的十八相储能电机系统还包括鲁棒预测直接功率控制器，所述鲁棒预测直接功率控制器的控制输出端与机侧变流器的控制端相连。用于城市轨道交通的十八相储能电机系统所述鲁棒预测直接功率控制器被编程或配置以执行下述步骤：1)检测十八相储能永磁电机的电机运行参数，所述电机运行参数包括反馈电流id(k)、iq(k)电气角速度ωe(k)及当前电压矢量udj(k)、uqj(k)；2)根据电机转速ωe与控制输入的电机功率指令值Pref来计算定子磁链指令值3)根据十八相储能永磁电机的运行参数来观测控制器参数失配下的未知扰动4)根据功率指令值Pref、定子磁链指令值和未知扰动来计算控制十八相储能永磁电机所需的电压矢量udj(k+1)、uqj(k+1)。本专利技术还提供一种用于城市轨道交通的十八相储能电机系统的控制方法，包括以下步骤：1)检测十八相储能永磁电机的电机运行参数，所述电机运行参数包括反馈电流id(k)、iq(k)电气角速度ωe(k)、电机转速ωe及当前电压矢量udj(k)、uqj(k)；2)根据电机转速ωe与控制输入的电机功率指令值Pref来计算定子磁链指令值3)根据十八相储能永磁电机的电机运行参数来观测控制器参数失配的未知扰动4)根据功率指令值Pref、定子磁链指令值和未知扰动来计算控制十八相储能永磁电机所需的电压矢量udj(k+1)、uqj(k+1)；5)根据控制十八相储能永磁电机所需的电压矢量udj(k+1)、uqj(k+1)来生成调制信号，并通过该调制信号控制机侧变流器的工作状态。优选的，步骤2)中计算定子磁链指令值的函数表达式如式(1)所示：式(1)中，N为十八相储能永磁电机中三相永磁电机单元的数量，ψdj(k)为十八相储能永磁电机的转子d轴磁链，ψqj(k)为十八相储能永磁电机的转子q轴磁链，ψro为十八相储能永磁电机的转子永磁体磁链，Lo为十八相储能永磁电机的电感，idj(k)为十八相储能永磁电机反馈电流id(k)的1/6，ωe为十八相储能永磁电机的电机转速，Pref为十八相储能永磁电机的电机功率指令值，np为十八相储能永磁电机的极对数。优选的，步骤3)包括以下步骤：3.1)构造如式(2)所示的离散滑模观测器：式(2)中，Lo为十八相储能永磁电机2的电感，Ro为十八相储能永磁电机2的电阻，Ts为采样周期，m1与m2为离散滑模观测器中的参数，ψro为十八相储能永磁电机2的转子永磁体磁链，sgn为滑模控制项，ωe(k-1)为上一采样周期中检测的十八相储能永磁电机2的电气角速度，udj(k-1)、uqj(k-1)为上一采样周期中检测的十八相储能永磁电机2的当前电压矢量，为离散滑模观测器对idj(k-1)的观测值，为离散滑模观测器对iqj(k-1)的观测值，idj(k-1)为上一采样周期中检测的十八相储能永磁电机2反馈电流id(k-1)的1/6，iqj(k-1)为上一采样周期中检测的十八相储能永磁电机2反馈电流iq(k-1)的1/6；3.2)根据观测值计算未知扰动函数表达式如式(3)所示：式(3)中，Lo为十八相储能永磁电机的电感，m1与m2为离散滑模观测器中的参数，sgn为滑模控制项，idj(k)为十八相储能永磁电机反馈电流id(k)的1/6，iqj(k)为十八相储能永磁电机反馈电流iq(k)的1/6。优选的，步骤4)包括以下步骤：4.1)计算十八相储能永磁电机的响应功率P(k)，函数表达式如式(4)所示：式(4)中，N为十八相储能永磁电机中三相永磁电机单元的数量，Lo为十八相储能永磁电机的电感，np为十八相储能永磁电机的极对数，ψqj(k)为转子q轴磁链，iqj(k)为十八相储能永磁电机反馈电流iq(k)的1/6，Te(k)为十八相储能永磁电机的转矩，ψro为十八相储能永磁电机的转子永磁体磁链，ωe(k)为十八相储能永磁电机的电气角速度；4.2)根据十八相储能永磁电机的响应功率P(k)、功率指令值Pref以及未知扰动来预测磁链与功率的表达式G(k)、F1(k)、F2(k)，函数表达式如式(5)所示：式(5)中，N为十八相储能永磁电机中三相永磁电机单元的数量，np为十八相储能永磁电机的极对数，Lo为十八相储能永磁电机的电感，Ro为十八相储能永磁电机的电阻，ψro为十八相储能永磁电机的转子永磁体磁链，ψdj(k)为十八相储能永磁电机的转子d轴磁链，ψqj(k)为十八相储能永磁电机的转子q轴磁链，Ts为采样周期，ωe(k)为十八相储本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于城市轨道交通的十八相储能电机系统，其特征在于：包括飞轮(1)、十八相储能永磁电机(2)、网侧变流器(3)与机侧变流器(4)，所述飞轮(1)通过联轴器与十八相储能永磁电机(2)连接，所述机侧变流器(4)的交流侧与十八相储能永磁电机(2)相连，所述机侧变流器(4)的直流侧通过网侧变流器(3)与牵引电网相连。

【技术特征摘要】
1.一种用于城市轨道交通的十八相储能电机系统，其特征在于：包括飞轮(1)、十八相储能永磁电机(2)、网侧变流器(3)与机侧变流器(4)，所述飞轮(1)通过联轴器与十八相储能永磁电机(2)连接，所述机侧变流器(4)的交流侧与十八相储能永磁电机(2)相连，所述机侧变流器(4)的直流侧通过网侧变流器(3)与牵引电网相连。2.根据权利要求1所述的用于城市轨道交通的十八相储能电机系统，其特征在于：所述十八相储能永磁电机(2)由六个所有特性相互重复的三相永磁电机单元组成。3.根据权利要求1所述的用于城市轨道交通的十八相储能电机系统，其特征在于：所述机侧变流器(4)由六个两电平变流器并联组成。4.根据权利要求3所述的用于城市轨道交通的十八相储能电机系统，其特征在于：所述六个两电平变流器的直流侧并联一个公用的电容。5.根据权利要求1～4中任一所述的用于城市轨道交通的十八相储能电机系统，其特征在于：还包括鲁棒预测直接功率控制器(5)，所述鲁棒预测直接功率控制器(5)的控制输出端与机侧变流器(4)的控制端相连。6.根据权利要求5所述的用于城市轨道交通的十八相储能电机系统，其特征在于：所述鲁棒预测直接功率控制器(5)被编程或配置以执行下述步骤：1)检测十八相储能永磁电机(2)的电机运行参数，所述电机运行参数包括反馈电流id(k)、iq(k)电气角速度ωe(k)、电机转速ωe及当前电压矢量udj(k)、uqj(k)；2)根据电机转速ωe与控制输入的电机功率指令值Pref来计算定子磁链指令值3)根据十八相储能永磁电机(2)的电机运行参数来观测控制器参数失配下的未知扰动4)根据功率指令值Pref、定子磁链指令值和未知扰动来计算控制十八相储能永磁电机(2)所需的电压矢量udj(k+1)、uqj(k+1)。7.一种权利要求1～5中任一所述的用于城市轨道交通的十八相储能永磁电机系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)检测十八相储能永磁电机(2)的电机运行参数，所述电机运行参数包括反馈电流id(k)、iq(k)电气角速度ωe(k)及当前电压矢量udj(k)、uqj(k)；2)根据电机转速ωe(k)与控制输入的电机功率指令值Pref来计算定子磁链指令值3)根据十八相储能永磁电机(2)的电机运行参数来观测控制器参数失配下的未知扰动4)根据功率指令值Pref、定子磁链指令值和未知扰动来计算控制十八相储能永磁电机(2)所需的电压矢量udj(k+1)、uqj(k+1)；5)根据控制十八相储能永磁电机(2)所需的电压矢量udj(k+1)、uqj(k+1)来生成调制信号，并通过该调制信号控制机侧变流器(4)的工作状态。8.根据权利要求7所述的用于城市轨道交通的十八相储能电机系统的控制方法，其特征在于，步骤2)中计算定子磁链指令值的函数表达式如式(1)所示：式(1)中，N为十八相储能永磁电机(2)中三相永磁电机单元的数量，ψdj(k)为十八相储能永磁电机(2)的转子d轴磁链，ψqj(k)为十八相储能永磁电机(2)的转子q轴磁链，ψro为十八相储能永磁电机(2)的转子永磁体磁链，Lo为十八相储能永磁电机(2)的电感，idj(k)为十八相储能...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄守道，吴公平，黄晟，王梓萌，罗德荣，吕铭晟，谢金平，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43