一种多绕组永磁电机储能装置及其变流器控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种多绕组永磁电机储能装置，包括多绕组永磁同步发电机，所述多绕组永磁同步发电机包括转子和套设在转子外的定子绕组，且所述定子绕组由N组三相永磁电机的定子绕组重复构成，且每一组三相永磁电机定子绕组的输出端依次连接有AC/DC变流器、DC/DC变流器以及旁路保护电路。与传统三相永磁储能电机相比，该结构具有强容错性、高可靠度、易模块化等优势，是实现城市轨道交通用大功率储能电机系统的有效途径；此外，本发明专利技术还进一步提供一种前述AC/DC变流器、DC/DC变流器的控制方法，突破了多绕组永磁电机耦合控制的技术难题，能实现对前述多绕组永磁电机储能装置的高效控制。

A multi winding permanent magnet motor energy storage device and its converter control method

【技术实现步骤摘要】
一种多绕组永磁电机储能装置及其变流器控制方法
本专利技术涉及轨道交通飞轮储能领域，具体涉及一种多绕组永磁电机储能装置的改进，并进一步涉及其变流器控制方法。
技术介绍
高功率密度储能电机是城市轨道交通用飞轮储能系统中重要的储能模块。储能电机的主要功能是在城市轨道交通制动过程中，避免电力系统出现瞬时大功率负载冲击而导致牵引电网电压抬升的问题，保证城市轨道交通安全稳定运行。永磁电机因具有功率密度高、运行效率高以及动静态性能好等优点，是飞轮储能系统中最常用、最理想的储能电机类型，在飞轮储能系统中广泛应用。然而，随着城市轨道交通负载功率不断提升，传统三相储能永磁电机已不能满足城市轨道交通用飞轮储能系统的需求，因此迫切需要研究多相储能永磁电机。此外，在需要高可靠性的城市轨道交通运用领域，具有容错性强与可靠度高的新型多相储能永磁电机相比于传统多相储能永磁电机要更具优势。因此，开展高可靠度，强冗余能力的新型多绕组永磁电机储能装置的研究，具有重要的理论与现实意义。另一方面，多绕组永磁电机与传统三相及多相永磁电机有本质区别，传统变流器控制算法无法对多绕组永磁电机储能装置进行高性能控制。因此，针对多绕组永磁电机储能装置的特殊结构及特性，提出简单高效的变流器控制算法也十分必要。
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，本专利技术首先提供一种多绕组永磁电机储能装置，与传统三相永磁储能电机相比，该结构具有容错性强、可靠度高、结构简单及易模块化等优势，是实现城市轨道交通用大功率储能电机系统的有效途径；此外，本专利技术还进一步提供一种前述多绕组永磁电机储能装置的变流器控制方法，突破了多绕组永磁电机耦合控制的技术难题，能够实现对前述多绕组永磁电机储能装置的高效控制。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种多绕组永磁电机储能装置，包括多绕组永磁同步发电机，所述多绕组永磁同步发电机包括转子和套设在转子外的定子绕组，且所述定子绕组由N组三相永磁电机的定子绕组重复构成，且每一组三相永磁电机定子绕组的输出端依次连接有AC/DC变流器以及DC/DC变流器，所述AC/DC变流器的交流侧与对应的三相永磁电机定子绕组的输出端相连、直流侧通过电容与DC/DC变流器相连，所述多绕组永磁同步发电机的所有DC/DC变流器的输出端串联连接，在储能状态下多绕组永磁同步发电机用作电动机从牵引电网吸收能量、将电能转化为机械能；在释能状态下多绕组永磁同步发电机用作发电机向牵引电网馈送能量、将机械能转化为电能。可选地，DC/DC变流器的输出端还并联布置有旁路保护电路。此外，本专利技术还进一步提供一种前述多绕组永磁电机储能装置的变流器控制方法，包括对AC/DC变流器进行控制的步骤，且详细步骤包括：1)检测多绕组永磁同步发电机的电机转速ωe(k)与定子电流iaj(k)、ibj(k)；2)根据指令功率Pref(k)和电机转速ωe(k)计算q轴指令电流根据k时刻的d、q轴指令电流通过拉格朗日变换计算k+2时刻的d、q轴指令电流3)根据k时刻的d、q轴响应电流idj(k)、iqj(k)，d、q轴响应电压udj(k)、uqj(k)与电机转速ωe(k)，预测k+1时刻的d、q轴响应电流idj(k+1)、iqj(k+1)；4)根据k+2时刻的d、q轴指令电流k+1时刻的d、q轴响应电流idj(k+1)、iqj(k+1)，计算k+1时的d、q轴电压udj(k+1)、uqj(k+1)；5)将k+1时的d、q轴电压udj(k+1)、uqj(k+1)通过坐标变换获得α、β轴电压uαj(k+1)、uβj(k+1)；将α、β轴电压uαj(k+1)、uβj(k+1)分别输入SVPWM调制模块中获取调制信号λ；将获取的六组调制信号λ分别用来控制各组AC/DC变流器。可选地，步骤2)中计算q轴指令电流的数学表达式如下：上式中，为q轴指令电流，Pref(k)为功率指令值，np为电机的极对数，ψro为转子永磁体磁链值，ωe(k)为电机转速，N为多绕组永磁同步发电机的定子绕组包含三相永磁电机定子绕组的组数。可选地，步骤3)中预测k+1时刻的d、q轴响应电流idj(k+1)、iqj(k+1)的数学表达式如下：上式中，idj(k+1)、iqj(k+1)分别为k+1时刻的d、q轴响应电流，idj(k)、iqj(k)分别为k时刻的d、q轴响应电流，udj(k)、uqj(k)分别为k时刻的d、q轴电压，ωe(k)为电机转速，Ro为电机电阻，ψro为转子永磁体磁链值，Ldo、Lqo为电机d、q轴电感，Ts为采样周期。可选地，步骤4)中计算k+1时的d、q轴电压udj(k+1)、uqj(k+1)的数学表达式如下：上式中，udj(k+1)、uqj(k+1)分别为k+1时刻的d、q轴电压，idj(k+1)、iqj(k+1)分别为k+1时刻的d、q轴响应电流，分别为k+2时刻的d、q轴指令电流，ωe(k)为电机转速，Ro为电机电阻，ψro为转子永磁体磁链值，Ldo、Lqo为电机d、q轴电感，Ts为采样周期。可选地，本专利技术还包括对DC/DC变流器进行控制的步骤，且详细步骤包括：S1)将AC/DC变流器直流侧的实际电压uin与指令电压做差值输入PI控制器中，获取调节电流S2)将调节电流与AC/DC变流器中的电流iin做差值，获取DC/DC变流器输入端的指令电流S3)将DC/DC变流器输入端的指令电流除以调制信号λ，获取DC/DC变流器输出端的指令电流S4)将DC/DC变流器输出端的指令电流与DC/DC变流器输出端的响应电流iout做差值输入PI控制器中，获取DC/DC变流器输出端电压的指令值S5)将DC/DC变流器输出端电压的指令值与DC/DC变流器输出端电压的实际电压uout相加，再除以AC/DC变流器输出端的实际电压uin，来获取DC/DC变流器的调制信号λ从而达到控制DC/DC变流器的目的。此外，本专利技术还提供一种多绕组永磁电机储能装置的变流器控制系统，包括计算机设备，该计算机设备被编程或配置以执行所述多绕组永磁电机储能装置的变流器控制方法的步骤。此外，本专利技术还提供一种多绕组永磁电机储能装置的变流器控制系统，包括计算机设备，该计算机设备至少包括存储器和微处理器，且存储器上存储有被编程或配置以执行所述多绕组永磁电机储能装置的变流器控制方法的计算机程序。此外，本专利技术还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有被编程或配置以执行所述多绕组永磁电机储能装置的变流器控制方法的计算机程序。和现有技术相比，本专利技术多绕组永磁电机储能装置具有下述优点：本专利技术多绕组永磁电机的定子绕组为N组三相永磁电机定子绕组重复构成，且每一组三相永磁电机定子绕组的输出端依次连接有AC/DC变流器以及DC/DC变流器，AC/DC变流器用于交流电与直流电转换，DC/DC变流器用于稳定AC/DC变流器与DC/DC变流器之间的电容电压，在储能状本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多绕组永磁电机储能装置，其特征在于：包括多绕组永磁同步发电机(1)，所述多绕组永磁同步发电机(1)包括转子和套设在转子外的定子绕组，且所述定子绕组由N组三相永磁电机的定子绕组重复构成，且每一组三相永磁电机定子绕组的输出端依次连接有AC/DC变流器(2)以及DC/DC变流器(3)，所述AC/DC变流器(2)的交流侧与对应的三相永磁电机定子绕组的输出端相连、直流侧通过电容与DC/DC变流器(3)相连，所述多绕组永磁同步发电机(1)的所有DC/DC变流器(3)的输出端串联连接，在储能状态下多绕组永磁同步发电机(1)用作电动机从牵引电网吸收能量、将电能转化为机械能；在释能状态下多绕组永磁同步发电机(1)用作发电机向牵引电网馈送能量、将机械能转化为电能。/n

【技术特征摘要】
1.一种多绕组永磁电机储能装置，其特征在于：包括多绕组永磁同步发电机(1)，所述多绕组永磁同步发电机(1)包括转子和套设在转子外的定子绕组，且所述定子绕组由N组三相永磁电机的定子绕组重复构成，且每一组三相永磁电机定子绕组的输出端依次连接有AC/DC变流器(2)以及DC/DC变流器(3)，所述AC/DC变流器(2)的交流侧与对应的三相永磁电机定子绕组的输出端相连、直流侧通过电容与DC/DC变流器(3)相连，所述多绕组永磁同步发电机(1)的所有DC/DC变流器(3)的输出端串联连接，在储能状态下多绕组永磁同步发电机(1)用作电动机从牵引电网吸收能量、将电能转化为机械能；在释能状态下多绕组永磁同步发电机(1)用作发电机向牵引电网馈送能量、将机械能转化为电能。


2.根据权利要求1所述的多绕组永磁电机储能装置，其特征在于：所述DC/DC变流器(3)的输出端还并联布置有旁路保护电路(4)。


3.一种权利要求1或2所述的多绕组永磁电机储能装置的变流器控制方法，其特征在于，包括对AC/DC变流器(2)进行控制的步骤，且详细步骤包括：
1)检测多绕组永磁同步发电机(1)的电机转速ωe(k)与定子电流iaj(k)、ibj(k)；
2)根据指令功率Pref(k)和电机转速ωe(k)计算q轴指令电流根据k时刻的d、q轴指令电流通过拉格朗日变换计算k+2时刻的d、q轴指令电流
3)根据k时刻的d、q轴响应电流idj(k)、iqj(k)，d、q轴响应电压udj(k)、uqj(k)与电机转速ωe(k)，预测k+1时刻的d、q轴响应电流idj(k+1)、iqj(k+1)；
4)根据k+2时刻的d、q轴指令电流k+1时刻的d、q轴响应电流idj(k+1)、iqj(k+1)，计算k+1时的d、q轴电压udj(k+1)、uqj(k+1)；
5)将k+1时的d、q轴电压udj(k+1)、uqj(k+1)通过坐标变换获得α、β轴电压uαj(k+1)、uβj(k+1)；将α、β轴电压uαj(k+1)、uβj(k+1)分别输入SVPWM调制模块中获取调制信号λ；将获取的六组调制信号λ分别用来控制各组AC/DC变流器(2)。


4.根据权利要求3所述的多绕组永磁电机储能装置，其特征在于，步骤2)中计算q轴指令电流的数学表达式如下：



上式中，为q轴指令电流，Pref(k)为功率指令值，np为电机的极对数，ψro为转子永磁体磁链值，ωe(k)为电机转速，N为多绕组永磁同步发电机(1)的定子绕组包含三相永磁电机定子绕组的组数。


5.根据权利要求3所述的多绕组永磁电机储能装置，其特征在于，步骤3)中预测k+1时刻的d、q轴响应电流idj(k+1)、iqj(k+1)的数学...

【专利技术属性】
技术研发人员：张志刚，吴公平，黄晟，饶志蒙，廖武，龙卓，
申请(专利权)人：长沙学院，
类型：发明
国别省市：湖南;43