基于十二相电机的飞轮储能系统容错运行控制方法及装置与流程

本发明涉及飞轮储能系统的运行可靠性技术领域，特别涉及一种基于十二相电机的飞轮储能系统容错运行控制方法。

背景技术：

在电网调频、电能质量治理、车辆再生制动能量回收和ups(uninterruptiblepowersystem/uninterruptiblepowersupply，不间断电源)等领域，飞轮储能技术具有很大应用潜力。飞轮储能技术以提高效率、可靠性以及实现大功率运行等为发展目标。与三相电机相比，多相电机能够提高系统运行效率，并且具有相冗余特性，方便采用容错控制算法，保证在发生电机相故障后系统能够继续以额定功率运行。

相关技术，(1)、一种基于输出最大转矩的十二相永磁同步电机容错控制方法，在十二相永磁同步电机发生正交两相开路故障后，保持系统的解耦变换矩阵不变，根据总磁势不变原理，计算出最大转矩输出方式下剩余各相电流的表达式。(2)、一种基于定子铜耗最小的十二相永磁同步电机容错控制方法，在十二相永磁同步电机发生一相开路故障后，改变谐波平面参考电流，控制故障前后电机的输出转矩相等，在故障前后功率不变的原则下进行容错控制。(3)、一种基于功率不变原则的90°相带角四相永磁同步电机短路故障容错控制方法，在电机发生端部短路故障时通过调整其他非短路相电流维持电机输出功率不变。(4)、一种基于功率不变原则的五相永磁同步电机开路故障容错控制方法，保证容错运行状态下的电机铜损最小。

然而，上述公开的多相电机容错控制方法，在多相电机发生故障后，需要分别控制剩余所有相的相电流才能实现容错运行控制，且切换过程复杂，系统的动态性能降低。

技术实现要素：

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电机的飞轮储能系统容错运行控制方法，该方法可以有效保证正常运行切换至容错运行过程平滑，且保持前后功率不变，简单易实现。

本发明的另一个目的在于提出一种基于十二相电机的飞轮储能系统容错运行控制装置。

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电机的飞轮储能系统容错运行控制方法，所述飞轮储能系统包括飞轮、十二相永磁同步电机、第一至第四三相变流器，所述十二相永磁同步电机包括第一至第四三相绕组，所述第一至第四三相绕组分别由第一至第四变流器驱动，其中，所述方法包括以下步骤：当所述十二相永磁同步电机中出现一相故障时，切除故障相，并将所述故障相对应的三相绕组中剩余绕组等效为一台单相永磁同步电机，且将无故障相的三相绕组等效为三台三相永磁同步电机；建立所述一台等效单相永磁同步电机在静止坐标系下的数学模型，并通过自适应准pr(proportionalresonant，比例谐振)控制方法控制所述一台等效单相永磁同步电机运行，其中，在所述一台等效单相永磁同步电机运行时产生功率波动和幅值亏损；控制所述三台等效三相永磁同步电机的弱磁电流产生磁阻转矩，并通过所述磁阻转矩补偿所述功率波动和幅值亏损，以对所述飞轮储能系统进行容错运行控制。

本发明实施例的基于十二相电机的飞轮储能系统容错运行控制方法，当十二相永磁同步电机中某一相出现故障时，切除故障相，等效单相电机运行时产生的功率波动以及幅值亏损由三台等效三相电机进行补偿，飞轮储能系统实现维持额定功率的容错运行，从而有效保证正常运行切换至容错运行过程平滑，且保持前后功率不变，简单易实现。

另外，根据本发明上述实施例的基于十二相电机的飞轮储能系统容错运行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，在对所述飞轮储能系统进行容错运行控制期间，还包括：采用自适应准pr控制方法控制所述三台等效三相永磁同步电机d轴电流，并通过所述飞轮转子的大转动惯量抑制所述功率波动。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述通过自适应准pr控制方法控制所述一台等效单相永磁同步电机运行，进一步包括：根据所述一台等效单相永磁同步电机的转速变化调整所述自适应准pr控制方法中的参数，并将所述一台等效单相永磁同步电机的相电流控制为正弦波形，以控制所述一台等效单相永磁同步电机运行。

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：采用矢量空间解耦建模方法建立所述十二相永磁同步电机的模型；在所述十二相永磁同步电机正常运行时，对所述第一至第四三相绕组进行4-d-q坐标变换的矢量控制。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述矢量空间解耦建模方法的矢量空间解耦变换阵为：

t＝t1·*t2，

其中，

其中，i10表示十维单位阵，

k和i均为正整数，

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电机的飞轮储能系统容错运行控制装置，所述飞轮储能系统包括飞轮、十二相永磁同步电机、第一至第四三相变流器，所述十二相永磁同步电机包括第一至第四三相绕组，所述第一至第四三相绕组分别由第一至第四变流器驱动，其中，所述装置包括：等效模块，用于在所述十二相永磁同步电机中出现一相故障时，切除故障相，并将所述故障相对应的三相绕组中剩余绕组等效为一台单相永磁同步电机，且将无故障相的三相绕组等效为三台三相永磁同步电机；第一控制模块，用于建立所述一台等效单相永磁同步电机在静止坐标系下的数学模型，并通过自适应准pr控制方法控制所述一台等效单相永磁同步电机运行，其中，在所述一台等效单相永磁同步电机运行时产生功率波动和幅值亏损；第二控制模块，用于控制所述三台等效三相永磁同步电机的弱磁电流产生磁阻转矩，并通过所述磁阻转矩补偿所述功率波动和幅值亏损，以对所述飞轮储能系统进行容错运行控制。

本发明实施例的基于十二相电机的飞轮储能系统容错运行控制装置，当十二相永磁同步电机中某一相出现故障时，切除故障相，等效单相电机运行时产生的功率波动以及幅值亏损由三台等效三相电机进行补偿，飞轮储能系统实现维持额定功率的容错运行，从而有效保证正常运行切换至容错运行过程平滑，且保持前后功率不变，简单易实现。

另外，根据本发明上述实施例的基于十二相电机的飞轮储能系统容错运行控制装置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，还包括：第三控制模块，用于在对所述飞轮储能系统进行容错运行控制期间，采用自适应准pr控制方法控制所述三台等效三相永磁同步电机d轴电流，并通过所述飞轮转子的大转动惯量抑制所述功率波动。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第一控制模块进一步用于根据所述一台等效单相永磁同步电机的转速变化调整所述自适应准pr控制方法中的参数，并将所述一台等效单相永磁同步电机的相电流控制为正弦波形，以控制所述一台等效单相永磁同步电机运行。

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：建模模块，用于采用矢量空间解耦建模方法建立所述十二相永磁同步电机的模型；第四控制模块，用于在所述十二相永磁同步电机正常运行时，对所述第一至第四三相绕组进行4-d-q坐标变换的矢量控制。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述矢量空间解耦建模方法的矢量空间解耦变换阵为：

t＝t1·*t2，

其中，

其中，i10表示十维单位阵，

k和i均为正整数，

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为根据本发明一个具体实施例的a1相绕组故障后，切除a1相绕组后飞轮储能系统结构图；

图2为根据本发明一个具体实施例的飞轮系统十二相永磁同步电机绕组分布图，相邻两套绕组对应绕组相差15°；

图3为根据本发明一个实施例的基于十二相电机的飞轮储能系统容错运行控制方法的流程图；

图4为根据本发明一个具体实施例的基于十二相电机的飞轮储能系统容错运行控制方法的流程图；

图5为根据本发明一个具体实施例的a1相绕组故障后，切除a1相绕组后飞轮系统十二相永磁同步电机绕组分布图；

图6为根据本发明一个具体实施例的a1相绕组故障后，切除a1相绕组后飞轮系统十二相永磁同步电机的容错控制框图；

图7为根据本发明一个实施例的基于十二相电机的飞轮储能系统容错运行控制装置的结构示意图。

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。

在介绍基于十二相电机的飞轮储能系统容错运行控制方法及装置之前，先简单介绍一下飞轮储能系统。

飞轮储能系统包括飞轮转子、十二相永磁同步电机和四台三相变流器。电机十二相绕组分成四组，分别连接四套变流器的交流端，变流器的直流端并联形成公共直流母线。

其中，飞轮转子也可以称为飞轮。四台三相变流器包括第一变流器、第二变流器、第三变流器和第四变流器。十二相永磁同步电机定子绕组分成四套，每套内包含互差120°的三相绕组。

具体而言，如图1所示，飞轮转子(1)与十二相永磁同步电机(2)同轴连接。第一变流器(3)的交流端与十二相永磁同步电机(2)的绕组a1b1c1相连；第二变流器(4)的交流端与十二相永磁同步电机(2)的绕组a2b2c2相连；第三变流器(5)的交流端与十二相永磁同步电机(2)的绕组a3b3c3相连；第四变流器(6)的交流端与十二相永磁同步电机(2)的绕组a4b4c4相连。第一变流器、第二变流器、第三变流器和第四变流器的直流端并联形成公共直流母线。如图2所示，相邻两套绕组对应绕组相差15°。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于十二相电机的飞轮储能系统容错运行控制方法及装置，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电机的飞轮储能系统容错运行控制方法。

图3是本发明一个实施例的基于十二相电机的飞轮储能系统容错运行控制方法的流程图。

如图3所示，该基于十二相电机的飞轮储能系统容错运行控制方法，飞轮储能系统包括飞轮、十二相永磁同步电机、第一至第四三相变流器，十二相永磁同步电机包括第一至第四三相绕组，第一至第四三相绕组分别由第一至第四变流器驱动，其中，方法包括以下步骤：

在步骤s301中，当十二相永磁同步电机中出现一相故障时，切除故障相，并将故障相对应的三相绕组中剩余绕组等效为一台单相永磁同步电机，且将无故障相的三相绕组等效为三台三相永磁同步电机。

可以理解的是，如图4所示，当十二相永磁同步电机中某一相出现故障时，切除故障相，将剩余有效绕组等效为一台单相永磁同步电机和三台三相永磁同步电机的合成，故障相连接的变流器作为单相变流器工作，剩余的三台变流器仍作为三相变流器工作。

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：采用矢量空间解耦建模方法建立十二相永磁同步电机的模型；在十二相永磁同步电机正常运行时，对第一至第四三相绕组进行4-d-q坐标变换的矢量控制。

具体而言，如图4所示，第一步，为便于分析，系统建模中做出如下假设：

(1)定子绕组产生的电枢反应磁场和转子永磁体产生的励磁磁场在气隙中均为正弦分布；

(2)忽略电机铁芯的磁饱和，不计涡流和磁滞损耗；

(3)忽略转子阻尼绕组；

(4)永磁材料产生的磁链恒定；

第二步，将十二相永磁同步电机看成一个整体，采用vsd(vectorspacedecomposition，矢量空间解耦)整体建模的方法，建立十二相永磁同步电机的模型。

十二相永磁同步电机的定子分成四套绕组，每一套都是对称的三相，相电流满足关系式：

将十二相永磁同步电机的定子电压、电流和磁链从自然坐标系转换至d-q坐标系，十二相永磁同步电机的矢量空间解耦变换阵可以写成：

t＝t1·*t2(2)

其中，

其中，i10表示十维单位阵，

d-q坐标系下，十二相永磁同步电机的定子电压、电流、磁链方程可表示为：

tus＝[uduquz1uz2uz3uz4uz5uz６uo1uo2uo3uo4](7)

tis＝[idiqiz1iz2iz3iz4iz5iz6io1io2io3io4](8)

tψs＝[ψdψqψz1ψz2ψz3ψz4ψz5ψz6ψo1ψo2ψo3ψo4](9)

十二相永磁同步电机的电磁转矩表达式可化简为：

te＝6pn[(ld-lq)idiq+iqψfd](10)

式中，pn为十二相永磁同步电机的极对数，ψfd为永磁体在每一相绕组中产生的磁链幅值。

十二相永磁同步电机充放电的有功功率为：

p＝ωm×te(11)

式中，te为电机的电磁转矩；ωm为电机的机械角速度。

第三步，在十二相永磁同步电机正常运行时，对绕组a1b1c1、a2b2c2、a3b3c3、a4b4c4采用基于4-d-q坐标变换的矢量控制算法。

进一步而言，结合图4、图5和图6，第四步，某一时刻十二相永磁同步电机a1相绕组发生开路故障，将故障相a1切除，其他硬件结构不做任何改变。在剩余有效绕组中，无故障的a2b2c2、a3b3c3、a4b4c4绕组可等效为三台三相永磁同步电机容错运行，故障绕组中剩余b1-c1绕组可等效为一台单相永磁同步电机容错运行。

在步骤s302中，建立一台等效单相永磁同步电机在静止坐标系下的数学模型，并通过自适应准pr控制方法控制一台等效单相永磁同步电机运行，其中，在一台等效单相永磁同步电机运行时产生功率波动和幅值亏损。

其中，在本发明的一个实施例中，通过自适应准pr控制方法控制一台等效单相永磁同步电机运行，进一步包括：根据一台等效单相永磁同步电机的转速变化调整自适应准pr控制方法中的参数，并将一台等效单相永磁同步电机的相电流控制为正弦波形，以控制一台等效单相永磁同步电机运行。

具体而言，如图4-6所示，忽略正常的a2b2c2、a3b3c3、a4b4c4绕组与b1-c1绕组的互感，b1-c1绕组等效为一台单相永磁同步电机，建立其在静止坐标系下的数学模型，利用自适应准pr控制的方法控制b1-c1绕组电流。

等效单相永磁同步电机电压方程为：

等效单相永磁同步电机磁链方程为：

等效单相永磁同步电机转矩方程为：

θs＝θe+δθ(15)

式中，分别为等效单相永磁同步电机的相电压、电阻、电流、电感以及磁链，θs为剩余b1-c1绕组与转子间的相对位置。δθ为十二相永磁同步电机绕组中发生一相开路故障的电角度补偿值，该值如表1所示，其中，表1为一相开路时剩余相绕组电角度补偿值表。

表1

采用自适应准pr控制的方法，根据转速的变化调整准pr方法中的参数，将等效单相电机的相电流控制为正弦波形。

等效单相电机的转矩方程可写为：

式16表明等效单相电机产生的电磁转矩为二倍频波动量，这将导致等效单相电机功率为波动量，进而导致飞轮系统十二相永磁同步电机降功率运行并产生较大的功率波动。

在步骤s303中，控制三台等效三相永磁同步电机的弱磁电流产生磁阻转矩，并通过磁阻转矩补偿功率波动和幅值亏损，以对飞轮储能系统进行容错运行控制。

可以理解的是，等效单相电机运行时产生的功率波动以及幅值亏损由三台等效三相电机进行补偿，飞轮储能系统实现维持额定功率的容错运行。

具体而言，如图4-6所示，针对等效单相电机运行产生的转矩波动导致功率波动问题，采用利用其他等效三相电机磁阻转矩进行补偿的方法，实现在容错控制期间，飞轮储能系统不降低功率持续运行且无功率波动。

控制剩余三台等效三相电机的弱磁电流产生磁阻转矩，分别为：

令：

式中，t2_rel、t3_rel、t4_rel分别为三台等效三相电机产生的磁阻转矩。

可求得三台等效三相电机弱磁电流的参考值为：

进一步地，在本发明的一个实施例中，在对飞轮储能系统进行容错运行控制期间，还包括：采用自适应准pr控制方法控制三台等效三相永磁同步电机d轴电流，并通过飞轮转子的大转动惯量抑制功率波动。

具体而言，故障容错运行期间，对等效的三台三相永磁同步电机d轴电流采用自适应准pr方法进行控制，飞轮转子的大转动惯量对抑制电磁转矩脉动和功率波动也起着有益作用。

需要说明的是，本发明实施例的容错控制方法，同样可使用在3n相(n＞＝2)的中性点隔离的多相永磁同步电机中。本发明详细阐述部分属于本领域的公知技术，在不脱离本发明的原理和精神的前提下，对本发明进行多种变化、修改和替换，都属于本发明上述权利要求保护范围之内。

综上，系统组成包括：飞轮转子、十二相永磁同步电机、第一变流器、第二变流器、第三变流器和第四变流器。十二相永磁同步电机定子绕组分成四套，每套内包含互差120°的三相绕组。

容错控制方法具体为：飞轮系统正常运行时，十二相永磁同步电机的定子绕组分成四套，分别与第一至第四变流器连接，四套绕组的中性点o1、o2、o3、o4互相隔离，十二相永磁同步电机等效为四台三相电机进行控制。当十二相永磁同步电机发生一相开路故障时，切除故障相，与故障相组合作为一套三相的另外两相等效为单相电机绕组，所连接的变流器作为单相驱动器进行控制；剩余不含故障相的绕组继续等效为三相电机绕组进行控制。等效单相电机运行时产生二倍频功率波动且其幅值与原等效三相电机运行时相比有亏损。利用三台等效三相电机产生磁阻转矩可对等效单相电机的功率波动以及幅值亏损进行补偿，实现飞轮系统故障前后运行功率不变。

根据本发明实施例提出的基于十二相电机的飞轮储能系统容错运行控制方法，当十二相永磁同步电机中某一相出现故障时，切除故障相，等效单相电机运行时产生的功率波动以及幅值亏损由三台等效三相电机进行补偿，飞轮储能系统实现维持额定功率的容错运行，从而有效保证正常运行切换至容错运行过程平滑，且保持前后功率不变，简单易实现。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的基于十二相电机的飞轮储能系统容错运行控制装置。

图7是本发明一个实施例的基于十二相电机的飞轮储能系统容错运行控制装置的结构示意图。

如图7所示，该基于十二相电机的飞轮储能系统容错运行控制装置，飞轮储能系统包括飞轮、十二相永磁同步电机、第一至第四三相变流器，十二相永磁同步电机包括第一至第四三相绕组，第一至第四三相绕组分别由第一至第四变流器驱动，其中，装置10包括：等效模块100、第一控制模块200和第二控制模块300。

其中，等效模块100用于在十二相永磁同步电机中出现一相故障时，切除故障相，并将故障相对应的三相绕组中剩余绕组等效为一台单相永磁同步电机，且将无故障相的三相绕组等效为三台三相永磁同步电机。第一控制模块200用于建立一台等效单相永磁同步电机在静止坐标系下的数学模型，并通过自适应准pr控制方法控制一台等效单相永磁同步电机运行，其中，在一台等效单相永磁同步电机运行时产生功率波动和幅值亏损。第二控制模块300用于控制三台等效三相永磁同步电机的弱磁电流产生磁阻转矩，并通过磁阻转矩补偿功率波动和幅值亏损，以对飞轮储能系统进行容错运行控制。本发明实施例的装置10可以有效保证正常运行切换至容错运行过程平滑，且保持前后功率不变，简单易实现。

进一步地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例的装置10还包括：第三控制模块。其中，第三控制模块用于在对飞轮储能系统进行容错运行控制期间，采用自适应准pr控制方法控制三台等效三相永磁同步电机d轴电流，并通过飞轮转子的大转动惯量抑制功率波动。

进一步地，在本发明的一个实施例中，第一控制模块200进一步用于根据一台等效单相永磁同步电机的转速变化调整自适应准pr控制方法中的参数，并将一台等效单相永磁同步电机的相电流控制为正弦波形，以控制一台等效单相永磁同步电机运行。

进一步地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例的装置10还包括：建模模块和第四控制模块。

其中，建模模块用于采用矢量空间解耦建模方法建立十二相永磁同步电机的模型；第四控制模块，用于在十二相永磁同步电机正常运行时，对第一至第四三相绕组进行4-d-q坐标变换的矢量控制。

进一步地，在本发明的一个实施例中，矢量空间解耦建模方法的矢量空间解耦变换阵为：

t＝t1·*t2，

其中，

其中，i10表示十维单位阵，

k和i均为正整数，

需要说明的是，前述对基于十二相电机的飞轮储能系统容错运行控制方法实施例的解释说明也适用于该实施例的基于十二相电机的飞轮储能系统容错运行控制装置，此处不再赘述。

根据本发明实施例提出的基于十二相电机的飞轮储能系统容错运行控制装置，当十二相永磁同步电机中某一相出现故障时，切除故障相，等效单相电机运行时产生的功率波动以及幅值亏损由三台等效三相电机进行补偿，飞轮储能系统实现维持额定功率的容错运行，从而有效保证正常运行切换至容错运行过程平滑，且保持前后功率不变，简单易实现。

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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

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。