一种基于双三相永磁同步电机的飞轮储能充放电控制策略的制作方法

本发明涉及飞轮储能，尤其涉及一种基于双三相永磁同步电机的飞轮储能充放电控制策略。

背景技术：

1、目前，在碳达峰、碳中和目标确定后，清洁能源成为发展之路的首当其冲。随着风力发电、太阳能发电等清洁能源发电量占比越来越大，其中的一些技术问题等也逐渐暴露了出来。由于其发电的特殊形式，很大程度上受限制于自然环境，从而导致其发电形式具有随机性和波动性，因此对电网频率易造成较大的冲击。我国目前主要依靠火电机组对电网进行调频工作，但火电机组的延迟性、超调、欠调等问题较为严重，为了使清洁能源发电能够实现高效的并网，良好的储能技术至关重要。

2、其中，飞轮储能(fes)配合清洁能源发电组成“新能源+储能”，其在电网调频、动能回收再利用、不间断电源以及混合动力车等方面有着较好发展前景，在新型储能方式上占据重要地位。飞轮储能系统作为一种物理储能装置，它的存储容量大、响应速度快、能量密度高、瞬时功率大等优点使得其在用作电网调频上能够取得较好的效果。目前在国内飞轮储能大多数的应用产品还仅仅是商业示范，未来有巨大的提升空间。

3、目前国内外有很多关于飞轮储能各个方面的研究，其中，利用飞轮储能瞬时功率大、充放电速度快的优点来弥补以风电为首的清洁能源发电间歇性和随机性的缺点，将飞轮储能用于抑制风功率波动，辅助进行风电一次、二次调频，将能量型和功率型的两种储能方式进行混合储能，能够更好的发挥各自的优势。例如将飞轮储能参与水电机组进行调频，又或是和抽水蓄能组合成混合储能，都可以最大化的利用各种储能方式的优点。

4、但无论以什么方式来最大化的利用飞轮储能的特性，飞轮储能本身的关键技术都是最为重要的。对于高速飞轮的充放电控制，主要的问题体现在高速电机的电感通常会比较小带来的电流谐波会增大，以及飞轮转子转速的迅速变化会导致反电动势幅值和频率的快速变化。同时在高转速领域，目前常用的电机如永磁同步电机、开关磁阻电机等，其电压等级都较高，并且为了提高电机的输出转矩，会主动的增大母线电流和电压，易产生安全隐患。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供了一种基于双三相永磁同步电机的飞轮储能充放电控制策略，将双三相永磁同步电机作为驱动电机引入到飞轮储能中，同时给出相应的充放电控制策略来解决多相电机控制的难点问题。

2、为实现上述目的，本发明实施例提供了如下的技术方案：

3、第一方面，在本发明提供的一个实施例中，提供了一种基于双三相永磁同步电机的飞轮储能充放电控制策略，包含引入双三相永磁同步电机的飞轮储能系统，所述飞轮储能系统由双三相永磁同步电机、飞轮转子、双向变流器和支撑轴承系统组成；

4、基于系统自然坐标系下的电压方程、磁链方程、运动平衡方程以及dq轴坐标系下的电压方程确定基于双三相永磁同步电机的飞轮储能的电磁数学模型；

5、采用磁场定向矢量控制和q轴电流变化控制调节电磁转矩的数值，对飞轮转子的充放电控制；并基于模型参考自适应控制算法对飞轮转子的转速和位置角度实时估算。

6、作为本发明的进一步方案，在飞轮储能系统充电时，双三相永磁同步电机切换至电动机模式，电动机转速上升，并同轴带动飞轮转子转动，将电能转化为动能存储在飞轮转子中；

7、在飞轮储能系统放电时，双三相永磁同步电机切换至发电机模式，发电机和飞轮转子转速下降，将飞轮转子中存储的动能转化为电能输出给负载。

8、作为本发明的进一步方案，所述双三相永磁同步电机与飞轮转子通过支撑轴承系统限位并同轴连接，所述双三相永磁同步电机通过双向变流器连接控制器，所述双向变流器用于控制能量在飞轮储能系统和直流电网之间双向流动，进行能量输入输出。

9、作为本发明的进一步方案，系统自然坐标系下的电压方程为：

10、

11、式中，u6s＝[ua ub uc uu uv uw]t，表示六相电压；i6s＝[ia ib ic iu iv iw]t，表示六相电流；表示磁链在自然坐标系下的分量；r6s＝diag[r r r r r r]，表示定子电阻。

12、作为本发明的进一步方案，磁链方程为：

13、

14、式中，l6s为电感矩阵；为永磁磁链；θ为永磁体n轴方向与自然坐标系a轴方向的电角度，ε6s(θ)为飞轮转子磁链系数。

15、作为本发明的进一步方案，电感矩阵方程为：

16、

17、式中，m为两个绕组之间的互感系数幅值；lσ为漏感系数；e6为六阶单位矩阵。

18、作为本发明的进一步方案，运动平衡方程为：

19、

20、式中，te为电磁转矩，ωm为机械角速度，j为转动惯量，b为阻尼系数，tl为空载转矩。

21、作为本发明的进一步方案，电磁转矩方程为：

22、

23、式中，te为电磁转矩；np为极对数；wm为磁共能。

24、作为本发明的进一步方案，基于双三相永磁同步电机的飞轮储能的电磁数学模型具有强耦合性，并使用坐标变化转换模型，进行矢量空间解耦，其中，矢量空间解耦的转化矩阵如下：

25、

26、其中，

27、

28、

29、经过转换矩阵tdq后，在dq轴坐标系下的电压方程为：

30、

31、式中，ud、uq、ux、uy分别为d-q和x-y子空间的定子电压；id、iq、ix、iy分别为d-q和x-y子空间的定子电流；ld和lq为d-q坐标系下的电感；lz为漏感；ωe为电角速度。

32、作为本发明的进一步方案，dq轴坐标系下的电磁转矩方程为：

33、

34、dq轴坐标系下的运动方程不变。

35、作为本发明的进一步方案，采用磁场定向矢量控制和q轴电流变化控制调节电磁转矩的数值，对飞轮转子的充放电控制时，矢量控制中的id＝0，直轴的电流为0，磁通完全由永磁体来提供，电机的所有的电流全部用来产生电磁转矩，通过控制q轴电流变化影响电磁转矩的数值控制飞轮转子的充放电。

36、作为本发明的进一步方案，所述模型参考自适应控制算法包含两个控制模型和一个自适应算法：飞轮转子运动控制模型、包含运动变量的跟随模型以及使两个控制模型无限接近的自适应算法；

37、其中，飞轮转子运动控制模型为基于双三相永磁同步电机的飞轮储能的电磁数学模型；跟随模型为：

38、

39、自适应算法中的自适应律方程为：

40、

41、本发明提供的技术方案，具有如下有益效果：

42、(1)本发明提供的基于双三相永磁同步电机的飞轮储能充放电控制策略，将双三相永磁同步电机作为驱动电机引入到飞轮储能中，同时给出相应的充放电控制策略来解决多相电机控制的难点问题。

43、(2)本发明的飞轮储能充放电控制策略还能够实现低压大容量控制，在相同电压电流等级下，随着电机相数的增多，电机的输出功率不断提高，在一些供电电压受限制的应用场合能够实现低压大容量控制。

44、(3)本发明的飞轮储能充放电控制策略将双三相永磁同步电机作为驱动电机引入到飞轮储能中，能够抑制转矩波动，电机中产生的空间谐波，随着电机相数的增多，空间谐波的基波幅值变小，频率增加，进一步提高了电机的性能和带载的稳定性。

45、(4)本发明的飞轮储能充放电控制策略将双三相永磁同步电机作为驱动电机引入到飞轮储能中，能够实现缺相运行，当传统的三相电机发生缺相故障时，只有在电机中点与逆变器连接的情况下才能实现故障运行，而多相电机由于拥有更高的自由度，通过相应的控制策略在缺相故障下仍然可以降额运行，相比于传统三相电机具有更高的可靠性。

46、本发明的这些方面或其他方面在以下实施例的描述中会更加简明易懂。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。