[发明专利]一种PMSM预同步同轴运行控制方法及系统

说明书

本发明公开了一种PMSM预同步同轴运行控制方法，其中，该方法适用于微型压缩空气储能系统，所述微型压缩空气储能系统包括第一级和第二级两个串联连接的永磁同步电动机，第一级永磁同步电动机与第二级永磁同步电动机之间依次串接有齿轮箱和离合器；其中，该方法包括：步骤1：第一级永磁同步电动机在转速控制下运行，根据第一级永磁同步电动机转速和齿轮箱的变比，得到离合器一侧的转速以及转向；步骤2：在第二级永磁同步电动机的预同步控制下匹配离合器的转速，闭合离合器以实现第一级永磁同步电动机和第二级永磁同步电动机的同轴运行。

技术领域

本发明属于微型压缩空气储能系统的PMSM同轴转速控制领域，尤其涉及一种PMSM预同步同轴运行控制方法及系统。

背景技术

能量存储是平抑风力发电系统波动性和间歇性、改善电能输出质量的最有效手段之一。与其他储能方式相比，压缩空气储能是唯一在储能容量可以和抽水储能相媲美的储能方式，且具有易于检测、控制精确及成本低廉等优点，在世界范围内备受关注。在总结现有的压缩空气储能结构特性的基础上，山东大学提出了一种基于电气耦合和机械耦合方式灵活切换的混合耦合式压缩空气储能系统新结构，该压缩方式采用电磁离合器来实现耦合模式的相互切换，其中系统中使用到的电磁离合器可以实现系统双电机的同轴电气耦合运行。因此，在离合器闭合时需要控制离合器两侧的电机转速实现预同步，使离合器的冲击最小。

在传统的电机控制中，通常采用PI控制方法。然而，由于该系统存在增速齿轮，在系统运行时两侧电机的转速就会存在误差，在系统双电机同步运行时，采用传统的PI控制方法容易造成电机失控，进而导致整个系统运行失控。

因为随着永磁体制造技术、电力电子技术以及电机控制策略的快速发展，永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)由于具有气隙磁密高、转矩脉动小、转矩/惯量比大、效率高等优点，在高性能机床控制、位置控制以及风力发电领域得到广泛应用。近年来，随着风力发电不断发展以及风电装机量的迅速提升，永磁同步电机应用前景更加广阔。同时，永磁同步电机的控制精度和响应速度也面临更高的要求。

预测控制是在20世纪70年代提出的一种新型控制方法，随着半导体变流技术和计算机技术的发展，预测控制可实时应用在动态快速变化的系统中，并逐步应用到交流电机控制中，并得到了科研人员的高度重视，并预计预测控制最有可能成为继PI控制之后电力电子控制领域的替代方案。最近，模型预测控制作为一种新的且性能更强大的预测控制已在电机控制领域得到了应用，该方法通过利用系统模型的输入输出数据预测未来时刻的输出，通过优化含有控制目标的成本函数，得到模型预测控制率，具有动态性能好，能够处理约束等优点

永磁同步电机的预测控制可以改进其转速控制的动态性和鲁棒性，同时还降低了其控制器的参数调整难度。电机的预测控制使得其转速控制的超调降低，使得电机的转速超调大幅度的降低。在电机的模型预测控制中，电机的负载扰动是影响电机控制性能的关键因素，为了减小运行过程中由于负载变化导致的转速扰动，在控制过程中加上了负载扰动观测器，能够使电机输出转速尽量跟随电机的给定转速，使系统运行更加稳定。

如图1所示，微型压缩空气储能系统包括：两个永磁同步电机PMSM、两个扭矩传感器、一个模拟风机的三相异步电机、一个涡旋机负载、两个二电平逆变器。

在永磁同步电机PMSM(G)运行过程中该电机只能为一个发电机来用，它的能量来源全部是依靠前面的异步机来提供，相当于系统中的一个负载，当系统中的能量多的时候需要增加负载，就需要对系统进行调整，增加一个涡旋机负载，增加涡旋机负载的过程需要永磁同步电动机PMSM(G/M)来对系统进行预同步，来实现系统的同轴运行。

如图2所示，由于涡旋机负载的工作速度较风机的转速高，在模拟系统中，电机的转速虽然提高了但是在两个永磁同步电动机之间还是加上了一个增速齿轮箱，提高电机的转速，于是两个电机之间就存在一个转速的比例关系，预同步过程就会出现电机的转速不是很匹配，会存在转速差。

发明内容