具体实施方式

下面结合系统示例及相关图例对本公开的实施例进行说明，所出现过的相同或类似的符号表示相同或类似功能的元件。图例仅用于解释本发明，不是对本发明的限制。

下面参考图例，对本公开的实施例的控制对象，即十二相永磁同步电机飞轮储能系统进行描述。

参见图1，十二相永磁同步电机飞轮储能系统包括十二相永磁同步电机10、飞轮11、四个机侧滤波器(6～9)和四个机侧变流器(2～5)。十二相永磁同步电机10的转子与飞轮11同轴连接，十二相永磁同步电机10的定子每三相绕组形成一个桥臂共计四个桥臂，各桥臂上分别设有相互串联一个机侧滤波器(6～9)和机侧变流器(2～5)，四个桥臂并联后接入直流母线1。本实施例中各机侧变流器(2～5)均采用二极管箝位型三电平变流器，各机侧滤波器(6～9)均采用与二极管箝位型三电平变流器相配套的LC滤波器。如图2所示，本实施例中十二相永磁同步电机10采用中性点相互隔离的十二相永磁同步电机，十二相永磁同步电机10的绕组被分成四组在空间上相差15°的三相绕组。以十二相永磁同步电机10的定子A1相绕组方向作为参考轴，与旋转坐标系之间的夹角记作电机转子的空间位置角θ_r。其中，第一至第四变流器2、3、4、5的交流输出端经过第一至第四滤波器6、7、8、9后分别与十二相永磁同步电机10的四个三相定子绕组的引出端相连，具体为：第一变流器2的交流输出端a1、b1、c1经过第一滤波器6分别与十二相永磁同步电机10的三相定子绕组A1、B1、C1相连；第二变流器3的交流输出端a2、b2、c2经过第二滤波器7分别与十二相永磁同步电机10的三相定子绕组A2、B2、C2相连；第三变流器4的交流输出端a3、b3、c3经过第三滤波器8分别与十二相永磁同步电机10的三相定子绕组A3、B3、C3相连；第四变流器5的交流输出端a4、b4、c4经过第四滤波器9分别与十二相永磁同步电机10的三相定子绕组A4、B4、C4相连。

本公开的实施例第一方面提出的十二相永磁同步电机飞轮储能系统的矢量控制方法，其实施例参见图3，包括以下步骤：

1)获取十二相永磁同步电机的机械转速ω_r、转子角度θ_r和电机定子电流I；利用多f-q坐标变换将十二相永磁同步电机的控制变量(包括十二相永磁同步电机的定子电压、电流和磁链)由自然坐标系变换至d₁-q₁、f₂-q₂、d₃-q₃、d₄-q₄四个子平面，d₁-q₁、d₂-q₂、d₃-q₃、d₄-q₄四个子平面依次由第一至第四变流器对应的三相定子绕组的电流变换得到；利用变换矩阵T_d将十二相永磁同步电机的控制变量由d₁-q₁、d₂-q₂、d₃-q₃、d₄-q₄四个子平面变换至D₁-Q₁、D₂-Q₂、D₃-Q₃、D₄-Q₄四个子平面，子平面的变换关系将在之后描述；其中，将十二相永磁同步电机的控制变量的基波分量投影至D₁-Q₁子平面，用于产生电磁转矩，进行能量转换；将十二相永磁同步电机的控制变量的谐波分量投影至D₂-Q₂、D₃-Q₃、D₄-Q₄子平面，仅产生谐波电流，不用于合成电磁转矩，只产生损耗；

2)确定D₁-Q₁、D₂-Q₂、D₃-Q₃、D₄-Q₄四个子平面各轴的参考电压，以此构成十二相永磁同步电机的参考电压矢量；其中：

在D₁-Q₁子平面中，将十二相永磁同步电机的转速与设定的参考转速进行比较，并通过比例积分控制，输出十二相永磁同步电机定子的Q₁轴参考电流；将十二相永磁同步电机定子的D₁轴电流与设定的D₁轴参考电流进行比较，并通过比例积分控制，得到D₁轴的参考电压；将十二相永磁同步电机定子的Q₁轴电流与所述十二相永磁同步电机定子的Q₁轴参考电流进行比较并通过比例积分控制，得到Q₁轴的参考电压；

在D₂-Q₂、D₃-Q₃、D₄-Q₄子平面中，将十二相永磁同步电机定子的各轴电流与设定的相应轴参考电流进行比较，并通过准比例谐振控制，得到各轴的参考电压；

3)通过得到的电机参考电压矢量对十二相永磁同步电机进行矢量控制。

在一些实施例中，步骤1)中多d-q坐标变换是通过使用12阶坐标变换矩阵T_ABC/12r进行，12阶坐标变换矩阵T_ABC/12r的表达式如下：

式中，为十二相永磁同步电机中第k组三相定子绕组的3阶变换矩阵，k＝1，2，3，4；θ为参考轴(即十二相永磁同步电机的定子中第一组绕组A1相的轴向)与十二相永磁同步电机的转子d轴之间的电角度；0_3×3为3×3的0矩阵；

对自然坐标系下的十二相永磁同步电机进行多d-q坐标变换后的电压方程和磁链方程分别为：

ψ_dqfw＝L_dqfwi_dqfwc+T_cψ_ffw

式中，

u_dqfw＝[u_d1fw u_q1fw u_d2fw u_q2fw u_d3fw u_q3fw u_d4fw u_q4fw]^T为十二相永磁同步电机的定子电压向量，u_dkfw和u_qkfw分别为十二相永磁同步电机定子的第k组绕组的d轴电压和q轴电压，k＝1，2，3，4；

R_sfw＝R_sfwI₈为十二相永磁同步电机的定子电阻矩阵，R_sfw为十二相永磁同步电机定子的一相绕组的电阻，I₈为8阶单位矩阵；

为十二相永磁同步电机定子的电感系数矩阵，L_afw为十二相永磁同步电机定子的d轴自感，L_qfw为十二相永磁同步电机定子的q轴自感，L_adfw＝L_dfw-L_lfw为十二相永磁同步电机定子的d轴主自感，L_aqfw＝L_qfw-L_lfw为十二相永磁同步电机定子的q轴主自感，L_lfw为十二相永磁同步电机定子的漏感；

i_dqfw＝[i_d1fw i_q1fw i_d2fw i_q2fw i_d3fw i_q3fw i_d4fw i_q4fw]^T为十二相永磁同步电机的定子电流向量，i_dkfw和i_qkfw分别为十二相永磁同步电机定子的第k组绕组的d轴电流和q轴电流，k＝1，2，3，4；

u_dqcpfw为十二相永磁同步电机的定子绕组间电压耦合项，由于对控制结果影响非常小，在实际应用中通常忽略此变量；

ψ_dqfw＝[ψ_d1fw ψ_q1fw ψ_d2fw ψ_q2fw ψ_d3fw ψ_q3fw ψ_d4fw ψ_q4fw]^T为十二相永磁同步电机的定子磁链向量，ψ_dkfw和ψ_qkfw分别为十二相永磁同步电机定子的第k组绕组的d轴磁链和q轴磁链，k＝1，2，3，4；

T_c＝[1 0 1 0 1 0 1 0]^T为常系数向量；

ψ_ffw为十二相永磁同步电机的永磁体在单相绕组中的磁链幅值。

在一些实施例中，步骤1)中，变换矩阵T_d能够实现十二相永磁同步电机的基波电压、电流、磁链与谐波的解耦，从而根据是否参与电磁转矩合成来实现上述物理量的分解。变换矩阵T_d的表达式为：

经变换矩阵T_d变换后的电压方程为：

式中，

u_DQfw＝[u_D1fw u_Q1fw u_D2fw u_Q2fw u_D3fw u_Q3fw u_D4fw u_Q4fw]^T为变换后十二相永磁同步电机的定子电压向量，u_Dkfw和u_Qkfw分别为变换后的十二相永磁同步电机定子的第k组绕组的D轴电压和Q轴电压，k＝1，2，3，4；

i_DQfw＝[i_D1fw i_Q1fw i_D2fw i_Q2fw i_D3fw i_Q3fw i_D4fw i_Q4fw]^T为变换后十二相永磁同步电机的定子电流向量，i_Dkfw和i_Qkfw分别为变换后的十二相永磁同步电机定子的第k组绕组的D轴电流和Q轴电流，k＝1，2，3，4；

L_dqfw＝diag(L_D1fw L_Q1fw L_lfw L_lfw L_lfw L_lfw L_lfw L_lfw)^T为变换后十二相永磁同步电机的定子电感系数矩阵，L_D1fw和L_Q1fw分别为变换后的十二相永磁同步电机定子的第1组绕组的D轴自感和Q轴自感；

ψ_dqfw＝[0 ψ_ffw 0 0 0 0 0 0]^T为变换后十二相永磁同步电机的定子磁链向量；

ω_efw为十二相永磁同步电机的转子电角速度；

为8阶常系数矩阵，T_DQ1fw为2阶系数矩阵，0_2×2为2×2的0矩阵；

在使用变换矩阵T_d变换时，D₁-Q₁、D₂-Q₂、D₃-Q₃、D₄-Q₄子平面与d₁-q₁、d₂-q₂、d₃-q₃、d₄-q₄子平面各分量的映射关系为：

其中，x_Dk、x_Qk分别为十二相永磁同步电机定子在D_k-Q_k子平面的控制变量(包括电压、电流和磁链)，x_dk、x_qk分别为十二相永磁同步电机定子在d_k-q_k子平面的控制变量，k＝1，2，3，4。

经过T_d对多d-q坐标系下的电机定子分量进行二次变换，可以将d₁-q₁、d₂-q₂、d₃-q₃、d₄-q₄子平面上的电压、电流或磁链投影至D₁-Q₁、D₂-Q₂、D₃-Q₃、D₄-Q₄子平面，降低了各子平面的耦合度。其中，电压、电流或磁链的基波分量投影至D₁-Q₁子平面，产生电磁转矩，进行能量转换。电压、电流或磁链的谐波分量投影至D₂-Q₂、D₃-Q₃、D₄-Q₄子平面，不产生电磁转矩，只产生谐波电流。

在一些实施例中，参考上述电机模型的表示符号与变换方法，可以对电机的定子电流信息进行处理。

根据多d-q坐标变换方法，T_ABC/12r单元使用变换矩阵T_ABC/12r将十二相永磁同步电机定子电流变换至d₁-q₁、d₂-q₂、d₃-q₃、d₄-q₄四个子平面；再根据所提出的进一步变换的方法，T_d单元使用变换矩阵T_d又将多d-q坐标系下d₁-q₁、d₂-q₂、d₃-q₃、d₄-q₄子平面的电流进行进一步变换，变换至D₁-Q₁、D₂-Q₂、D₃-Q₃、D₄-Q₄子平面。其中，电压、电流或磁链的基波分量投影至D₁-Q₁子平面，产生电磁转矩，进行能量转换。电压、电流或磁链的谐波分量投影至D₂-Q₂、D₃-Q₃、D₄-Q₄子平面，不产生电磁转矩，只产生谐波电流。

经过变换矩阵T_d对多d-q坐标系下的电机定子分量进行二次变换，可以将d₁-q₁、d₂-q₂、d₃-q₃、d₄-q₄子平面上的电压、电流或磁链投影至D₁-Q₁、D₂-Q₂、D₃-Q₃、D₄-Q₄子平面。这种变换方法能够实现基波电压、电流、磁链与谐波的解耦，进一步降低了各子平面之间的耦合度，从而根据是否参与电磁转矩合成来实现上述物理量的分解。

在一些实施例中，步骤2)具体方法实施例如下：

21)在D₁-Q₁子平面中，分别设定十二相永磁同步电机的参考转速ω_rref和D₁轴参考电流，参考转速ω_rref根据使用者所需要被控电机达到的转速进行设定，D₁轴参考电流通过弱磁控制策略并根据使用者所需要被控电机产生的D₁轴电流大小设定。将十二相永磁同步电机的转速ω_r与设定的参考转速ω_rref进行比较，并使用PI控制，得到十二相永磁同步电机定子的Q₁轴参考电流，以此作为飞轮储能系统的转速外环的输出。将十二相永磁同步电机定子的D₁轴电流与设定的D₁轴参考电流进行比较，并通过PI控制，得到D₁轴的参考电压；将十二相永磁同步电机定子的Q₁轴电流与十二相永磁同步电机定子的Q₁轴参考电流进行比较并通过PI控制，得到Q₁轴的参考电压。

在一些实施例中，为了实现十二相永磁同步电机的正常运行，需要对十二相永磁同步电机定子的Q₁轴参考电流进行限制，从而实现十二相永磁同步电机运行在不同的工作状态。如图4所示，根据飞轮储能系统中十二相永磁同步电机的转速ω_r与极限工作转速进行判断：若十二相永磁同步电机的转速ω_r小于规定的最低工作转速，则飞轮储能系统通过恒转矩的控制方式进行充电；若十二相永磁同步电机的转速在规定的最低工作转速和最高工作转速范围内，则所述飞轮储能系统通过恒功率的控制方式进行充电和放电。其中，飞轮储能系统实现恒转矩或者恒功率控制方式的方法，是通过限制十二相永磁同步电机内环Q₁轴的定子电流给定值幅值来实现的：在恒转矩的控制方式下，限制Q₁轴参考电流的第一最大值；在恒功率控制方式下，限制Q₁轴参考电流的第二最大值。

在一些实施例中，Q₁轴参考电流的第一最大值和第二最大值通过以下方法得到：

设十二相永磁同步电机的电磁转矩与定子电流之间以及电磁转矩与电磁功率之间分别满足如下关系：

P_efw＝T_efwω_r

其中，T_efw和P_efw分别为十二相永磁同步电机的电磁转矩和电磁功率；p_nfw为十二相永磁同步电机的极对数。

根据上述关系式，即可在弱磁控制策略给定了十二相永磁同步电机定子的第1组绕组的D轴电流i_D1fw的条件下，通过十二相永磁同步电机的电磁转矩T_efw以及十二相永磁同步电机的电磁功率P_efw来确定十二相永磁同步电机定子的第1组绕组的Q轴电流i_Q1fw的幅值。根据需求确定十二相永磁同步电机的电磁转矩上限后，即可确定i_Q1fw的第一最大值；根据需求确定十二相永磁同步电机的电磁功率上限后，即可确定i_Q1fw的第二最大值。

22)在D₂-Q₂、D₃-Q₃、D₄-Q₄子平面(均为十二相永磁同步电机的定子谐波电流子平面)中，设定D₂-Q₂、D₃-Q₃、D₄-Q₄子平面各轴的参考电流为0(用于抑制谐波电流)，将十二相永磁同步电机定子的各轴电谐波流与设定的相应轴参考电流进行比较，并通过准比例谐振(Quasi Proportional Resonant，QPR)控制，得到D₂-Q₂、D₃-Q₃、D₄-Q₄子平面的电压矢量。

在一些实施例中，QPR控制的传递函数为：

式中，s为传递函数的复变量，k_p为比例系数，k_r为时间积分系数，ω₀为QPR控制的谐振频率，ω_c为QPR控制的截止频率。

综上所述，通过获得十二相永磁同步电机的实时转速作为飞轮储能系统的转速外环，以及生成D₁-Q₁、D₂-Q₂、D₃-Q₃、D₄-Q₄的电机子平面电流作为飞轮储能系统的电流内环，最终内环输出得到十二相永磁同步电机定子D₁-Q₁、D₂-Q₂、D₃-Q₃、D₄-Q₄四个子平面的参考电压矢量。

在一些实施例中，步骤3)包括：将得到的十二相永磁同步电机的参考电压矢量转换为相应的驱动信号，控制四套变流器中的各个开关管，最终实现对十二相永磁同步电机的充放电指令。具体实现过程如下：

通过空间矢量电压调制方法对步骤2)得到的十二相永磁同步电机定子D₁-Q₁、D₂-Q₂、D₃-Q₃、D₄-Q₄子平面的参考电压矢量进行如下操作：将内环的输出作为参考电压矢量，通过逆变换矩阵对十二相永磁同步电机定子D₁-Q₁、D₂-Q₂、D₃-Q₃、D₄-Q₄子平面的参考电压矢量进行逆变换，得到四组三相绕组对应的d₁-q₁、d₂-q₂、d₃-q₃、d₄-q₄子平面参考电压矢量。利用十二相永磁同步电机的转子角度θ_r，使用四个2r/2s变换矩阵进行反Park变换得到四组三相绕组在静止α-β坐标系下四个α-β子平面的参考电压矢量，其中α轴与十二相永磁同步电机的定子中第一组绕组A1相重合。最终根据直流母线的电压实际值与静止参考坐标系下的四个电压矢量，分别通过空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse WidthModulation，SVPWM)方法，各自形成连接四组三相绕组对应的四个变流器中各个开关管的驱动信号。

本公开的实施例第二方面提出的十二相永磁同步电机飞轮储能系统的矢量控制装置，其结构参见图5，包括：

采集处理模块，用于通过码盘获得十二相永磁同步电机的转速ω_r与转子角度θ_r，并通过电流采集装置获得十二相永磁同步电机的电流I等信息；以及利用多d-q坐标变换将十二相永磁同步电机的控制变量由自然坐标系变换至d₁-q₁、d₂-q₂、d₃-q₃、d₄-q₄四个子平面，所述十二相永磁同步电机的控制变量包括十二相永磁同步电机的定子电压、电流和磁链；利用变换矩阵T_d将所述十二相永磁同步电机的控制变量由d₁-q₁、d₂-q₂、d₃-q₃、d₄-q₄四个子平面变换至D₁-Q₁、D₂-Q₂、D₃-Q₃、D₄-Q₄四个子平面，其中，将所述十二相永磁同步电机的控制变量的基波分量投影至D₁-Q₁子平面，将所述十二相永磁同步电机的控制变量的谐波分量投影至D₂-Q₂、D₃-Q₃、D₄-Q₄子平面。

计算模块，与采集处理模块连接，用于确定D₁-Q₁、D₂-Q₂、D₃-Q₃、D₄-Q₄四个子平面各轴的参考电压，以此构成十二相永磁同步电机的参考电压矢量；其中：

在D₁-Q₁子平面中，将十二相永磁同步电机的转速与设定的参考转速进行比较，并通过比例积分控制，输出十二相永磁同步电机定子的Q₁轴参考电流；将十二相永磁同步电机定子的D₁轴电流与设定的D₁轴参考电流进行比较，并通过比例积分控制，得到D₁轴的参考电压；将十二相永磁同步电机定子的Q₁轴电流与所述十二相永磁同步电机定子的Q₁轴参考电流进行比较并通过比例积分控制，得到Q₁轴的参考电压；

在D₂-Q₂、D₃-Q₃、D₄-Q₄子平面中，将十二相永磁同步电机定子的各轴电流与设定的参考电流进行比较，并通过准比例谐振控制，得到相应轴的参考电压。

以及指令模块，与计算模块连接，用于通过计算模块模块得到的电机参考电压矢量对十二相永磁同步电机进行矢量控制。

综上所述，根据本公开的实施例提出的十二相永磁同步电机飞轮储能系统的矢量控制方法及装置，通过所提出的变换方式将十二相永磁同步电机的定子电压、电流、磁链分解至基波平面和谐波平面，能有效地控制电机的转速，完成对基于十二相永磁同步电机的飞轮储能系统的高效控制，实现对电机谐波电流的有效抑制，减少机组的发热等问题，提高飞轮电机储能系统的效率。

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。

在本说明书的描述中，参考术语“示意图”、“原理图”、“示例”、或“图例”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表示或示例。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示例以及不同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示例，可以理解的是，上述示例是示范性的，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示例进行变化、修改、替换和变型。