【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电机控制领域，涉及一种大惯量负载下交流励磁电机柔性制动方法。
技术介绍
1、相较于永磁型电机，交流励磁电机具有惯量支撑能力强、变流器容量配置小、直流母线电压等级低、经济性好等特点，可以在实现有功功率控制的同时实现无功功率的控制，有助于提高电力系统的稳定性和供电质量，并具备良好的动态特性，在抽水蓄能、风力发电、飞轮储能等领域具有显著的应用优势。当其在大惯量负载下高速运行条件下制动时，要求在保证安全的前提下尽快降低转速。
2、现有关于交流励磁电机的制动研究主要包括机械制动、气动制动、电制动等。机械制动系统安装于电机与齿轮箱之间，在额定转速范围内投入，通过制动器盘和和制动钳承受高速旋转的摩擦力，产生制动力矩，但机械制动在电机高速刹车故障时会产生大量热量与火花，可能导致机舱着火，造成大量经济损失；气动制动系统则利用空气对叶片的阻力大于其提供的升力，随着升力减少阻力增大提供制动转矩，但气动制动只能运用在风力发电领域；电制动研究着重于在电网发生故障时运用撬棍电路或定子侧串联动态制动阻抗的改进方案实现低电压穿越，以及对串联阻抗值等参数进行优化设计，但这些方案工作时电机并未离网，同时电阻均是短时投入，不适用于大惯量负载下制动。
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种针对大惯量负载下交流励磁电机紧急制动工况下安全紧急制动需求，传统机械制动策略难以直接应用的柔性电制动策略与参数优化方法，其采用多级电阻柔性制动策略减少制动时间，通过控制参数优化实现系统功率约束
2、为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
3、一种大惯量负载下交流励磁电机柔性制动方法，该方法包括：在正常工作状态下，交流励磁电机的定子直接接入电网，转子通过变频器与定子并联接入电网，在紧急制动工况下，首先断开定子与电网的连接，并将定子转接至三相制动负载rload；再断开转子与变流器的连接，并将转子两相短路接入直流励磁电压dc，由直流励磁电源向转子提供励磁，旋转磁场切割定子产生感应电动势；再由三相制动负载产生制动功率，提供阻力转矩使转子降速；
4、其中，在断开定子与电网连接并将其接入三相制动负载时，所述三相制动负载采用多级制动负载电阻；
5、并通过以最短制动时间为目标、制动配置参数为变量、电机性能与制动电阻功率为约束的多级制动参数配置遗传算法优化模型寻求制动策略的最优参数。
6、进一步，多级制动负载电阻的制动级数为n(n＝1,2…)，定子侧n级制动电阻值分别为为rload1、rload2…rloadn，单级制动(n＝1)无切换转速，多级制动(n>1)电阻切换转速为ωc1、ωc2…ωc(n-1)，其中ωc1>ωc2>…>ωc(n-1)；多级制动电阻投入顺序为，电机在初始转速ω0到ωc1之间接入rload1，ωc1到ωc2之间接入rload2…依次类推，最终在ωc(n-1)与目标转速ωe之间接入rloadn。
7、进一步，在制动工况下，为探究制动策略的最优参数，首先构建电机的运动方程；考虑电机的电机损耗、风阻损耗、轴承损耗，电机的运动方程表示为：
8、
9、其中，ωr表示转子角速度，j表示转子惯量，es0表示定子空载感应电动势有效值，rload表示三相制动负载，rs表示交流励磁电机定子侧电阻，p表示电机极对数，lσs表示定子漏磁电感，lm表示激磁电感，tm(ωr)表达式通过拟合交流励磁电机自由降速曲线并求导获得转子角加速度，再乘以转子惯量j得到，pfe表示电机定子侧损耗功率中的铁耗功率，ps表示电机定子侧损耗功率中的杂散损耗功率。
10、进一步，根据电机的运动方程，建立以最短制动时间为目标，制动配置参数为变量，电机性能与制动电阻功率为约束的多级制动参数配置遗传算法优化模型，其中，
11、模型优化变量包括：制动电阻取值rload1…rloadn，多级(n>1)制动切换转速ωc1…ωc(n-1)，其中单级制动(n＝1)无切换转速，以及转子侧直流电源的电动势比例系数ke，定义为：
12、x＝[rload1…rloadn ωc1…ωc(n-1) ke]
13、对于转子侧直流电源的电动势比例系数ke，其表示为：
14、
15、其中，lm表示激磁电感，ira表示转子侧直流电流，p表示电机极对数。
16、进一步，优化模型目标函数为整个制动过程降速时间，在定子接电阻rload的情况下，电机从初始转速ω0降速到目标转速ωe的制动时间tbrake表示为：
17、
18、后续基于制动时间tbrake求得采用多级制动策略、以最短制动时间为目标的优化模型目标函数t。
19、进一步，在已知电机定转子参数，最大运行转速ωmax，安全转速ωsafe的前提下，将目标函数t定义为：
20、
21、在此过程中，摩擦损耗、铁耗与杂散损耗远小于制动电阻与铜耗消耗的功率，因此忽略摩擦损耗、铁耗与杂散损耗以得到上述简化模型。
22、进一步，优化变量约束分别为取值范围约束与制动过程约束：取值范围约束是对模型优化变量物理意义上的线性约束；制动过程约束指模型求解时，基于交流励磁电机制动电路数学模型对整个制动过程的中间变量提出的要求，是对优化变量的非线性约束；
23、对于取值范围约束，目标函数t中模型优化变量x取值约束范围如下：
24、1)两级电阻切换转速ωc的约束，其约束下限为：
25、ωlowerlimit＝ωsafe
26、其中ωsafe为电机紧急制动目标安全转速；
27、其约束上限为：
28、ωupperlimit＝ωmax
29、其中ωmax为电机并网运行最大转速；
30、2)制动电阻rload的约束，其约束下限为：
31、rlowerlimit＝pωsafe(lσs+lm)-rs
32、其约束上限为：
33、rupperlimit＝pωmax(lσs+lm)-rs
34、3)电动势比例系数ke的约束，其约束下限为：
35、klowerlimit＝0
36、其约束上限取定子电压约束和转子电流约束的最小值，为：
37、
38、定子电压约束是考虑电机运行在最大转速ωmax同时直流励磁取最大的极限情况，制动电阻取任意值均需满足定子端电压小于额定值usn，即：
39、
40、变换形式为：
41、
42、定子电压约束下的电动势比例系数ke在制动电阻取上限值rupperlimit，转速取上限值ωmax，定子端电压为额定电压时取得最大值；
43、转子电流约束是受限于电机转子能承受的最大电流irmax，取转子额定电流值时为转子电本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种大惯量负载下交流励磁电机柔性制动方法，所述方法包括：在正常工作状态下，交流励磁电机的定子直接接入电网，转子通过变频器与定子并联接入电网，其特征在于：在紧急制动工况下，首先断开定子与电网的连接，并将定子转接至三相制动负载Rload；再断开转子与变流器的连接，并将转子两相短路接入直流励磁电压DC，由直流励磁电源向转子提供励磁，旋转磁场切割定子产生感应电动势；再由三相制动负载产生制动功率，提供阻力转矩使转子降速；
2.根据权利要求1所述的大惯量负载下交流励磁电机柔性制动方法，其特征在于：多级制动负载电阻的制动级数为N(N＝1,2…)，定子侧N级制动电阻值分别为为Rload1、Rload2…RloadN，单级制动(N＝1)无切换转速，多级制动(N>1)电阻切换转速为ωc1、ωc2…ωc(N-1)，其中ωc1>ωc2>…>ωc(N-1)；多级制动电阻投入顺序为，电机在初始转速ω0到ωc1之间接入Rload1，ωc1到ωc2之间接入Rload2…依次类推，最终在ωc(N-1)与目标转速ωe之间接入RloadN。
3.根据权利要求2所述的
4.根据权利要求3所述的大惯量负载下交流励磁电机柔性制动方法，其特征在于：根据电机的运动方程，建立以最短制动时间为目标，制动配置参数为变量，电机性能与制动电阻功率为约束的多级制动参数配置遗传算法优化模型，其中，
5.根据权利要求4所述的大惯量负载下交流励磁电机柔性制动方法，其特征在于：优化模型目标函数为整个制动过程降速时间，在定子接电阻Rload的情况下，电机从初始转速ω0降速到目标转速ωe的制动时间Tbrake表示为：
6.根据权利要求5所述的大惯量负载下交流励磁电机柔性制动方法，其特征在于：在已知电机定转子参数，最大运行转速ωmax，安全转速ωsafe的前提下，将目标函数T定义为：
7.根据权利要求6所述的大惯量负载下交流励磁电机柔性制动方法，其特征在于：优化变量约束分别为取值范围约束与制动过程约束：取值范围约束是对模型优化变量物理意义上的线性约束；制动过程约束指模型求解时，基于交流励磁电机制动电路数学模型对整个制动过程的中间变量提出的要求，是对优化变量的非线性约束；
8.根据权利要求7所述的大惯量负载下交流励磁电机柔性制动方法，其特征在于：采用遗传算法来对制动配置参数进行寻优，遗传算法的数学模型为：
...【技术特征摘要】
1.一种大惯量负载下交流励磁电机柔性制动方法，所述方法包括：在正常工作状态下，交流励磁电机的定子直接接入电网，转子通过变频器与定子并联接入电网，其特征在于：在紧急制动工况下，首先断开定子与电网的连接，并将定子转接至三相制动负载rload；再断开转子与变流器的连接，并将转子两相短路接入直流励磁电压dc，由直流励磁电源向转子提供励磁，旋转磁场切割定子产生感应电动势；再由三相制动负载产生制动功率，提供阻力转矩使转子降速；
2.根据权利要求1所述的大惯量负载下交流励磁电机柔性制动方法，其特征在于：多级制动负载电阻的制动级数为n(n＝1,2…)，定子侧n级制动电阻值分别为为rload1、rload2…rloadn，单级制动(n＝1)无切换转速，多级制动(n>1)电阻切换转速为ωc1、ωc2…ωc(n-1)，其中ωc1>ωc2>…>ωc(n-1)；多级制动电阻投入顺序为，电机在初始转速ω0到ωc1之间接入rload1，ωc1到ωc2之间接入rload2…依次类推，最终在ωc(n-1)与目标转速ωe之间接入rloadn。
3.根据权利要求2所述的大惯量负载下交流励磁电机柔性制动方法，其特征在于：在制动工况下，为探究制动策略的最优参数，首先构建电机的运动方程；考虑电机的电机损耗...
【专利技术属性】
技术研发人员：向学位，赵泾霖，李辉，蒋鹏，张欣，李文东，姚然，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：
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