[发明专利]一种飞轮脉冲电源大惯量负载特性模拟装置

权利要求书

1.一种飞轮脉冲电源大惯量负载特性模拟装置，其特征在于，所述装置包括：惯量模拟装置控制上位机、负载电机、与负载电机转子同轴安装的转速传感器、用于控制负载电机的负载电机变频器、被测试充能电机及被测试充能电机变频器；所述的惯量模拟装置控制上位机与负载电机变频器及被测试充能电机变频器通过CAN总线连接；负载电机变频器分别通过动力电缆与交流电网和负载电机连接；转速传感器安装在负载电机转子轴上，转速传感器的信号输出端与负载电机变频器的测速信号输入端连接，负载电机变频器将采集到的转速信号通过CAN总线上传给惯量模拟装置控制上位机；

所述的控制上位机以最短加速时间作为约束条件，根据设定的拟模拟的转动惯量J，以及已知的负载电机及被测电机的T-ω外特性曲线，在惯量模拟装置的控制上位机中完成转矩、转速控制指令计算；所述的被测试充能电机变频器通过CAN总线接收所述的负载模拟装置控制上位机发送的转速指令值，惯量模拟装置的控制上位机将转速指令值通过CAN总线发送给被测试充能电机变频器，利用所述的被测试充能电机变频器所具备的转速闭环控制功能，完成所述的被测试电机的转速闭环控制；所述的负载电机变频器通过CAN总线接收所述的负载模拟装置控制上位机发送的转转矩令值，所述的负载电机变频器根据转矩指令值完成d、q轴电流指令值的计算，完成d、q轴电流的闭环控制，负载模拟装置的控制上位机将转矩指令值通过CAN总线发送给负载变频器，负载变频器的主控单元根据转矩指令值完成d、q轴电流指令值的计算，利用负载变频器主控单元中的d、q轴电流控制软件完成电流的闭环控制，实现对转矩指令值的跟踪，并将转矩施加到被测试充能电机上，实现对大惯量飞轮转矩特性的模拟。

2.如权利要求1所述的飞轮脉冲电源大惯量负载特性模拟装置，其特征在于，所述的负载特性模拟装置模拟大惯量飞轮负载特性方法如下：

过程1，求解飞轮脉冲电源惯量模拟装置工作区域及计算转矩、转速及作用时间；

本过程在惯量模拟装置控制上位机中完成；

步骤1：获取惯量模拟装置的极限运行曲线；

以转速ω为横轴、转矩T为纵轴建立坐标系，在该坐标系下绘制负载电机及被测试充能电机的T-ω外特性曲线；负载电机和被测试充能电机的可运行区域为由电机的T-ω外特性曲线与上述坐标系横轴及纵轴围成的区域；为保证惯量模拟装置运行过程中负载电机和被测试充能电机不过载，所述惯量模拟装置的工作区域由负载电机和被测试充能电机工作区域的交集决定，以上述负载电机和被测试充能电机的工作区域的边界作为惯量模拟装置的极限运行曲线，控制所述惯量模拟装置沿着上述曲线描述的工况运行，满足被测试充能电机最短加速时间测试的需求；

所述惯量模拟装置的极限运行曲线由三段曲线段组成，将三段曲线段分别编号，记为①、②、③，曲线段①为恒转矩曲线，其横坐标由零逐渐增大，纵坐标保持不变，与电机转速升高过程中输出的最大转矩不变的恒转矩特性对应；曲线段②、③为恒功率曲线，随着横坐标代表的转速逐渐增大，其纵坐标代表的转矩减小，与电机转速升高过程中输出的最大功率保持不变的恒功率特性对应；曲线段①、②、③首位相连，组成连续曲线；曲线段①、②、③的起点及终点用O(0，T_e2)、A(ω₁，T_e2)、B(ω₂，T_e3)、C(ω_max，T_e4)四个点表示，A点、B点对应为负载电机及被测电机的T-ω外特性曲线的交点，O点和C点分别为ω＝0以及ω＝ω_max表示的直线与T-ω外特性曲线的交点，求取交点便获取O点、A点、B点和C点四个点的坐标值，获得负载电机和被测试充能电机的转矩、转速及作用时间；

步骤2：计算惯量模拟装置转矩指令值；

所述惯量模拟装置的转矩指令值T_e^*由惯量模拟装置沿曲线①、②、③运行的转矩指令值分段表示为：

其中，ω为飞轮的角速度；为惯量模拟装置转矩指令值；及分别表示惯量模拟装置沿曲线①、②、③运行且飞轮角速度为ω时的转矩指令值；ω₁为曲线①的终点位置对应的飞轮角速度；ω₂为曲线②的终点位置对应的飞轮角速度；ω_max为曲线③的终点位置对应的飞轮角速度；T_e2为曲线①的终点位置对应的转矩值；T_e3为曲线②的终点位置对应的转矩值；

步骤3：计算惯量模拟装置转速指令值；

所述惯量模拟装置沿曲线①、②、③运行时转速指令值ω^*(t)随时间t变化的表达式为：

其中，ω^*(t)为t时刻惯量模拟装置的转速指令值；J为飞轮的转动惯量；t_r①、t_r②及t_r③分别为模拟装置沿曲线段①、②、③运行的持续时间；ω₁为曲线①的终点位置对应的飞轮角速度；ω₂为曲线②的终点位置对应的飞轮角速度；ω_max为曲线③的终点位置对应的飞轮角速度；T_e2为曲线①的终点位置对应的转矩值；T_e3为曲线②的终点位置对应的转矩值；

惯量模拟装置沿曲线段①、②、③的运行时间t_r①、t_r②及t_r③由下式计算得到：

其中，t_r①、t_r②及t_r③模拟装置沿曲线段①、②、③运行的持续时间；J为飞轮的转动惯量；ω₁为曲线①的终点位置对应的飞轮角速度；ω₂为曲线②的终点位置对应的飞轮角速度；ω_max为曲线③的终点位置对应的飞轮角速度；T_e2为曲线①的终点位置对应的转矩值；T_e3为曲线②的终点位置对应的转矩值；

过程2，控制惯量模拟装置负载电机的转矩

本过程在负载电机变频器的主控单元中完成；

步骤1：获取负载电机电感L_d、L_q随i_d、i_q变化的函数表达式

基于最小二乘原理，完成对负载电机定子电感的d、q轴分量L_d、L_q曲线的拟合，并确定拟合的二次多项式系数的取值；

负载电机的定子电感的d、q轴分量L_d、L_q由二次多项式表达，

将已知的负载电机在不同i_d、i_q电流下的电感L_d、L_q的取值分别代入上述二次多项式，并表示为矩阵形式，

L_d1＝f_d(i_d1，i_q1)，L_d2＝f_d(i_d2，i_q2)，......，L_dM＝f_d(i_dM，i_qM)

L_q1＝f_q(i_d1，i_q1)，L_q2＝f_q(i_d2，i_q2)，......，L_qN＝f_q(i_dN，i_qN)

其中，M、N为已知的正整数，分别对应于i_d、i_q电流下L_d、L_q的数据点的个数；L_di＝f_d(i_di，i_qi)为电流取值i_di、i_qi时的负载电机定子的d轴电感数值，i＝1，2，...，M；L_qj＝f_q(i_dj，i_qj)为电流取值为i_dj、i_qj时的负载电机定子的q轴电感数值，j＝1，2，...，N；

上式中，除矩阵A＝[a₂₀ a₀₂ a₁₁ a₁₀ a₀₁ a₀₀]^T、B＝[b₂₀ b₀₂ b₁₁ b₁₀ b₀₁ b₀₀]^T外，其他均为已知量，通过矩阵运算得到矩阵A及矩阵B，进而得到L_d的二次多项式的系数a₂₀、a₀₂、a₁₁、a₁₀、a₀₁、a₀₀，以及L_q的二次多项式的系数b₂₀、b₀₂、b₁₁、b₁₀、b₀₁、b₀₀；

步骤2：获取基于最大转矩电流比(MTPA)的定子电流d、q轴分量i_d、i_q分配律；

负载电机的转矩表达式为，

其中，T_e为负载电机的转矩；i_s为负载电机定子电流；i_d、i_q为负载电机定子电流的d、q轴分量；L_d、L_q为负载电机d、q轴电感；n_p和分别为负载电机的转子磁极的极对数和转子永磁磁链，对于确定型号的负载电机而言，两者均为常数；

在负载电机定子电流i_s保持一定时，若采用最大转矩电流比(MTPA)电流分配策略进行d、q轴电流分配，能够使得转矩T_e取最大值，且T_e取最大值时电流满足：

式(6)即为基于最大转矩电流比(MTPA)的负载电机的定子电流i_d、i_q分配律；

步骤3：根据转矩指令计算负载电机d、q轴电流指令值；

联立式(4)、式(5)、式(6)，

将过程1步骤2中所获得的转矩指令值代入上式，即，令通过解方程组得到与转矩指令值对应的电流的i_d和i_q；

以得到的i_d作为d轴电流指令的初始值即以得到的i_q作为q轴电流指令的初始值即

为保障负载电机运行在恒功率工况下，上述计算得到的d轴电流指令初始值与弱磁环PI调节器的输出Δi_d相加得到的d轴电流的指令值即，q轴电流指令的初始值直接作为q轴电流的指令值即，作为负载电机d、q轴电流的指令值加载到电流内环上；

步骤4：计算得到负载电机的定子d、q轴电压指令信号u_d、u_q：

将负载电机变频器的电流采样电路采样得到的负载电机三相电流采样值，经过Clark、Park坐标变换，得到d-q轴坐标系下的电流采样值i_d与i_q，步骤3中得到的负载电机定子电流d、q轴分量的指令值分别与电流采样值i_d、i_q作差，并通过负载电机变频器d、q轴电流控制器的闭环控制作用，得到负载电机的定子d、q轴电压指令信号u_d、u_q，

上式中，k_pd，k_id分别为d轴电流调节器比例系数和积分系数；k_pd，k_iq分别为q轴电流调节器比例系数和积分系数；

步骤5：将步骤4中获得的负载电机定子电压指令信号u_d、u_q作为后级SVPWM环节的输入，经过负载电机变频器主控单元中运行的空间矢量调制SVPWM策略的运算，生成6路PWM驱动控制信号，将PWM驱动信号输出到负载电机变频器的功率驱动电路上，通过功率驱动电路控制三相全控桥的开通与关断，实现对负载电机的闭环控制；

过程3，控制惯量模拟装置的转速

惯量模拟装置控制上位机将过程1中步骤3中计算得到的转速指令值ω^*值通过CAN总线发送给被测试充能电机变频器，利用被测电机变频器所具备的转速闭环控制功能，完成惯量模拟装置的转速控制。