含储能的复杂多电机系统协同设计与冗余高效控制研究

With the technical advancements of more electric vehicles and high-tech industrial equipment, the performance of energy storage devices (ESD)-integrated complex multiple-electric machine systems becomes more and more important, especially in terms of system efficiency, dynamic performance, and reliability. However, in the presence of electro-magnetic-mechanical coupling, ESD-integrated complex multiple-electric machine systems face a series scientific and technological challenges. Among these challenges, the most prominent issues are system design, redundancy management, as well as coordinated control. To address these issues, this project focuses on the ESD-integrated complex multiple-electric machine system, and specifically studies its collaborative design, control allocation, control reconfiguration, power balance, and hierarchical distributed control. In this project, multi-objective collaborative design method, control allocation law in normal scenarios, fault isolation and control reconfiguration law in fault scenarios, as well as multi-time scale hierarchical distributed control scheme will be proposed for the ESD-integrated complex multiple-electric machine system. Meanwhile, an algorithm will be presented to merge the redundancy management and the distributed control schemes. Furthermore, test platforms will be established to verify the results. From the perspective of electrical and control engineering, this project will achieve both theoretical and practical breakthroughs for the ESD-integrated complex multiple-electric machine system, thereby promoting the technical advancements of more electric vehicles and high-tech industrial equipment.

多电运载工具、高端工业生产装备等对含储能复杂多电机系统的整体效率、动态性能、可靠性等提出了越来越高的要求，解决复杂电-磁-机耦合关系约束下，含储能复杂多电机系统综合设计、冗余管理和协调控制是其所面临的挑战。本项目针对含储能的复杂多电机系统，研究其综合优化设计方法、正常和故障状态下的控制分配和控制律重构、电能和功率不平衡度平抑、协调优化控制与冗余管理规约的融合、多时间尺度分层分布式优化控制等；提出系统多目标协同优化设计方法，构建系统正常工况冗余控制分配和故障状态下故障隔离及控制律重构规约，获得层次化多时间尺度分布式协调控制策略，实现协调控制策略和冗余管理规约的有机融合；搭建软件仿真、硬件实时仿真和多电机系统综合实验平台，验证设计方法、冗余管理及控制策略的有效性。在电气和控制科学层面上实现对含储能复杂多电机系统基础理论方法和关键技术的突破，为我国多电运载工具等提供高品质的核心单元技术奠定基础。

多电运载工具、高端工业生产装备等对含储能复杂多电机系统的整体效率、动态性能、可靠性等提出了越来越高的要求，解决复杂电-磁-机耦合关系约束下，含储能复杂多电机系统综合设计、冗余管理和协调控制是其所面临的挑战。本项目针对含储能的复杂多电机系统，研究其综合优化设计方法、正常和故障状态下的控制分配和控制律重构、电能和功率不平衡度平抑、协调优化控制与冗余管理规约的融合、多时间尺度分层分布式优化控制等。在电气和控制科学层面上实现对含储能复杂多电机系统基础理论方法和关键技术的突破，为我国多电运载工具等提供高品质的核心单元技术奠定基础。.在含储能的复杂多电机系统综合一体化协同设计方面，对多余度电机本体进行了多性能优化分析，建立了基于协同优化算法的综合一体化设计理论体系；分析了多余度电机与多通道电力电子变换器拓扑耦合关系，提出了定转子双绕组双余度电机的多通道电力电子变换拓扑及其控制方案；分析了多电机系统环境下混合储能装置动态特性和容量，给出了应用于电动汽车的多电机混合储能系统容量分析方法；建立了面向场景需求的复杂多电机协同一体化优化设计系统，实现了综合优化问题的高效求解。在复杂多电机系统冗余设置和冗余管理方面，提出了全电飞机电力系统最优化设计方案方法，实现了正常工况下双余度高性能控制；针对多电机多余度故障状态下的动态建模问题，建立了多电机多余度驱动系统在正常和故障状态下的简化复频域模型，统一地反映正常和故障运行状态多余度的特征和动态行为；针对故障状态下余度隔离和控制律重构问题，提出了任意两相开路容错矢量控制策略，提出了适用于两相开路故障的降阶解耦变换矩阵和解耦模型。在复杂多电机系统各单元协调优化控制方面，对整体系统和系统内各单元的动态特性进行分析，建立具有合理精确度和复杂度的系统动态模型；研究了混合储能装置支持下系统电能和功率不平衡度平抑的性能要求和控制需求，提出了基于模型预测控制的混合储能系统分层协调优化控制算法；提出了多时间尺度分层模型预测控制策略，实现了运动指令跟踪与节能增程控制目标的协调优化；研究了协调优化控制算法与冗余管理规约的融合，实现了多电机系统在发生电机故障时容错运行。.本项目执行至今，在复杂多电机系统的规划、设计和控制方面均按期完成了预定的研究任务，得到了一批兼具学术价值和应用潜力的研究成果。项目累计发表学术论文61篇，培养硕博研究生19名。