本发明涉及轴向磁通电机，特别是一种基于轴向磁通电机的大型水泵协同控制方法及系统。
背景技术：
1、当前,我国正在加快构建安全、高效、清洁、低碳的新型能源结构。光伏水泵技术作为太阳能应用领域最有发展前景的技术之一，也一直是国内外研究的热点。现阶段对光伏水泵系统的研究，多是以一个光伏阵列驱动一台机泵为主，控制方式简单，其研究的重点一直侧重于单机结构的光伏水泵系统优化，包括光伏阵列的容量选择、最大功率点跟踪算法的优化、高效水泵电机的设计等方面。尽管单机系统的优化已经卓有成效，但是对于大型光伏水泵扬水系统，仍然存在着很多问题：当光照较弱时，水泵的转速往往达不到出水的最低转速，即使能量被消耗，也无法将水打出，导致阵列功率被白白浪费；当光照较强时，阵列提供的能量超过电机的额定功率，导致电机无法充分利用超出部分阵列能量。在不同光照强度及温度条件下，光伏阵列提供的电能功率差别巨大，并且由于光伏水泵的启动需达到最低日照强度即扬水阙值，必然造成单机在轻载和过载时对能量的利用不足，降低系统整体效率。
2、针对单机系统中单机泵在轻载和过载下能量均利用不足的问题，可以将同样的阵列能量分配给多台电机，合理分配运行电机台数，其中当阵列功率较小时，运行较少数量的电机，阵列功率升高时，逐渐增加电机的运行台数，使得能量在多台电机之间能够得到合理的分配，有利于增加系统的扬水量，进而提高系统的整体效率。为了满足大功率需求，本发明选择了定子和转子均为圆盘形扁平结构的轴向磁通永磁同步电机，又称为盘式电机，定转子的间隔对等排列使其定子绕组具有较好的散热空间。多组定转子级联构成模块化多盘电机不仅可以降低所用开关器件的功率等级和耐压值，还能降低单模块的电流等级。现有研究仅是针对多电机之间的单级转矩优化分配，模块化电机因其具有更高的结构复杂性和更多的控制自由度，存在着模块内每个定子单元的效率优化控制、模块内不同定子单元和不同模块之间的协同效率优化控制等多重多级考虑，同时需要兼顾大功率水泵的不同工况进行综合转矩分配，这些是目前大功率模块化轴向磁通永磁同步电机驱动系统的关键技术。因此，提出并研究多电机运行的光伏水泵系统及其协同控制策略对光伏水泵系统的应用及推广具有至关重要的意义。
技术实现思路
1、本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
2、鉴于上述或现有技术中存在的问题，提出了本发明。
3、因此，本发明解决的技术问题是：在不同光照强度及温度条件下，光伏阵列提供的电能功率差别巨大，并且由于光伏水泵的启动需达到最低日照强度即扬水阙值，必然造成单机在轻载和过载时对能量的利用不足，降低整体效率。
4、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于轴向磁通电机的大型水泵协同控制方法，其包括基于最大扬水量及高效率的优化运行目标，在不同时刻选择电机运行台数以及每台电机的分配转矩；根据需求建立描述优化运行问题的目标函数及约束条件；优化运行目标函数的求解算法，采用模拟退火智能优化算法对带约束的复杂非线性目标函数进行求解。
5、作为本发明所述基于轴向磁通电机的大型水泵协同控制方法的一种优选方案，其中：所述在不同时刻选择电机运行台数以及每台电机的分配转矩包括，
6、设置切换边界，划分不同工作模式拓宽电机高效率运行区间；
7、假设i组模块化电机最低启动轴功率为pi,min(i＝1,2,3)、i组模块化电机以额定转速运行时的最高轴功率为pi,max(i＝1,2,3)，光伏阵列的发电量为ppv，当正常工作时，则有三组轴向磁通永磁同步电机切换原则：
8、当ppv<p1,min时，此时单组电机不启动，水泵不启动；
9、当p1,min≤ppv<p2,min时，仅启动单组轴向磁通永磁同步电机即可消耗光伏阵列的发电量；
10、当p2,min≤ppv<p1,max时，光伏阵列的发电功率达到两组模块化电机启动的最低功率，未达到单组电机以额定转速运行时的最高功率；
11、当p1,max≤ppv<p3,min时，启动双组电机使其以正好消耗ppv的相同转速运行，即ppv均分在两组电机上；
12、当p3,min≤ppv<p2,max时，仅以双组电机来消耗ppv，使两组电机的转速均运行至额定转速；
13、当p2,max≤ppv≤p3,max时，启动三组电机使其以正好消耗ppv的相同转速运行，即ppv均分在三组电机上；
14、当p3,max<ppv时，各组电机都只能以额定转速运行，此后若光照辐射强度s继续增大，光伏发电系统无法输出更大的功率，只能以p3,max值输出电能。
15、作为本发明所述基于轴向磁通电机的大型水泵协同控制方法的一种优选方案，其中：所述根据需求建立描述优化运行问题的目标函数及约束条件包括，
16、使用模拟退火优化算法来自动化决策过程，根据实时的功率和转矩需求动态调整转矩分配系数；
17、以单组模块化电机为例，假设以额定转速运行时的功率为pn，转矩为tn，其中两台等效电机的轴功率分别为p1和p2，分配转矩分别为t1和t2，a为等效电机1所占功率占比，即转矩分配系数，等效电机运行转矩比为k，当转速一定时，存在：
18、p1＝αppv
19、p2＝(1-α)ppv
20、
21、以扬水量最大为目标，设计优化运行的目标函数为：
22、
23、其中，e(q,k)为目标函数，ai(i＝1,2,3)以及bi(i＝1,2,3,4)为拟合系数，q为水泵的扬水量，hst表示为管路所需净扬程，sp表示电机与水泵之间的管阻系数，m表示等效电机台数；
24、为了减小求解计算量并避免转速变化导致泵处于严重偏工况运行的情况，必须限定泵的可运行流量范围，因此设定约束条件为：
25、m·k·qmin≤q≤m·k·qmax
26、0＜k＜1。
27、作为本发明所述基于轴向磁通电机的大型水泵协同控制方法的一种优选方案，其中：所述优化运行目标函数的求解算法包括，
28、采用基于模拟退火的优化智能算法来对目标函数进行准确求解；
29、用固体退火模拟组合优化问题，将内能模拟为目标函数值，温度模拟为控制参数，即得到解组合优化问题的模拟退火算法。
30、作为本发明所述基于轴向磁通电机的大型水泵协同控制方法的一种优选方案，其中：所述对带约束的复杂非线性目标函数进行求解包括，
31、结合经验规则和历史数据以确保生成的初始解在问题的可行解空间中具有一定的优势，有效地为复杂系统找到合适的起始点，以便后续优化和调整；使用以下公式来生成基于规则和数据的初始解：
32、k＝w1·g1+w2·g2
33、其中，g1表示基于历史数据的趋势分析，g2表示随机生成的一个初始解，w1，w2是权重系数，用于调节经验规则以及历史数据的重要性和贡献；
34、接着产生一个扰动，如果找到的新解比上一个解更加接近最优解，则将其替换；如果找到的解离最优解更远，为了防止由于函数有多个极值点而使优化算法陷入局部最优，则以一定的概率接受这个解而不是直接舍弃，这个概率为：
35、
36、其中，n表示迭代次数，e(n)表示当前目标函数值，e(n+1)表示下一次目标函数值，t表示温度，模拟退火算法中的温度调度策略决定了搜索空间的探索能力和收敛性，自适应的温度调度策略根据当前系统状态动态调整温度下降的速率；若目标函数值的变化率大，表明仍在搜索过程中，此时降低温度下降的速率，以增加搜索空间的覆盖；如果变化率小，加快温度下降的速率，以加速收敛到局部最优解；
37、对于每次温度下降迭代，记录当前温度下的状态变化情况，包括当前解的变化和目标函数值的变化率，根据目标函数值的变化率和系统响应情况来调整下降速率：
38、
39、其中，var(fk)表示当前迭代中目标函数值的变化率；var(fk)是目标函数值的初始变化率，通过前几次迭代的结果进行估计；b是一个调整参数，用于平衡温度下降速率的调整幅度；根据当前温度t(k)和计算得到的下降速率，更新下一个迭代的温度t(k+1)：
40、t(k+1)＝λkt(k)
41、在若干次迭代以后不再出现e(n+1)<e(n)或者温度达到设定值时，模拟退火过程结束，最后得到的函数的解k即为使得水泵扬水量最大的最优转矩比，通过转矩比k计算得出每组模块化电机中各个等效电机转矩分配系数。
42、本发明的另外一个目的是提供一种基于轴向磁通电机的大型水泵协同控制的系统，其能基于最大扬水量及高效率的优化运行目标，在不同时刻选择电机运行台数以及每台电机的分配转矩；
43、根据需求建立描述优化运行问题的目标函数及约束条件；
44、优化运行目标函数的求解算法，采用模拟退火智能优化算法对带约束的复杂非线性目标函数进行求解，解决了目前的基于轴向磁通电机的大型水泵协同控制效率低的问题。
45、作为本发明所述基于轴向磁通电机的大型水泵协同控制的系统的一种优选方案，其中：包括选择模块，建立模块，求解模块；
46、所述选择模块用于基于最大扬水量及高效率的优化运行目标，在不同时刻选择电机运行台数以及每台电机的分配转矩；
47、所述建立模块用于根据需求建立描述优化运行问题的目标函数及约束条件；
48、所述求解模块用于优化运行目标函数的求解算法，采用模拟退火智能优化算法对带约束的复杂非线性目标函数进行求解。
49、一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序是实现基于轴向磁通电机的大型水泵协同控制方法的步骤。
50、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现基于轴向磁通电机的大型水泵协同控制方法的步骤。
51、本发明的有益效果：本发明聚焦于利用大功率模块化轴向磁通永磁同步电机，针对其模块内部和不同模块之间的协同效率优化进行深入研究。这种电机技术具有高效能和精确控制的特点，特别适用于要求高性能的泵送系统。强调不同模块和定子单元之间的协同效率优化，这种设计允许系统根据实际需求动态分配驱动力，确保每个电机模块都在最佳运行状态，从而提高整体系统效率和可靠性。为此设计了一种双层协同优化策略优化泵送系统的运行策略，重点在于提高系统的整体能量转化效率，通过精确的控制和模拟退火优化算法，确保系统在不同工况下均能以最佳状态运行，充分利用光伏发电的电能输出，从而提高水泵的扬水量。本发明所提出的优化策略不仅能够最大化泵送系统的扬水量，还能有效提高光伏利用率。通过优化泵送系统的运行，系统能够更有效地利用光伏发电的能量输出，显著提升整体能源利用效率和经济性。
1.一种基于轴向磁通电机的大型水泵协同控制方法，其特征在于：包括，
2.如权利要求1所述的基于轴向磁通电机的大型水泵协同控制方法，其特征在于：所述在不同时刻选择电机运行台数以及每台电机的分配转矩包括，
3.如权利要求2所述的基于轴向磁通电机的大型水泵协同控制方法，其特征在于：所述根据需求建立描述优化运行问题的目标函数及约束条件包括，
4.如权利要求3所述的基于轴向磁通电机的大型水泵协同控制方法，其特征在于：所述优化运行目标函数的求解算法包括，
5.如权利要求4所述的基于轴向磁通电机的大型水泵协同控制方法，其特征在于：所述对带约束的复杂非线性目标函数进行求解包括，
6.一种采用如权利要求1～5任一所述的基于轴向磁通电机的大型水泵协同控制方法的系统，其特征在于：包括选择模块，建立模块，求解模块；
7.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至5中任一项所述的基于轴向磁通电机的大型水泵协同控制方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至5中任一项所述的基于轴向磁通电机的大型水泵协同控制方法的步骤。
