本文關(guān)鍵詞：永磁電機式機械彈性儲能系統(tǒng)設(shè)計與控制技術(shù)研究

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【摘要】：儲能技術(shù)是調(diào)峰調(diào)頻、構(gòu)建智能電網(wǎng)和保障間歇式新能源入網(wǎng)的關(guān)鍵核心技術(shù),能在電力系統(tǒng)發(fā)、輸、配、用四大環(huán)節(jié)發(fā)揮巨大效用。本文提出了一種利用渦卷彈簧機械彈性的電能儲存方式,對其總體技術(shù)方案、系統(tǒng)性設(shè)計、模型和控制方法進(jìn)行研究。論文的主要工作如下：(1)提出了一種新型基于渦卷彈簧的機械彈性儲能技術(shù)方案。選用永磁同步電機為執(zhí)行機構(gòu),構(gòu)建了永磁電機式機械彈性儲能系統(tǒng),設(shè)計了系統(tǒng)的技術(shù)實現(xiàn)方案,論證了系統(tǒng)的技術(shù)可行性,分析了系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)。(2)建立了機械彈性儲能技術(shù)特性指標(biāo),提出了一種基于微分進(jìn)化算法的渦卷彈簧結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法,設(shè)計了一種新穎的“手拉手”串聯(lián)聯(lián)動式儲能箱結(jié)構(gòu)。基于機械彈性儲能技術(shù)特性指標(biāo),分析了三種常見渦簧材料的儲能特性,比較了機械彈性儲能與其它主流儲能技術(shù)的儲能特性；在此基礎(chǔ)上,運用傳統(tǒng)經(jīng)驗公式法設(shè)計了渦卷彈簧結(jié)構(gòu),并分別以儲能容量和儲能密度最大為優(yōu)化設(shè)計目標(biāo),采用微分進(jìn)化算法對渦卷彈簧結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。結(jié)果表明,機械彈性儲能系統(tǒng)在功率密度、自放電率、工作溫度等諸多技術(shù)指標(biāo)上具有比較優(yōu)勢；不同目標(biāo)函數(shù)下渦卷彈簧優(yōu)化外形的芯軸直徑、彈簧厚度和強度系數(shù)基本相同,增加彈簧厚度是提高渦簧儲能容量和儲能密度的有效方法。針對單一渦簧箱儲能容量較低的問題,還設(shè)計了一種新穎的聯(lián)動式儲能箱結(jié)構(gòu),通過串聯(lián)連接多個渦簧箱,以簡單、精巧的結(jié)構(gòu)設(shè)計,在基本不改變儲能箱最大輸出扭矩的基礎(chǔ)上,增大了儲能容量,平滑了扭矩輸出特性。(3)構(gòu)建了永磁電機式機械彈性儲能全系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,提出了一種基于分段分態(tài)思想的儲能渦簧轉(zhuǎn)動慣量通用計算方法。分析了儲能過程渦簧扭轉(zhuǎn)變形特性,根據(jù)儲能時渦簧簧片的狀態(tài)變化和相應(yīng)的階段劃分,計算了儲能過程中渦簧實時變化的轉(zhuǎn)動慣量。結(jié)果表明,儲能過程中渦簧從外盒內(nèi)壁不斷向芯軸收縮,使得其扭矩不斷增大,轉(zhuǎn)動慣量逐漸減小,發(fā)電過程則與之相反。在此基礎(chǔ)上,建立了永磁電機式機械彈性儲能全系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,該模型表現(xiàn)出高維度、多變量、強耦合的非線性特征。(4)針對系統(tǒng)儲能運行時渦簧轉(zhuǎn)動慣量和扭矩同時變化情形以及低轉(zhuǎn)速要求,考慮永磁同步電動機模型非線性的特點,提出了一種帶遺忘因子的最小二乘辨識與微分進(jìn)化優(yōu)化算法相結(jié)合的改進(jìn)非線性反推控制方法。該方法通過帶遺忘因子的最小二乘算法同時估計儲能系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量和扭矩,將估計結(jié)果輸入設(shè)計的改進(jìn)反推控制器,并采用自適應(yīng)微分進(jìn)化算法對控制參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。仿真結(jié)果表明,控制方法能夠抑制渦簧轉(zhuǎn)動慣量和扭矩的同時變化,保證定子電流輸出期望的參考值,使永磁電機式機械彈性儲能系統(tǒng)在給定的低轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定儲能。(5)針對系統(tǒng)發(fā)電運行時外部動力源渦簧轉(zhuǎn)動慣量和扭矩同時變化情況,計及永磁同步發(fā)電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)不確定情形,提出了一種基于高增益觀測器的L2魯棒反推控制方法。該方法把電機外部動力源特性與電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)變化表達(dá)為電機狀態(tài)空間模型上的綜合干擾,利用高增益觀測器估計該綜合干擾,并將L2增益理論和反推控制理論相結(jié)合,設(shè)計了L2魯棒反推控制器。仿真結(jié)果表明,高增益干擾觀測器能夠較為準(zhǔn)確地觀測內(nèi)外干擾,提出的控制方法在抑制內(nèi)外部干擾的同時,保證了永磁同步發(fā)電機輸出電流和運行轉(zhuǎn)速跟蹤各自的參考值,實現(xiàn)了永磁電機式機械彈性儲能系統(tǒng)安全、高效發(fā)電。(6)以上述研究工作為基礎(chǔ),開發(fā)了基于彈簧鋼材料的儲能渦簧和聯(lián)動式儲能箱,計算了儲能渦簧轉(zhuǎn)動慣量,研制了小型永磁電機式機械彈性儲能系統(tǒng)原理性樣機。通過原理性樣機的儲能運行和發(fā)電運行實驗,驗證了本文所提設(shè)計方案、模型和控制方法的正確性與有效性。
【學(xué)位授予單位】：華北電力大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TM351;TK02

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