永磁電機式機械彈性儲能系統(tǒng)設計與控制技術研究.pdf

1、儲能技術是調(diào)峰調(diào)頻、構建智能電網(wǎng)和保障間歇式新能源入網(wǎng)的關鍵核心技術，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，對其總體技術方案、系統(tǒng)性設計、模型和控制方法進行研究。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方案。選用永磁同步電機為執(zhí)行機構，構建了永磁電機式機械彈性儲能系統(tǒng)，設計了系統(tǒng)的技術實現(xiàn)方案，論證了系統(tǒng)的技術可行性，分析了系統(tǒng)涉及的關

2、鍵技術。
　　(2)建立了機械彈性儲能技術特性指標，提出了一種基于微分進化算法的渦卷彈簧結構優(yōu)化設計方法，設計了一種新穎的“手拉手”串聯(lián)聯(lián)動式儲能箱結構?；跈C械彈性儲能技術特性指標，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的儲能特性;在此基礎上，運用傳統(tǒng)經(jīng)驗公式法設計了渦卷彈簧結構，并分別以儲能容量和儲能密度最大為優(yōu)化設計目標，采用微分進化算法對渦卷彈簧結構進行了優(yōu)化設計。結果表明，機械彈性儲熊系統(tǒng)

3、在功率密度、自放電率、工作溫度等諸多技術指標上具有比較優(yōu)勢;不同目標函數(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，還設計了一種新穎的聯(lián)動式儲能箱結構，通過串聯(lián)連接多個渦簧箱，以簡單、精巧的結構設計，在基本不改變儲能箱最大輸出扭矩的基礎上，增大了儲能容量，平滑了扭矩輸出特性。
　　(3)構建了永磁電機式機械彈性儲能全系統(tǒng)數(shù)學模型，提

4、出了一種基于分段分態(tài)思想的儲能渦簧轉動慣量通用計算方法。分析了儲能過程渦簧扭轉變形特性，根據(jù)儲能時渦簧簧片的狀態(tài)變化和相應的階段劃分，計算了儲能過程中渦簧實時變化的轉動慣量。結果表明，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，轉動慣量逐漸減小，發(fā)電過程則與之相反。在此基礎上，建立了永磁電機式機械彈性儲能全系統(tǒng)數(shù)學模型，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)儲能運行時渦簧轉動慣量和扭矩

5、同時變化情形以及低轉速要求，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化優(yōu)化算法相結合的改進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)轉動慣量和扭矩，將估計結果輸入設計的改進反推控制器，并采用自適應微分進化算法對控制參數(shù)進行了優(yōu)化。仿真結果表明，控制方法能夠抑制渦簧轉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)在給定的低轉速下穩(wěn)定儲能。

6、
　　(5)針對系統(tǒng)發(fā)電運行時外部動力源渦簧轉動慣量和扭矩同時變化情況，計及永磁同步發(fā)電機內(nèi)部結構參數(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)部結構參數(shù)變化表達為電機狀態(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合，設計了L2魯棒反推控制器。仿真結果表明，高增益干擾觀測器能夠較為準確地觀測內(nèi)外干擾，提出的控制方法在抑制內(nèi)外部干擾的