永磁電機(jī)式機(jī)械彈性儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制技術(shù)研究.pdf

1、儲(chǔ)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(jī)械彈性的電能儲(chǔ)存方式，對(duì)其總體技術(shù)方案、系統(tǒng)性設(shè)計(jì)、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(jī)械彈性儲(chǔ)能技術(shù)方案。選用永磁同步電機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，構(gòu)建了永磁電機(jī)式機(jī)械彈性儲(chǔ)能系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)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)

2、鍵技術(shù)。
　　(2)建立了機(jī)械彈性儲(chǔ)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(jì)方法，設(shè)計(jì)了一種新穎的“手拉手”串聯(lián)聯(lián)動(dòng)式儲(chǔ)能箱結(jié)構(gòu)?；跈C(jī)械彈性儲(chǔ)能技術(shù)特性指標(biāo)，分析了三種常見渦簧材料的儲(chǔ)能特性，比較了機(jī)械彈性儲(chǔ)能與其它主流儲(chǔ)能技術(shù)的儲(chǔ)能特性;在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式法設(shè)計(jì)了渦卷彈簧結(jié)構(gòu)，并分別以儲(chǔ)能容量和儲(chǔ)能密度最大為優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，采用微分進(jìn)化算法對(duì)渦卷彈簧結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，機(jī)械彈性儲(chǔ)熊系統(tǒng)

3、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(qiáng)度系數(shù)基本相同，增加彈簧厚度是提高渦簧儲(chǔ)能容量和儲(chǔ)能密度的有效方法。針對(duì)單一渦簧箱儲(chǔ)能容量較低的問題，還設(shè)計(jì)了一種新穎的聯(lián)動(dòng)式儲(chǔ)能箱結(jié)構(gòu)，通過串聯(lián)連接多個(gè)渦簧箱，以簡單、精巧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在基本不改變儲(chǔ)能箱最大輸出扭矩的基礎(chǔ)上，增大了儲(chǔ)能容量，平滑了扭矩輸出特性。
　　(3)構(gòu)建了永磁電機(jī)式機(jī)械彈性儲(chǔ)能全系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，提

4、出了一種基于分段分態(tài)思想的儲(chǔ)能渦簧轉(zhuǎn)動(dòng)慣量通用計(jì)算方法。分析了儲(chǔ)能過程渦簧扭轉(zhuǎn)變形特性，根據(jù)儲(chǔ)能時(shí)渦簧簧片的狀態(tài)變化和相應(yīng)的階段劃分，計(jì)算了儲(chǔ)能過程中渦簧實(shí)時(shí)變化的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。結(jié)果表明，儲(chǔ)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(dòng)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(jī)式機(jī)械彈性儲(chǔ)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(qiáng)耦合的非線性特征。
　　(4)針對(duì)系統(tǒng)儲(chǔ)能運(yùn)行時(shí)渦簧轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和扭矩

5、同時(shí)變化情形以及低轉(zhuǎn)速要求，考慮永磁同步電動(dòng)機(jī)模型非線性的特點(diǎn)，提出了一種帶遺忘因子的最小二乘辨識(shí)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(shí)估計(jì)儲(chǔ)能系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和扭矩，將估計(jì)結(jié)果輸入設(shè)計(jì)的改進(jìn)反推控制器，并采用自適應(yīng)微分進(jìn)化算法對(duì)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(dòng)慣量和扭矩的同時(shí)變化，保證定子電流輸出期望的參考值，使永磁電機(jī)式機(jī)械彈性儲(chǔ)能系統(tǒng)在給定的低轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定儲(chǔ)能。

6、
　　(5)針對(duì)系統(tǒng)發(fā)電運(yùn)行時(shí)外部動(dòng)力源渦簧轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和扭矩同時(shí)變化情況，計(jì)及永磁同步發(fā)電機(jī)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(jī)外部動(dòng)力源特性與電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)變化表達(dá)為電機(jī)狀態(tài)空間模型上的綜合干擾，利用高增益觀測器估計(jì)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(jì)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