發(fā)布時(shí)間：2017-12-03 06:09

  本文關(guān)鍵詞：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

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【摘要】：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)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)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(shì)；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(jiǎn)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。(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(cè)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(cè)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(cè)器能夠較為準(zhǔn)確地觀測(cè)內(nèi)外干擾,提出的控制方法在抑制內(nèi)外部干擾的同時(shí),保證了永磁同步發(fā)電機(jī)輸出電流和運(yùn)行轉(zhuǎn)速跟蹤各自的參考值,實(shí)現(xiàn)了永磁電機(jī)式機(jī)械彈性儲(chǔ)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(chǔ)能渦簧和聯(lián)動(dòng)式儲(chǔ)能箱,計(jì)算了儲(chǔ)能渦簧轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,研制了小型永磁電機(jī)式機(jī)械彈性儲(chǔ)能系統(tǒng)原理性樣機(jī)。通過原理性樣機(jī)的儲(chǔ)能運(yùn)行和發(fā)電運(yùn)行實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了本文所提設(shè)計(jì)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(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TM351;TK02

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本文編號(hào)：1247685