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機械彈性儲能箱結構及并網控制策略的優化方法

作者:中國儲能網新聞中心 來源:電氣新科技 發布時間:2020-01-30 瀏覽:
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國網山西省電力公司經濟技術研究院、新能源電力系統國家重點實驗室(華北電力大學)、國網天津市電力公司電力科學研究院的研究人員鄭曉明、米增強、余洋、賈雨龍、劉力卿,在2019年第22期《電工技術學報》上撰文指出(論文標題為“機械彈性儲能箱結構及并網控制策略優化”),機械彈性儲能(MEES)機組核心部件是機械彈性儲能箱,提出了單體儲能箱模塊化-推拉式機械裝配技術。

基于傳統儲能箱組“手拉手”機械結構,通過增加單向超越離合器使儲能箱之間實現了柔性聯動,且具有防反轉自鎖功能。建立了儲能箱額定功率、儲能容量配置數學模型,并根據其特殊運行特性曲線,提出一種適用于機組發電過程的永磁同步發電機轉速自適應控制算法,同時提出一種網側變流器反推魯棒控制算法。

實驗結果表明,所提方法能有效抑制機組參數擾動,永磁同步發電機能夠快速響應、平穩運行,網側變流器直流側電壓穩定并可以單位功率因數并網運行,發揮機組最大出力,有助于減小機側變流器容量。

儲能技術已成為構建智能電網和保障間歇式新能源入網的關鍵核心技術,主要分為物理儲能和化學儲能兩大類,其中物理儲能又分為機械儲能和電磁儲能,主要包括抽水蓄能、飛輪儲能、壓縮空氣儲能、超級電容儲能等。

機械彈性儲能(Mechanical Elastic Energy Storage, MEES)屬于物理儲能的范疇,是一種新型儲能技術,可用于復雜環境下短時間大功率儲能場合,如地鐵再生制動能量再利用裝置、抽油機能量回收再利用裝置、低溫環境下車輛的啟動電源等。

該儲能方式儲能介質為大型平面渦卷彈簧(Spiral Torsion Spring, STS),能量存儲形式為機械彈性勢能。研究對象包括STS材料的彈性模量、抗拉強度、抗疲勞等性能等;儲能箱機械結構設計、機組裝配、聯動裝置優化等;機組數學建模、永磁同步電機轉速及變流器并網控制策略等。

MEES儲能元件為STS,為了增大機組儲能容量,提高可靠性,多個STS被封裝于單體儲能箱中,多個單體儲能箱串聯聯動。單體儲能箱機械組裝結構與儲能箱組機械聯動結構的合理與否直接決定了機組性能。

有學者提出了一種“手拉手”儲能箱組機械聯動結構,理論上可以無限增加串聯聯動儲能箱個數,極大提升了機組儲能容量,但也存在一些問題,比如儲能箱之間直接通過聯軸器剛性連接、儲能箱組額定功率及儲能容量無法自由配置、無防止儲能箱反向轉動的自鎖功能等。

為解決上述問題,本文提出一種新型聯動式儲能箱組機械結構,在保持原結構優點的基礎上,提出了單體儲能箱STS模塊化-推拉式機械裝配技術,儲能箱之間通過單向超越離合器實現柔性串聯聯動和防反轉自鎖,設計了以STS標準件為基礎的機組額定功率和儲能容量配置方法,有效地提高了機組性能。

機械彈性儲能箱組中的彈性勢能能否高效轉化為電能是機組的核心技術指標。永磁同步發電機(Permanent Magnet Synchronous Generator, PMSG)具有結構簡單、效率高、運行可靠、維護量小的優點,選為機組能量轉化執行機構。

為保證機組高質量的發電,PMSG控制策略需根據儲能箱組運行特性進行優化設計。PMSG是一個強耦合、多變量的非線性系統,機械彈性儲能箱組在機組發電過程中轉矩和轉動慣量持續變化,傳統的矢量控制難以達到滿意的控制效果。

反推控制算法是一種非線性控制方法,因其良好的控制效果、較強的適應能力越來越受到關注。

有學者將反推控制算法用于永磁同步電機直接轉矩控制中,能有效減小磁鏈和轉矩脈動。

有學者提出了一種自適應修正拉蓋爾遞歸神經網絡反推控制算法,用于永磁直線同步電機位置控制中,能明顯減小位置誤差。

有學者通過模糊控制器優化反推控制算法中的控制參數來改善系統的速度跟蹤性能。從以上分析可以看出,目前反推控制理論大多集中于電機驅動領域,發電領域文獻還相對較少。

有學者提出了一種基于反推滑模控制的最大風能跟蹤控制算法,實現了轉矩的快速跟蹤,但轉動慣量設定為定值。

有學者所提方法適用于動力源轉矩和轉動慣量持續變化的PMSG控制場合,但未考慮網側變流器的并網控制,控制方案也稍顯復雜。

本文結合反推控制和矢量控制提出一種轉動慣量、轉矩自適應PMSG轉速控制策略,能有效抑制儲能箱組參數擾動,保證了PMSG轉速能夠快速響應和穩定運行。同時為了改善機組并網性能,設計了機組并網反推控制算法,為實現儲能機組最大出力,可設定并網無功功率為零,從而實現單位功率因數并網控制,能有效減小機側變流器容量。

實驗結果表明,此控制方法適用于機械彈性發電過程,有效提升機組性能,機組發電并網過程能夠平穩高效運行。

圖2 單體儲能箱STS釋放動作示意圖

圖5 控制系統整體框圖

結論

本文針對傳統機械彈性儲能箱組機械結構存在的不足,提出了一種單體儲能箱模塊化-推拉式機械裝配結構和儲能箱組柔性聯動防反轉自鎖結構,并根據發電過程中機組運行特性,提出一種基于反推控制算法的PMSG轉矩轉動慣量自適應調速控制策略,同時設計了網側變流器反推控制策略。實驗結果驗證了同傳統PI矢量控制相比,本文所提方法更適用于機械彈性儲能機組發電過程,各控制變量響應迅速,跟蹤精確。

高性能STS材料是機械彈性儲能機組的基石,課題下一步將研究采用性能更好的玻璃纖維及碳纖維為STS材料,進行力學測試研究;設計并聯聯動式儲能箱組機械結構,能極大提高機組發電功率;并設計性能更優的電氣控制策略。

關鍵字:儲能箱

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