機(jī)械彈性儲能系統(tǒng)在儲能過程中驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)載的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量連續(xù)變化，情況復(fù)雜，需要一種能夠快速跟蹤其變化且抗干擾能力較強(qiáng)的控制系統(tǒng)。

直接轉(zhuǎn)矩控制響應(yīng)快，能快速跟蹤儲能箱轉(zhuǎn)矩，結(jié)合反推自適應(yīng)控制算法，可以使其有較好的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)性能。首先采用遺忘因子遞推最小二乘算法辨識儲能箱轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，實(shí)時(shí)更新控制對象參數(shù)，結(jié)合辨識結(jié)果設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和磁鏈反推控制器，并最終得到定子電壓在兩相靜止坐標(biāo)系下的分量，同時(shí)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量自適應(yīng)控制器消除辨識誤差對控制性能的影響，進(jìn)一步應(yīng)用電壓空間矢量調(diào)制方法產(chǎn)生頻率恒定的開關(guān)信號，控制逆變器運(yùn)行。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明永磁同步電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩能夠快速跟蹤負(fù)載轉(zhuǎn)矩，且轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速脈動(dòng)較小，儲能過程平穩(wěn)。

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)，在電力系統(tǒng)的發(fā)、輸、配、用四大環(huán)節(jié)發(fā)揮著巨大的作用，機(jī)械彈性儲能系統(tǒng)在這種情況下應(yīng)運(yùn)而生。

機(jī)械彈性儲能系統(tǒng)的儲能元件為機(jī)械彈性儲能箱，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)為并列安裝的渦卷彈簧。通過永磁同步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)電能到機(jī)械彈性勢能的轉(zhuǎn)換與存儲。在儲能過程中儲能箱的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量連續(xù)時(shí)變，特別是儲能箱反向作用力矩隨儲能過程的進(jìn)行而逐漸變大，如果電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不能快速匹配，可能導(dǎo)致儲能箱帶著電機(jī)反轉(zhuǎn)，損毀電機(jī)。同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的時(shí)變特性可能造成電機(jī)轉(zhuǎn)速的抖振，影響儲能箱的力學(xué)性能和破壞儲能過程的平穩(wěn)性。渦卷彈簧作為大型剛性機(jī)械部件，儲能時(shí)要求永磁同步電機(jī)（Permanent MagnetSynchronous Motor，PMSM）低速平穩(wěn)運(yùn)行。

直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque Control，DTC）以轉(zhuǎn)矩作為控制目標(biāo)，響應(yīng)速度快，容易跟蹤負(fù)載轉(zhuǎn)矩，且便于實(shí)現(xiàn)。但傳統(tǒng)的DTC在低速運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動(dòng)較大，不利于儲能過程的平穩(wěn)進(jìn)行，且存在逆變器開關(guān)頻率不恒定的缺點(diǎn)。通常的解決辦法是對定子電壓矢量進(jìn)一步細(xì)分。

分別通過增加電壓矢量數(shù)量和細(xì)化每個(gè)電壓矢量作用時(shí)間的方法來減小脈動(dòng)，但會導(dǎo)致硬件成本增加和控制系統(tǒng)更加復(fù)雜。分別設(shè)計(jì)了磁鏈環(huán)、轉(zhuǎn)矩環(huán)，通過PI調(diào)節(jié)器得到定子電壓參考值，并結(jié)合電壓空間矢量調(diào)制（Space Vector Modulation，SVM）的方法控制逆變器的開關(guān)狀態(tài)，但考慮到PMSM的強(qiáng)耦合、多變量以及本系統(tǒng)控制對象連續(xù)時(shí)變的特點(diǎn)，PI參數(shù)往往難以整定，且穩(wěn)定裕度較小，系統(tǒng)的自適應(yīng)能力不強(qiáng)。

將反推控制方法和SVM-DTC控制方法結(jié)合起來，特別適合永磁同步電機(jī)非線性系統(tǒng)的控制，但其對大慣量時(shí)變負(fù)載的低速控制未做進(jìn)一步地描述。

針對機(jī)械彈性儲能箱的輸出特性，本文首先采用遺忘因子最小二乘遞推辨識算法辨識儲能箱時(shí)變的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，實(shí)時(shí)更新控制對象參數(shù)；其次結(jié)合其辨識結(jié)果設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、磁鏈反推控制器，同時(shí)為了消除辨識誤差對控制系統(tǒng)的影響，引入自適應(yīng)控制方法，使系統(tǒng)有較強(qiáng)的自治能力；最后應(yīng)用電壓空間矢量調(diào)制的方法產(chǎn)生頻率恒定的開關(guān)信號，控制逆變器運(yùn)行。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩能夠快速響應(yīng)儲能箱轉(zhuǎn)矩變化，辨識誤差和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變化對系統(tǒng)的不良影響較小，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速抖振較小，儲能系統(tǒng)能在低速下平穩(wěn)運(yùn)行，完成電能到機(jī)械彈性勢能的轉(zhuǎn)換。

圖3 控制系統(tǒng)框圖

圖4 機(jī)械彈性儲能系統(tǒng)

圖5 機(jī)械彈性儲能系統(tǒng)控制裝置

結(jié)論

本文首先建立了機(jī)械彈性儲能系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，在該模型的基礎(chǔ)上完成了反推自適應(yīng)SVM-DTC理論的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，證明了該方法的全局收斂性，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，與常規(guī)方法相比，采用該方法的機(jī)械彈性儲能系統(tǒng)低速運(yùn)行時(shí)更加平穩(wěn)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩跟蹤匹配更加迅速，其他各項(xiàng)參數(shù)的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)性能都更加優(yōu)秀，為機(jī)械彈性儲能系統(tǒng)提供了一種行之有效的方法。