基于磁悬浮开关磁阻电机的飞轮储能系统运行控制研究

针对光伏等可再生能源发电系统电能补偿的应用背景，结合飞轮储能关键技术问题和开关磁阻电机的优势，提出一种新型的基于磁悬浮开关磁阻电机的飞轮储能系统实现策略。项目针对系统中的磁悬浮支承系统，电机在待机、电动和发电三种运行状态时的控制理论、方法和技术进行研究。.为了解决悬浮系统发热损耗、可靠性差等问题，项目首次提出了磁悬浮开关磁阻电机与永磁轴承的复合支承系统，并建立复合支承系统的一体化动力学模型，给出电磁参数的优化设计方法；项目采用支持向量机逆非线性解耦方法，研究磁悬浮支承系统实时快速闭环控制、电机在电动宽幅调速下运行的策略和控制方法；根据飞轮储能发电及一般应用输出的特点，研究转速宽幅变化时磁悬浮开关磁阻电机发电运行时输出电压、功率随机跟随的推断控制方法；分析设计相关的高速数字系统和基于大规模逻辑器件高速功能化的实现技术。项目研究将理论和技术紧密结合，工程应用意义十分重要。

项目提出了基于磁悬浮开关磁阻电机的飞轮储能系统实现策略，分析了磁悬浮开关磁阻电机和永磁轴承复合支承系统的电磁动力学特性，设计了飞轮储能复合支承系统的关键电磁、结构参数，研究了基于最小二乘支持向量机和粒子群优化的磁悬浮飞轮储能电机参数优化设计方法，解决了飞轮储能系统多参数复杂优化设计问题；分析了飞轮转子偏心和磁路饱和对飞轮支承和传动系统模型的影响，采用麦克斯韦应力法构建了磁悬浮飞轮储能电机和复合支承系统的一体化精确数学模型，弥补了现有线性磁路模型不适用于磁饱和运行工况的缺陷；重点研究了基于磁悬浮开关磁阻电机的飞轮储能系统三态运行控制策略，分别提出了基于神经网络逆、支持向量机逆和分相励磁控制的磁悬浮开关磁阻电动机悬浮力和旋转力非线性解耦控制算法，以及基于鲁棒PID和推断控制的磁悬浮开关磁阻发电机转子稳定悬浮和电压跟踪控制算法，研究了三态运行时磁悬浮开关磁阻电机开通角和关断角优化算法，实现了基于磁悬浮开关磁阻电机的飞轮储能系统三态运行时的稳定悬浮、可靠旋转和发电跟踪，提升了系统运行效率和可靠性。在完成既定任务基础上，项目还研究了磁悬浮开关磁阻电机的低损耗运行控制策略、无径向位移传感器控制算法以及基于dSPACE和DSP+CPLD的高速数字控制系统设计等实用性内容，对推进基于磁悬浮开关磁阻电机的飞轮储能系统的实际工程应用具有重要意义。. 本项目为应用基础研究项目，理论与实际联系紧密，学科交叉性强，在理论与方法上均有创新，尤其在磁悬浮电机电磁特性分析与参数优化设计、精确数学模型构建与高性能解耦控制算法等方面取得了重要突破，在相关理论方法和成果支撑下获得江苏省科学技术一等奖1项，申请发明专利6项，授权发明专利1项，在国内外核心刊物和国际会议上共发表论文46篇，其中SCI、EI检索39篇，设计典型实验样机1台和数字控制系统1套，培养青年教师2名，培养博士研究生3名、硕士研究生8名。