太阳能热发电系统用斯特林直线发电机关键技术研究

The project is based on the serious shortage of electricity in remote areas of Western China where is suitable to use dish Stirling solar thermal power system. Stirling linear generator is the core part of the system. Its internal work matching degree is low, what is the main reason cause the low efficiency of photoelectric conversion of the system. The project will to study above problem, to reveal the root cause to the problem and its internal mechanism, to find the coupling relationship between the Stirling engine and linear generator which are two components of Stirling linear generator, and construct Stirling linear generator’s combination model considering the working characteristics and matching relationship; Reveal a new efficiency optimum control mechanism for Stirling linear generator based on the combination model. Study the Influence law of Stirling linear generator’s speed, output power and solar source. Explore its efficiency optimum control policy based on comprehensive performance; According to the principle of solar power system control strategy optimization and the constraints to optimize the control strategy, establish stability analysis model of Stirling solar power generation system and make the system simulation. By the above research, control system performance of Stirling linear generator and system power of Stirling solar thermal power system is expected to be improved. The research findings can provide scientific basis and technical basis for the practical application in this field, which has important theoretical significance and engineering application value.

本项目以西部边远地区电力严重匮乏为背景，以适合于当地规模发展的碟式斯特林太阳能热发电系统为对象，针对该系统核心部件——斯特林直线发电机内部工作匹配度差导致的能源利用率低的问题展开研究，揭示引起该问题的根本原因及内在机理，研究构成斯特林直线发电机的斯特林发动机和直线发电机的耦合关系，构建综合考虑二者工作特性及匹配关系的斯特林直线发电机组合模型；揭示此模型下的斯特林直线发电机效率最优控制新机理，研究斯特林直线发电机速度、功率和热源变化的影响规律，探索一种综合性能的斯特林直线发电机效率最优控制策略；并依据太阳能发电系统控制策略优化原则及限制条件，优化控制策略，建立太阳能斯特林直线发电系统稳定分析模型并进行仿真研究。通过本项目的研究，斯特林直线发电机控制系统性能及斯特林太阳能热发系统功率有望得到提升，研究成果可为该领域的实际应用提供科学依据和技术基础，具有重要的理论意义和工程应用价值。

项目针对限制碟式斯特林太阳能热发电系统光电转换效率进一步提高的主要原因：斯特林直线发电机（Stirling Linear Permanent Magnet Generator，S-LPMG）功率密度低的问题，将高功率密度直线磁场调制发电机（Linear Magnetic Field Modulation Generator，LMFMG）引入该系统，对其拓扑结构设计、电磁性能优化及控制系统展开研究，并对S-LMFMG功率、速度匹配和协调控制问题，基于LMFMG的蝶式系统惯量支撑、并网方式等进行了探讨。具体包括：.1. LMFMG拓扑结构研究：对几种LMFMG主要拓扑及磁路耦合方式进行了梳理，提出了一种无倒角串联耦合式LMFMG，分析结果表明该结构LMFMG工艺难度大大降低，且避免了普通串联耦合式LMFMG次级行程受限的问题。同时，考虑到工艺难度及可行性，对具有单层气隙的直线游标发电机进行了初步探讨。.2. 直线发电机优化研究：结合讨论的LMGPMG，对电磁性能优化方法进行了探讨，结果表明合理的槽极参数配合、初级长度优化和充磁方式改进同样可有效提高LMGPMG电磁性能。同时，提出了基于RSM-正交和基于正交-PSO的两种多目标优化方法，两种方法均能在保证优化效果基础上提高优化效率。.3.斯特林直线发电机控制系统研究：从斯特林发动机动力学、热力学特性出发，对发动机与LMGPMG功率匹配条件、LMGPMG的最大功率控制方法展开研究，提出了基于自抗扰控制的LMGPMG最大功率控制方法、基于矢量控制的发动机与发电机联合启动控制，并对电机预测控制进行了初步探讨，上述方法对提高LMGPMG系统输出功率、增强发动机与发电机匹配度有良好效果。.4. 基于S-LMGPMG的太阳能热发电系统并网及惯量支撑问题研究：对太阳能热发电系统并网方式展开研究，针对基于同步电机对的并网方式下逆变器并联驱动系统的电枢电流动态响应和环流问题，提出基于内模控制的逆变器并联驱动控制，很好的抑制了环流。同时，对系统惯量评估展开研究，讨论了基于聚类分析的惯量评估机理及效果。.上述工作及研究成果为解决西部边远地区供电问题、提高系统光电转换效率具有重要的理论意义和工程应用价值，并为课题组相关研究工作的进一步开展奠定了基础。