机械弹性储能用永磁同步电动/发电机控制方法研究

Aiming at the way of mechanical elastic energy storage (MEES) based on spiral torsion spring, the subject focuses on control method of permanent magnet synchronous motor/generator (PMSM/PMSG) for MEES. The main contents are as follows: ① the torsional deformation characteristics of spiral torsion spring is analyzed and the dynamic mathematical model of MEES system is established in component level with considering various uncertainties of spring characteristics, parameters time-varying of PMSM, unmodeled dynamics and external disturbance; ② in allusion to synchronously changes of moment of inertia and torque for the load, the identification algorithm of moment of inertia and composite controller of torque tracking for the load are designed and an adaptive disturbance rejection based multi-variable composite speed control method based on extended state observer and adaptive backstepping controller is proposed with consideration of various uncertainties; ③ according to the defect of PI control being unable to cope with the uncertainties and real-time changing of power source for PMSG system, a composite controller of torque tracking is designed in virtue of real-time output curve of moment of inertia and torque for power source and a rapid torque tracking control method adapting to real-time changing of power source for PMSG is presented; ④ The simulation and experimental verification of the constructed system model and presented control algorithm. The implementation of the subject can rich the control methods of PMSM/PMSG and innovate the modeling and control theory to complex electromechanical coupling system.

针对先前提出的基于涡卷弹簧的机械弹性储能(MEES)方式，课题将重点研究MEES用永磁同步电动/发电机(PMSM/PMSG)控制方法，具体内容：① 研究储能涡簧扭转变形特性，建立考虑储能涡簧特征、永磁同步电机参数时变性、未建模动态和外界干扰等各类不确定因素的MEES机组元件级动态数学模型；② 针对机组储能时负载转动惯量和转矩同时变化情况，设计负载转动惯量辨识算法和转矩观测器，提出一种考虑各类不确定因素，集扩张状态观测器和自适应反推控制器的PMSM抗扰动多变量自适应复合速度控制方法；③ 针对传统PI控制无法处理PMSG不确定因素和动力源特性实时变化的缺点，借助动力源实时转动惯量和转矩输出曲线，设计转矩跟踪复合控制器，提出一种适应动力源特性实时变化的PMSG快速转矩跟踪控制方法。④ 所建模型和所提控制算法的实现与验证。课题开展将丰富永磁同步电机控制方法，创新复杂机电耦合系统建模与控制理论。

储能技术是电力系统调峰调频、构建智能电网和保障间歇式新能源入网的关键核心技术。本项目研究了一种以涡卷弹簧为储能材料的的新型机械弹性储能技术，与其它储能技术相比，机械弹性储能技术具有功率密度大、转换效率高、静态不耗能、运行费用低、对环境友好、对场地无特殊要求等独特优点。为实现系统平稳储能和高效发电，本项目解决了系统模型构建和储能发电运行控制两大关键科学问题，主要完成了以下四方面内容：（1）设计了以永磁同步电机为执行机构的机械弹性储能系统总体技术方案，建立了机械弹性储能技术特性指标，并与其它储能方式进行了比较。（2）构建了永磁电机式机械弹性储能全系统数学模型，提出了一种基于分段分态思想的储能涡簧转动惯量通用计算方法；（3）提出了永磁电机式机械弹性储能系统储能与发电运行控制方法；（4）开发了基于弹簧钢材料的储能涡簧和联动式储能箱，研制了小型永磁电机式机械弹性储能系统原理性样机。经过本项目研究，取得以下一些重要结果：（1）机械弹性储能系统在功率密度、自放电率、工作温度等诸多技术指标上具有比较优势。（2）永磁电机式机械弹性储能全系统数学模型表现出高维度、多变量、强耦合的非线性特征；储能过程中涡簧从外盒内壁不断向芯轴收缩，使得其扭矩不断增大，转动惯量逐渐减小，发电过程则与之相反。（3）提出了一种带遗忘因子的最小二乘辨识与微分进化优化算法相结合的永磁同步电动机改进非线性反推控制方法，实现了永磁电机式机械弹性储能系统在给定的低转速下稳定储能。（4）提出了一种基于高增益观测器的永磁同步发电机L2鲁棒反推控制方法，实现了永磁电机式机械弹性储能系统安全、高效发电。（5）原理性样机的储能运行和发电运行实验验证了本文所提设计方案、模型和控制方法的正确性与有效性。以上成果已在IEEE，IET等权威刊物上发表论文7篇，在审论文3篇，SCI检索4篇，申请发明专利7项，授权3项，培养博士研究生2名，硕士研究生4名。本项目研究推动了机械弹性储能技术实质化研发进展，为机械弹性储能技术的实用化应用奠定了基础。