永磁电机式机械弹性储能机组发电运行控制仿真与实现

摘要

近年来，传统能源的日益匮乏和环境的恶化推动了新能源的大规模发展，使得新能源在我国电网中占比不断增加，但受制于其自身的间歇性和波动性，大规模风电、光伏发电等新能源并网给电网的调峰、调频带来了极大的挑战。已有经验表明，储能技术对于保障大规模间歇化新能源并网并解决传统电力系统电能供需平衡问题具有重大的现实意义。受机械涡卷弹簧储能原理的启发，本团队先前提出了一种新型的机械弹性储能(Mechanical Elastic Energy Storage，MEES)技术，该储能技术将涡卷弹簧密封于储能箱中作为储能元件，通过特殊结构的大储能容量联动式储能箱以及永磁同步发电机(Permanent Magnet Synchronous Generator,PMSG)的控制实现能量的存储与发电。永磁电机式机械弹性储能机组是机械弹性储能技术的重要实现形式，其运行包括储能和发电两大过程，本文对永磁电机式机械弹性储能机组的发电过程模型与控制方法进行了研究，论文的主要工作如下：
　　(1)介绍了机械弹性储能机组的主要结构和工作原理，构建了储能箱、永磁同步发电机和变流器的数学模型，基于数学模型分析了机组的物理特性，阐述了机组发电运行时控制问题的形成，为后续章节控制策略的研究奠定了基础。
　　(2)针对储能箱扭矩和转动惯量同时变化的特性，提出了一种带遗忘因子的最小二乘辨识及 L2增益相结合的反步控制策略。通过带遗忘因子的最小二乘算法同时辨识实时变化的转动惯量和输入转矩，结合反步控制和 L2增益干扰抑制方法设计了非线性反步控制器。仿真结果表明，提出的控制策略能够有效抑制涡簧箱参数时变带来的干扰，保证了永磁同步发电机的转速和输出电流能够以给定参考值运行。
　　(3)考虑到PMSG实际运行过程中内部参数的不确定性，研究了在机组参数完全未知情形下的发电运行控制策略，提出了一种基于模型参考自适应追踪的自适应反步控制策略。通过设计模型参考自适应算法跟踪电感、磁链的参数摄动，以及动力源转矩和转动惯量的实时变化，然后基于追踪结果结合电阻自适应与反步控制设计了非线性反步控制器以最大程度消除所有未知参数扰动带来的不利影响。仿真结果表明，提出的控制策略实现了系统在参数完全未知情况下的快速动态响应和转速精确控制。
　　(4)研究了网侧逆变器的控制策略，构建了小型化机械弹性储能机组实验平台。利用反步理论设计了闭环电压调节器和闭环无功调节器来代替传统 PI控制器，基于搭建的机械弹性储能机组实验平台，完成了机组发电运行控制实验，验证了本文提出的发电运行控制策略的可行性和有效性。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 储能技术研究现状

1.3 PMSG控制技术研究现状

1.4 本文的主要工作

第2章 永磁电机式机械弹性储能机组构建与发电运行建模

2.1 引言

2.2 永磁电机式机械弹性储能机组构建

2.3 机械弹性储能机组发电运行建模

2.4 机组发电运行控制问题的形成

2.5 本章小结

第3章 储能箱转动惯量与扭矩时变特性下机组的控制策略仿真研究

3.1 引言

3.2 储能箱转动惯量及输入转矩辨识

3.3 基于L2增益干扰抑制的反步控制器设计

3.4 系统稳定性分析

3.5 仿真实验与分析

3.6 本章小结

第4章 参数完全未知条件下机组的控制策略仿真研究

4.1 引言

4.2 基于模型参考自适应的PMSG和涡簧箱参数追踪

4.3 基于MRAS参数追踪结果的反步自适应控制器设计

4.4 控制器稳定性证明

4.5 仿真实验与分析

4.6 本章小结

第5章 永磁电机式机械弹性储能机组发电运行控制策略的实现

5.1 引言

5.2 网侧变流器控制策略

5.3 发电运行实现

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

攻读硕士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介