机械弹性储能机组集成设计与控制方法研究
发布时间：2020-07-10 06:55
【摘要】：传统能源在资源和环境的压力下,发展受到限制,新能源技术在时代要求和政策支持下,迅猛发展。随着可再生能源在电力系统中的占比越来越大,储能技术随之逐步发展更新,先进储能技术已成为调峰调频、构建智能电网以及保障间歇式新能源入网的关键核心技术,在电力系统的发、输、配、用四大环节发挥着巨大的作用。不同的运用场景对储能装置需求不同,需要储能技术多元化发展。机械弹性储能是一种新型物理储能技术,有自己的特点和优势。本文从储能材料选型及力学性能实验、储能箱机械装配结构优化设计及物性关系特性、串联联动式储能箱组安装调试技术、储能优化控制技术、发电自适应调速及并网控制技术、动作逻辑保护及监测控制系统设计等方面展开了研究,并集成相关技术成果成功研制了 10 kW机械弹性储能实验性样机。论文的主要工作与创新点如下:(1)针对新型复合储能材料和储能箱组机械结构,通过实验测试和理论分析,建立了储能箱组物性关系数学模型。首先通过对比分析,选取了玻璃纤维增强环氧树脂片为储能元件材料,并通过实验测试了其力学性能。其次设计了储能元件模块化封装结构,储能箱推拉式装配方式,并基于储能箱模块化-推拉式机械装配技术,设计了新型串联联动式储能箱组,分析了其运行动作过程,并建立了其物性关系模型,通过该模型阐述了新型储能箱组运行功率和储能容量自由配置的理论方法。最后基于理论研究成果,成果研制了基于新型复合材料的串联联动式机械弹性储能箱组样机,测试了其串联联动运行性能,效果良好。(2)针对储能过程中机械弹性储能箱组参数时变特性,提出了一种带参数辨识的永磁同步电动机反推SVM-DTC控制方法。储能过程中永磁同步电机负载转矩和转动惯量连续变化,情况复杂,需要一种能够快速跟踪其变化且抗干扰能力较强的控制系统。直接转矩控制响应快,能快速跟踪储能箱组反转矩,结合反推自适应控制算法,可以使其有较好的稳态和暂态性能。首先采用遗忘因子递推最小二乘算法辨识储能箱组转矩和转动惯量,实时更新控制对象参数,结合辨识结果设计了转角,转速,转矩和磁链反推控制器并最终得到定子电压在两相静止坐标系下的分量,同时设计转矩和转动惯量误差自适应控制器消除辨识误差对控制性能的影响,进一步应用电压空间矢量调制方法产生频率恒定的开关信号,控制逆变器运行。实验结果表明永磁同步电机输出转矩能够快速跟踪储能箱组反转矩,且能够有效抑制储能箱组转动惯量变化造成的不良影响,电机转速转矩脉动较小,机组储能过程平稳。(3)针对发电过程中机械弹性储能机组运行特性和控制目标,提出了一种永磁同步发电机参数自适应调速及并网控制方法。机械弹性储能机组发电过程由联动式储能箱组驱动机组发电侧永磁同步发电机完成,储能箱组由大型平面涡簧封装单元集成,运行时受到诸多因素干扰,特性复杂,需要一种强鲁棒性控制算法。针对此问题,设计了一种参数自适应调速控制算法运用于机械弹性储能机组永磁同步发电机运行控制中,该方法通过构造特殊的Lyapunov函数,在永磁同步发电机矢量控制模型上设计了转矩转动惯量自适应控制律。同时为了改善机组并网性能,设计了机组并网反推控制算法,为实现储能机组最大出力,可设定并网无功功率为零,从而实现单位功率因数并网控制,能有效减小机侧变流器容量。实验结果表明,此控制方法适用于机械弹性发电过程,能有效提升机组性能,机组发电并网过程能够平稳高效运行。(4)根据机械弹性储能机组运行动作方式及功能和保护需求,设计开发完成了机组逻辑保护与监测控制系统。基于PLC软硬件装置,设计开发了包括机组部件使能逻辑保护、机组运行动作逻辑保护、机组运行状态显示保护在内的逻辑保护程序,从多个方面、多个层次保证了机组能够按照设计方案步骤依次动作运行,能有效提高机组的安全性能。基于LabVIEW软件,设计了机组监测控制系统,该监控系统包括主界面、硬件配置、监控数据显示、储能波形图、发电波形图、电表波形图5个分界面。机组通信配置、储能参数设置及指令下达、储能数据实时监控及波形显示、发电参数设置及指令下达、发电数据实时监控及波形显示等,均通过可以该监控系统进行。逻辑保护系统和监测控制系统共同构成了机械弹性储能机组上层控制系统,是整个机组的控制中枢。(5)集成以上研究成果,研制了 10kW机械弹性储能机组实验性样机并进行了实验验证。按照转速指定和功率指定两种运行方式进行了多组对比实验,验证了所提控制方法的先进性和控制系统的有效性。根据实验结果分析了不同运行方式下的机组效率,并结合机械弹性储能技术的特点探讨了该储能技术的适用场合。
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM341
【图文】：
游水库把能量存储为水的势能；需要释放能量时，通过水轮机驱动发电机，使水逡逑返回下游水库。ＰＥＳ通常包括：上游水库、水道、水录、水轮机、电动机、发电逡逑机和下游水库等，如图１－２所示。逡逑Ｉ电动机／发电机逦上焌库逡逑输送至负载逦逡逑下游水库逡逑图１－２抽水蓄能发电站结构逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ＰＥＳ邋ｓｙｓｔｅｍ逡逑ＰＥＳ电站要比火电站优越，也比其它常规水电站有更重要的作用，主要可以逡逑归结为以下几点：逡逑（１）
机械结构设计，机组装配、联动装置运行调试方法；机组物性关系建模；机组储逡逑能和发电运行控制及变流器并网控制技术：保护系统和监控系统设计等。逡逑ＭＥＥＳ机组结构如图１－４所示，主要包括四大部分：联动式储能箱组、储能逡逑控制系统、发电控制系统以及逻辑保护与监测控制系统。其中储能控制系统包括逡逑永磁同步电动机（Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ邋Ｍａｇｎｅｔ邋Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ邋Ｍｏｔｏｒ，ＰＭＳＭ）、储能控制器、逡逑减速齿轮箱、传感器以及电磁制动器等；发电控制系统包括永磁同步发电机逡逑７逡逑
第１章绪论逡逑储能箱组机械联动结构的合理与否直接决定了机组性能。文献［１５］提出了一种逡逑“手拉手”储能箱组机械联动结构，如图１－５所示，理论上在忽略摩擦的情况下逡逑可以无限增加串联联动储能箱个数，极大提升了机组储能容量，并且可以改善储逡逑能机组输入输出特性。逡逑｜邋＾ｗ．ｍ＼邋。法＠箱２邋Ｉ逦ｉ释能[纾冲澹麇澹⒛芟洌村澹殄义希殄澹В停裕欤裕戾澹蝈澹慑澹裕戾澹殄危殄澹颍簦裕欤裕裕慑澹慑澹桑桑桑″澹保保卞澹殄义希樱裕渝危危樱裕渝义希慑危慑澹慑危慑义贤迹保靛濉笆掷帧被盗⒛芟渥榻峁故疽馔煎义希疲椋纾澹保靛澹樱簦颍酰悖簦酰颍邋澹洌椋幔纾颍幔礤澹妫铮蝈澹ⅲ瑁幔睿溴澹椋铄澹瑁幔睿洌㈠澹恚澹悖瑁幔睿椋悖幔戾澹欤椋睿耄幔纾邋澹澹睿澹颍纾澹螅簦铮颍幔纾邋澹猓铮澹纾颍铮酰疱义仙贤即⒛芟渥榛盗峁褂泻芏嗤怀龅挠诺悖源嬖谝恍┪侍猓哄义希ǎ保╁危樱裕雍痛⒛芟湎涮迨且惶寤沧暗模樱裕恿蕉酥苯庸潭ㄔ诖⒛芟涞男惧义现岷拖涮迥诒谏希浅２环奖阌诎沧昂臀蕖ｅ义希ǎ玻
本文编号：2748598
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM341
【图文】：
游水库把能量存储为水的势能；需要释放能量时，通过水轮机驱动发电机，使水逡逑返回下游水库。ＰＥＳ通常包括：上游水库、水道、水录、水轮机、电动机、发电逡逑机和下游水库等，如图１－２所示。逡逑Ｉ电动机／发电机逦上焌库逡逑输送至负载逦逡逑下游水库逡逑图１－２抽水蓄能发电站结构逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ＰＥＳ邋ｓｙｓｔｅｍ逡逑ＰＥＳ电站要比火电站优越，也比其它常规水电站有更重要的作用，主要可以逡逑归结为以下几点：逡逑（１）
机械结构设计，机组装配、联动装置运行调试方法；机组物性关系建模；机组储逡逑能和发电运行控制及变流器并网控制技术：保护系统和监控系统设计等。逡逑ＭＥＥＳ机组结构如图１－４所示，主要包括四大部分：联动式储能箱组、储能逡逑控制系统、发电控制系统以及逻辑保护与监测控制系统。其中储能控制系统包括逡逑永磁同步电动机（Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ邋Ｍａｇｎｅｔ邋Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ邋Ｍｏｔｏｒ，ＰＭＳＭ）、储能控制器、逡逑减速齿轮箱、传感器以及电磁制动器等；发电控制系统包括永磁同步发电机逡逑７逡逑
第１章绪论逡逑储能箱组机械联动结构的合理与否直接决定了机组性能。文献［１５］提出了一种逡逑“手拉手”储能箱组机械联动结构，如图１－５所示，理论上在忽略摩擦的情况下逡逑可以无限增加串联联动储能箱个数，极大提升了机组储能容量，并且可以改善储逡逑能机组输入输出特性。逡逑｜邋＾ｗ．ｍ＼邋。法＠箱２邋Ｉ逦ｉ释能[纾冲澹麇澹⒛芟洌村澹殄义希殄澹В停裕欤裕戾澹蝈澹慑澹裕戾澹殄危殄澹颍簦裕欤裕裕慑澹慑澹桑桑桑″澹保保卞澹殄义希樱裕渝危危樱裕渝义希慑危慑澹慑危慑义贤迹保靛濉笆掷帧被盗⒛芟渥榻峁故疽馔煎义希疲椋纾澹保靛澹樱簦颍酰悖簦酰颍邋澹洌椋幔纾颍幔礤澹妫铮蝈澹ⅲ瑁幔睿溴澹椋铄澹瑁幔睿洌㈠澹恚澹悖瑁幔睿椋悖幔戾澹欤椋睿耄幔纾邋澹澹睿澹颍纾澹螅簦铮颍幔纾邋澹猓铮澹纾颍铮酰疱义仙贤即⒛芟渥榛盗峁褂泻芏嗤怀龅挠诺悖源嬖谝恍┪侍猓哄义希ǎ保╁危樱裕雍痛⒛芟湎涮迨且惶寤沧暗模樱裕恿蕉酥苯庸潭ㄔ诖⒛芟涞男惧义现岷拖涮迥诒谏希浅２环奖阌诎沧昂臀蕖ｅ义希ǎ玻
本文编号：2748598
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