儲(chǔ)能技術(shù)已成為構(gòu)建智能電網(wǎng)和保障間歇式新能源入網(wǎng)的關(guān)鍵核心技術(shù)，主要分為物理儲(chǔ)能和化學(xué)儲(chǔ)能兩大類，其中物理儲(chǔ)能又分為機(jī)械儲(chǔ)能和電磁儲(chǔ)能，主要包括抽水蓄能、飛輪儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、超級(jí)電容儲(chǔ)能等。

機(jī)械彈性儲(chǔ)能（Mechanical Elastic Energy Storage, MEES）屬于物理儲(chǔ)能的范疇，是一種新型儲(chǔ)能技術(shù)，可用于復(fù)雜環(huán)境下短時(shí)間大功率儲(chǔ)能場(chǎng)合，如地鐵再生制動(dòng)能量再利用裝置、抽油機(jī)能量回收再利用裝置、低溫環(huán)境下車輛的啟動(dòng)電源等。

該儲(chǔ)能方式儲(chǔ)能介質(zhì)為大型平面渦卷彈簧（Spiral Torsion Spring, STS），能量存儲(chǔ)形式為機(jī)械彈性勢(shì)能。研究對(duì)象包括STS材料的彈性模量、抗拉強(qiáng)度、抗疲勞等性能等；儲(chǔ)能箱機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)組裝配、聯(lián)動(dòng)裝置優(yōu)化等；機(jī)組數(shù)學(xué)建模、永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速及變流器并網(wǎng)控制策略等。

MEES儲(chǔ)能元件為STS，為了增大機(jī)組儲(chǔ)能容量，提高可靠性，多個(gè)STS被封裝于單體儲(chǔ)能箱中，多個(gè)單體儲(chǔ)能箱串聯(lián)聯(lián)動(dòng)。單體儲(chǔ)能箱機(jī)械組裝結(jié)構(gòu)與儲(chǔ)能箱組機(jī)械聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)的合理與否直接決定了機(jī)組性能。

有學(xué)者提出了一種“手拉手”儲(chǔ)能箱組機(jī)械聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)，理論上可以無限增加串聯(lián)聯(lián)動(dòng)儲(chǔ)能箱個(gè)數(shù)，極大提升了機(jī)組儲(chǔ)能容量，但也存在一些問題，比如儲(chǔ)能箱之間直接通過聯(lián)軸器剛性連接、儲(chǔ)能箱組額定功率及儲(chǔ)能容量無法自由配置、無防止儲(chǔ)能箱反向轉(zhuǎn)動(dòng)的自鎖功能等。

為解決上述問題，本文提出一種新型聯(lián)動(dòng)式儲(chǔ)能箱組機(jī)械結(jié)構(gòu)，在保持原結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了單體儲(chǔ)能箱STS模塊化-推拉式機(jī)械裝配技術(shù)，儲(chǔ)能箱之間通過單向超越離合器實(shí)現(xiàn)柔性串聯(lián)聯(lián)動(dòng)和防反轉(zhuǎn)自鎖，設(shè)計(jì)了以STS標(biāo)準(zhǔn)件為基礎(chǔ)的機(jī)組額定功率和儲(chǔ)能容量配置方法，有效地提高了機(jī)組性能。

機(jī)械彈性儲(chǔ)能箱組中的彈性勢(shì)能能否高效轉(zhuǎn)化為電能是機(jī)組的核心技術(shù)指標(biāo)。永磁同步發(fā)電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Generator, PMSG）具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、運(yùn)行可靠、維護(hù)量小的優(yōu)點(diǎn)，選為機(jī)組能量轉(zhuǎn)化執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

為保證機(jī)組高質(zhì)量的發(fā)電，PMSG控制策略需根據(jù)儲(chǔ)能箱組運(yùn)行特性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。PMSG是一個(gè)強(qiáng)耦合、多變量的非線性系統(tǒng)，機(jī)械彈性儲(chǔ)能箱組在機(jī)組發(fā)電過程中轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量持續(xù)變化，傳統(tǒng)的矢量控制難以達(dá)到滿意的控制效果。

反推控制算法是一種非線性控制方法，因其良好的控制效果、較強(qiáng)的適應(yīng)能力越來越受到關(guān)注。

• 有學(xué)者將反推控制算法用于永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制中，能有效減小磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
• 有學(xué)者提出了一種自適應(yīng)修正拉蓋爾遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反推控制算法，用于永磁直線同步電機(jī)位置控制中，能明顯減小位置誤差。
• 有學(xué)者通過模糊控制器優(yōu)化反推控制算法中的控制參數(shù)來改善系統(tǒng)的速度跟蹤性能。從以上分析可以看出，目前反推控制理論大多集中于電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，發(fā)電領(lǐng)域文獻(xiàn)還相對(duì)較少。
• 有學(xué)者提出了一種基于反推滑模控制的最大風(fēng)能跟蹤控制算法，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩的快速跟蹤，但轉(zhuǎn)動(dòng)慣量設(shè)定為定值。
• 有學(xué)者所提方法適用于動(dòng)力源轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量持續(xù)變化的PMSG控制場(chǎng)合，但未考慮網(wǎng)側(cè)變流器的并網(wǎng)控制，控制方案也稍顯復(fù)雜。

本文結(jié)合反推控制和矢量控制提出一種轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、轉(zhuǎn)矩自適應(yīng)PMSG轉(zhuǎn)速控制策略，能有效抑制儲(chǔ)能箱組參數(shù)擾動(dòng)，保證了PMSG轉(zhuǎn)速能夠快速響應(yīng)和穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)為了改善機(jī)組并網(wǎng)性能，設(shè)計(jì)了機(jī)組并網(wǎng)反推控制算法，為實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能機(jī)組最大出力，可設(shè)定并網(wǎng)無功功率為零，從而實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)控制，能有效減小機(jī)側(cè)變流器容量。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此控制方法適用于機(jī)械彈性發(fā)電過程，有效提升機(jī)組性能，機(jī)組發(fā)電并網(wǎng)過程能夠平穩(wěn)高效運(yùn)行。

圖2 單體儲(chǔ)能箱STS釋放動(dòng)作示意圖

圖5 控制系統(tǒng)整體框圖

圖6a 機(jī)械彈性儲(chǔ)能機(jī)組發(fā)電側(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

圖6b MEES機(jī)組變流柜

圖6c MEES機(jī)組上位機(jī)

結(jié)論

本文針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械彈性儲(chǔ)能箱組機(jī)械結(jié)構(gòu)存在的不足，提出了一種單體儲(chǔ)能箱模塊化-推拉式機(jī)械裝配結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)能箱組柔性聯(lián)動(dòng)防反轉(zhuǎn)自鎖結(jié)構(gòu)，并根據(jù)發(fā)電過程中機(jī)組運(yùn)行特性，提出一種基于反推控制算法的PMSG轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量自適應(yīng)調(diào)速控制策略，同時(shí)設(shè)計(jì)了網(wǎng)側(cè)變流器反推控制策略。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了同傳統(tǒng)PI矢量控制相比，本文所提方法更適用于機(jī)械彈性儲(chǔ)能機(jī)組發(fā)電過程，各控制變量響應(yīng)迅速，跟蹤精確。

高性能STS材料是機(jī)械彈性儲(chǔ)能機(jī)組的基石，課題下一步將研究采用性能更好的玻璃纖維及碳纖維為STS材料，進(jìn)行力學(xué)測(cè)試研究；設(shè)計(jì)并聯(lián)聯(lián)動(dòng)式儲(chǔ)能箱組機(jī)械結(jié)構(gòu)，能極大提高機(jī)組發(fā)電功率；并設(shè)計(jì)性能更優(yōu)的電氣控制策略。