CN103166374A - Mees机组储能过程混沌控制及其谐波振荡消除方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种新的基于机械弹性的储能混沌现象控制及消除方法,推导了永磁电机式机械弹性储能(MEES)机组的非线性动力学模型,机组在储能过程中某些参数及运行条件下会出现混沌运动,然后系统已知及未知参数进行控制,利用一个最简单的控制器可以消除永磁电机式机械弹性储能的混沌现象。

Description

MEES机组储能过程混沌控制及其谐波振荡消除方法
技术领域
本发明涉及MEES机组储能过程混沌控制及谐波振荡消除方法,属于电气工程领域。 
背景技术
当前, 我国最高用电负荷持续增加, “间歇性”电源接入占比不断扩大, 设计一种大容量电能储存装置, 对于保证电能的供需平衡, 解决智能电网和规模化“间歇性” 电源入网问题具有十分重要的意义。在深入研究涡簧弹性储能原理的基础上, 本发明提出了一种机械弹性储能(mechanical elastic energy storage, MEES) 机组建立其非线性动力学模型,揭示了永磁电机式机械弹性储能机组混沌产生机理,并其对其进行控制及抑制。 
人们对于机械弹性储能从不同的角度提出了很多消除谐振的措施,,取得了很多研究成果。提出了不同的消除谐振的措施。而对混沌产生机理,并其对其进行控制及抑制方法却鲜有报道。 
本发明采用一个最简易控制器,可以实现MEES机组储能过程混沌谐振的快速控制及消除。 
发明内容
本发明提供了一种MEES机组储能过程混沌控制及谐波振荡消除方法,该方法首先根据MEES机组储能过程模型如图1所示,该方法首先提出了一种新的基于机械弹性的储能方法,推导了永磁电机式机械弹性储能(MEES) 机组的非线性动力学模型,机组在储能过程中某些参数及运行条件下会出现混沌运动,然后系统变量进行控制,利用一个最简单的控制器可以消除变永磁电机式机械弹性储能的混沌现象。 
本发明提出的技术方案具体步骤包括:永磁电机式MEES 机组由储能箱、齿轮变速箱、永磁同步电机、双向变流器、断路器和机组控制器等组成, 几十个甚至更多个这样的机组组合在一起, 可建成机械弹性储能电站. 机械弹性储能电站通过一个集中的中央控制器实现对多个机组的顺序储能、发电控制, 可实现大规模电能存储与发电之目的。永磁电机式MEES机组以储能箱储能涡簧的弹性变形能作为动力源或负载, 其运行原理分为储能与发电两个过程: 储能时, 电能驱动永磁电机运行, 电机再通过齿轮变速箱使储能箱中的涡簧拧紧,涡簧就以弹性势能的形式将能量储存起来, 完成电能到弹性势能的转换; 之后, 涡簧维持锁紧状态, 直到接收到一个能量释放的控制信号; 当释能时, 储能箱中锁紧的涡簧开始释放, 通过齿轮变速箱带动储能电机发电(或并网), 实现弹性势能到电能转换的能量释放过程。 
采用永磁电机和全功率双向变流器的MEES机组模型,机械弹性储能箱是MEES 机组的储能元件, 储能时, 储能箱相当于永磁电机的输出负载, 若要求储能箱以恒定角速度储存能量, 其扭矩公式可写为 
                         
Figure 881361DEST_PATH_IMAGE001
                                                                                        (1)
其中, 为储能箱扭矩, T0 为初始扭矩, ω为储能箱储能角速度, 为涡簧材料弹性模量, 为材料宽度, 为材料厚度, 为涡簧长度。
储能时, 永磁电机运行于电动机状态, 其同步旋转
Figure 30582DEST_PATH_IMAGE002
轴下的数学模型为 
Figure 302743DEST_PATH_IMAGE004
                                                                         (2)
 
式中, 式中
Figure 851722DEST_PATH_IMAGE006
Figure 63041DEST_PATH_IMAGE007
Figure 847326DEST_PATH_IMAGE008
分别为变换 d , q 轴电压和负载扭矩; 
Figure 868372DEST_PATH_IMAGE009
为转子角速度. 
Figure 555968DEST_PATH_IMAGE010
为转子永久磁链,
Figure 637056DEST_PATH_IMAGE011
是定子电阻,
Figure 643058DEST_PATH_IMAGE012
是极对数,J 是转子惯量,b 是阻尼系数, 
Figure 966330DEST_PATH_IMAGE013
Figure 6967DEST_PATH_IMAGE014
分别是直轴和交轴电感。
对方程(2)进行仿射变换及时间尺度变换,其无量纲方程为: 
                              
Figure 55694DEST_PATH_IMAGE015
                              
Figure 253720DEST_PATH_IMAGE016
                                                                        (3)
                              
Figure 678885DEST_PATH_IMAGE017
永磁电机式MEES 机组系统,设为期望转速,期望d轴电流为
Figure 501314DEST_PATH_IMAGE019
,则速度跟踪误差和d轴电流跟踪误差分别为
                          
Figure 419592DEST_PATH_IMAGE020
                                                                                                  (4)
                         
Figure 648448DEST_PATH_IMAGE021
                                                                                           (5)
控制参数可选取为
                              
Figure 601360DEST_PATH_IMAGE022
                                                                                  (6)
                              
Figure 758934DEST_PATH_IMAGE023
                                                                      (7)
其中,
Figure 961246DEST_PATH_IMAGE024
是d轴电压,是系统的其中一个输入控制量, 是q轴期望电流;
Figure 830905DEST_PATH_IMAGE026
大于零,是控制增益。
设计控制量
Figure 657916DEST_PATH_IMAGE027
为 
                     (8)
在(8)式的作用下,永磁同步电机可以从混沌状态脱离出来,实现速度和电流的跟踪,并保持在稳定状态。
当永磁电机式MEES 机组系统参数不确定时,假定式系统(3)中的未知,其估计值分别记为
Figure 623078DEST_PATH_IMAGE031
,则它们的估计误差为 
                              
Figure 112014DEST_PATH_IMAGE033
                                                                           (9)
则q轴期望电流为
                                                                                                   (10)
设计控制律
                              
Figure 228503DEST_PATH_IMAGE022
                                                                                (11)
                    (12)
同时估计值,
Figure 350152DEST_PATH_IMAGE032
可以设计为:
                                     
Figure 206375DEST_PATH_IMAGE037
                                                                                      (13)
                                     
Figure 656948DEST_PATH_IMAGE038
                                                                (14)
在上述自适应控制律控制下,可以使得系统脱离混沌态,达到转速、电流的渐近跟踪,保证系统的全局一致渐近稳定。可以使得参数估计一致收敛。
其谐波振荡抑制控制器为 
                               
Figure 413552DEST_PATH_IMAGE039
                                                                                             (15)
其中,
Figure 225299DEST_PATH_IMAGE040
为自适应更新律并可表示为 
                              
Figure 5037DEST_PATH_IMAGE041
                                                                                            (16)
式中,
Figure 259300DEST_PATH_IMAGE042
为正常数,利用上述自适应控制器可以实现永磁电机式MEES 机组系统谐波振荡的快速消除。
本发明的技术效果:本发明提出的上述提出了一种新的基于机械弹性的储能方法,推导了永磁电机式机械弹性储能(MEES) 机组的非线性动力学模型,机组在储能过程中某些参数及运行条件下会出现混沌运动,然后系统变量进行控制,利用一个最简单的控制器可以消除永磁电机式机械弹性储能的混沌现象。 
附图说明
图1为永磁电机式机械弹性储能(MEES) 机组电力模型图。 
图2为系统(3)时域响应及其二维及三维相图(a)振荡时域响应;(b)系统混沌吸引子。 
图3为实施例1谐振振荡抑制(a)
Figure 870410DEST_PATH_IMAGE043
Figure 53392DEST_PATH_IMAGE044
时域响应。 
具体实施方式
实施例: 
电采用永磁电机和全功率双向变流器的MEES机组模型如图1所示,机械弹性储能箱是MEES 机组的储能元件, 储能时, 储能箱相当于永磁电机的输出负载, 若要求储能箱以恒定角速度储存能量, 其扭矩公式可写为
                         
Figure 913901DEST_PATH_IMAGE001
                                                                                       (1)
其中, 为储能箱扭矩, T0 为初始扭矩, ω为储能箱储能角速度, 为涡簧材料弹性模量, 为材料宽度, 为材料厚度, 为涡簧长度。
储能时, 永磁电机运行于电动机状态, 其同步旋转
Figure 909539DEST_PATH_IMAGE002
轴下的数学模型为 
Figure 936007DEST_PATH_IMAGE003
                                                                          (2)
 
Figure 339493DEST_PATH_IMAGE005
式中, 式中
Figure 640286DEST_PATH_IMAGE006
Figure 616201DEST_PATH_IMAGE007
Figure 81599DEST_PATH_IMAGE008
分别为变换 d , q 轴电压和负载扭矩; 
Figure 182279DEST_PATH_IMAGE009
为转子角速度. 
Figure 519719DEST_PATH_IMAGE010
为转子永久磁链,
Figure 258130DEST_PATH_IMAGE011
是定子电阻,
Figure 452351DEST_PATH_IMAGE012
是极对数,J 是转子惯量,b 是阻尼系数, 
Figure 712431DEST_PATH_IMAGE013
Figure 414415DEST_PATH_IMAGE014
分别是直轴和交轴电感。
对方程(2)进行仿射变换及时间尺度变换,其无量纲方程为: 
                              
Figure DEST_PATH_875080DEST_PATH_IMAGE045
                              
Figure DEST_PATH_594774DEST_PATH_IMAGE046
                                                                    (3)
                              
Figure DEST_PATH_498008DEST_PATH_IMAGE047
当参数
Figure DEST_PATH_303153DEST_PATH_IMAGE048
Figure DEST_PATH_90980DEST_PATH_IMAGE049
时,系统(2)出现时域响应及其混沌吸引子分别如图2(a)、(b)所示。 
永磁电机式MEES 机组系统,设
Figure 910085DEST_PATH_IMAGE018
为期望转速,期望d轴电流为,则速度跟踪误差和d轴电流跟踪误差分别为 
                          
Figure 191473DEST_PATH_IMAGE020
                                                                                                   (4)
                         
Figure 257518DEST_PATH_IMAGE021
                                                                                            (5)
控制参数可选取为
                              
Figure 167705DEST_PATH_IMAGE022
                                                                                   (6)
                              
Figure 450525DEST_PATH_IMAGE023
                                                                         (7)
其中,
Figure 471571DEST_PATH_IMAGE024
是d轴电压,是系统的其中一个输入控制量, 
Figure 392122DEST_PATH_IMAGE025
是q轴期望电流;
Figure 771413DEST_PATH_IMAGE026
大于零,是控制增益。
设计控制量
Figure 980678DEST_PATH_IMAGE027
为 
    
Figure 867731DEST_PATH_IMAGE028
                    (8)
在(8)式的作用下,永磁同步电机可以从混沌状态脱离出来,实现速度和电流的跟踪,并保持在稳定状态。
当永磁电机式MEES 机组系统参数不确定时,假定式系统(3)中的
Figure 327009DEST_PATH_IMAGE029
Figure 641315DEST_PATH_IMAGE030
未知,其估计值分别记为
Figure 72297DEST_PATH_IMAGE031
,则它们的估计误差为 
                              
Figure 894070DEST_PATH_IMAGE033
Figure 316961DEST_PATH_IMAGE034
                                                                             (9)
则q轴期望电流为
                              
Figure 796091DEST_PATH_IMAGE035
                                                                       (10)
设计控制律:
                              
Figure 962630DEST_PATH_IMAGE022
                                                                                  (11)
Figure 977859DEST_PATH_IMAGE036
                       (12)
同时估计值
Figure 73117DEST_PATH_IMAGE031
,
Figure 541007DEST_PATH_IMAGE032
可以设计为:
                              
Figure 245658DEST_PATH_IMAGE037
                                                                                                (13)
                              
Figure 354209DEST_PATH_IMAGE038
                                                                          (14)
通过选择合适的自适应控制增益,在自适应控制器的作用下,电机脱离混沌态,稳定运行在期望转速上。参数估计值会快速的收敛到真实值。
其消谐控制器为 
                       
Figure 181220DEST_PATH_IMAGE050
Figure 74089DEST_PATH_IMAGE051
Figure 146213DEST_PATH_IMAGE052
                                                                           (15)
其中,
Figure 808138DEST_PATH_IMAGE040
为自适应更新律并可表示为
                       
Figure 806050DEST_PATH_IMAGE041
                                                                                                     (16)
式中,
Figure 186216DEST_PATH_IMAGE053
时,利用上述自适应控制器,永磁电机式MEES 机组系统谐波消除结果如图3所示。
从图3可以看出,此种上述自适应方法可以有效消除永磁电机式MEES 机组系统谐波特性。 
该永磁电机式MEES 机组系统输出结果良好。使用结果表明该方法对于永磁电机式MEES 机组系统中的噪声电平及谐波有很好的抑制度,与同类机组相比,能够获得更好的输出效果。 

Claims (6)

1.一种MEES机组储能过程混沌控制及谐波振荡消除方法,其特征在于:该方法首先提出了一种新的基于机械弹性的储能方法,推导了永磁电机式机械弹性储能(MEES) 机组的非线性动力学模型,机组在储能过程中某些参数及运行条件下会出现混沌运动,然后系统变量进行控制,利用一个最简单的控制器可以消除变永磁电机式机械弹性储能的混沌现象。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:永磁电机式MEES 机组由储能箱、齿轮变速箱、永磁同步电机、双向变流器、断路器和机组控制器等组成, 几十个甚至更多个这样的机组组合在一起,可建成机械弹性储能电站;机械弹性储能电站通过一个集中的中央控制器实现对多个机组的顺序储能、发电控制, 可实现大规模电能存储与发电之目的;永磁电机式MEES机组以储能箱储能涡簧的弹性变形能作为动力源或负载,其运行原理分为储能与发电两个过程:储能时,电能驱动永磁电机运行,电机再通过齿轮变速箱使储能箱中的涡簧拧紧,涡簧就以弹性势能的形式将能量储存起来,完成电能到弹性势能的转换;之后,涡簧维持锁紧状态,直到接收到一个能量释放的控制信号;当释能时,储能箱中锁紧的涡簧开始释放,通过齿轮变速箱带动储能电机发电(或并网),实现弹性势能到电能转换的能量释放过程。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:采用永磁电机和全功率双向变流器的MEES机组模型,机械弹性储能箱是MEES 机组的储能元件, 储能时, 储能箱相当于永磁电机的输出负载, 若要求储能箱以恒定角速度储存能量, 其扭矩公式可写为
                                                                       
Figure 361867DEST_PATH_IMAGE001
                                                                                        (1)
其中,T 为储能箱扭矩,T为初始扭矩,ω为储能箱储能角速度,E 为涡簧材料弹性模量,B 为材料宽度,H 为材料厚度,L 为涡簧长度;储能时, 永磁电机运行于电动机状态,,其同步旋转
Figure 784758DEST_PATH_IMAGE002
轴下的数学模型为
Figure 529466DEST_PATH_IMAGE003
 
Figure 430426DEST_PATH_IMAGE004
                                                                          (2)
 
式中,式中
Figure 337651DEST_PATH_IMAGE006
分别为变换 d ,q 轴电压和负载扭矩,
Figure 87585DEST_PATH_IMAGE009
为转子角速度,为  转子永久磁链,是定子电阻,
Figure 614009DEST_PATH_IMAGE012
是极对数,J 是转子惯量,b 是阻尼系数, 
Figure 338252DEST_PATH_IMAGE013
Figure 273847DEST_PATH_IMAGE014
分别是直轴和交轴电感,对方程(2)f进行仿射变换及时间尺度变换,其无量纲方程为:
                             
Figure 214864DEST_PATH_IMAGE015
                             
Figure 120372DEST_PATH_IMAGE016
                                                                        (3)
                             
Figure 200586DEST_PATH_IMAGE017
则得到其简化动力学方程。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:永磁电机式MEES 机组系统,设
Figure 166137DEST_PATH_IMAGE018
为期望转速,期望d轴电流为
Figure 33599DEST_PATH_IMAGE019
,则速度跟踪误差和d轴电流跟踪误差分别为
                         
Figure 450454DEST_PATH_IMAGE020
                                                                                                   (4)
                        
Figure 86972DEST_PATH_IMAGE021
                                                                                            (5)
 控制参数可选取为
                             
Figure 426687DEST_PATH_IMAGE022
                                                                                 (6)
                             
Figure 610806DEST_PATH_IMAGE023
                                                                        (7)
其中,
Figure 326958DEST_PATH_IMAGE024
是d轴电压,是系统的其中一个输入控制量, 是q轴期望电流;
Figure 827133DEST_PATH_IMAGE026
大于零,是控制增益,设计控制量
Figure 669187DEST_PATH_IMAGE027
    
Figure 424916DEST_PATH_IMAGE028
                 (8)
在(8)式的作用下,永磁同步电机可以从混沌状态脱离出来,实现速度和电流的跟踪,并保持在稳定状态。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:当永磁电机式MEES 机组系统参数不确定时,假定式系统(3)中的
Figure 770446DEST_PATH_IMAGE029
Figure 717543DEST_PATH_IMAGE030
未知,其估计值分别记为
Figure 59008DEST_PATH_IMAGE031
Figure 789067DEST_PATH_IMAGE032
,则它们的估计误差为
                             
Figure 317000DEST_PATH_IMAGE033
,
Figure 874146DEST_PATH_IMAGE034
                                                                            (9)
则q轴期望电流为
                                                                                                    (10)
设计控制律:
                                                                                                                (11)
Figure 902254DEST_PATH_IMAGE036
                     (12)
同时估计值
Figure 863257DEST_PATH_IMAGE031
,
Figure 58877DEST_PATH_IMAGE032
可以设计为:
                             
Figure 599580DEST_PATH_IMAGE037
                                                                                               (13)
                             
Figure 633264DEST_PATH_IMAGE038
                                                                         (14)
在上述自适应控制律控制下,可以使得系统脱离混沌态,达到转速、电流的渐近跟踪,保证系统的全局一致渐近稳定,可以使得参数估计一致收敛。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:其谐波振荡抑制控制器为
                       
Figure 30747DEST_PATH_IMAGE039
Figure 494089DEST_PATH_IMAGE040
Figure 998670DEST_PATH_IMAGE041
                                                                       (15)
其中,
Figure 355702DEST_PATH_IMAGE042
为自适应更新律并可表示为
                             
Figure 159972DEST_PATH_IMAGE043
                                                                                            (16)
式中,
Figure 969665DEST_PATH_IMAGE044
为正常数,利用上述自适应控制器可以实现永磁电机式MEES 机组系统谐波振荡的快速消除。
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