機械彈性儲能系統(tǒng)在儲能過程中驅(qū)動電機負載的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量連續(xù)變化，情況復雜，需要一種能夠快速跟蹤其變化且抗干擾能力較強的控制系統(tǒng)。

直接轉(zhuǎn)矩控制響應快，能快速跟蹤儲能箱轉(zhuǎn)矩，結(jié)合反推自適應控制算法，可以使其有較好的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)性能。首先采用遺忘因子遞推最小二乘算法辨識儲能箱轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量，實時更新控制對象參數(shù)，結(jié)合辨識結(jié)果設計轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和磁鏈反推控制器，并最終得到定子電壓在兩相靜止坐標系下的分量，同時設計轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量自適應控制器消除辨識誤差對控制性能的影響，進一步應用電壓空間矢量調(diào)制方法產(chǎn)生頻率恒定的開關信號，控制逆變器運行。

實驗結(jié)果表明永磁同步電機輸出轉(zhuǎn)矩能夠快速跟蹤負載轉(zhuǎn)矩，且轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速脈動較小，儲能過程平穩(wěn)。

儲能技術是調(diào)峰調(diào)頻、構(gòu)建智能電網(wǎng)和保障間歇式新能源入網(wǎng)的關鍵核心技術，在電力系統(tǒng)的發(fā)、輸、配、用四大環(huán)節(jié)發(fā)揮著巨大的作用，機械彈性儲能系統(tǒng)在這種情況下應運而生。

機械彈性儲能系統(tǒng)的儲能元件為機械彈性儲能箱，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)為并列安裝的渦卷彈簧。通過永磁同步電機的驅(qū)動實現(xiàn)電能到機械彈性勢能的轉(zhuǎn)換與存儲。在儲能過程中儲能箱的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量連續(xù)時變，特別是儲能箱反向作用力矩隨儲能過程的進行而逐漸變大，如果電機輸出轉(zhuǎn)矩不能快速匹配，可能導致儲能箱帶著電機反轉(zhuǎn)，損毀電機。同時轉(zhuǎn)動慣量的時變特性可能造成電機轉(zhuǎn)速的抖振，影響儲能箱的力學性能和破壞儲能過程的平穩(wěn)性。渦卷彈簧作為大型剛性機械部件，儲能時要求永磁同步電機（Permanent MagnetSynchronous Motor，PMSM）低速平穩(wěn)運行。

直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque Control，DTC）以轉(zhuǎn)矩作為控制目標，響應速度快，容易跟蹤負載轉(zhuǎn)矩，且便于實現(xiàn)。但傳統(tǒng)的DTC在低速運行時，轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動較大，不利于儲能過程的平穩(wěn)進行，且存在逆變器開關頻率不恒定的缺點。通常的解決辦法是對定子電壓矢量進一步細分。

分別通過增加電壓矢量數(shù)量和細化每個電壓矢量作用時間的方法來減小脈動，但會導致硬件成本增加和控制系統(tǒng)更加復雜。分別設計了磁鏈環(huán)、轉(zhuǎn)矩環(huán)，通過PI調(diào)節(jié)器得到定子電壓參考值，并結(jié)合電壓空間矢量調(diào)制（Space Vector Modulation，SVM）的方法控制逆變器的開關狀態(tài)，但考慮到PMSM的強耦合、多變量以及本系統(tǒng)控制對象連續(xù)時變的特點，PI參數(shù)往往難以整定，且穩(wěn)定裕度較小，系統(tǒng)的自適應能力不強。

將反推控制方法和SVM-DTC控制方法結(jié)合起來，特別適合永磁同步電機非線性系統(tǒng)的控制，但其對大慣量時變負載的低速控制未做進一步地描述。

針對機械彈性儲能箱的輸出特性，本文首先采用遺忘因子最小二乘遞推辨識算法辨識儲能箱時變的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量，實時更新控制對象參數(shù)；其次結(jié)合其辨識結(jié)果設計轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、磁鏈反推控制器，同時為了消除辨識誤差對控制系統(tǒng)的影響，引入自適應控制方法，使系統(tǒng)有較強的自治能力；最后應用電壓空間矢量調(diào)制的方法產(chǎn)生頻率恒定的開關信號，控制逆變器運行。

實驗結(jié)果表明電機輸出轉(zhuǎn)矩能夠快速響應儲能箱轉(zhuǎn)矩變化，辨識誤差和轉(zhuǎn)動慣量變化對系統(tǒng)的不良影響較小，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速抖振較小，儲能系統(tǒng)能在低速下平穩(wěn)運行，完成電能到機械彈性勢能的轉(zhuǎn)換。

圖3 控制系統(tǒng)框圖

圖4 機械彈性儲能系統(tǒng)

圖5 機械彈性儲能系統(tǒng)控制裝置

結(jié)論

本文首先建立了機械彈性儲能系統(tǒng)數(shù)學模型，在該模型的基礎上完成了反推自適應SVM-DTC理論的數(shù)學推導，證明了該方法的全局收斂性，并通過實驗驗證了該方法的有效性。

通過實驗結(jié)果可以看出，與常規(guī)方法相比，采用該方法的機械彈性儲能系統(tǒng)低速運行時更加平穩(wěn)，電機轉(zhuǎn)矩跟蹤匹配更加迅速，其他各項參數(shù)的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)性能都更加優(yōu)秀，為機械彈性儲能系統(tǒng)提供了一種行之有效的方法。