南京師范大學(xué)資產(chǎn)經(jīng)營(yíng)有限公司 張松
能源問(wèn)題是21世紀(jì)人類所面臨的重大課題之一,在不斷開發(fā)新能源的同時(shí),為了更有效地利用現(xiàn)有的能源就需要發(fā)展先進(jìn)節(jié)能技術(shù)和儲(chǔ)能技術(shù),需要儲(chǔ)能環(huán)節(jié)來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。飛輪儲(chǔ)能是一種具有廣泛應(yīng)用前景的新型機(jī)械儲(chǔ)能技術(shù),相對(duì)于傳統(tǒng)的儲(chǔ)能方法如化學(xué)電池等,具有高功率,高效率,無(wú)污染,適用廣,無(wú)噪聲,長(zhǎng)壽命,維護(hù)簡(jiǎn)單,可實(shí)現(xiàn)連續(xù)工作等優(yōu)點(diǎn)[1-9]。
圖1 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)工作原理圖
飛輪儲(chǔ)能作為一種新型儲(chǔ)能技術(shù),是以動(dòng)能的形式把能量?jī)?chǔ)存起來(lái),從而完成電能到機(jī)械能轉(zhuǎn)換的儲(chǔ)能過(guò)程。飛輪儲(chǔ)能由工頻電網(wǎng)提供電能,經(jīng)功率電子變換器,驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn),圖1是飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作原理圖。在飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中,電機(jī)轉(zhuǎn)子與飛輪固定連接在一起。電機(jī)通過(guò)維持一個(gè)恒定的轉(zhuǎn)速存儲(chǔ)動(dòng)能。當(dāng)需要給負(fù)載供電時(shí),高速電機(jī)受到相應(yīng)的釋放能量的控制信號(hào),此時(shí)電機(jī)作為發(fā)電機(jī),經(jīng)功率電子變換器輸出適用于負(fù)載的電流與電壓,從而完成機(jī)械能到電能轉(zhuǎn)換的釋放能量過(guò)程。由此,整個(gè)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電能的輸入、儲(chǔ)存和輸出過(guò)程。
飛輪旋轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)能E表示為:
式中, E—儲(chǔ)存的能量, I—飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,ω—飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。由此可見(jiàn),為提高飛輪的儲(chǔ)能量,有兩個(gè)途徑:一是增加飛輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,二是提高飛輪轉(zhuǎn)速。在固定的應(yīng)用場(chǎng)合,可以通過(guò)增加飛輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增加飛輪旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能;在有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合,可以通過(guò)提高飛輪的轉(zhuǎn)速增加飛輪旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能。
飛輪儲(chǔ)能的支撐領(lǐng)域如圖2所示,其發(fā)展主要依賴五大分支,分別為①飛輪本體材料發(fā)展;②集成驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)—發(fā)電機(jī); ③磁懸浮支撐軸承系統(tǒng);④電力電子轉(zhuǎn)換裝置及控制系統(tǒng)的發(fā)展; ⑤接口及輔助裝置的投入。
本文研究其中一個(gè)分支(磁懸浮支撐軸承,又稱磁軸承)在飛輪儲(chǔ)能中的應(yīng)用:
與其它軸承相比,其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在無(wú)機(jī)械接觸和特性可控制兩個(gè)方面[1-2]。
3.1.1 無(wú)機(jī)械接觸方面的優(yōu)點(diǎn)
1)無(wú)機(jī)械接觸,因而無(wú)機(jī)械磨損,其壽命取決于控制電路元器件的壽命,而電路元器件的壽命一般較長(zhǎng)且可以隨時(shí)更換,因此磁軸承比接觸式軸承壽命長(zhǎng)得多;2)無(wú)須潤(rùn)滑,因此不會(huì)因潤(rùn)滑劑而污染環(huán)境,因此特別適合于醫(yī)療環(huán)境、真空技術(shù)和無(wú)菌車間等超凈環(huán)境使用;3)可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn),其轉(zhuǎn)速只取決于構(gòu)成轉(zhuǎn)子材料在旋轉(zhuǎn)時(shí)的強(qiáng)度限制。
圖2
3.2.2 特性可控制方面的優(yōu)點(diǎn)
1)磁軸承的剛度和阻尼是隨著磁軸承的工作環(huán)境、運(yùn)行狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化的,可通過(guò)采用不同的控制規(guī)律對(duì)其動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行控制和優(yōu)化。2)轉(zhuǎn)子的控制精度主要受控制環(huán)節(jié)中信號(hào)的測(cè)量精度的影響,受其它因素影響很小;
1)磁軸承按結(jié)構(gòu)分為:軸向型,徑向型,徑向止推型。2)磁軸承按作用分為:吸引型和排斥型。3)磁軸承按接觸方式分為:完全非接觸型和部分接觸型。4)磁軸承按電磁鐵類型分為:超導(dǎo)式,交流控制式,直流控制式。5)磁軸承按產(chǎn)生磁場(chǎng)不同方法分為:被動(dòng)磁軸承、主動(dòng)磁軸承和混合型磁軸承。
(a) 被動(dòng)磁軸承
被動(dòng)磁軸承的磁場(chǎng)通常是不可控的,目前被動(dòng)磁軸承主要有兩種:一種是高溫超導(dǎo)磁軸承,一種是無(wú)源磁軸承(永磁軸承)。傳統(tǒng)的超導(dǎo)體無(wú)法滿足磁軸承的要求, 但是自從高溫超導(dǎo)體 Y (釔)系發(fā)現(xiàn)以來(lái), 制造高溫超導(dǎo)磁軸承成為可能。
(b) 主動(dòng)磁軸承和混合磁軸承
主動(dòng)磁軸承系統(tǒng)主要是指電磁軸承,混合磁軸承主要指永磁體和電磁軸承的混合磁軸承。電磁軸承系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)子、磁軸承、傳感器、控制系統(tǒng)、功率放大器組合而成。傳感器用于測(cè)量轉(zhuǎn)子的位移變化信號(hào),將位移信號(hào)反饋到控制器中, 控制器計(jì)算后, 輸出控制信號(hào), 控制信號(hào)再經(jīng)過(guò)功率放大器的放大, 輸出控制電流到磁軸承, 產(chǎn)生電磁力, 從而保證轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮?;旌洗泡S承的靜態(tài)偏置磁通由永磁體提供,控制磁通仍然由控制線圈提供,轉(zhuǎn)子在平衡位置時(shí)不需要控制電流,僅靠永磁體產(chǎn)生的磁通使轉(zhuǎn)子懸浮于平衡位置,大大減小了系統(tǒng)的功耗和磁懸浮軸承的重量[5-7]。
飛輪轉(zhuǎn)子的 6個(gè)剛體自由度中,有一個(gè)自由度為繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的自由度,因此不需要磁懸浮系統(tǒng)控制,其余5個(gè)自由度需要由磁懸浮系統(tǒng)所控制。飛輪儲(chǔ)能磁懸浮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有 8種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可供選擇,其中五個(gè)自由度均由被動(dòng)永磁軸承組成的磁懸浮系統(tǒng)是最簡(jiǎn)單的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),五軸主動(dòng)控制的電磁軸承磁懸浮系統(tǒng)是最為復(fù)雜的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。但是,由Earnshow 定理可知,8種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之中最簡(jiǎn)單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),即僅由永磁軸承組成的磁懸浮系統(tǒng)是不可能獲得穩(wěn)定平衡的,至少會(huì)留下一個(gè)自由度是不穩(wěn)定的,由此至少在一個(gè)方向上必須采用機(jī)械軸承或主動(dòng)式電磁軸承才能使之穩(wěn)定。而8種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之中最復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),即五軸控制的電磁軸承系統(tǒng)通常需要10套軸承線圈、提供 10個(gè)傳感器和 10通道控制系統(tǒng),導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、體積較大和成本較高。一個(gè)較為簡(jiǎn)單的方案是采用單軸主動(dòng)控制的永磁軸承與電磁軸承混合磁懸浮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
1)最優(yōu)控制方法:對(duì)于陀螺效應(yīng)嚴(yán)重的磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)子,采用獨(dú)立控制的方法恐怕難以滿足控制要求,因此必須采用集中控制對(duì)各個(gè)自由度進(jìn)行控制,其中LQR方法即為一種有效的集中控制的方法。為此 Larsonneur 和 Herzog通過(guò)引入“結(jié)構(gòu)預(yù)定義,研究了一種新的最優(yōu)控制方法,即結(jié)構(gòu)預(yù)定義最優(yōu)控制方法,所使用的優(yōu)化方法與普通 LQG方法很相似,只不過(guò)事先對(duì)控制器結(jié)構(gòu)施加了約束,采用分散控制結(jié)構(gòu)。采用此新控制方法,不僅可以降低控制器的階數(shù),還可以避免出現(xiàn)觀測(cè)不精確的問(wèn)題。最優(yōu)控制的不足是當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部特性或外部擾動(dòng)變化很大時(shí),系統(tǒng)的性能也許會(huì)由于被控對(duì)象建立的不夠準(zhǔn)確而受到影響,甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。
2)智能控制方法:智能控制方法是指那些基于在線學(xué)習(xí)和辨識(shí)的控制方法,如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制、預(yù)測(cè)控制等,此類方法的特點(diǎn)是被控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型不需要被精確確定,可當(dāng)作“黑箱”來(lái)處理,不需要任何有關(guān)的先驗(yàn)知識(shí),控制器可根據(jù)輸出響應(yīng)來(lái)學(xué)習(xí)系統(tǒng)特性并根據(jù)需要對(duì)控制參數(shù)實(shí)施在線調(diào)節(jié)。這些方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠克服電磁軸承非線性特性給系統(tǒng)造成的影響,但這些方法由于算法及其復(fù)雜,在工程中未得到普遍應(yīng)用。而且大多數(shù)情況下,磁軸承均在平衡點(diǎn)附近的線性區(qū)內(nèi)穩(wěn)定工作,因此與傳統(tǒng)的線性控制方法相比,智能控制方法并未體現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。
3)魯棒控制方法:魯棒控制是通過(guò)選擇反饋控制律使閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定,并且對(duì)模型攝動(dòng)及外界擾動(dòng)具有一定的抵抗力的一種控制方法。目前,H∞控制和變結(jié)構(gòu)控制是魯棒控制中主流的兩種控制方法。H∞控制的基本原理是以外界擾動(dòng)與系統(tǒng)輸出之間傳遞函數(shù)的 H∞范數(shù)作為度量工具,其控制目標(biāo)力求使受擾動(dòng)系統(tǒng)最“壞”情況的輸出誤差達(dá)到最小。變結(jié)構(gòu)控制是一種非線性控制方法,其基本原理為:尋求一個(gè)或幾個(gè)切換函數(shù),當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)達(dá)到切換函數(shù)時(shí),系統(tǒng)的控制由一種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成另一種結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明,變結(jié)構(gòu)控制器和 H∞控制器對(duì)系統(tǒng)模型攝動(dòng)(包括轉(zhuǎn)子和電磁執(zhí)行器中的參數(shù)變化)及外界擾動(dòng)具有良好的魯棒性。
4)數(shù)字控制:由于數(shù)字控制具有硬件集成度高、控制性能好的優(yōu)點(diǎn),因此目前數(shù)字控制正在逐步替代傳統(tǒng)磁軸承采用模糊控制器的方式。實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制的數(shù)字控制器最普遍采用的是數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP),它不僅具有高速運(yùn)算的能力,還可以采用多個(gè)處理器的結(jié)構(gòu)以提高系統(tǒng)的容錯(cuò)能力,除此之外,數(shù)字控制還可以使磁軸承適應(yīng)不同的工況,并且能夠方便地實(shí)現(xiàn)多種功能,例如通過(guò)控制算法可以抑制轉(zhuǎn)子不平衡震動(dòng),啟動(dòng)和停機(jī)時(shí)的過(guò)程控制以及濾波、診斷和監(jiān)控等。實(shí)時(shí)性是數(shù)字控制所面臨的主要問(wèn)題,由于磁軸承屬于開環(huán)不穩(wěn)定系統(tǒng),因此要求其控制器需要具有相位超前的功能且頻帶通常要達(dá)到 1 kHz 以上。A/D 和 D/A 的轉(zhuǎn)換時(shí)間以及控制參數(shù)的計(jì)算時(shí)間是影響相位的主要因素。如果想要采用智能控制,因此控制算法更為復(fù)雜,因此計(jì)算量會(huì)很大,進(jìn)而采樣頻率會(huì)因此而降低,這就使一些復(fù)雜算法的應(yīng)用受到限制。然而,隨著近年來(lái)微處理器技術(shù)的飛速發(fā)展,實(shí)時(shí)性問(wèn)題將不再是制約磁軸承控制發(fā)展的主流,以上控制方式均可采用數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)。
磁軸承在飛輪儲(chǔ)能中的應(yīng)用發(fā)展研究趨勢(shì)將主要集中在以下幾個(gè)方面:
1)超導(dǎo)磁軸承:這種軸承的體積很小,但承載能力卻可以很大。不足的是超導(dǎo)磁軸承的研究進(jìn)展在很大程度上賴于高溫超導(dǎo)材料的發(fā)展。2)自檢測(cè)磁軸承:傳統(tǒng)的磁軸承系統(tǒng)需要配有傳感器來(lái)檢測(cè)信號(hào),傳感器的存在增大了軸承的軸向尺寸,降低了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,并且具有成本高,可靠性低的缺點(diǎn)。而自檢測(cè)磁軸承,省去了位移傳感器,通過(guò)采樣電流、電壓信號(hào)間接獲取轉(zhuǎn)子的位移信號(hào),因此不僅可以簡(jiǎn)化磁軸承的結(jié)構(gòu)還可以顯著降低磁軸承系統(tǒng)的制造成本,在工業(yè)上具有很廣闊的應(yīng)用前景。3)電磁和永磁混合的磁軸承:這種軸承的偏置磁場(chǎng)由永磁體產(chǎn)生,區(qū)別于傳統(tǒng)電磁軸承產(chǎn)生偏置磁場(chǎng)的方式,而控制磁場(chǎng)與傳統(tǒng)的電磁軸向相同,采用電磁鐵通電產(chǎn)生的控制電流產(chǎn)生。該種組合的磁軸承具有可以減輕磁軸承定子、功率放大器的體積和重量的優(yōu)點(diǎn),尤其適合在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上有很好的應(yīng)用前景。4)基于全局的優(yōu)化設(shè)計(jì):除了要滿足磁軸承自身以及轉(zhuǎn)子系統(tǒng)滿足相應(yīng)的機(jī)械要求外,從系統(tǒng)的全局角度考慮磁軸承的穩(wěn)定性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性,而進(jìn)行基于全局的優(yōu)化設(shè)計(jì)是以后發(fā)展的必然趨勢(shì),目的是以便為磁軸承實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化創(chuàng)造一個(gè)更廣闊的應(yīng)用前景。5)采用高性能的控制器:為了使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更高的性能要求,控制環(huán)節(jié)在磁軸承系統(tǒng)中扮演的角色尤為重要。為了有利于使磁軸承實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和商品化,這就要求磁軸承的硬件系統(tǒng)趨于結(jié)構(gòu)化、模塊化,其中,功率放大器作為硬件設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的環(huán)節(jié),越來(lái)越趨向于采用效率高的開關(guān)功放等來(lái)取代連續(xù)功放。控制器方面,要求實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、集成化和計(jì)算機(jī)化。而軟件方面,相應(yīng)發(fā)展的軟件越來(lái)越多地采用基于現(xiàn)代控制理論來(lái)達(dá)到各種控制算法,如滑??刂啤⒎蔷€性模糊控制、自適應(yīng)控制和 H控制、μ控制等,使它更具有“柔性”,并向多功能、智能化方向發(fā)展。6)磁軸承的推廣應(yīng)用:因?yàn)榇泡S承尚處于發(fā)展階段,用戶還不具備設(shè)計(jì)磁軸承的基本知識(shí),因此研究人員一直追求磁軸承在工業(yè)設(shè)備上地應(yīng)用這個(gè)目標(biāo)。而且,應(yīng)用和研究是相輔相成地,通過(guò)推廣應(yīng)用,也可不斷提高磁軸承的研究水平。
現(xiàn)在制約飛輪儲(chǔ)能全面推廣到市場(chǎng)的主要瓶頸因素是價(jià)格,因此需要進(jìn)一步降低飛輪儲(chǔ)能的生產(chǎn)成本。隨著控制技術(shù)、材料、能量轉(zhuǎn)換技術(shù)學(xué)等各領(lǐng)域研究的逐步深入,尤其磁軸承技術(shù)的日趨成熟,價(jià)格將會(huì)逐步降低,飛輪儲(chǔ)能必將作為人們?nèi)粘I钪谐墒斓漠a(chǎn)品全面推向市場(chǎng)。
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