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

機械彈性儲能（Mechanical Elastic Energy Storage, MEES）屬于物理儲能的范疇，是一種新型儲能技術，可用于復雜環(huán)境下短時間大功率儲能場合，如地鐵再生制動能量再利用裝置、抽油機能量回收再利用裝置、低溫環(huán)境下車輛的啟動電源等。

該儲能方式儲能介質(zhì)為大型平面渦卷彈簧（Spiral Torsion Spring, STS），能量存儲形式為機械彈性勢能。研究對象包括STS材料的彈性模量、抗拉強度、抗疲勞等性能等；儲能箱機械結(jié)構(gòu)設計、機組裝配、聯(lián)動裝置優(yōu)化等；機組數(shù)學建模、永磁同步電機轉(zhuǎn)速及變流器并網(wǎng)控制策略等。

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

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

為解決上述問題，本文提出一種新型聯(lián)動式儲能箱組機械結(jié)構(gòu)，在保持原結(jié)構(gòu)優(yōu)點的基礎上，提出了單體儲能箱STS模塊化-推拉式機械裝配技術，儲能箱之間通過單向超越離合器實現(xiàn)柔性串聯(lián)聯(lián)動和防反轉(zhuǎn)自鎖，設計了以STS標準件為基礎的機組額定功率和儲能容量配置方法，有效地提高了機組性能。

機械彈性儲能箱組中的彈性勢能能否高效轉(zhuǎn)化為電能是機組的核心技術指標。永磁同步發(fā)電機（Permanent Magnet Synchronous Generator, PMSG）具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高、運行可靠、維護量小的優(yōu)點，選為機組能量轉(zhuǎn)化執(zhí)行機構(gòu)。

為保證機組高質(zhì)量的發(fā)電，PMSG控制策略需根據(jù)儲能箱組運行特性進行優(yōu)化設計。PMSG是一個強耦合、多變量的非線性系統(tǒng)，機械彈性儲能箱組在機組發(fā)電過程中轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量持續(xù)變化，傳統(tǒng)的矢量控制難以達到滿意的控制效果。

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、較強的適應能力越來越受到關注。

• 有學者將反推控制算法用于永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制中，能有效減小磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動。
• 有學者提出了一種自適應修正拉蓋爾遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡反推控制算法，用于永磁直線同步電機位置控制中，能明顯減小位置誤差。
• 有學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驅(qū)動領域，發(fā)電領域文獻還相對較少。
• 有學者提出了一種基于反推滑?？刂频淖畲箫L能跟蹤控制算法，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩的快速跟蹤，但轉(zhuǎn)動慣量設定為定值。
• 有學者所提方法適用于動力源轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量持續(xù)變化的PMSG控制場合，但未考慮網(wǎng)側(cè)變流器的并網(wǎng)控制，控制方案也稍顯復雜。

本文結(jié)合反推控制和矢量控制提出一種轉(zhuǎn)動慣量、轉(zhuǎn)矩自適應PMSG轉(zhuǎn)速控制策略，能有效抑制儲能箱組參數(shù)擾動，保證了PMSG轉(zhuǎn)速能夠快速響應和穩(wěn)定運行。同時為了改善機組并網(wǎng)性能，設計了機組并網(wǎng)反推控制算法，為實現(xiàn)儲能機組最大出力，可設定并網(wǎng)無功功率為零，從而實現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)控制，能有效減小機側(cè)變流器容量。

實驗結(jié)果表明，此控制方法適用于機械彈性發(fā)電過程，有效提升機組性能，機組發(fā)電并網(wǎng)過程能夠平穩(wěn)高效運行。

圖2 單體儲能箱STS釋放動作示意圖

圖5 控制系統(tǒng)整體框圖

圖6a 機械彈性儲能機組發(fā)電側(cè)執(zhí)行機構(gòu)

圖6b MEES機組變流柜

圖6c MEES機組上位機

結(jié)論

本文針對傳統(tǒng)機械彈性儲能箱組機械結(jié)構(gòu)存在的不足，提出了一種單體儲能箱模塊化-推拉式機械裝配結(jié)構(gòu)和儲能箱組柔性聯(lián)動防反轉(zhuǎn)自鎖結(jié)構(gòu)，并根據(jù)發(fā)電過程中機組運行特性，提出一種基于反推控制算法的PMSG轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動慣量自適應調(diào)速控制策略，同時設計了網(wǎng)側(cè)變流器反推控制策略。實驗結(jié)果驗證了同傳統(tǒng)PI矢量控制相比，本文所提方法更適用于機械彈性儲能機組發(fā)電過程，各控制變量響應迅速，跟蹤精確。

高性能STS材料是機械彈性儲能機組的基石，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，進行力學測試研究；設計并聯(lián)聯(lián)動式儲能箱組機械結(jié)構(gòu)，能極大提高機組發(fā)電功率；并設計性能更優(yōu)的電氣控制策略。