太阳能斯特林直线发电机控制策略研究

2019-11-25杨巧玲包广清张海平

中国设备工程 2019年21期

杨巧玲，包广清，张海平

（1.兰州理工大学电信学院，甘肃兰州 730050；2.天华化工机械及自动化研究设计院有限公司，甘肃兰州 730060）

2010年欧盟新增发电装机容量中，太阳能发电首次超过风电。太阳能热发电技术是可再生能源发电技术的一个新焦点。自20世纪80年代起，美国、德国等国相继建设了不同型式的太阳能热发电示范工程。我国西部边远地区的人口分布稀疏，远离电网，缺乏水力和煤炭资源，电力严重不足。这制约了当地社会、经济发展。居民生活用电问题很难通过电网输电、建立水电站或火电站的常规办法来解决。太阳能热发电技术的出现为解决这一问题提供了契机。我国有丰富的太阳能资源，西部地区日照尤其充足，非常适合采用太阳能发电。

1 太阳能斯特林直线发电系统构成

目前最具发展潜力的太阳能热发电技术是斯特林太阳能发电。图1是其系统图。该系统利用接收器聚集的太阳热能，加热斯特林发动机内的工质，从而驱动发电机发电。与其他太阳能热发电形式相比，斯特林太阳能热发电系统具有发电灵活、可逐步规模化、建设投资少等特点。既可以离网独立运行供电，也可以并网运行。应用前景广阔，特别适合边远地区使用。

图1 斯特林太阳能热发电系统图

目前，该系统热电转换效率约30%～40%，有较大的提升空间。为此，国内外研究人员分别从提高集热系统性能和改进发电系统控制策略两个角度出发寻求提高系统热电转换效率的方法。然而，集热技术已趋于成熟，集热系统效率超过90%，提升空间有限。针对系统控制策略的研究尚在逐步完善中，现有的控制系统性能并不理想。

2 斯特林直线发电机结构

斯特林直线发电机是该系统的重要组成部分，它的发电效率直接决定了系统效率。图2是其结构示意。斯特林发动机将收集的太阳热能转换成机械能驱动直线发电机次级运动，进而输出电能。直线发电机作为太阳能热电系统与电网/负载接口，是进行电能转换与控制的重要环节。由于受集热系统性能和工质特性影响，传递到发电机次级部分的驱动速度偏低，进而导致发电机输出电能偏低，这是引起系统光电转换效率低的根本原因。如何使发电机次级获得尽可能高的运动速度是提高斯特林发电机发电效率的关键。为此，有人提出在斯特林发动机和直线发电机之间增加升速齿轮。分析结果表明，这种方法可有效提高斯特林发动机输出的驱动速度，进而提高发电机效率。但齿轮的引入使斯特林直线发电机结构更加复杂，系统在进行能量转换过程中的损失增加，且使系统控制变得复杂。

3 斯特林直线发电机控制策略

就普通斯特林直线发电机而言，根据控制环节的不同，现有的控制方法主要有从斯特林发动机控制、从直线发电机控制以及综合考虑负载/并网的控制。以上策略没有考虑功率匹配问题，系统热电转换效率低。综合考虑发动机和发电机的能量传递关系，可有效保证系统的可靠稳定运行、最大程度获得能量转换。图3是兼顾二者的系统分层控制示意图。基于分层控制，针对斯特林直线发电机工作特点，制定与之相适应的控制策略，是提高系统热电转换效率的有效途径。

图2 斯特林直线发电机结构示意图

图3 斯特林直线发电机分层控制

图4 活塞位移随时间变化曲线

3.1 功率匹配条件

直线发电机作为斯特林发动机的负载，其输入功率、动子运动状态均取决于斯特林发动机。为保证最佳工况，斯特林机应尽可能按照额定速度运行，限制速度变化范围。斯特林发动机的运动部件为配气活塞和动力活塞，活塞因为工质温差导致压力不对称而运动，其运动曲线如图4。综上，发电机动子运动速度应在斯特林发动机最佳效率点附近。同时，其运动规律应与斯特林发动机活塞位移曲线保持一致。

3.2 直线发电机最大功率控制

假设只考虑直线发电机铜耗，且电枢电感不变，

根据定义，直线发电机电磁功率为：

考虑基波分量，进而有：

E1是发电机感应电势es的基波分量；I1是电枢电流is的基波分量；为基波分量相位差。根据定义，直线发电机效率为：

3.3 考虑运动及功率匹配的斯特林直线发电机控制策略

综上，提出斯特林直线发电机最大功率控制策略如图5所示。为满足发电机动子与斯特林发动机活塞运动速度及位移曲线的匹配关系，方案采用速度外环。为了控制电机电流进而实现发电机效率及电磁功率最大，方案采用电流内环。

对动子的速度控制，须充分考虑动子纹波推力、摩擦力及负载转矩扰动，将基于状态观测器的速度估算法应用到发电机次级速度控制中，可有效解决上述问题。输出功率控制通过控制电机电流来实现，常规PID电流控制器，在负载变化及其他扰动的情况下鲁棒性较差。为此，方案中的电流控制器DPC控制。该方案在控制对象的参数发生变化或有不确定性扰动时具有较强的自适应性和鲁棒性。