在資源和環(huán)境的壓力下，傳統(tǒng)能源發(fā)展受到限制，新能源技術(shù)在時代要求和政策支持下，迅猛發(fā)展。隨著可再生能源在電力系統(tǒng)中的占比越來越大，儲能技術(shù)隨之逐步發(fā)展更新，先進(jìn)儲能技術(shù)已成為新能源發(fā)展的重要基礎(chǔ)。不同的運(yùn)用場景對儲能裝置需求不同，需要儲能技術(shù)多元化發(fā)展，有自己的特點(diǎn)和優(yōu)勢。

機(jī)械彈性儲能是一種比較新穎的儲能方式，屬于物理儲能的范疇，其復(fù)雜的運(yùn)行特性需要可靠的執(zhí)行機(jī)構(gòu)保證整個儲能系統(tǒng)的安全高效。永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）以其結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、高轉(zhuǎn)矩電流體積比等優(yōu)點(diǎn)被選為機(jī)械彈性儲能系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

機(jī)械彈性儲能可用于惡劣環(huán)境下短時間大功率儲發(fā)場合，比如：①地鐵再生制動能量儲發(fā)裝置，地鐵制動能回收再利用場合變化因素多，工況復(fù)雜，需儲能控制系統(tǒng)有較強(qiáng)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力；②低溫或高溫環(huán)境下車輛的起動電源，此工況下PMSM參數(shù)會發(fā)生漂移；③抽油機(jī)能量回收再利用裝置，抽油機(jī)常位于野外，而且負(fù)荷特性復(fù)雜，這種工況兼具①和②的特點(diǎn)。

上述應(yīng)用場合均要求儲能系統(tǒng)有較高的可靠性，結(jié)合該儲能系統(tǒng)儲能單元（機(jī)械彈性儲能箱）固有的復(fù)雜運(yùn)行特性，需要針對性地設(shè)計(jì)強(qiáng)魯棒性控制算法，同時需要辨識PMSM參數(shù)實(shí)際值以便對控制變量進(jìn)行修正，從而保證整個儲能系統(tǒng)的安全高效。

反推控制是一種非線性反饋遞推設(shè)計(jì)方法，易與各種不同的控制策略結(jié)合使用，通過反推控制器取代常規(guī)控制策略所采用的PI控制器，能在保留原控制策略優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高原控制策略的性能，選為本系統(tǒng)的控制算法。

PMSM的控制策略主要有直接轉(zhuǎn)矩控制和矢量控制兩種。直接轉(zhuǎn)矩控制響應(yīng)快，但存在起動時有沖擊電流、轉(zhuǎn)矩和磁鏈脈動較大、逆變器開關(guān)頻率不恒定等問題。

文獻(xiàn)[14]將反推控制算法和直接轉(zhuǎn)矩控制策略相結(jié)合設(shè)計(jì)了一套控制方法，文獻(xiàn)[15]在文獻(xiàn)[14]基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)需求增加了辨識算法，在辨識結(jié)果的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了辨識誤差自適應(yīng)直接轉(zhuǎn)矩控制策略，一定程度地解決了所提控制問題，但是這種控制方法的推導(dǎo)異常復(fù)雜。

究其原因：一方面是控制系統(tǒng)建立在兩相靜止坐標(biāo)系下，未完全解耦；另一方面是整個控制系統(tǒng)采用先辨識后控制的思想，辨識算法和控制算法采用兩套不同的算法，加大了控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度。矢量控制具有高精度、高動態(tài)性能等優(yōu)點(diǎn)，而且其系統(tǒng)建立在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，已完全解耦，系統(tǒng)表達(dá)簡潔，這在結(jié)合反推控制算法針對機(jī)械彈性儲能箱獨(dú)有特點(diǎn)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)時具有天然的優(yōu)勢。

已有研究將反推控制算法應(yīng)用于id=0的PMSM矢量控制中，并有一些學(xué)者在此基礎(chǔ)上作了一些改進(jìn)，比如采用模糊算法來優(yōu)化控制參數(shù)，結(jié)合Luenberger觀測器設(shè)計(jì)無速度傳感器PMSM反推控制算法，文獻(xiàn)[20]通過擴(kuò)展Kalman濾波（Extended Kalman Filter, EKF）觀測器實(shí)現(xiàn)了PMSM無速度傳感器強(qiáng)魯棒控制，文獻(xiàn)[21]通過預(yù)測函數(shù)和擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測器實(shí)現(xiàn)了PMSM精確伺服控制。

這些控制方法大都是在負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定或存在階躍性突變，同時負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量恒定的條件下設(shè)計(jì)完成。但機(jī)械彈性儲能箱在運(yùn)行時轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量同時連續(xù)變化，已有的控制方法并不適用。

本文結(jié)合反推控制算法和矢量控制策略提出了一種機(jī)械彈性儲能參數(shù)辨識自適應(yīng)調(diào)速控制方法。該方法的構(gòu)建思路為：針對機(jī)械彈性儲能箱特性，通過構(gòu)造新穎的Lyapunov函數(shù)，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量自適應(yīng)反推控制算法；同時考慮到機(jī)組長時間運(yùn)行時溫度升高等引起的PMSM參數(shù)偏移問題，增加遺忘因子遞推最小二乘（Forgetting Factor Recursive Least Squares, FFRLS）辨識算法實(shí)時在線更新PMSM參數(shù)，以保證控制系統(tǒng)有足夠高的準(zhǔn)確度，辨識算法和反推自適應(yīng)控制算法相結(jié)合，便構(gòu)成了系統(tǒng)全部關(guān)鍵參數(shù)強(qiáng)魯棒性控制方法。

仿真分析和實(shí)驗(yàn)研究表明，本方法在系統(tǒng)運(yùn)行時能保證轉(zhuǎn)速的精確快速跟蹤，同時能有效抑制PMSM參數(shù)變化帶來的不利影響，適用于機(jī)械彈性儲能場合。

圖1 機(jī)械彈性儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 機(jī)械彈性儲能系統(tǒng)各部分組成

結(jié)論

本文基于新穎的Lyapunov函數(shù)的設(shè)計(jì)，提出了一種基于反推控制的機(jī)械彈性儲能轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動慣量自適應(yīng)調(diào)速控制方法，同時考慮到PMSM參數(shù)變化給系統(tǒng)帶來的不利影響，將FFRLS辨識算法引入到控制系統(tǒng)中以增加轉(zhuǎn)速跟蹤的精確性。

仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提方法適用于機(jī)械彈性儲能系統(tǒng)，與基于PI矢量控制和反推矢量控制相比，本文所提方法有最快的收斂速度、最短的調(diào)整時間以及最少的脈動，同時能在PMSM參數(shù)變化時保持系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的精確控制，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)全參數(shù)魯棒控制，對于提高機(jī)械彈性儲能系統(tǒng)性能有一定的意義。