太陽能斯特林直線發(fā)電機(jī)控制策略研究

楊巧玲，包廣清，張海平

（1.蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 蘭州 730060）

2010年歐盟新增發(fā)電裝機(jī)容量中，太陽能發(fā)電首次超過風(fēng)電。太陽能熱發(fā)電技術(shù)是可再生能源發(fā)電技術(shù)的一個(gè)新焦點(diǎn)。自20世紀(jì)80年代起，美國、德國等國相繼建設(shè)了不同型式的太陽能熱發(fā)電示范工程。我國西部邊遠(yuǎn)地區(qū)的人口分布稀疏，遠(yuǎn)離電網(wǎng)，缺乏水力和煤炭資源，電力嚴(yán)重不足。這制約了當(dāng)?shù)厣鐣?huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展。居民生活用電問題很難通過電網(wǎng)輸電、建立水電站或火電站的常規(guī)辦法來解決。太陽能熱發(fā)電技術(shù)的出現(xiàn)為解決這一問題提供了契機(jī)。我國有豐富的太陽能資源，西部地區(qū)日照尤其充足，非常適合采用太陽能發(fā)電。

1 太陽能斯特林直線發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成

目前最具發(fā)展?jié)摿Φ奶柲軣岚l(fā)電技術(shù)是斯特林太陽能發(fā)電。圖1是其系統(tǒng)圖。該系統(tǒng)利用接收器聚集的太陽熱能，加熱斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的工質(zhì)，從而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。與其他太陽能熱發(fā)電形式相比，斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)具有發(fā)電靈活、可逐步規(guī)模化、建設(shè)投資少等特點(diǎn)。既可以離網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行供電，也可以并網(wǎng)運(yùn)行。應(yīng)用前景廣闊，特別適合邊遠(yuǎn)地區(qū)使用。

圖1 斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)圖

目前，該系統(tǒng)熱電轉(zhuǎn)換效率約30%～40%，有較大的提升空間。為此，國內(nèi)外研究人員分別從提高集熱系統(tǒng)性能和改進(jìn)發(fā)電系統(tǒng)控制策略兩個(gè)角度出發(fā)尋求提高系統(tǒng)熱電轉(zhuǎn)換效率的方法。然而，集熱技術(shù)已趨于成熟，集熱系統(tǒng)效率超過90%，提升空間有限。針對系統(tǒng)控制策略的研究尚在逐步完善中，現(xiàn)有的控制系統(tǒng)性能并不理想。

2 斯特林直線發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)

斯特林直線發(fā)電機(jī)是該系統(tǒng)的重要組成部分，它的發(fā)電效率直接決定了系統(tǒng)效率。圖2是其結(jié)構(gòu)示意。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)將收集的太陽熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能驅(qū)動(dòng)直線發(fā)電機(jī)次級運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而輸出電能。直線發(fā)電機(jī)作為太陽能熱電系統(tǒng)與電網(wǎng)/負(fù)載接口，是進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換與控制的重要環(huán)節(jié)。由于受集熱系統(tǒng)性能和工質(zhì)特性影響，傳遞到發(fā)電機(jī)次級部分的驅(qū)動(dòng)速度偏低，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出電能偏低，這是引起系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換效率低的根本原因。如何使發(fā)電機(jī)次級獲得盡可能高的運(yùn)動(dòng)速度是提高斯特林發(fā)電機(jī)發(fā)電效率的關(guān)鍵。為此，有人提出在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)和直線發(fā)電機(jī)之間增加升速齒輪。分析結(jié)果表明，這種方法可有效提高斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的驅(qū)動(dòng)速度，進(jìn)而提高發(fā)電機(jī)效率。但齒輪的引入使斯特林直線發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，系統(tǒng)在進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換過程中的損失增加，且使系統(tǒng)控制變得復(fù)雜。

3 斯特林直線發(fā)電機(jī)控制策略

就普通斯特林直線發(fā)電機(jī)而言，根據(jù)控制環(huán)節(jié)的不同，現(xiàn)有的控制方法主要有從斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)控制、從直線發(fā)電機(jī)控制以及綜合考慮負(fù)載/并網(wǎng)的控制。以上策略沒有考慮功率匹配問題，系統(tǒng)熱電轉(zhuǎn)換效率低。綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的能量傳遞關(guān)系，可有效保證系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運(yùn)行、最大程度獲得能量轉(zhuǎn)換。圖3是兼顧二者的系統(tǒng)分層控制示意圖。基于分層控制，針對斯特林直線發(fā)電機(jī)工作特點(diǎn)，制定與之相適應(yīng)的控制策略，是提高系統(tǒng)熱電轉(zhuǎn)換效率的有效途徑。

圖2 斯特林直線發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 斯特林直線發(fā)電機(jī)分層控制

圖4 活塞位移隨時(shí)間變化曲線

3.1 功率匹配條件

直線發(fā)電機(jī)作為斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載，其輸入功率、動(dòng)子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)均取決于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。為保證最佳工況，斯特林機(jī)應(yīng)盡可能按照額定速度運(yùn)行，限制速度變化范圍。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)部件為配氣活塞和動(dòng)力活塞，活塞因?yàn)楣べ|(zhì)溫差導(dǎo)致壓力不對稱而運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)曲線如圖4。綜上，發(fā)電機(jī)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)在斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)最佳效率點(diǎn)附近。同時(shí)，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律應(yīng)與斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)活塞位移曲線保持一致。

3.2 直線發(fā)電機(jī)最大功率控制

假設(shè)只考慮直線發(fā)電機(jī)銅耗，且電樞電感不變，

根據(jù)定義，直線發(fā)電機(jī)電磁功率為：

考慮基波分量，進(jìn)而有：

E1是發(fā)電機(jī)感應(yīng)電勢es的基波分量；I1是電樞電流is的基波分量；為基波分量相位差。根據(jù)定義，直線發(fā)電機(jī)效率為：

3.3 考慮運(yùn)動(dòng)及功率匹配的斯特林直線發(fā)電機(jī)控制策略

綜上，提出斯特林直線發(fā)電機(jī)最大功率控制策略如圖5所示。為滿足發(fā)電機(jī)動(dòng)子與斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)活塞運(yùn)動(dòng)速度及位移曲線的匹配關(guān)系，方案采用速度外環(huán)。為了控制電機(jī)電流進(jìn)而實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)效率及電磁功率最大，方案采用電流內(nèi)環(huán)。

對動(dòng)子的速度控制，須充分考慮動(dòng)子紋波推力、摩擦力及負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)，將基于狀態(tài)觀測器的速度估算法應(yīng)用到發(fā)電機(jī)次級速度控制中，可有效解決上述問題。輸出功率控制通過控制電機(jī)電流來實(shí)現(xiàn)，常規(guī)PID電流控制器，在負(fù)載變化及其他擾動(dòng)的情況下魯棒性較差。為此，方案中的電流控制器DPC控制。該方案在控制對象的參數(shù)發(fā)生變化或有不確定性擾動(dòng)時(shí)具有較強(qiáng)的自適應(yīng)性和魯棒性。

4 仿真結(jié)果

基于上述控制方案，在matlab中搭建系統(tǒng)模型進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。圖6是發(fā)電機(jī)輸出電壓和電流波形。波形顯示，電流相位很好的實(shí)現(xiàn)了電壓相位的跟蹤。使發(fā)電機(jī)輸出功率最大，系統(tǒng)熱電轉(zhuǎn)換效率得以提高。

圖5 斯特林復(fù)合直線發(fā)電機(jī)控制策略

圖6 直線發(fā)電機(jī)電勢和電樞電流波形

5 結(jié)語

通過分析斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)工作特點(diǎn)，針對斯特林直線發(fā)電機(jī)效率低下的問題，提出了最大功率控制方案。仿真結(jié)果充分驗(yàn)證了該方案的正確性和有效性。