機械彈性儲能系統(tǒng)在儲能過程中驅動電機負載的轉矩和轉動慣量連續(xù)變化，情況復雜，需要一種能夠快速跟蹤其變化且抗干擾能力較強的控制系統(tǒng)。

直接轉矩控制響應快，能快速跟蹤儲能箱轉矩，結合反推自適應控制算法，可以使其有較好的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)性能。首先采用遺忘因子遞推最小二乘算法辨識儲能箱轉矩和轉動慣量，實時更新控制對象參數(shù)，結合辨識結果設計轉角、轉速、轉矩和磁鏈反推控制器，并最終得到定子電壓在兩相靜止坐標系下的分量，同時設計轉矩和轉動慣量自適應控制器消除辨識誤差對控制性能的影響，進一步應用電壓空間矢量調制方法產生頻率恒定的開關信號，控制逆變器運行。

實驗結果表明永磁同步電機輸出轉矩能夠快速跟蹤負載轉矩，且轉矩轉速脈動較小，儲能過程平穩(wěn)。

儲能技術是調峰調頻、構建智能電網和保障間歇式新能源入網的關鍵核心技術，在電力系統(tǒng)的發(fā)、輸、配、用四大環(huán)節(jié)發(fā)揮著巨大的作用，機械彈性儲能系統(tǒng)在這種情況下應運而生。

機械彈性儲能系統(tǒng)的儲能元件為機械彈性儲能箱，其內部結構為并列安裝的渦卷彈簧。通過永磁同步電機的驅動實現(xiàn)電能到機械彈性勢能的轉換與存儲。在儲能過程中儲能箱的轉矩和轉動慣量連續(xù)時變，特別是儲能箱反向作用力矩隨儲能過程的進行而逐漸變大，如果電機輸出轉矩不能快速匹配，可能導致儲能箱帶著電機反轉，損毀電機。同時轉動慣量的時變特性可能造成電機轉速的抖振，影響儲能箱的力學性能和破壞儲能過程的平穩(wěn)性。渦卷彈簧作為大型剛性機械部件，儲能時要求永磁同步電機（Permanent MagnetSynchronous Motor，PMSM）低速平穩(wěn)運行。

直接轉矩控制（Direct Torque Control，DTC）以轉矩作為控制目標，響應速度快，容易跟蹤負載轉矩，且便于實現(xiàn)。但傳統(tǒng)的DTC在低速運行時，轉矩和磁鏈脈動較大，不利于儲能過程的平穩(wěn)進行，且存在逆變器開關頻率不恒定的缺點。通常的解決辦法是對定子電壓矢量進一步細分。

分別通過增加電壓矢量數(shù)量和細化每個電壓矢量作用時間的方法來減小脈動，但會導致硬件成本增加和控制系統(tǒng)更加復雜。分別設計了磁鏈環(huán)、轉矩環(huán)，通過PI調節(jié)器得到定子電壓參考值，并結合電壓空間矢量調制（Space Vector Modulation，SVM）的方法控制逆變器的開關狀態(tài)，但考慮到PMSM的強耦合、多變量以及本系統(tǒng)控制對象連續(xù)時變的特點，PI參數(shù)往往難以整定，且穩(wěn)定裕度較小，系統(tǒng)的自適應能力不強。

將反推控制方法和SVM-DTC控制方法結合起來，特別適合永磁同步電機非線性系統(tǒng)的控制，但其對大慣量時變負載的低速控制未做進一步地描述。

針對機械彈性儲能箱的輸出特性，本文首先采用遺忘因子最小二乘遞推辨識算法辨識儲能箱時變的轉矩和轉動慣量，實時更新控制對象參數(shù)；其次結合其辨識結果設計轉角、轉速、轉矩、磁鏈反推控制器，同時為了消除辨識誤差對控制系統(tǒng)的影響，引入自適應控制方法，使系統(tǒng)有較強的自治能力；最后應用電壓空間矢量調制的方法產生頻率恒定的開關信號，控制逆變器運行。

實驗結果表明電機輸出轉矩能夠快速響應儲能箱轉矩變化，辨識誤差和轉動慣量變化對系統(tǒng)的不良影響較小，轉矩和轉速抖振較小，儲能系統(tǒng)能在低速下平穩(wěn)運行，完成電能到機械彈性勢能的轉換。

圖3 控制系統(tǒng)框圖

圖4 機械彈性儲能系統(tǒng)

圖5 機械彈性儲能系統(tǒng)控制裝置

結論

本文首先建立了機械彈性儲能系統(tǒng)數(shù)學模型，在該模型的基礎上完成了反推自適應SVM-DTC理論的數(shù)學推導，證明了該方法的全局收斂性，并通過實驗驗證了該方法的有效性。

通過實驗結果可以看出，與常規(guī)方法相比，采用該方法的機械彈性儲能系統(tǒng)低速運行時更加平穩(wěn)，電機轉矩跟蹤匹配更加迅速，其他各項參數(shù)的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)性能都更加優(yōu)秀，為機械彈性儲能系統(tǒng)提供了一種行之有效的方法。