摘要：發(fā)電是指利用發(fā)電動力裝置將水能、石化燃料(煤、油、天然氣)的熱能、核能以及等轉(zhuǎn)換為電能的生產(chǎn)過程。用以供應(yīng)國民經(jīng)濟各部門與人民生活之需。現(xiàn)在的資源不多，使用太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽茌^多。電能在生產(chǎn)、傳送、使用中比其他能源更易于調(diào)控，因此，它是最理想的二次能源。發(fā)電在電力工業(yè)中處于中心地位，決定著電力工業(yè)的規(guī)模，也影響到電力系統(tǒng)中輸電、變電、配電等各個環(huán)節(jié)的發(fā)展。到20世紀(jì)80年代末，主要發(fā)電形式料的短缺，核電將越來越受重視。

　　關(guān)鍵詞：發(fā)電,機械工程,機械論文

　　到20世紀(jì)80年代末，主要的發(fā)電形式是水力發(fā)電、火力發(fā)電和核能發(fā)電。其他能源發(fā)電形式雖然有多種,但規(guī)模都不大。3種主要形式所占的地位因各國能源資源的構(gòu)成不同而異。美、蘇、英、意、中國等國以火力發(fā)電為主，其發(fā)電量在總發(fā)電中所占比重為70%以上。日、德的火電所占比重在60%以上。挪威、瑞典、瑞士、加拿大等國則以水力發(fā)電為主，其中挪威、瑞士的水力發(fā)電量均占總發(fā)電量的90%左右，加拿大超過70%，瑞典也超過60%。芬蘭和南斯拉夫則水電與火電各占一半。法國以核電為主，其發(fā)電量占總發(fā)電量的70%以上。中國的水力資源雖然豐富，但受經(jīng)濟、技術(shù)等因素所限，水電只占總發(fā)電的20%左右。就全世界范圍而言,在1980～1986年間,火電所占比重由70.2%逐年下降至63.7%，水電所占比重由21.3%降至20.3%，而核電所占比重則逐年上升,由8.2%升至15.6%(見表)。這一趨勢反映出，隨著石化燃料的短缺，核能發(fā)電越來越受到重視。但由于受日本福島事件影響，從技術(shù)和安全考慮，我國并未繼續(xù)建設(shè)核能發(fā)電項目。

　　1、引言

　　近年來，氣動系統(tǒng)因其安全性、大扭矩等特點在工業(yè)領(lǐng)域中獲得了廣泛應(yīng)用，但因其能量轉(zhuǎn)化效率相對較低，所排廢氣含有較多氣體能量未予應(yīng)用、損耗較大，影響企業(yè)經(jīng)濟效益，為此需對廢氣能量回收利用，但因廢氣壓力相對較低，一般采用氣動馬達驅(qū)動小功率發(fā)電機能量回收[1,2]。渦旋膨脹機作為一種新型氣動馬達，具有起動轉(zhuǎn)矩小、能量轉(zhuǎn)化效率高的優(yōu)點[3-5]，是理想的廢氣回收氣動設(shè)備。文獻[6]采用渦旋膨脹機回收氣動系統(tǒng)所排廢氣，氣動效率得到提高，但因未對膨脹機實施有效控制，節(jié)能效果存在一定限制。為充分挖掘渦旋膨脹機潛能，提高廢氣回收效率，必須開展渦旋膨脹機優(yōu)化控制策略的研究。動態(tài)模型是渦旋膨脹機優(yōu)化控制策略研究的基礎(chǔ)，文獻[7-12]所建渦旋膨脹機模型相對復(fù)雜，不適合控制策略的研究，建模目的多為分析系統(tǒng)性能。本文基于上述文獻的研究成果，建立兼顧過/欠膨脹損耗的渦旋膨脹機平均模型，為優(yōu)化控制策略的研究奠定基礎(chǔ)。目前，渦旋膨脹機優(yōu)化控制策略的研究鮮有報道，以節(jié)能為目標(biāo)尋求最小壓縮氣體消耗研究更無文獻涉及，氣動系統(tǒng)控制策略多集中于葉輪式以及活塞式氣動馬達伺服位置控制和速度跟蹤方面的研究[13-21]。本文提出了以最小壓縮氣體消耗為目標(biāo)，采用基于損耗模型和在線搜索相結(jié)合控制策略優(yōu)化渦旋膨脹機的運行速度，并設(shè)計了優(yōu)化速度的跟蹤控制器，提高廢氣回收率，實現(xiàn)壓縮氣體最小消耗的目的，為渦旋膨脹機高效回收廢氣能量以及壓縮儲能領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論和實踐基礎(chǔ)。

　　2、渦旋膨脹機發(fā)電系統(tǒng)模型

　　2.1渦旋膨脹機發(fā)電系統(tǒng)工作原理

　　如圖1所示渦旋膨脹機發(fā)電系統(tǒng)包括儲氣罐、比例閥、渦旋膨脹機、永磁發(fā)電機、非可控整流和Buck變流器等組成。作為實現(xiàn)氣體內(nèi)能和機械能轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵設(shè)備，渦旋膨脹機工作性能受供氣壓力和轉(zhuǎn)速影響顯著，存在最優(yōu)的供氣壓力和轉(zhuǎn)速使其性能最優(yōu)。渦旋膨脹機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和供氣壓力改變通過比例閥的閥門開度調(diào)節(jié)而實現(xiàn)，而負載供電電壓恒定則由通過控制Buck變換器IGBT的占空比而實現(xiàn)。

　　2.2渦旋膨脹機的平均模型

　　渦旋膨脹機具有傳統(tǒng)氣動馬達不可比擬氣動轉(zhuǎn)化效率，工作過程包括氣體吸入、膨脹和排出三個部分。渦旋膨脹機氣體膨脹是介于等溫膨脹和絕熱膨脹的多方膨脹(圖2a中2→A→3為絕熱膨脹過程，做功最少)[22]，為減小模型復(fù)雜性，其指示功率可線性化(圖2a中2→3多方膨脹過程)為因供氣壓力和殼體溫度變化，渦旋膨脹機經(jīng)常運行于過/欠膨脹狀態(tài)，產(chǎn)生功率損耗(△345面積)，統(tǒng)一表示為由式(1)～式(3)可得渦旋膨脹機的轉(zhuǎn)矩為渦旋膨脹機的流量主要由吸氣容積、轉(zhuǎn)速以及氣體泄漏所決定[22]，可表示為以比例閥和進氣口間的緩沖腔(體積為V)為控制體，建立膨脹機供氣壓力的動態(tài)方程為[23]

　　2.3永磁發(fā)電機和Buck電路模型

　　永磁發(fā)電機經(jīng)非可控整流和Buck電路完成功率傳遞，永磁發(fā)電機的磁電動勢為永磁發(fā)電機的相電壓為在電感電流連續(xù)模式下，Buck變換器輸出和輸入電壓成線性關(guān)系，鑒于發(fā)電機一般運行于高轉(zhuǎn)速區(qū)，且Xs和Rs相對較小，則Buck占空比可表示為忽略Buck變換器的功率損失，可將Buck電路負載等效為整流電路后側(cè)負載[24]忽略整流橋功率損失,可將整流電路后端負載等效為發(fā)電機交流側(cè)負載[25]永磁發(fā)電機的相電流為永磁發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩為

　　2.4渦旋膨脹機發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)模型

　　基于渦旋膨脹機的運動分析及式(6)、式(7)和式(14)可得系統(tǒng)動態(tài)模型為3系統(tǒng)控制策略在保證負載功率平衡的基礎(chǔ)上，以最小壓縮氣體消耗為目標(biāo)，采用速度優(yōu)化控制器、速度跟蹤控制器和負載電壓控制器相結(jié)合的控制策略優(yōu)化控制渦旋膨脹機發(fā)電系統(tǒng)運行(見圖1)。其中速度優(yōu)化控制器由基于損耗模型的優(yōu)化控制器和在線搜索優(yōu)化控制器組成，基于損耗模型優(yōu)化控制器依據(jù)負載變化優(yōu)化獲取在線搜索優(yōu)化控制器優(yōu)化速度初值，并根據(jù)壓縮氣體消耗在線動態(tài)搜索優(yōu)化速度，有效地避免了優(yōu)化速度初值的隨機性及系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響[26,27]。速度跟蹤控制器采用基于PI速度控制和壓力反饋線性補償控制相結(jié)合的控制策略快速實現(xiàn)優(yōu)化速度無靜差跟蹤，以提高氣動系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度和在線搜索優(yōu)化速度;負載電壓控制器采用電壓PI控制器實現(xiàn)負載供電電壓恒定，此部分不作詳細闡述。

　　3.1基于損耗模型優(yōu)化控制器

　　系統(tǒng)損耗主要由渦旋膨脹機氣動轉(zhuǎn)化損耗、永磁發(fā)電機功率損耗以及變流器損耗等幾部分組成，其中氣動轉(zhuǎn)化損耗主要為過/欠膨脹所致的功率損耗;發(fā)電機功率損耗主要為定子銅耗Pcu及鐵損耗PFe，因變流器損耗較小，此處不予考慮，系統(tǒng)損耗模型可表示為

　　3.2在線搜索優(yōu)化控制器

　　優(yōu)化速度初值ωopt(0)由基于損耗模型優(yōu)化控制器的優(yōu)化結(jié)果ωloss提供，采用大步長粗調(diào)和步長內(nèi)黃金分割細調(diào)相結(jié)合的方法，根據(jù)實時計算獲取的壓縮氣體消耗功率Pc，在線搜索優(yōu)化速度，直至滿足結(jié)束條件η=ηmax。為防止尋優(yōu)過程對系統(tǒng)性能影響，速度最大調(diào)整步長為Δω，根據(jù)采集數(shù)據(jù)計算Pc(k)和η，如果Pc(k)>Pc(k1)在[ωopt(k)Δω,ωopt(k)]范圍內(nèi)速度調(diào)整，反之則在[ωopt(k),ωopt(k)+Δω]范圍內(nèi)調(diào)整，采用黃金分割法在上述區(qū)域內(nèi)細搜索，直至達到結(jié)束條件。壓縮氣體消耗功率和系統(tǒng)效率可分別表示為[28]

　　3.3速度跟蹤控制器

　　速度的快速無靜差跟蹤是實現(xiàn)在線搜索優(yōu)化控制和性能評價的關(guān)鍵，為此設(shè)計了PI速度控制和供氣壓力反饋線性化補償控制相結(jié)合的控制策略。其中供氣壓力反饋線性化補償控制具有對優(yōu)化速度參考前饋補償?shù)墓δ埽瑥浹aPI控制有差調(diào)節(jié)不足;PI速度控制器主要消除速度的靜態(tài)誤差，其參數(shù)采用經(jīng)典Ziegler-Nichol法設(shè)置。下面重點闡述壓力反饋線性化補償控制器的設(shè)計。由式(15)知供氣壓力動態(tài)方程為標(biāo)準(zhǔn)仿射非線性系統(tǒng)，可表示為因β(p)嚴格為正，可直接進行反饋線性化。設(shè)供氣壓力偏差為re=pp，rp為優(yōu)化供氣壓力，則壓力開環(huán)的動態(tài)特性可表示為為保證系統(tǒng)良好跟蹤性能，設(shè)置ae=ke，其中ka為正控制增益，反饋線性化控制器輸出up表示為為驗證供氣壓力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，選擇李雅普諾夫函數(shù)為T12V=ee,由TTaaV=ee=kee=2kV，且V>0，則V<0，則所設(shè)計的供氣壓力跟蹤系統(tǒng)是穩(wěn)定的。

　　4、試驗驗證

　　基于渦旋膨脹機發(fā)電系統(tǒng)試驗平臺(見圖3)完成控制策略的試驗驗證，其中渦旋膨脹機由WX—86壓縮機改造而成，永磁發(fā)電機額定功率為1kW，通過非可控整流和Buck電路為負載供電。圖4～圖6給出了負載功率由100W提升至200W后系統(tǒng)優(yōu)化控制的變化軌跡。其中圖4給出了系統(tǒng)尋優(yōu)過程，發(fā)電機整流輸出電壓(Buck輸入電壓)隨速度而變化，但負載電壓(Buck輸出電壓)保持100V穩(wěn)定，實現(xiàn)了負載功率平衡，驗證了負載電壓控制器控制有效性。圖5給出了速度優(yōu)化的具體過程，在21.75s時負載功率發(fā)生跳變(圖4b中負載電流由1A跳變至2A)，速度優(yōu)化控制器依據(jù)損耗模型獲得優(yōu)化速度參考548r/min，進而計算壓縮機消耗功率453W和發(fā)電系統(tǒng)效率(由圖7效率優(yōu)化軌跡可知當(dāng)前效率為0.41<0.465)，系統(tǒng)進入在線搜索階段。首次搜索應(yīng)小步長搜索，為此設(shè)置速度為600r/min，系統(tǒng)效率為0.395，由此進入大步長搜索，速度調(diào)整量為120r/min，速度設(shè)置為720r/min，此時壓縮氣體消耗功率495W，效率為0.398，接著采用黃金分割法對[548,720]r/min范圍內(nèi)細分搜索，并結(jié)合壓縮氣體消耗功率的對比，調(diào)整優(yōu)化速度直至700r/min，此時壓縮氣體消耗功率降至423W，相對優(yōu)化過程中最高消耗功率520W，節(jié)能達100W，同時發(fā)電機效率達到0.46(圖7效率優(yōu)化軌跡可知)，基本接近最大效率0.465(試驗獲得系統(tǒng)最高效率)，滿足優(yōu)化結(jié)束條件，系統(tǒng)以此速度穩(wěn)定運行。圖6給出了速度優(yōu)化過程中供氣壓力和閥門控制電壓的變化軌跡。可以看出壓力反饋線性化控制器的補償控制，提高了優(yōu)化速度跟蹤速度，有效補償了閥門控制的滯后性，在負載變化以及優(yōu)化參考速度變化后，閥門控制電壓都快速調(diào)節(jié)，供氣壓力快速變化，進而在速度PI控制器的協(xié)調(diào)控制下，實現(xiàn)了優(yōu)化轉(zhuǎn)速的快速無靜差跟蹤(圖5轉(zhuǎn)速變化軌跡)。

　　5、結(jié)論

　　本文以壓縮氣體最小消耗為目標(biāo)優(yōu)化控制渦旋膨脹機發(fā)電系統(tǒng)的高效運行，采用基于損耗模型和在線搜索相結(jié)合的膨脹機轉(zhuǎn)速尋優(yōu)策略，并用壓力反饋線性化補償和PI速度控制相結(jié)合的控制策略實現(xiàn)優(yōu)化速度的快速跟蹤。試驗結(jié)果表明基于損耗模型和在線尋優(yōu)的方法可實現(xiàn)優(yōu)化速度的快速尋優(yōu)，有效降低了壓縮氣體的消耗，最大節(jié)能功率可達100W左右;在負載變化和優(yōu)化速度改變時，系統(tǒng)可快速無靜差跟蹤，消除了供氣壓力滯后性以及負載變化對系統(tǒng)性能的影響，為渦旋膨脹機應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域進行高效回收廢氣能量以及壓縮儲能領(lǐng)域應(yīng)用，提供了理論和實踐基礎(chǔ)。