涡旋膨胀机改造及试验性能研究

针对涡旋膨胀机普遍存在输出功率和气动转化效率相对较低的问题,提出了基于涡旋体型线修正和进口面积调整的2种涡旋膨胀机结构改造方法。以具有圆弧加直线型线结构的涡旋压缩机为例,采用圆渐开线加过渡直线的组合型线修正方法,结合进口面积调整原则完成了涡旋膨胀机改造。试验结果表明:改造后样机全效率最高可达53%,输出功率随供气压力升高而增大,其中550kPa供气压力时输出功率可达780W;相同工况下,进口面积增大30%,输出功率增幅可达100W,全效率提高10%。该结果验证了涡旋膨胀机结构改造方法的有效性,为涡旋膨胀机结构设计和实用化奠定了理论和实践基础。

基于涡旋机的新型压缩空气储能系统动态建模与效率分析

提高储能效率是压缩空气储能方式在新能源发电领域应用的重要前提。本文综合考虑泄漏、摩擦损耗等对涡旋压缩机性能的影响,建立基于各腔室容积和气体质量变化的压力动态方程及主轴运动方程,并给出了基于涡旋机的压缩空气储能系统动态数学模型;通过采用遗传算法辨识综合影响系数和转动惯量两关键参数优化完善了模型;仿真和试验对比研究表明涡旋压缩机效率高并具有良好的变工况特性;涡旋压缩机多转速试验验证了动态模型的有效性,同时指出了压缩机全效率存在最优的运行速度及恒转速下随排气压力升高而降低的工作特点,为研究涡旋压缩机的效率优化控制奠定了坚实的理论和实践基础。

涡旋膨胀机发电系统效率优化控制策略

提出了以最小压缩气体消耗为涡旋膨胀机发电系统效率优化的目标,采用了基于系统损耗模型优化和在线搜索相结合的转速寻优策略,有效避免寻优初值的随机性及参数变化对优化结果的影响。针对气动系统非线性、滞后性及负载不确定性所致的发电系统强非线性的特点,采用了供气压力反馈线性化的补偿控制和PI速度控制相结合的控制策略,对优化速度快速无静差跟踪。试验结果表明,控制策略可实现速度的快速寻优以及优化速度的快速跟踪,实现了减小压缩气体消耗的目标。

基于蓄电池储能的涡旋膨胀机废气回收系统优化控制

提出了基于蓄电池储能的涡旋膨胀机废气-回收系统方案,在保证废气排放设备高效运行的基础上,提高涡旋膨胀机的能量转换效率.以兼顾过/欠膨胀损耗和发电机铜耗的损耗模型为优化函数,结合实时估计的废气排放流量、气罐压力以及蓄电池充放电限制等约束条件,优化控制涡旋膨胀机运行.采用输入输出反馈线性化方法设计了供气压力PI控制器实现供气压力的快速跟踪;采用储能系统工作模式实时判断、占空比补偿以及PI控制相结合的控制策略实现母线电压恒定.实验验证了控制策略的有效性,实现了在满足负载功率和废气排放系统高效运行基础上的废气回收最大化.

基于模式搜索的风能最大功率跟踪控制

针对传统风能最大功率跟踪控制方法难以实现实际输出功率最大化或无法兼顾跟踪速度和精度等问题,提出了一种新的跟踪控制方法。依据当前风速以及风力机特性曲线,采用叶尖速比控制实现风能捕获最大化,利用模式搜索法搜索并获得系统最大输出功率点,通过设计模糊PID控制器实现系统对给定参考转速的快速跟踪。该方法将模式搜索法与叶尖速比控制法有机结合,既具有叶尖速比控制原理简单、容易实现的特点,又具有模式搜索法收敛快、精度高等优点。仿真和试验结果表明,该方法可实现输出功率的最大化,有效提高了系统的风能利用率。以风速为6.7 m·s-1时为例,系统输出功率相比于单纯采用叶尖速比控制时提高了约4.8%。

基于阻抗匹配的小型风电系统功率输出优化方法

为解决现有小型风力发电系统风能利用率偏低的问题,提出一种新型的基于阻抗匹配的系统功率输出优化方法。通过建立和分析小型风力发电系统数学模型,指出在发电机与整流器间串联阻抗后风电系统稳定运行点会发生变化,若阻抗参数设置合理则可提高系统的功率输出;基于该原理,采用粒子群优化算法,结合风速以及蓄电池电压的概率分布情况,以发电机一段时间内输出能量最大为优化目标,确定阻抗参数。仿真结果表明,选择合适的电抗器参数可以有效提高风力发电机能量输出,优化后平均输出功率增加了约21%。