【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及斯特林发电机控制，具体是涉及一种自由活塞式斯特林发电机控制系统及其方法。
技术介绍
1、自由活塞式斯特林发电机由换热、共振、发电等子系统构成。换热子系统中，气体吸收或释放热能，进而膨胀或收缩，推动活塞运动。共振子系统中，配气活塞往复运动，推动气体被持续加热冷却产生压力波动；动力活塞往复运动，工作腔体的总体积波动变化，同时与气体加热冷却叠加，压力波被放大；在压力波推动下，活塞运动行程变大，速度变快，直到被阻尼力平衡，运动状态趋于稳定。发电子系统中，动力活塞与直线电机动子连接，切割磁感线，输出电能。
2、通过对自由活塞式斯特林发电机基本原理进行分析，斯特林发电机受到热、力、磁、电多物理场耦合作用，其中任意物理场变化即会影响输出电压与频率，当受到较大扰动时，甚至会导致斯特林发电机撞缸、拉缸甚至停机。在斯特林发电机实际使用过程中，由于其外燃机特性，内部机械、电磁等结构不易受到影响。而外部热源和负载通过耦合作用影响斯特林发电机工作状态，是较普遍的干扰来源。在不引入控制的前提下，斯特林发电机受热源与负载突变影响将导致输出电压与频率波动剧烈，难以直接对电能质量需求较高的负载供电。
3、根据电压体制不同，斯特林控制方式分为直流控制和交流控制，交流控制又分为定频控制和变频控制。在直流控制中，斯特林发电机输出接ac-dc变换器，将交流整流为直流，再通过dc-dc变换器，将电压稳定至额定范围为负载供电。直流控制不存在频率稳定性问题，采用直流母线电压闭环控制和电能过剩时的泄放电阻控制，控制输出电压稳定。在交流定频控
4、综上所述，在具备调压能力斯特林发电机控制方式中，斯特林发电机与负载间均需要电力电子变换器，功率响应能力受功率器件容量限制，且过流能力较差。
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的技术问题是，克服上述
技术介绍
的不足，提供一种自由活塞式斯特林发电机控制系统及其方法，能够提高斯特林发电机的功率动态响应能力。
2、本专利技术解决其技术问题采用的技术方案是，一种自由活塞式斯特林发电机控制系统，包括控制器、位移传感器、电压传感器和dc-ac变换器，所述位移传感器、电压传感器、dc-ac变换器均与控制器连接；
3、所述控制器包括第一pi控制器、第二pi控制器、电压误差信号产生模块、位移误差信号产生模块，电压误差信号产生模块与第一pi控制器连接，第一pi控制器、位移误差信号产生模块与第二pi控制器连接，第二pi控制器与dc-ac变换器连接，dc-ac变换器与第二直线电机连接，电压传感器与电压误差信号产生模块连接，位移传感器与位移误差信号产生模块接；所述第二直线电机为配气活塞的直线电机；
4、所述电压传感器用于测量负载电压，并将电压数据发送至电压误差信号产生模块；
5、所述位移传感器用于测量配气活塞位移，并将位移数据发送至位移误差信号产生模块；
6、所述电压误差信号产生模块用于将设定电压幅值与负载电压幅值进行比较，产生电压误差信号；
7、所述第一pi控制器用于根据电压误差信号，生成位移参考信号；
8、所述位移误差信号产生模块用于将位移参考信号与配气活塞位移进行比较，产生位移误差信号；
9、所述第二pi控制器用于根据位移误差信号，生成驱动参考电流幅值；
10、所述dc-ac变换器用于根据驱动参考电流幅值，生成驱动电流。
11、进一步， 还包括储能电池，储能电池与dc-ac变换器连接，dc-ac变换器2将储能电池直流电逆变为交流电，通过第二直线电机对配气活塞进行驱动控制。
12、进一步， 还包括补偿电容、泄放电阻、第一继电器和第二继电器，第一直线电机输出端与补偿电容连接，泄放电阻与负载并接后与补偿电容串接；第一继电器控制泄放电阻投入切出；第二继电器控制负载投入切出；所述第一直线电机为动力活塞的直线电机。
13、一种自由活塞式斯特林发电机控制方法，包括以下步骤：
14、步骤s1：将设定电压幅值与负载电压幅值进行比较，产生电压误差信号，根据电压误差信号，生成位移参考信号；
15、步骤s2：将位移参考信号与配气活塞位移进行比较，产生位移误差信号，根据位移误差信号，生成驱动参考电流幅值；
16、步骤s3：根据驱动参考电流幅值，生成驱动电流，使第二直线电机产生驱动力，通过驱动力调整配气活塞的位移，通过配气活塞的位移调整动力活塞的位移，通过动力活塞的位移调整第一直线电机的输出电压，从而调整负载电压。
17、进一步， 步骤s1中，生成的位移参考信号为：
18、（1)
19、式中：为电压环比例系数；为电压环积分系数，为复变量。
20、进一步， 步骤s2中，生成的驱动参考电流幅值为：
21、（2)
22、式中：为位移环比例系数；为位移环积分系数，为复变量。
23、进一步， 步骤s3中，所述驱动参考电流幅值、驱动电流及驱动力之间的关系为：
24、（3)
25、式中：为第二直线电机气隙磁场强度；为第二直线电机绕线长度；为驱动电流的角频率，为复变量。
26、进一步， 步骤s3中，配气活塞在驱动力作用下产生位移，配气活塞振动控制方程如下：
27、（4)
28、式中：为配气活塞质量；为配气活塞的截面积；为配气活塞杆的截面积；为膨胀腔的气压、为压缩腔的气压、为背压腔的气压；为配气活塞弹簧刚度；为配气活塞阻尼系数；为复变量。
29、进一步， 步骤s3中，动力活塞在气体压力波动耦合作用下产生位移，动力活塞振动控制方程如下：
30、（5)
31、式中：为动力活塞质量；为动力活塞截面积；为动力活塞弹簧刚度；为动力活塞阻尼系数；为复变量。
32、进一步， 步骤s3中，第一直线电机被动力活塞带动输出电能，负载电压为：
33、（6)
34、式中：为第一直线电机气隙磁场强度；为第一直线电机绕线长度；为负载电阻；为第一直线电机内阻。
35、与现有技术相比，本专利技术的优点如下：
36、本专利技术采取电压外环-位移内环双环pi控制，电压外环将输出电压幅值稳定在设定电压幅值附近，位移内环通过输出电压调整位移，能够提高斯特林发电机的功率动态响应能力。
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.一种自由活塞式斯特林发电机控制系统，其特征在于：包括控制器、位移传感器、电压传感器和DC-AC变换器，所述位移传感器、电压传感器、DC-AC变换器均与控制器连接；
2.如权利要求1所述的自由活塞式斯特林发电机控制系统，其特征在于：还包括储能电池，储能电池与DC-AC变换器连接，DC-AC变换器2将储能电池直流电逆变为交流电，通过第二直线电机对配气活塞进行驱动控制。
3.如权利要求1或2所述的自由活塞式斯特林发电机控制系统，其特征在于：还包括补偿电容、泄放电阻、第一继电器和第二继电器，第一直线电机输出端与补偿电容连接，泄放电阻与负载并接后与补偿电容串接；第一继电器控制泄放电阻投入切出；第二继电器控制负载投入切出；所述第一直线电机为动力活塞的直线电机。
4.一种用于权利要求1-3之一所述的自由活塞式斯特林发电机控制系统的自由活塞式斯特林发电机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
5.如权利要求4所述的自由活塞式斯特林发电机控制方法，其特征在于：步骤S1中，生成的位移参考信号为：
6.如权利要求5所述的自由活塞式斯特林发电
7.如权利要求6所述的自由活塞式斯特林发电机控制方法，其特征在于：步骤S3中，所述驱动参考电流幅值、驱动电流及驱动力之间的关系为：
8.如权利要求4所述的自由活塞式斯特林发电机控制方法，其特征在于：步骤S3中，配气活塞在驱动力作用下产生位移，配气活塞振动控制方程如下：
9.如权利要求4所述的自由活塞式斯特林发电机控制方法，其特征在于：步骤S3中，动力活塞在气体压力波动耦合作用下产生位移，动力活塞振动控制方程如下：
10.如权利要求4所述的自由活塞式斯特林发电机控制方法，其特征在于：步骤S3中，第一直线电机被动力活塞带动输出电能，负载电压为：
...【技术特征摘要】
1.一种自由活塞式斯特林发电机控制系统，其特征在于：包括控制器、位移传感器、电压传感器和dc-ac变换器，所述位移传感器、电压传感器、dc-ac变换器均与控制器连接；
2.如权利要求1所述的自由活塞式斯特林发电机控制系统，其特征在于：还包括储能电池，储能电池与dc-ac变换器连接，dc-ac变换器2将储能电池直流电逆变为交流电，通过第二直线电机对配气活塞进行驱动控制。
3.如权利要求1或2所述的自由活塞式斯特林发电机控制系统，其特征在于：还包括补偿电容、泄放电阻、第一继电器和第二继电器，第一直线电机输出端与补偿电容连接，泄放电阻与负载并接后与补偿电容串接；第一继电器控制泄放电阻投入切出；第二继电器控制负载投入切出；所述第一直线电机为动力活塞的直线电机。
4.一种用于权利要求1-3之一所述的自由活塞式斯特林发电机控制系统的自由活塞式斯特林发电机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：<...
【专利技术属性】
技术研发人员：帅智康，靳张涛，黄文，冯宇，吴浩，周柯，杨炬辉，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。