太阳能热发电用自由活塞斯特林发电机瞬态活塞位移超调的快速预测与抑制方法

《Green Energy and Intelligent Transportation》：Fast prediction and suppression method of transient piston displacement overshoot of free piston Stirling generator for solar thermal power plant

本刊推荐：为解决太阳能热发电中自由活塞斯特林发电机(FPSG)因输电线路物理损伤导致开路故障，引发活塞位移严重超调、进而导致气缸碰撞和活塞磨损加速的问题，研究人员开展了瞬态活塞位移超调快速预测与抑制方法的研究。研究提出了一种基于内部电势解析关系的无位移传感器快速预测方法，以及基于并联Crowbar电路的紧急抑制控制策略。该方法能在数个周期内准确预测活塞最大位移，并在超调发生前提前投入Crowbar电路增加电磁阻尼，有效抑制位移超调，确保故障期间负载持续供电。该研究为提升FPSG在太阳能热发电中的安全性与可靠性提供了创新解决方案。

　　

在追求可持续发展的全球背景下，太阳能等可再生能源的利用日益受到重视。太阳能热发电技术因其能够将太阳能以热能形式储存并稳定发电而备受青睐。自由活塞斯特林发电机（Free Piston Stirling Generator, FPSG）作为一种高效、环保的热电转换装置，在这一领域展现出巨大潜力。它仅需加热器与冷却器之间的温差即可发电，且其部件无摩擦地密封于腔体内，具有免维护、高可靠性等优点。然而，FPSG也面临着严峻的挑战。其双活塞振动系统（排出器活塞和动力活塞）通过内部压力波动态耦合，而非机械连接，这种独特的结构使得分析和控制其动态响应变得复杂。当输电线路因自然灾害或操作失误发生物理损坏，导致开路故障时，从FPSG视角看，等效负载电阻会突然增大，这显著降低了作用在动力活塞上的电磁阻尼力。其直接后果是活塞位移产生严重超调，极易引发活塞与气缸的碰撞，加速活塞磨损，甚至导致发电机停机，严重威胁电站的安全稳定运行。传统的应对方法，如采用碰撞传感器或在调试阶段使用高精度位移传感器，存在成本高、响应滞后（当检测到超调时碰撞可能已经发生）等缺点，难以满足大规模实际应用的需求。因此，如何在不依赖位移传感器的情况下，快速预测故障下的活塞位移瞬态行为，并及时实施有效的紧急控制，成为一个亟待解决的关键科学问题。为了攻克这一难题，湖南大学的研究团队在《Green Energy and Intelligent Transportation》上发表论文，提出了一种针对FPSG开路故障的瞬态活塞位移超调快速预测与紧急抑制方法。

研究人员为开展此项研究，主要运用了几个关键技术方法：首先，建立了FPSG的热-机-电耦合线性化模型，基于等温模型和泰勒公式展开，简化了瞬态特性分析。其次，深入分析了开路故障后的瞬态电流和电压特性，揭示了内部电势（e_s）与动力活塞位移（x_p）在瞬态过程中的解析关系。在此基础上，提出了一种基于功率平衡判断的无位移传感器快速预测算法，该算法仅需输出电压（e_o）和电流（i_s）测量值，通过迭代计算可在极短时间内（仿真中为10微秒，约10-12次迭代）预测排出器和动力活塞的最大位移。最后，设计了一种基于并联Crowbar电路的紧急抑制策略，当预测位移超过安全限值（X_{d limit}, X_{p limit}）时，提前投入Crowbar电阻以降低等效负载电阻，从而增大电磁阻尼系数（D_e），有效抑制活塞位移超调。研究通过MATLAB/Simulink仿真和100W FPSG原型机实验平台验证了所提方法的有效性。

1. 引言

研究指出，FPSG双活塞系统的机械解耦特性使其在故障条件下的瞬态特性分析面临挑战。现有研究多集中于启动机理、稳态性能和非故障暂态分析，缺乏对开路故障下活塞瞬态行为和电气特性的准确表征。商用FPSG的紧急控制策略（如碰撞传感器）存在成本高和响应延迟的问题。因此，本研究旨在解决从输出电信号快速预测活塞位移并实现紧急抑制这一关键问题。

2. 理论分析

2.1. FPSG原理

介绍了FPSG的基本结构和工作原理，包括加热器、冷却器、回热器、膨胀腔、压缩腔、缓冲腔、排出器、动力活塞、弹簧和直线电机等。建立了基于等温假设的热-机耦合线性化模型，给出了活塞动力学方程和工作腔压力波（p）的线性化表达式，以及内部电势（e_s）与动力活塞速度（?_p）的关系。

2.2. 瞬态特性分析

分析了开路故障后等效负载电阻（R_l）突增对电路的影响。指出由于活塞-弹簧振动系统的机械惯性，活塞位移、速度及内部电势不能突变。推导了故障后包含周期分量和非周期分量的输出电流（i_s）和内部电势（e_s）的瞬态数学表达式，并总结了影响瞬态内部电势的关键参数。

2.3. 活塞最大位移预测

提出了快速预测活塞位移超调的方法。该方法基于内部电势最大值（E_{s max}）的估算，通过测量输出电压（e_o）和角频率（ω），结合线性化模型和功率平衡原理（比较PV功率、阻尼功率和电功率的差值ΔP），进行迭代计算，直至ΔP ≤ 0，从而预测出活塞的最大位移（X_{d max}, X_{p max}）。该方法计算速度快，无需位移传感器。

2.4. 并联Crowbar电阻紧急控制

提出了基于并联Crowbar电路的紧急抑制方法。当预测的最大位移超过安全限值时，控制器会闭合开关（S₀），将Crowbar电阻（R_c）并联入电路，降低等效负载电阻，从而增大电磁阻尼力（F_pe），抑制活塞位移超调。文中还讨论了Crowbar电阻值的选取原则，需兼顾抑制效果和电路最大电流限制（I_max）。

3. 仿真结果

3.1. 仿真参数

给出了FPSG仿真模型的关键参数，包括温度、压力、活塞质量、弹簧刚度、面积、电机参数（k_e, k_t, R_s, L_s）以及负载电阻等。

3.2. 部分开路故障下的结果

仿真表明，在等效负载电阻从3.3Ω突增至20Ω和50Ω的开路故障下，未采用紧急控制时，活塞位移严重超调并超过7mm的安全限值。所提出的预测方法能快速（10微秒内）且较为准确地预测最大位移。投入Crowbar紧急控制后（R_c = 4Ω），活塞位移被有效抑制在安全范围内。

3.3. 温度波动下的结果

考虑了加热器温度从495°C突升至520°C同时发生开路故障的极端情况。仿真结果显示，即使在此条件下，预测方法仍能有效工作。为达到有效抑制，需将Crowbar电阻调整为3Ω。紧急控制成功地将活塞位移限制在安全范围内。

3.4. 压力变化下的结果

考察了充气压力从2.3MPa突降至2.1MPa同时发生开路故障的情况。预测结果与最终稳态位移存在一定偏差，分析认为压力突变严重干扰了FPSG运行状态。但通过调整Crowbar电阻值，紧急控制方法仍能将活塞超调抑制在7mm以内。

4. 实验结果

4.1. 实验平台配置

搭建了100W FPSG实验平台，包括原型机、测试系统（示波器、位移传感器、冷却装置、温控器、氦气充放系统、可编程电源等）。实验参数与仿真基本一致。

4.2. 紧急抑制控制结果

实验表明，在负载电阻从2.5Ω突增至20Ω的开路故障下，未采用紧急控制时，动力活塞位移超调至7.28mm，超过了设计限值（7mm），导致直线电机动子碰撞和活塞磨损，最终停机。采用所提出的预测与抑制方法后，控制系统在10ms内动作，投入Crowbar电阻。结果成功将动力活塞位移限制在6.70mm，避免了气缸碰撞，验证了该方法的有效性。

5. 结论

本研究成功提出并验证了一种用于FPSG开路故障的瞬态活塞位移超调快速预测与紧急抑制方法。该方法基于线性化模型和电信号测量，实现了无位移传感器的快速位移预测，并结合并联Crowbar电路实现了位移超调的有效抑制。仿真和实验结果表明，该方法能显著提升FPSG在故障条件下的安全性与可靠性。对于未来大规模太阳能热发电FPSG集群或千瓦级系统应用，该方法因其分布式、模块化和成本效益优势而具有广阔前景。研究也指出，为满足商业化应用对可靠性、速度和寿命的更高要求，未来需采用基于MOSFET/IGBT的主动软开关解决方案，并配备高效的Crowbar冷却系统。

CRediT authorship contribution statement

明确了各位作者（Yu Feng, Zhangtao Jin, Wen Huang, Hao Wu, Juhui Yang, Zhikang Shuai）在论文撰写、修改、验证、软件、方法论、调查、形式分析、数据管理、监督、项目 administration、资金获取和概念化等方面的具体贡献。