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新興的熱聲發(fā)電技術(shù)廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能、燃燒余熱、工業(yè)廢熱及汽車(chē)尾氣等分布式能源系統(tǒng)發(fā)電領(lǐng)域，提高冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)一次能源利用效率；為可再生能源的利用提供新方向，具有廣泛的應(yīng)用前景。

熱聲發(fā)電系統(tǒng)（Thermoacoustic Electric Generation System, TAEGS）由熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)和直線發(fā)電機(jī)構(gòu)成，具有溫度場(chǎng)、聲場(chǎng)、磁場(chǎng)、電場(chǎng)等多場(chǎng)耦合的系統(tǒng)特性。

熱聲發(fā)電系統(tǒng)起振是實(shí)現(xiàn)由熱能-機(jī)械能-電能轉(zhuǎn)換的重要過(guò)程，熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)工作介質(zhì)在外加溫度梯度下，由靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變成周期性振蕩流動(dòng)狀態(tài)。熱聲發(fā)電系統(tǒng)由聲學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)和電學(xué)系統(tǒng)三部分組成。

圖1 熱聲發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖1為熱聲發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，熱聲發(fā)電系統(tǒng)利用熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)將具有溫度梯度熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能（聲能），熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)輸出近似正弦波形式的聲功波動(dòng)，驅(qū)動(dòng)安裝在熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)耦合輸出端口的活塞，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中帶動(dòng)直線發(fā)電機(jī)次級(jí)進(jìn)行高頻短行程的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，然后通過(guò)永磁直線發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

在起振過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)跳頻、聲壓飽和、聲流等復(fù)雜的非線性因素，導(dǎo)致系統(tǒng)輸出電能急劇下降，限制了熱聲技術(shù)的應(yīng)用。熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)諧振頻率漂移、起振難、熱聲系統(tǒng)發(fā)電效率低成為制約熱聲發(fā)電技術(shù)發(fā)展的核心問(wèn)題。

為了保證熱聲發(fā)電系統(tǒng)高效運(yùn)行，降低系統(tǒng)起振溫度、縮短系統(tǒng)起振的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)自激蕩起振的有效補(bǔ)償。沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院、營(yíng)口理工學(xué)院電氣工程學(xué)院的研究人員張健、夏加寬 等，在2021年第6期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，提出一種控制熱聲發(fā)電機(jī)電動(dòng)運(yùn)行將系統(tǒng)牽入諧振的自主協(xié)同起振綜合控制策略。

圖2 熱聲發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

該控制策略以系統(tǒng)機(jī)械諧振時(shí)次級(jí)位移和初級(jí)電流相位差為90°作為頻率跟蹤控制的判定依據(jù)，通過(guò)采樣次級(jí)位移和初級(jí)電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)改進(jìn)二階廣義積分控制器輸出相應(yīng)的正交信號(hào)進(jìn)行鎖頻，經(jīng)過(guò)Park變換將交流信號(hào)變?yōu)橹绷餍盘?hào)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的無(wú)靜差跟蹤控制，進(jìn)而使熱聲發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行頻率快速跟蹤諧振頻率。

通過(guò)仿真分析和實(shí)驗(yàn)證明，加入SOGI諧振頻率跟蹤控制算法后，控制電壓驅(qū)動(dòng)頻率從90Hz快速上升到熱聲發(fā)電系統(tǒng)諧振頻率110Hz。熱聲發(fā)電系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行在給定位移后，熱聲直線發(fā)電機(jī)初級(jí)電流由1.3A下降到0.3A，熱聲直線發(fā)電機(jī)次級(jí)運(yùn)行相同行程時(shí)，控制效率上升約為76.9%。

因此，所提出的起振控制策略既能使熱聲發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行頻率快速跟蹤諧振頻率，提高系統(tǒng)輸出功率；又可改進(jìn)二階廣義積分控制器，有效濾除檢測(cè)信號(hào)的采樣噪聲和高頻干擾，提高控制器的穩(wěn)定性。

本文編自2021年第6期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“熱聲發(fā)電系統(tǒng)自主協(xié)同起振控制策略”，作者為張健、夏加寬、何新、李文瑞。