柴油发电机组的数学建模及其功率补偿技术研究

摘要

柴油发电机组由于自身调节惯性大,在大负载扰动时出现供电质量下降,严重时因调节滞后而导致停机等问题,影响了其应用。本文以提高柴油发电机组在冲击性负载条件下输出电压幅值和频率的稳定性为目标,为弥补发电机组自身调节能力的不足,对柴油发电机组的数学模型及其功率补偿技术进行深入的研究。
　　首先,建立柴油发电机组的数学模型,进而从理论上分析冲击性负载条件下柴油发电机组的动态性能,并在Matlab中搭建系统的仿真模型对分析结果进行验证,为后续的功率补偿策略的提出提供理论基础。
　　其次,在交流母线上并联功率补偿系统,以抑制冲击性负载情况下柴油发电机组输出电压幅值和频率的波动。当出现冲击性负载时结合储能系统来提供或吸收系统不足或多余的有功功率,并最大限度地利用发电机组自身的调节能力,满足负载对电压幅值和频率的要求。采用以三相桥式电路为拓扑的并联功率补偿系统,建立其数学模型,依据瞬时功率理论推导dq模型下并联功率补偿系统输出电流与瞬时功率的关系,从而为瞬时功率的控制提供理论依据。为补偿柴油发电机组有功功率调节的滞后,提出基于速度闭环的功率补偿策略。为进一步提高补偿系统的动态响应,提出速度闭环和负载电流前馈的复合控制策略,实现对冲击性负载的功率补偿。根据瞬时功率理论对负载有功电流、无功电流和谐波电流进行检测,实现并联补偿系统的对机组有功功率、无功功率和谐波的补偿,以提高柴油发电机组的效率。
　　再次,设计基于三重双向DC-DC变换器的能量管理系统,以满足并联并联补偿装置对储能的需求。结合并联补偿系统的工作状态,提出采用直流母线电压闭环控制实现负载扰动条件下超级电容能量管理策略和稳态条件下基于超级电容电压的主动充电策略。
　　最后,对并联功率补偿系统进行设计,并在Matlab中搭建系统的仿真模型,对所提出的控制方案进行仿真验证。在实验平台上,完成控制算法的软件设计,通过实验验证并联功率补偿系统在提高柴油发电机组输出电能质量的有效性。

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第1章 绪论

1.1 课题背景及研究目的和意义

1.2 柴油发电机组供电系统的研究现状

1.3 本文主要研究内容及论文的主要研究工作

第2章 柴油发电机组的数学模型及其性能分析

2.1 引言

2.2 柴油发动机及其调速系统的数学模型

2.3 同步发电机及其励磁系统的数学模型

2.4 柴油发电机组的调整特性

2.5 柴油发电机组系统仿真模型

2.6 本章小结

第3章 并联功率补偿系统及其控制策略

3.1 引言

3.2 功率补偿系统的结构与工作原理

3.3 并联功率补偿器

3.4 有功、无功以及谐波电流的检测

3.5 基于转速闭环的有功功率补偿策略

3.6 并联功率补偿策略的实现

3.7 本章小结

第4章 并联功率补偿系统的储能环节

4.1 引言

4.2 基于超级电容的储能系统拓扑与控制

4.3 稳态主动充电模式下的功率控制

4.4 本章小结

第5章 并联功率补偿系统设计及仿真与实验验证

5.1 引言

5.2 系统设计

5.3 整体仿真模型

5.4 实验验证

5.5 本章小结

结论

参考文献

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致谢