基于超级电容储能的统一电能质量调节技术研究

摘要

目前,对应急备用供电系统和移动式供电系统的需求日益提高,柴油发电机组以其便于移动、对环境适应能力强、可靠性高、能量供给可控等优点在上述系统中获得了广泛应用。但在一些对电能质量要求较高的特殊应用场合,柴油发电机组的较软输出电压特性难以满足要求。本文以优化柴油发电机组的动态输出电能质量、提高其运行效率为目标,开展了基于超级电容储能的统一电能调节技术的研究。
　　本文首先建立包括柴油发动机及其调速系统、同步发电机以及励磁系统在内的柴油发电机组独立式发电系统数学模型。推导了其在阶跃负载扰动下的输出电压暂态时域表达式,揭示了造成输出电压动态跌落的本质原因,为后续开展优化柴油发电机组的动态输出性能、提高其运行效率等方面的研究奠定了理论基础。其次,提出将带有储能环节的电能变换系统用于柴油发电机组电能质量优化的方案,并进一步提出包括无功功率补偿、基于e指数的动态有功功率补偿以及有源滤波技术在内的多目标统一电能质量调节控制策略,并从理论上分析所提出控制策略的有效性。同时对电能质量调节系统的电流内环矢量控制、锁相环技术进行了深入研究,并针对直流侧储能超级电容提出相应的能量管理策略及柔性充电电流控制策略,构建了一个完整的电能质量调节系统。最后,在理论分析的基础上，对超级电容的容值和滤波电感等关键参数进行了设计,获得了相应的设计原则。利用MATLAB/SIMULINK搭建了系统仿真模型,对所提出的控制方案及理论分析结果进行了详细的仿真研究,仿真结果表明,所提出的电能质量调节系统的获得了优良的控制性能,柴油发电机组的综合性能获得了明显提高,已经接近公共电网的输出特性。搭建了小功率实验平台,并进行了实验研究,实验结果验证了所提出方案和控制策略的正确性和可行性。

目录

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪论

课题背景及研究目的和意义

电能质量调节技术发展现状和趋势

本文主要研究内容

第2章 柴油发电机组动态特性分析

引言

柴油发电机组动态特性的数学描述

柴油发动机及其调速系统数学模型

同步发电机数学模型

励磁系统数学模型

负载突变时发电机组动态特性分析

柴油发电机组系统仿真模型

本章小结

第3章 统一电能质量调节系统及其控制策略

引言

系统的拓扑结构

系统数学模型

基于瞬时无功功率理论的补偿电流检测方法

系统控制策略

无功补偿原理及控制策略

动态有功功率补偿策略

有源滤波技术

电流内环控制

锁相环技术

直流侧控制策略

直流侧能量管理策略

直流侧充电电流控制

本章小结

第4章 关键参数设计及系统仿真

引言

关键参数选择

交流侧滤波电感的选择

直流侧超级电容的选择

系统整体仿真

系统仿真模型

无功补偿仿真

动态有功补偿仿真

有源滤波仿真

直流侧控制仿真

本章小结

第5章 电能质量调节系统实现及实验结果

引言

系统硬件

系统硬件结构

控制电路

系统软件

实验结果

本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及其他成果

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致 谢