井下风机应急供电储能装置控制技术研究

摘要

煤与瓦斯突出的井下掘进工作面，若通风不畅瓦斯极易聚集，瓦斯浓度达到一定值遇轻微火花即可造成重大爆炸事故，所以要求工作面局部通风机不间断运转。为解决工作面因主局部通风机停风导致的生产中断及人员伤亡等问题，局部通风机的供电可靠性和连续性至关重要，因此本文对现有掘进工作面局部通风机供电系统进行改进，设计了一种用于主局部通风机应急供电的储能装置，以实现风机的不间断供电和持续稳定运行。 本文首先分析了井下掘进工作面通风机的供电系统，针对其出现供电中断的问题，分析了储能装置两种工作模式的功能需求，并在此基础上进行总体方案设计，包括装置接入煤矿配电网的方式、双级式功率变换系统(PCS)结构、装置容量和运行控制策略。根据风机耗能进行储能装置电池组容量设计，采用一种基于电池“浅充浅放”工作状态的设计方法，匹配单体电池容量和个数，使电池组处于最佳工作状态。 在应急电源模式下，基于储能装置所接入的煤矿配电网输电线路工况，对传统下垂曲线进行校正，根据新的下垂控制曲线得到了储能装置应急电源模式下PWM变流器的控制方法。为了验证下垂控制策略的有效性，利用Matlab/Simulink搭建系统模型进行仿真实验。仿真结果表明采用校正下垂控制策略的变流器在储能装置应急电源模式下具备良好的工作性能，能实现主局部通风机供电电源从专用电源到储能装置的快速、无缝切换。 在备用充电模式下，针对传统三段式充电过程中存在的充电电压过高、充电方式切换延迟导致过充等损害电池的问题，研究了一种柔性切换控制方法，实现了充电模式之间的无缝平滑切换，并与未采用柔性切换的充电过程进行仿真对比。仿真结果表明采用柔性切换的三段式安全充电控制策略可以改善不同充电阶段过渡时的平滑度，有效避免了充电电压过高、切换冲击等问题对电池容量和寿命的不利影响。 本文进行了应急储能装置的总体设计和两种模式下控制策略的研究，为实现装置在井下掘进工作面局部通风机供电系统的实际应用提供了参考，具有一定的应用价值。

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致谢

变量注释表

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.2.1 井下局部通风机供电现状

1.2.2 储能技术研究现状

1.2.3 电池充放电控制研究现状

1.2.4 储能双向变流器控制方法研究现状

1.3 本文研究内容

2 应急储能装置总体设计方案

2.1应急供电储能装置功能设计

2.1.1 井下局扇供电方式分析

2.1.2 储能装置应急供电投入机制和接入方式

2.1.3 应急储能装置的整体结构

2.2 储能装置电池侧研究

2.2.1 储能器件选择

2.2.2 电池组容量最优设计

2.3本章小结

3 储能装置功率电路数学建模

3.1 BDC变换器建模分析

3.1.1 非隔离半桥型DC/DC变换器拓扑

3.1.2 BUCK/BOOST电路工作模式分析

3.1.3 主电路参数设计

3.1.4 BDC变换器数学建模

3.2 储能双向变流器建模分析

3.2.1 三相电压源型全桥变流器拓扑

3.2.2 LC型滤波器设计

3.2.3 三相全桥变流器数学建模

3.2.4 基于同步旋转坐标下的变量解耦控制

3.3本章小结

4 储能装置应急电源模式控制策略研究

4.1 储能装置应急供电主电路

4.2BDC变换器控制策略

4.2.1 电池放电过程

4.2.1 BDC变换器输出恒压控制策略

4.2.2 电压电流环PI参数设计

4.2.3 BDC变换器控制仿真验证

4.3储能变流器控制策略

4.3.1 下垂控制原理

4.3.2 基于低压配电网校正的下垂控制方程

4.3.3 电压电流环PI参数取值

4.3.4 功率环设计

4.4 基于低压配电网校正的下垂控制策略仿真验证

4.5 本章小结

5 储能装置备用充电模式控制策略研究

5.1储能PWM变流器控制方法

5.1.1 PWM整流器运行控制

5.1.2 PWM变流器整流运行控制仿真验证

5.2 储能电池组安全充电控制策略

5.2.1 电池充电过程

5.2.2 基于电池状态反馈的三段式安全充电控制策略

5.2.3 充电方式柔性切换控制算法

5.3 电池安全充电控制策略仿真

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

作者简历

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