基于超级电容的矿井提升机能量回馈控制系统的研究与实现

摘要

矿井提升机数量众多、能耗巨大，在矿山正常作业中有着举足轻重的作用。由于提升机在上下频繁运行过程中会产生大量的制动能量，通常是在直流母线中并入大功率电阻将这部分能量消耗掉，不仅散发出大量的热量使控制机房温度升高影响控制稳定性，而且造成了极大的能量浪费。为了实现节能减耗、绿色发展的目标，矿井提升机回馈节能技术成为很多企业和部门的研究热点之一。
　　当前提升机回馈节能技术分为超级电容储能节能系统和电能回馈并网节能两个主要研究方向。电能回馈并网交换电能会对电网造成谐波污染，超级电容储能回馈系统不与电网交换电能，并且能够循环利用提升机制动回馈电能，有效提高了能量利用率，因此研究者对超级电容储能回馈技术在矿井提升机中的应用研究较多。通过对储能回馈系统的研究发现：直流母线电压波动时控制器不能对控制量进行准确控制，降低了超级电容的能量存储释放效率，从而使能量回馈系统的节能效率降低。针对这一问题本文在传统的双向DC-DC变换器能量回馈控制系统的基础上设计出模糊控制优化方案。首先对矿井提升机能量流动状态及运行状态分析，推算出能量回馈系统各种基础器件使用参数。然后对传统双向DC-DC变换器各控制环节深入研究，选择调节PI控制的给定指令作为优化方法，理论验证后设计出两个模糊控制器。最后以矿井提升机电网侧交流电压波动和超级电容电流作为实时采样值，加入两个模糊控制器分别根据两个采样值在线动态调整直流母线参考电压，通过优化使控制器对控制量更准确控制，提高超级电容的充电放电效率，使矿井提升机能量回馈系统能量利用率提高。
　　根据本文的控制方案，搭建了MATLAB/Simulink仿真及模拟实验平台。仿真及实验结果表明，本文研究方案能够在电网电压扰动引起直流母线电压波动时，有效提高矿井提升机对制动能量的吸收利用率。

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摘 要

Abstract

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Content

1 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 矿井提升机能量回馈系统的发展现状

1.3 超级电容的发展现状及特点

1.4 本文的主要研究内容

2 矿井提升机能量回馈系统的整体结构与分析

2.1 矿井提升机能量回馈系统整体结构

2.2 矿井提升机能量流向与运动状态分析

2.2.1 能量流向分析

2.2.2 运行状态分析

2.3 超级电容等效模型分析

2.4 直流斩波电路

2.5 本章小结

3 矿井提升机能量回馈控制系统控制策略研究

3.1 传统双向DC-DC变换器能量回馈控制策略问题分析

3.1.1 传统双向DC-DC变换器能量回馈控制策略

3.1.2 传统双向DC-DC变换器能量回馈控制策略问题分析

3.2 基于模糊控制的双向DC-DC变换器能量回馈控制策略研究

3.2.1 基于模糊控制的双向DC-DC变换器能量回馈控制策略

3.2.2 模糊控制器设计

3.2.3 直流母线参考电压算法

3.2.4 基于模糊控制的双向DC-DC变换器能量回馈控制策略效果分析

3.3 本章小结

4 矿井提升机能量回馈系统仿真模型及结果分析

4.1 建立矿井提升机能量回馈系统仿真模型

4.2 传统控制与模糊控制仿真结果对比分析

4.2.1 传统控制仿真

4.2.2 模糊控制仿真

4.2.3 仿真结果对比分析

4.3 本章小结

5 矿井提升机能量回馈系统实验及结果分析

5.1 系统硬件设计

5.1.1 控制芯片

5.1.2 电源电路

5.1.3 采样电路设计

5.1.4 调理电路设计

5.1.5 直流斩波电路

5.2 系统软件设计

5.3 实验验证与波形分析

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致 谢

科学研究和学习经历简介

攻读硕士期间主要成果