超级电容器储能脉冲电源的研究

论文摘要

电磁弹射器具有推力大、可控性好以及可重复使用性等优点,所以有着极为广泛和深远的应用前景。本项目中所用的电磁弹射器主要由永磁同步直线电动机、功率变换器和能量存储系统三大部件构成,储能技术是电磁弹射技术重要的研究热点之一,与化学电池相比,超级电容器最主要的特点是功率密度高,能够瞬间释放巨大的能量,是一种高功率二次电源。本文针对电磁弹射的短时大功率运行工况的特点,对超级电容器有限能量存储技术进行了研究。首先,通过查阅国内外文献,介绍电磁弹射对能源系统高功率密度电源的要求,综述当今各种主要的储能技术的发展及超级电容器作为优秀储能元件的国内外应用和产业现状,总结了超级电容器有限能量存储应用的关键技术。其次,对超级电容器工作原理和储能机理进行分析,在此基础上通过对超级电容器储能元件的大量充放电实验研究其电气特性,并且根据这些特性建立超级电容器在电磁弹射应用背景下高功率脉冲放电的电气参数模型,研究模型参数对高功率输出的影响,在MATLAB里面进行仿真。再次,针对有限能量存储的特点以及电磁弹射器运行工况(往复加减速),分析弹射器对能源系统的功率和能量要求。针对等效串联电阻对快速脉冲功率输出的影响,研究电解电容与超级电容补偿组合的储能方案,然后在有限能量输出背景下从能量和功率限制角度提出了有限能量存储的匹配设计方法和要求。另外,针对永磁同步直线电机能量再生的高速回馈制动,研究了直流侧超级电容器有限能量存储的高速脉冲回馈充电,最大发电效率仿真结果表明超级电容器能量存储系统能够大电流快速回收系统制动时的部分动能,有利于提高系统的利用效率。最后,搭建超级电容器大功率脉冲短时放电的实验平台,对超级电容器储能系统进行有限能源驱动的电磁弹射实验测试,实验结果表明此能量存储系统能够瞬间输出较大的功率,可以很好的满足电磁弹射器对短时高功率脉冲电源的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 论文的背景及研究意义
• 1.1.1 脉冲功率型永磁直线同步电机电磁弹射器
• 1.1.2 电磁弹射高功率脉冲电源
• 1.2 能量存储技术的现状与超级电容器储能
• 1.2.1 各种能量存储技术的现状与特点
• 1.2.2 超级电容器储能的特点
• 1.3 超级电容器储能的国内外产业与应用发展现状
• 1.3.1 国内外产业发展现状
• 1.3.2 国内外应用现状
• 1.4 论文的主要研究内容
• 第2章 超级电容器电气特性与脉冲功率模型研究
• 2.1 引言
• 2.2 超级电容器结构与储能机理
• 2.2.1 超级电容器的分类
• 2.2.2 超级电容器的储能机理
• 2.3 超级电容器充放电特性研究
• 2.3.1 恒流充放电特性
• 2.3.2 恒功率充放电特性
• 2.3.3 浮冲充电特性
• 2.3.4 恒压充电特性
• 2.3.5 恒阻放电特性
• 2.3.6 脉冲循环充放电特性
• 2.4 超级电容器脉冲功率模型与模型参数分布特性
• 2.5 本章小结
• 第3章 脉冲负载下超级电容器有限能量存储的设计
• 3.1 引言
• 3.2 超级电容有限能量存储的脉冲运行工况分析
• 3.3 影响快速脉冲功率输出的因素
• 3.3.1 等效分布电感的影响
• 3.3.2 等效串联电阻的影响
• 3.4 有限能量供应的脉冲负载下能量和功率约束的电源设计
• 3.4.1 能量约束匹配
• 3.4.2 功率约束匹配
• 3.5 超级电容器与电解电容的组合方案
• 3.6 本章小结
• 第4章 超级电容器储能的快速脉冲回馈充电的研究
• 4.1 引言
• 4.2 快速制动脉冲能量再生回馈的影响
• 4.3 电磁弹射快速制动超级电容器脉冲回馈的能量流动过程
• 4.4 电磁弹射快速制动发电状态控制系统的数学模型
• 4.4.1 脉冲发电状态的整流数学模型
• 4.4.2 脉冲能量回馈控制系统数学模型
• 4.4.3 超级电容器能源系统数学模型
• 4.5 电磁弹射快速制动超级电容器脉冲回馈的控制策略
• 4.6 仿真结果与分析
• 4.7 本章小结
• 第5章 超级电容器储能电源的高功率脉冲特性实验
• 5.1 引言
• 5.2 超级电容器有限储能大功率脉冲负载实验
• 5.2.1 实验平台
• 5.2.2 充电特性实验
• 5.2.3 匀速实验
• 5.2.4 均衡保持特性实验
• 5.2.5 加减速实验
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢