混合能源系统若干关键部件的研究

论文摘要

传统化石能源紧缺、环境危机、集中式供电模式下的局限性等问题促使越来越多的人开始关注混合能源系统。区别于一般分布式供电系统,混合能源系统具有两大特点,一是通过系统内部多种微型能源与储能装置的合理配置实现优势互补,二是通过执行负荷均衡化的控制策略来实现用户侧高标准电能需求与实际电能供给的一致性。作为用于实现这些特点的两个关键部件,混合能源系统中的储能装置和并网变换器成为论文的研究重点。论文从建立一个典型混合能源系统的角度出发,对混合能源系统的结构、部件选择、部件建模、主电路设计等理论问题进行了系统的分析与总结,然后针对飞轮储能装置以及多功能并网变换器这两个关键部件,通过理论分析、仿真验证以及实验进行了深入的应用研究。首先,论文基于对储能装置各项指标的总结、比较以及混合能源系统中的具体储能要求,选择飞轮储能装置和钠硫电池储能装置作为系统中的储能环节。随后从负荷均衡化控制策略的思路出发,提出了多功能并网变换器的概念,并根据多功能并网变换器功能复合化的要求,在三相四线制电网背景下,对电容中分式、四桥臂式、三单相全桥式并网变换器的拓扑进行了深入的建模与量化对比分析,最终给出了合适的并网变换器拓扑。其次,在确定了各部件的选择和功能定位后,论文对光伏电池、钠硫电池以及飞轮储能装置的特性进行了全面的分析,建立了相关的等效电路模型、热模型、性能评价指标以及机电方程,同时给出了适合它们的电力电子接口电路,接着对并网变换器的控制模型进行了简要分析,并通过仿真分析对这些模型进行了验证。完成了混合能源系统实验样机的主回路设计。对于飞轮储能装置,论文给出了选择高强度飞轮材料、形状以及加工工艺的建议,随后对驱动高速飞轮的电机类型进行了简要的探讨,最后对飞轮储能装置中的轴承解决方案进行了重点研究。论文根据卧式和立式两种飞轮结构,提出了三极式逆变器供电的电磁径向轴承和交错式永磁轴向推力轴承这两种新型轴承。对于三极式逆变器供电的电磁径向轴承,论文通过基于等效磁路法的解析分析以及有限元仿真分析软件的验证,得到了该轴承转子的电磁力状态方程,根据该方程的解耦特点提出了基于位移PID控制与电流滞环控制的双闭环控制方法,并通过先进的场路耦合仿真技术对该种控制方法进行了验证。对于交错式永磁轴向推力轴承,论文提出基于电流片模型对该轴承的磁力进行解析建模,得到了一个便于求解的可用于单对或多对同轴磁环或者磁块阵列磁力计算的解析表达式,随后通过两维和三维有限元仿真分析软件的计算对该解析表达式进行了验证。根据该表达式,完成了交错式永磁轴向推力轴承的设计与制作,并最终通过所搭建的飞轮储能实验平台对该种推力轴承的性能进行了实验验证。由于多功能并网变换器在执行负荷均衡化策略时,具体的软硬件实现上会发生相应的变化,论文首先对多功能并网变换器的控制结构与主电路结构进行了分析,根据这些结构的特点对电流指令信号的获取、电网接口电路的设计进行深入的分析。其中针对谐波检测在具体电路实现时所遇到的硬件电路延时与硬件电路检测误差问题,分析了采用无锁相环技术对谐波检测带来的影响,并引入通用瞬时无功理论中的波形相关系数概念,分析了硬件延时对检测精度的影响,提出了一种考虑硬件延时补偿的无锁相环同步坐标变换检测法,并进行了仿真的验证。随后论文提出利用隔离变压器的漏抗与传统LC滤波器构成对高频信号抑制能力更强的LCL滤波器作为多功能并网变换器的并网接口电路,并给出了相应的设计原则。最后在前述工作基础上对多功能并网变换器的硬件电路实现与控制软件设计进行了介绍,完成了一台15kVA三单相全桥结构多功能并网变换器的制作。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1. 绪论
• 1.1 课题的背景和意义
• 1.1.1 多重危机下的应对
• 1.1.2 集中式供电模式的局限性
• 1.1.3 负荷均衡化的解决策略
• 1.2 混合能源系统概述
• 1.2.1 拓扑结构
• 1.2.2 控制结构
• 1.2.3 关键部件
• 1.3 混合能源系统的研究现状与应用前景
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.3.3 应用前景
• 1.4 本文的主要研究内容
• 2. 混合能源系统结构与关键部件的选择
• 2.1 设计指标
• 2.2 混合能源系统结构的选择
• 2.3 储能装置的选择
• 2.3.1 储能技术的分类
• 2.3.2 各类储能技术的对比与分析
• 2.3.3 飞轮储能的特点与优势
• 2.3.4 钠硫电池的特点与优势
• 2.4 并网变换器的选择
• 2.4.1 并网变换器的功能复合化
• 2.4.2 三相四线制下的并网变换器拓扑选择
• 2.5 本章小结
• 3. 混合能源系统的主电路设计与部件建模
• 3.1 主电路设计
• 3.1.1 直流母线电压的选择
• 3.1.2 各部件的功能与要求
• 3.2 光伏电池的模型
• 3.2.1 光伏单元的特性
• 3.2.2 光伏单元的电路模型
• 3.2.3 光伏单元的热模型
• 3.2.4 光伏电池的电力电子接口电路
• 3.3 钠硫电池的模型
• 3.3.1 钠硫单元的特性
• 3.3.2 钠硫单元的电路模型
• 3.3.3 钠硫电池的电力电子接口电路
• 3.4 飞轮储能装置的模型
• 3.4.1 飞轮储能的基本公式
• 3.4.2 储能飞轮的评价指标
• 3.4.3 飞轮储能装置的机电方程
• 3.4.4 飞轮储能装置的电力电子接口电路
• 3.5 多功能并网变换器的模型
• 3.6 模型验证
• 3.6.1 示例一
• 3.6.2 示例二
• 3.7 本章小结
• 4. 飞轮储能装置的设计与测试
• 4.1 飞轮本体的研究
• 4.1.1 材料的选择
• 4.1.2 形状的选择
• 4.1.3 加工工艺的选择
• 4.2 飞轮的驱动
• 4.3 飞轮储能装置中轴承的解决方案
• 4.3.1 三极式逆变器供电的电磁径向轴承
• 4.3.2 交错式永磁轴向推力轴承
• 4.4 飞轮储能实验平台的测试
• 4.4.1 飞轮本体
• 4.4.2 实验平台结构
• 4.4.3 实验结果与说明
• 4.5 本章小结
• 5. 多功能并网变换器的设计
• 5.1 多功能并网变换器的构成
• 5.1.1 电流环控制结构
• 5.1.2 主电路结构
• 5.2 电流指令信号的获取
• 5.2.1 同步坐标变换检测法的原理和改进
• 5.2.2 检测电路的硬件延时补偿
• 5.2.3 仿真分析
• 5.3 滤波器和隔离变压器的设计
• 5.3.1 隔离变压器的选择
• 5.3.2 LCL滤波器的设计
• 5.4 多功能并网变换器的样机研制
• 5.4.1 硬件电路设计
• 5.4.2 控制程序开发
• 5.4.3 实验装置
• 5.5 本章小结
• 6. 结论与展望
• 6.1 对本文工作的总结
• 6.2 对今后工作的展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表和录用的论文
• 攻读博士学位期间主要承担的科研项目