储能电感充放电控制及应用

论文摘要

电感储能技术是利用电感线圈将电网中的能量以电磁能的形式存储起来,在需要时将电磁能返送回电网或作其他用途的储能技术,通常也叫(电)磁储能,对常导电感线圈而言,由于其本身的内阻较大,自身损耗较大,不能实现有效能量存储。随着超导技术的发展,超导电感储能(SMES: Superconducting electromagnetic energy storage)越来越凸现其优越性,相对于其它储能技术而言,因其储能容量大、控制简单等优点,因而其在电力系统、风力发电、光伏发电、超导托卡马克装置、脉冲电源、不间断供电电源等方面都有着广泛的应用前景。本论文首先在参阅近几十年来国内外相关文献的基础上,讨论了超导磁储能装置的研究现状和发展趋势,并介绍了超导储能的基本原理及其结构,对超导储能相关技术作了广泛的研究。然后,在理想情况下分析了电磁储能的充电、储能和放电过程,即能量存储和释放过程。为了研究电路参数对储能过程的影响,本文提出了一个电磁储能的实验模型,使用Matlab软件中的Matlab/Simulink方法,对电磁储能过程进行了仿真分析。为了验证电磁储能仿真的结果,本文针对常导线圈储能技术,设计并搭建了电磁储能试验电路和储能时间测量电路。在实验中,通过改变充电电流大小和使用液氮冷却电感线圈改变储能回路电阻等方式,研究了相关电路参数对储能过程的影响,得到了与仿真一致的结果。通过研究表明常导线圈由于回路的等效电阻较大,用于电磁储能时,并无多大的实用价值。并在此基础上,分析了超导线圈用于电磁储能的优越性。通过这些研究一方面对电路参数对储能过程的影响有了更为深入的理解和得到了更为直观的印象,另一方面也为下一步超导线圈的储能性能的研究建立了实验方案。由于在电磁储能系统中,若不对放电过程加以控制,其能量将呈指数迅速衰减。故在实际应用中,往往需要对负载电压或电流进行控制。为此,本文在最后一章提出了一套超导电磁储能恒压控制方案,在在对该方案进行分析与仿真的基础上,利用PWM集成控制器设计了验证电路,验证了该控制方案的可行性。最后在此基础上搭建了超导储能在UPS中的应用的电路模型,并通过仿真证明其是可行的,为超导电磁储能的实际应用研究奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 超导储能基本原理
• 1.3 超导电磁储能系统结构
• 1.2.1 超导线圈
• 1.2.2 冷却系统
• 1.2.3 电流引线
• 1.2.4 失超检测与保护系统
• 1.2.5 超导开关
• 1.2.6 控制系统
• 1.4 超导电磁储能研究进展
• 1.5 超导电磁储能的应用及研究方向
• 1.6 本文研究内容
• 第二章 电磁储能过程分析与仿真
• 2.1 电磁储能的电路模型
• 2.2 电磁储能充电分析
• 2.3 电磁储能过程分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 电磁储能过程实验设计
• 3.1 电磁储能实验电路的设计与分析
• 3.2 小电流电磁储能实验电路的设计与测量
• 3.2.1 实验用储能电感的绕制
• 3.2.2 储能及计时电路的设计
• 3.2.3 实验电路的仿真与测量
• 3.3 大电流储能电路的设计与测试
• 3.3.1 电路的搭建
• 3.3.2 电流检测方案的选择
• 3.3.3 改变充电电流时储能时间的测量
• 3.3.4 改变回路电阻实验
• 3.4 本章小结
• 第四章 电磁储能控制电路设计与验证
• 4.1 超导电磁储能控制方案的提出
• 4.2 电磁储能控制电路的分析与设计
• 4.2.1 控制过程分析
• 4.2.2 电感储能的控制方案仿真
• 4.2.3 超导储能线圈及其杜瓦设计
• 4.2.4 开关元器件和控制芯片的选择
• 4.3 控制方案的验证
• 4.3.1 PWM 控制芯片的工作原理
• 4.3.2 恒流放电控制的实现
• 4.3.3 结果分析
• 4.4 超导电磁储能应用研究
• 4.4.1 超导电磁储能应用介绍
• 4.4.2 超导电磁储能在UPS 系统中的应用方案
• 4.5 本章小结
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果