非补燃式压缩空气储能系统动态建模仿真与控制策略研究

发布时间：2017-10-24 03:35

  本文关键词：非补燃式压缩空气储能系统动态建模仿真与控制策略研究

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【摘要】：随着化石燃料的不断燃烧而导致经济与环境问题的日益严重,大规模的储能技术是解决风能、太阳能等可再生能源的波动性问题行之有效的方法。压缩空气储能在众多储能方式中具有不受地理限制、储能效率高、经济性能高的特点,因此有望成为最具前景的储能方式之一。本文首先对压缩空气储能系统的原理和组成部分做了比较详细的介绍,分别建立了涡旋压缩机、石子填充床、储气室、涡旋膨胀机、超级电容单元以及PWM与永磁发电机一体化模型。由Matlab数值计算方法求解了填充床内流体一维非稳态导热-扩散两相模型的偏微分方程,并利用ANSYS FLUENT仿真软件对填充床蓄冷蓄热过程进行了仿真研究,得到了适用于控制系统建模的数学模型;建立了涡旋压缩机几何模型,腔室内气体质量动态方程,主轴运动方程和腔室内气体压力动态方程;结合理想气体的状态方程和能量守恒方程,以储气室内气体体积为控制变量,得到了储气室内气体温度,压力和质量的状态方程;根据能量守恒方程和质量守恒方程得到关于涡旋膨胀机腔室内气体的压力,温度,质量和腔室内气体瞬态体积变化的状态方程以及PWM与永磁发电机一体化模型;其次文章介绍了单输入单输出与多输入多输出精确线性化的理论和方法,并以储气室作为被控对象,设计了精确反馈线性化控制器,仿真实验研究了在输入端施加阶跃信号后改变进气阀和出气阀开度能够使储气室内气体的温度和压力迅速回到平衡点;紧接着文章介绍了基于Matlab通过C语言接口函数和Fluent的UDF扩展功能实现了两个软件接口,并在Gambit与Matlab中分别搭建了储气室模型和控制器模型,实现了两个软件之间的协同仿真。最后主要研究了压缩空气储能与超级电容混合膨胀发电系统最优跟踪控制,并且基于最优跟踪控制理论利用精确反馈线性化的方法为超级电容单元设计了状态反馈精确线性化最优控制率,用于平滑在启动、停机与突加负载时刻电网负荷引起功率的剧烈变化,同时利用最优控制理论为PWM与永磁发电机一体化模型设计了最优控制率,跟踪某地24小时的负荷曲线。仿真实验表明基于精确反馈线性化最优跟踪控制的理论和方法能够充分发挥压缩空气储能与超级电容各自的优势,实现了电网负荷的快速寻优和跟踪。本文的最后对压缩空气储能系统未来研究工作的重点以及压缩空气储能系统在新能源领域的运用进行了展望。
【关键词】：压缩空气储能 蓄冷蓄热 精确反馈线性化 最优跟踪 协同仿真
【学位授予单位】：河北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK02
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 课题研究的背景11-14
• 1.1.1 选题背景11-12
• 1.1.2 储能系统的分类12-13
• 1.1.3 压缩空气储能系统研究现状13-14
• 1.2 课题研究意义及主要内容14-17
• 第2章 压缩空气储能系统的动态数学模型17-38
• 2.1 压缩空气储能系统工作原理及组成17-18
• 2.2 涡旋压缩机模型18-21
• 2.2.1 涡旋压缩机几何建模18-19
• 2.2.2 腔室内气体质量动态方程19
• 2.2.3 涡旋压缩机主轴运动方程19-20
• 2.2.4 腔室内气体压力动态方程20-21
• 2.3 石子填充床蓄热模型21-30
• 2.3.1 流体力学基础22-24
• 2.3.2 基于填充床一维非稳态导热-扩散传热模型理论分析24-28
• 2.3.3 填充床储热特性仿真研究28-30
• 2.3.4 填充床储热特性数值分析30
• 2.4 储气室模型30-32
• 2.5 膨胀发电系统模型32-38
• 2.5.1 涡旋膨胀机动态系统模型32-34
• 2.5.2 PWM与永磁发电机一体化模型34-35
• 2.5.3 超级电容单元模型35-36
• 2.5.4 Boost变换器单元的建模36-38
• 第3章 压缩空气储能系统储气室反馈线性化控制38-52
• 3.1 非线性系统的微分几何基础38-40
• 3.2 单输入单输出系统非线性反馈的基本原理40-42
• 3.3 多输入多输出系统非线性反馈的基本原理42-45
• 3.4 储气室研究现状45-47
• 3.5 储气室反馈线性化控制器的设计47-49
• 3.6 控制系统仿真实验49-50
• 3.7 结论50-52
• 第4章 基于FLUENT/MATLAB接口的压缩空气储能系统协同仿真研究52-58
• 4.1 控制系统仿真实验原理52-53
• 4.2 Fluent/Simulink协同仿真方案53-55
• 4.3 基于Fluent/Matlab储气室协同仿真模型建立及验证55-58
• 4.3.1 几何模型的建立与网格的划分55-56
• 4.3.2 基于Fluent/Matlab接口的储气室仿真研究56-58
• 第5章 压缩空气与超级电容储能膨胀发电系统建模与最优跟踪负荷控制58-71
• 5.1 持续扰动的线性定常系统的最优输出跟踪控制58-61
• 5.1.1 问题描述58-60
• 5.1.2 最优调节器的设计60-61
• 5.2 压缩空气与超级电容混合储能膨胀发电研究现状61-66
• 5.2.1 压缩空气与超级电容混合膨胀发电系统的建模62-63
• 5.2.2 Boost变换器单元的建模63-64
• 5.2.3 超级电容单元的建模64-65
• 5.2.4 涡旋膨胀机动态系统模型65-66
• 5.2.5 PWM与永磁发电机一体化模型66
• 5.3 控制系统的设计与仿真研究66-70
• 5.4 总结70-71
• 第6章 总结与展望71-73
• 6.1 内容总结71-72
• 6.2 研究展望72-73
• 参考文献73-81
• 致谢81-82
• 攻读硕士期间完成的论文及参加科研情况82

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