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热声发电系统阻抗匹配性负载设计及控制研究

宋孟霖  
【摘要】:热声发电技术能够将太阳能、工业余热等低品质热源转化为电能,并且具有污染小、工作可靠、成本低等优点,是一种具有发展潜力的新型发电技术。热声发电技术通过热声发动机将热能转换为声能,再拖动直线发电机将声能转换为电能。尽管热声发电技术应用前景好,但是热声发电系统的能量转换效率还很低,尤其是系统输出电功率能力较弱,因此通过合适的控制策略,提高热声发电系统输出的电功率是亟待解决的问题。 本文通过对热声发电系统的电负载特性进行分析,设计了应用于热声发电系统的阻抗匹配性负载。在蓄电池负载下,通过对此进行控制,在热声发电系统稳态运行时,使发电机工作在单位功率因数状态下,并且使系统输出电压一直高于蓄电池电压,提高系统的能量转换效率及声电转换效率,具体内容如下: 首先,根据热声发电系统阻抗运行特性,建立了应用于热声系统中的永磁直线发电机的数学模型。通过分析得出热声发电系统处于电路谐振运行将提高声电转换效率的结论。并且针对不同的电负载值,系统的声电转换效率与输出电功的能力分别存在不同的最大值。 其次,设计了热声发电系统阻抗匹配性负载。对于阻抗匹配性负载电路,采用双闭环直接电流控制策略。所设计的滤波电路可以抵消系统运行时产生的谐波振荡,使系统输出电压保持稳定。 再次,通过使用Matlab/simulink软件搭建热声发电系统中永磁直线发电机和阻抗匹配性负载的电路仿真模型。分别对不同电阻负载和不同驱动力频率条件进行仿真,并对结果进行曲线拟合,观察变化规律,得出电谐振比非电谐振状态声电转换效率有所提高。分别搭建假定输出电压恒定和结合永磁直线发电机模型的热声发电系统,仿真验证了蓄电池负载下,阻抗匹配性负载可以使系统工作在非电谐振与电谐振状态,并且都可以使蓄电池充电效率提高,也使系统整体效率得以提高。 最后,设计并搭建了热声发电系统及电能存储电路的实验平台,并使用PWM整流电路进行电能处理,对电路单位功率因数运行进行调试,验证了控制策略及所设计电路的可行性和有效性。


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