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热声直线电机起振及发电控制策略的研究

高晓曦  
【摘要】:热声发电技术可以将太阳能、灶台余热及核反应堆余热等低品质热能转换为电能,并且具有工质无污染、工作可靠性高、成本低廉、使用寿命长和热源适应性强等诸多优点,是一种极具开发潜力的新型发电技术,近些年来被国内外研究学者广泛关注。热声发电系统(Thermoacoustic Electric Generator System,TAEGS)就是以热声发电技术为核心,并由热源收集装置、行波热声发动机、单相圆筒型永磁直线电机和后续储能装置构成。尽管热声发电系统具有以上优点,但是其能量转换效率还很低,尤其是系统输出电功能力较弱,并且还存在热声直线电机起振难等缺点。因此,通过选择合适的控制策略,可以解决热声直线电机起振困难和系统输出电功能力弱的问题。本文针对热声发电系统输出特性进行以下几方面的研究:首先,分别介绍行波型热声发动机和单相圆筒型永磁直线电机的基本结构,并对其工作原理进行分析。在充分了解两个子系统的基础上,根据其物理模型搭建热声发电系统的电-力-声互联模型,并对系统的谐振特性进行分析。同时,对本文所研究的热声发电系统进行介绍,为热声发电系统控制策略的研究提供理论依据。其次,对热声发电系统起振阶段的控制策略进行研究。在热声发电系统起振阶段,单相圆筒型永磁直线电机采用行程、电流控制的控制策略,并分别对正弦电流控制、改进的方波电流控制和基于反电动势检测的电流起动控制方案进行比较和分析,通过Matlab/Simulink进行仿真分析,进一步验证控制策略的可行性。最后,研究了热声发电系统发电阶段的控制策略。采用瞬时直接电流控制方案,来控制单相电压型桥式PWM整流电路,并对控制方案中所采用PI控制器的电压外环和电流内环进行参数设计,进而获得单位功率因数,即使交流侧电压和电流相位相同,改善热声发电系统的输出特性和转换效率。同时,对外接负载电阻突变时系统运行状态的变化进行研究。通过Matlab/Simulink进行仿真分析,验证理论分析与控制方案的正确性。


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