本文關鍵詞：非補燃式壓縮空氣儲能系統(tǒng)動態(tài)建模仿真與控制策略研究

  更多相關文章： 壓縮空氣儲能 蓄冷蓄熱 精確反饋線性化 最優(yōu)跟蹤 協(xié)同仿真

【摘要】：隨著化石燃料的不斷燃燒而導致經(jīng)濟與環(huán)境問題的日益嚴重,大規(guī)模的儲能技術是解決風能、太陽能等可再生能源的波動性問題行之有效的方法。壓縮空氣儲能在眾多儲能方式中具有不受地理限制、儲能效率高、經(jīng)濟性能高的特點,因此有望成為最具前景的儲能方式之一。本文首先對壓縮空氣儲能系統(tǒng)的原理和組成部分做了比較詳細的介紹,分別建立了渦旋壓縮機、石子填充床、儲氣室、渦旋膨脹機、超級電容單元以及PWM與永磁發(fā)電機一體化模型。由Matlab數(shù)值計算方法求解了填充床內(nèi)流體一維非穩(wěn)態(tài)導熱-擴散兩相模型的偏微分方程,并利用ANSYS FLUENT仿真軟件對填充床蓄冷蓄熱過程進行了仿真研究,得到了適用于控制系統(tǒng)建模的數(shù)學模型;建立了渦旋壓縮機幾何模型,腔室內(nèi)氣體質(zhì)量動態(tài)方程,主軸運動方程和腔室內(nèi)氣體壓力動態(tài)方程;結(jié)合理想氣體的狀態(tài)方程和能量守恒方程,以儲氣室內(nèi)氣體體積為控制變量,得到了儲氣室內(nèi)氣體溫度,壓力和質(zhì)量的狀態(tài)方程;根據(jù)能量守恒方程和質(zhì)量守恒方程得到關于渦旋膨脹機腔室內(nèi)氣體的壓力,溫度,質(zhì)量和腔室內(nèi)氣體瞬態(tài)體積變化的狀態(tài)方程以及PWM與永磁發(fā)電機一體化模型;其次文章介紹了單輸入單輸出與多輸入多輸出精確線性化的理論和方法,并以儲氣室作為被控對象,設計了精確反饋線性化控制器,仿真實驗研究了在輸入端施加階躍信號后改變進氣閥和出氣閥開度能夠使儲氣室內(nèi)氣體的溫度和壓力迅速回到平衡點;緊接著文章介紹了基于Matlab通過C語言接口函數(shù)和Fluent的UDF擴展功能實現(xiàn)了兩個軟件接口,并在Gambit與Matlab中分別搭建了儲氣室模型和控制器模型,實現(xiàn)了兩個軟件之間的協(xié)同仿真。最后主要研究了壓縮空氣儲能與超級電容混合膨脹發(fā)電系統(tǒng)最優(yōu)跟蹤控制,并且基于最優(yōu)跟蹤控制理論利用精確反饋線性化的方法為超級電容單元設計了狀態(tài)反饋精確線性化最優(yōu)控制率,用于平滑在啟動、停機與突加負載時刻電網(wǎng)負荷引起功率的劇烈變化,同時利用最優(yōu)控制理論為PWM與永磁發(fā)電機一體化模型設計了最優(yōu)控制率,跟蹤某地24小時的負荷曲線。仿真實驗表明基于精確反饋線性化最優(yōu)跟蹤控制的理論和方法能夠充分發(fā)揮壓縮空氣儲能與超級電容各自的優(yōu)勢,實現(xiàn)了電網(wǎng)負荷的快速尋優(yōu)和跟蹤。本文的最后對壓縮空氣儲能系統(tǒng)未來研究工作的重點以及壓縮空氣儲能系統(tǒng)在新能源領域的運用進行了展望。
【關鍵詞】：壓縮空氣儲能 蓄冷蓄熱 精確反饋線性化 最優(yōu)跟蹤 協(xié)同仿真
【學位授予單位】：河北大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TK02
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 緒論11-17
• 1.1 課題研究的背景11-14
• 1.1.1 選題背景11-12
• 1.1.2 儲能系統(tǒng)的分類12-13
• 1.1.3 壓縮空氣儲能系統(tǒng)研究現(xiàn)狀13-14
• 1.2 課題研究意義及主要內(nèi)容14-17
• 第2章 壓縮空氣儲能系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型17-38
• 2.1 壓縮空氣儲能系統(tǒng)工作原理及組成17-18
• 2.2 渦旋壓縮機模型18-21
• 2.2.1 渦旋壓縮機幾何建模18-19
• 2.2.2 腔室內(nèi)氣體質(zhì)量動態(tài)方程19
• 2.2.3 渦旋壓縮機主軸運動方程19-20
• 2.2.4 腔室內(nèi)氣體壓力動態(tài)方程20-21
• 2.3 石子填充床蓄熱模型21-30
• 2.3.1 流體力學基礎22-24
• 2.3.2 基于填充床一維非穩(wěn)態(tài)導熱-擴散傳熱模型理論分析24-28
• 2.3.3 填充床儲熱特性仿真研究28-30
• 2.3.4 填充床儲熱特性數(shù)值分析30
• 2.4 儲氣室模型30-32
• 2.5 膨脹發(fā)電系統(tǒng)模型32-38
• 2.5.1 渦旋膨脹機動態(tài)系統(tǒng)模型32-34
• 2.5.2 PWM與永磁發(fā)電機一體化模型34-35
• 2.5.3 超級電容單元模型35-36
• 2.5.4 Boost變換器單元的建模36-38
• 第3章 壓縮空氣儲能系統(tǒng)儲氣室反饋線性化控制38-52
• 3.1 非線性系統(tǒng)的微分幾何基礎38-40
• 3.2 單輸入單輸出系統(tǒng)非線性反饋的基本原理40-42
• 3.3 多輸入多輸出系統(tǒng)非線性反饋的基本原理42-45
• 3.4 儲氣室研究現(xiàn)狀45-47
• 3.5 儲氣室反饋線性化控制器的設計47-49
• 3.6 控制系統(tǒng)仿真實驗49-50
• 3.7 結(jié)論50-52
• 第4章 基于FLUENT/MATLAB接口的壓縮空氣儲能系統(tǒng)協(xié)同仿真研究52-58
• 4.1 控制系統(tǒng)仿真實驗原理52-53
• 4.2 Fluent/Simulink協(xié)同仿真方案53-55
• 4.3 基于Fluent/Matlab儲氣室協(xié)同仿真模型建立及驗證55-58
• 4.3.1 幾何模型的建立與網(wǎng)格的劃分55-56
• 4.3.2 基于Fluent/Matlab接口的儲氣室仿真研究56-58
• 第5章 壓縮空氣與超級電容儲能膨脹發(fā)電系統(tǒng)建模與最優(yōu)跟蹤負荷控制58-71
• 5.1 持續(xù)擾動的線性定常系統(tǒng)的最優(yōu)輸出跟蹤控制58-61
• 5.1.1 問題描述58-60
• 5.1.2 最優(yōu)調(diào)節(jié)器的設計60-61
• 5.2 壓縮空氣與超級電容混合儲能膨脹發(fā)電研究現(xiàn)狀61-66
• 5.2.1 壓縮空氣與超級電容混合膨脹發(fā)電系統(tǒng)的建模62-63
• 5.2.2 Boost變換器單元的建模63-64
• 5.2.3 超級電容單元的建模64-65
• 5.2.4 渦旋膨脹機動態(tài)系統(tǒng)模型65-66
• 5.2.5 PWM與永磁發(fā)電機一體化模型66
• 5.3 控制系統(tǒng)的設計與仿真研究66-70
• 5.4 總結(jié)70-71
• 第6章 總結(jié)與展望71-73
• 6.1 內(nèi)容總結(jié)71-72
• 6.2 研究展望72-73
• 參考文獻73-81
• 致謝81-82
• 攻讀碩士期間完成的論文及參加科研情況82

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