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[博士论文] 詹菲
化学工艺 大连理工大学 2018(学位年度)
摘要:作为海洋能(也称蓝色能源)的重要分支之一,盐差能,即两种不同浓度的盐溶液混合释放出来的吉布斯自由能,一般指入海口处河水与海水混合产生的能量,是一类潜力巨大但尚待开发的可再生能源。基于电化学电容器的电容混合技术是一项新兴的低成本的盐差发电技术——浓盐水和稀盐水交替流过电容混合器件的内部流道,使得离子与电极材料发生相互作用,引发电压和电流响应,从而把盐差能转变为电能。目前,基于双电层理论的对称/不对称双电层电容器和利用离子交换膜的膜电容器都能简单有效地实现盐差发电,然而,它们的盐差发电性能亟待提高。针对这一问题,本论文通过设计新型器件结构和新型功能化电极材料,大幅度提高了电容混合技术的盐差发电性能,助推和引领该技术的快速发展。主要研究内容和结论如下:
  (1)提出了杂化电容混合技术——利用电池型Na4Mn9O18(NMO)电极和电容型活性炭(AC)电极组成无膜杂化电容器用于盐差发电。电化学测试结果发现:电解液浓度对电极材料的电化学性能影响显著。20mM替换500mM NaCl溶液时,NMO电极和AC电极的开路电势分别下降89mV和升高55mV。NMO//AC杂化电容器的浓差响应电压可达110mV,短路电流峰值可达0.2Am-2。通过外部电源辅助的四步循环操作证明了杂化电容混合技术的可行性(输出平均功率6.9mW m-2)。
  (2)制备了季铵化聚(4-乙烯基吡啶)修饰的活性炭(AC-QPVP)和硝酸处理的活性炭(AC-HNO3)用作不对称电容器的电极材料。得益于完全相反的带电性,AC-QPVP和AC-HNO3电极的开路电势遇稀盐水分别升高70mV和下降80mV。AC-QPVP//AC-HNO3不对称电容器的浓差响应电压和短路电流峰值分别为150mV和13.2A m-2。在既不需要外部电源,也无离子交换膜的情况下,该器件可输出平均功率密度65mW m-2(外阻100Ω)。这表明,使用化学改性法得到的带反向电荷的功能性炭材料有效地提高了不对称电容混合技术的盐差发电性能。
  (3)开创性地设计了一种结合双电层电势和膜电压的新型电容混合器件:浓差电容器。它由电容型电极、膜、集流体和供浓/稀盐水交替流过的双通道组成。水热还原法制备的石墨烯水凝胶(GH)电极的浓差响应电压可达-81.2mV,且不随反应物浓度、水热时长或者双氧水加入量的改变而显著变化,但会随着CTAB(十六烷基三甲基溴化铵)浓度的升高而显著降低,表明GH超高的浓差响应电压主要归功于其较强的负电性。使用GH作对称电极和滤膜(FM)或阴离子交换膜(AEM)设计组装了GH//FM//GH和GH//AEM//GH两种浓差电容器。二者的浓差响应电压和短路电流峰值分别为166.7和288.5mV,13和37A m-2。随着外部电阻的增加,浓差电容器的电压不断增大,而电流不断减小,功率密度存在某一极值。当外阻为180Ω时,GH//FM//GH和GH//AEM//GH浓差电容器通过两步循环输出的最高平均功率密度可分别高达141.4mW m-2和482.4mW m-2。浓差电容器是一类结构简单、性能超高、成本较低和极具应用前景的新型电容混合技术。
[硕士论文] 刘亚东
电气工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:近年来,随着配电网中电力电子设备和感性负载的广泛应用,电网系统无功不足的问题也日益突出,为解决这个问题,通常需要装设无功补偿装置。但是传统的硬件电子电路组成的补偿装置存在补偿精度低、补偿速度慢、投切方式不合理等问题。因此,研制智能化、高速度、可靠性高的智能无功补偿装置,对低压配电网的无功补偿具有十分重要的意义。
  本文以对配电网进行无功补偿、提高功率因数、改善电能质量为背景,设计了一种基于TMS320F28335的低压智能电容器。首先研究探讨了智能电容器的工作原理,主要包括电容器无功补偿原理、补偿容量的确定、过零投切技术、电容器投切控制方式以及电网参数计算方法等。然后根据智能电容器的设计规范与标准,在考虑经济性、可靠性的条件下,确定智能电容器的整体设计方案。在投切方式上,选择电压、无功十一域图投切控制方式,避免了电容器“投切振荡”现象的出现。为了满足信号监测实时性的要求,电网参数的计算采用滑动FFT算法。
  设计的内容主要包括硬件电路设计和软件程序设计两部分。其中硬件设计主要有信号的采样和调理电路,辅助电源电路,复合开关电路,人机接口界面,温度检测电路,CAN总线通信电路以及DSP的外围电路等。软件设计采用CCS3.3开发环境进行程序的编写,并通过模块化设计思想,使软件设计更加简单易懂、便于编写调试。软件设计主要包括系统主程序以及各个子程序的设计,并给出相应的流程图以及对其进行详细地说明。最后通过MATLAB/Simulink对智能电容器组成的无功补偿系统进行仿真验证。
[硕士论文] 梁宇
电气工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:近年来,随着经济快速发展和传统能源不断枯竭,以太阳能为代表的新能源成为社会关注的重点。而储能装置是太阳能开发的过程中不可缺少的重要部分。超级电容器是一种新兴的储能装置,具有使用寿命长、制作材料环保、功率密度大等优势。因此,它成为储能领域内的宠儿。本文以光伏直流母线超级电容器储能系统为研究对象,对太阳能光伏发电板的最大功率点跟踪和超级电容器的充放电进行了详细的分析和研究,通过仿真软件验证了超级电容器储能系统对光伏直流母线稳压的效果。
  首先,根据太阳能电池的工作特性建立其通用的工程数学仿真模型,采用变步长扰动观测法控制策略控制Boost主电路实现对最大功率点的跟踪。
  其次,分析超级电容器的储能原理,建立适用于本研究的等效电路模型。选用多飞渡电容均压法进行仿真验证超级电容器均压电路的有效性,然后采用双向DC/DC变换器控制储能系统的充放电,实现能量的双向流动。设计储能系统的主电路参数,构建变换器的小信号传递函数,设计双闭环控制方法。并利用Matlab/Simulink仿真软件构建超级电容器储能系统的仿真模型,验证超级电容器储能系统对光伏直流母线的稳压效果。
  最后,为了实现系统功能设计硬件电路图和软件程序。硬件电路图包括电压采集电路、电流采集、电路驱动电路、辅助电源电路等。软件程序包括超级电容器储能系统的充放电控制算法主程序以及各个部分的子程序。
[博士论文] 丁骁
电气工程;电力电子与电力传动 华北电力大学;华北电力大学(北京) 2018(学位年度)
摘要:混合式高压直流断路器作为电力电子技术领域新型的高端电力装备,其工作原理和运行工况均有别于传统的交流断路器或中低压应用领域的直流断路器,迄今为止其电气试验尚没有可以参照的国际或国家标准。为验证混合式高压直流断路器设计的合理性和正确性,准确反映断路器电、热与机械等性能,开展混合式高压直流断路器运行试验方法研究迫在眉睫。本文在深入地研究直流断路器运行试验相关理论基础上,对混合式高压断路器运行特性和应力特性进行了解析。进而,基于断路器拓扑和应力参数,建立了混合式高压断路器系统级和器件级数学模型,并对毫秒级分断过程和微秒级换流过程相关应力特性及其影响因子进行研究,论证了整机应力和部件应力之间耦合关系。然后,根据应力特性和数学的研究结论,提出了混合式高压断路器运行试验成套方案,并详论述了最核心的分断试验方法,按照试验方案进行的试验其结果验证了仿真电路和数学分析的准确性。最后,提出了混合式高压断路器运行试验的等效性评价方法。
  本文从直流分断原理、混合式高压直流断路器功能材料基础、混合式高压直流断路器关键器件基础和混合式高压直流断路器电路拓扑基础四个递进层次,分析了混合式高压直流断路器实现能量终止和吸收功能实现的原理,提出了针对混合式高压直流断路器这两点特征功能考核的物理基础,为混合式高压直流断路器试验研究奠定了基础。
  本文在断路器拓扑和分断运行分析的基础上,详细研究了混合式高压直流断路器毫秒级分断全过程和微秒级换流过程相关应力特性,并论述了两种时间尺度暂态过程之间的联系,论证了毫秒级分断过程和微秒级换流过程相关应力特性及其影响因子。
  本文搭建了混合式高压直流断路器的PSCAD/EMTDC系统级运行数字仿真电路和器件级运行数字仿真电路,验证了关于混合式高压直流断路器毫秒级分断相关整机应力和微秒级换流相关部件应力规律,以及这两层应力特性之间的内在联系。
  本文提出了混合式高压直流断路器运行试验框架,提出了分别基于LC振荡电源、基于小电容恒压源以及基于大电感恒流源的三种分断试验方法,并在此基础上,构建了单源试验、双源合成试验、三源合成试验三种分断试验方案。此外,在实验室建设了混合式高压直流断路器运行试验装置,成功完成了200kV混合式高压直流断路器整机分断试验、部件试验和500kV混合式高压直流断路器重合闸试验。
  本文提取了混合式高压直流断路器型式试验等效性评价方法的核心,即具备工程实践意义的断路器应力等同关键参数。本文建立了基于整机应力和部件应力核心参数以及核心参数之间独立性和相关性联系的等效性评价方法,该方法能够正确评估断路器型式试验的等效性。
  本文结论可指导混合式高压直流断路器电气结构和试验系统的设计,指导断路器运行试验装置设计与验证,助力断路器工程推广与应用。
[硕士论文] 于洋
电气工程 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:忆阻器作为一种不同于电阻、电感、电容的新型基本电路元件,其概念由美籍华裔科学家蔡少棠于1971年首先提出。然而,此后对于忆阻器的研究却一直处于理论仿真层面。直到2008年,由惠普实验室利用纳米材料制作出世界上第一种实物忆阻器——TiO2忆阻器,验证了蔡少棠教授的忆阻器理论,引起了国内外广泛的关注。忆阻器的本质是由磁通量或者电荷量控制的具有非线性特性的电阻。由于具有纳米尺寸的特性,忆阻器可以用来作为非忆失性存储器。并且忆阻器的记忆功能与人类神经元的记忆原理很相似,可以应用于人工智能电路来模拟大脑神经元的突触行为。因此,忆阻器已经成为一个热点研究方向并且有广泛的应用前景。
  本文首先对忆阻器的基本概念、模型以及发展现况进行介绍,对混沌系统的研究历程以及特点进行了阐述。然后,采用磁控溅射法制备了Sr0.95Ba0.05TiO3(SBT)纳米薄膜,研制了一类SBT纳米实物忆阻器,阐述了SBT纳米忆阻器的制作方法及其工作机理,对SBT纳米忆阻器的性能进行了分析,并建立了SBT纳米忆阻器的数学模型。最后,基于SBT纳米忆阻器的模型,设计了一种新型五阶混沌电路,通过研究该忆阻混沌电路的动力学特性。
  文章通过SBT材料制备了新型的实物忆阻器,并研究温度与电压对其导电率的影响,证明SBT纳米忆阻器具有良好的非线性与易失性,并将SBT纳米忆阻器应用于忆阻混沌电路中,验证了SBT纳米忆阻器具有应用的价值。
[硕士论文] 杨立国
电气工程 哈尔滨理工大学 2018(学位年度)
摘要:断路器的可靠性直接影响电力系统运行的安全稳定,而操动机构是断路器的核心部件之一,是断路器可靠运行的重要保障,所以对断路器操动机构的研究一直受到相关技术人员的重视。近年来兴起一种新的高速电磁斥力开关,这种基于感应涡流原理的电磁斥力技术可以高速推动受力件运动,实现开关快速分合闸。电磁斥力技术具有动作速度极快、结构简单、动作分散性小、易于控制等诸多优点,采用电磁斥力驱动永磁机构进行分闸动作,并将其与真空断路器配合有助于提高断路器的同步控制技术,具有很好的应用前景。因此,对应用电磁斥力技术的操动机构的研究具有重要意义。
  本文针对一般的高压真空断路器永磁操动机构很难在分闸速度上进一步取得提升,为了获得更快的分闸速度,提出了一种针对126kV断路器有别于传统永磁操动机构的应用电磁斥力原理的高速永磁操动机构,应用电磁斥力技术实现断路器分闸过程,设计制作了基于电磁驱动的永磁速操作机构样机,并对其进行实验研究。
  本文首先介绍了高压真空断路器和永磁操动机构的发展历程和现状,并简介了电磁斥力技术的发展情况。然后对本文所提出的基于电磁驱动的126kV真空断路器永磁操动机构进行了基本工作原理和设计方法的阐述,并对其进行了理论分析。在此基础上应用Ansoft Maxwell有限元仿真软件对所提出的永磁操动机构进行了仿真分析,得到了其静态特性和动态特性仿真结果。参照传统永磁操动机构性能,对比本文所设计机构仿真结果,得出基于电磁驱动的高速永磁操动机构对分闸速度的明显提升。最后在以上工作的基础上,制作了基于电磁驱动的126kV真空断路器永磁操动机构样机,结合126kV真空灭弧室,搭建实验平台,对样机进行实验,并对实验结果和仿真结果进行对比,最后通过实验结果验证了仿真结果的正确性。
[硕士论文] 陈铭志
电气工程 华北电力大学;华北电力大学(北京) 2018(学位年度)
摘要:柔性直流输电以其高度可控、灵活高效的特点,成为解决风电等可再生能源并网问题的有效技术手段。未来的直流输电网络,不仅可以解决我国西部可再生能源高效开发利用和海上风电场并网问题,也是构建我国未来电网模式即主干输电网与区域输配电网、微网相结合模式的我国未来电网的重要环节。
  高压柔性多端直流输配电系统及输配电网的关键装备之一就是高压直流断路器。而作为输电线路中最重要的一个环节的断路器的性能直接影响着电网的正常运行。其内部主支路和转移支路采用压接式IGBT模块进行多模块串联,每个模块由多个IGBT芯片压接而成,因而单个模块的电流分断能力将影响直流断路器的性能和上限。
  本文以国产3300V/1500A压接模块在电流分断实验中失效波形为研究对象,利用IGBT芯片几种主要失效模式“热击穿”、“栅氧层击穿”、“动态闭锁”和“雪崩击穿”的对外电学特性,对模块失效类型进行分析判别。通过对失效芯片位置的检测分析出造成失效原因是不均流导致;然后建立芯片故障等效电路来仿真重现故障波形,验证对故障的分析判别;最后提出了一种基于栅极分压的方法来改善均流的措施。
[硕士论文] 周洋
电气工程 哈尔滨理工大学 2018(学位年度)
摘要:柔性直流输电(VSC-HVDC)技术是一种以电压源换流器、自关断器件和脉宽调制(PWM)技术为基础的新型输电技术,它能够独立的快速调节系统的有功和无功,提高系统的稳定性。整流和逆变系统中的直流电容器,作为电压源换流器(VSC)不可缺少的重要组成部分,为换流系统的直流系统提供能量缓存,减小直流侧的电压谐波,稳定直流输电系统的直流电压。本文就是对换流系统中电容器的关键技术分析。现今换流系统中大多使用的都是金属化膜电容器,新材料新工艺也渐渐取代了传统的金属化膜,安全膜技术已经被广泛使用。所谓安全膜即在绝缘材料上分隔蒸镀上规则的安全膜图案,但图案本身彼此没有交叉,而是通过细小的熔丝相互连接。当金属膜局部弱点形成放电通道时,能量迅速从四面八方涌来,弱点小模块四周的熔丝汽化,迅速自愈而不影响整体金属膜的正常工作。
  为进一步改善金属化膜电容器性能,使其能在更高场强下工作,减少熔丝部分的损耗,更加可靠安全的工作,本文提出了一种新型的自动串并联高方阻金属化安全膜。根据其逐级的能量分析计算和安全膜的自愈原理,确定了不同工作要求下金属化膜的尺寸和具体上下级板串并联数目,在额定电压为2800V,额定容量为8000μF,绝缘厚度为7μm,串联的几何微单元数为2,整体长度方向并联的模块的个数为19608个;分析了不同故障情况下电容的容量变化及对整体电容及各部分分压的改变程度;计算了自动串并联高方阻金属化安全膜等效串联电阻(ESR);分析其与高方阻膜结合的利弊;用COMSOL Multiphysics仿真软件计算了普通安全膜和设计的自动串并联高方阻安全膜关键部位的电场及其分布情况,本文设计的安全膜性能优于普通安全膜,并通过仿真计算进一步优化。本文所设计的新型金属化安全膜能在更高场强下工作,并且没有传统安全膜熔丝部分的损耗。
[博士论文] 傅中
电气工程;高电压与绝缘技术 华北电力大学;华北电力大学(北京) 2018(学位年度)
摘要:由于关合涌流电弧烧蚀和弧后高温加剧机械磨损,电容器组用SF6断路器弧触头比一般断路器侵蚀更严重,电寿命明显缩短,特别是特高压系统的电容器组关合涌流可高达10kA,且操作频繁,断路器弧触头侵蚀问题尤为突出,现有断路器只能实现1000余次开合,无法达到3000次开合的电寿命要求。因此,迫切需要针对电容器组用SF6断路器弧触头侵蚀问题开展研究。本文首先试验研究弧触头关合侵蚀质量损失特性,然后针对侵蚀过程中的机械磨损行为过程开展研究分析,建立关合侵蚀质量损失模型与侵蚀形貌模型,对弧触头进行优化设计,最后研究弧触头的侵蚀状态检测方法。主要研究内容与获得的结论如下:
  建立了断路器关合侵蚀质量损失试验平台,包括关合侵蚀试验与电弧烧蚀试验两个试验回路,通过对两个回路的燃弧时间与电弧电流的控制,使关合侵蚀试验与电弧烧蚀试验的电弧烧蚀作用等效,通过质量损失相减,有效分离出侵蚀过程中机械磨损作用造成的质量损失,实现了对造成弧触头侵蚀的电弧烧蚀作用和机械磨损作用的分别研究。在不同试验电流条件下,对不同过盈量弧触头开展了近1000次试验,获得了弧触头电弧烧蚀和机械磨损质量损失随过盈量和电流的变化规律,发现机械磨损造成的质量损失占总质量损失的72.6%以上,机械磨损作用是造成弧触头侵蚀的主要原因。
  针对机械磨损是造成弧触头质量损失的主要原因,结合Rabinowics磨损理论分析了弧触头机械磨损的行为过程。首先,仿真计算了动、静弧触头的动态接触应力,发现弧触头碰撞最大等效应力小于常温条件下W材料的屈服强度,不满足发生粘着磨损的必要条件,常温条件下弧触头的磨损行为主要是磨粒磨损。然后,仿真计算了电弧烧蚀高温条件下弧触头材料的物性参数变化,结果表明高温下Cu与W屈服强度均显著下降,已小于弧触头碰撞最大等效应力;发生粘着磨损所对应磨削半径虽然增大,但小于能谱仪(EDS,Energy Dispersive Spectrometer)检测到的弧触头表面微粒半径,屈服强度和微粒半径均满足发生粘着磨损的条件,说明电弧烧蚀条件下,弧触头电弧烧蚀中心区会发生粘着磨损行为,这将加剧弧触头的机械磨损侵蚀,随着远离电弧烧蚀中心区,磨损行为逐渐由粘着磨损过渡到磨粒磨损。磨损行为的分析为定量研究弧触头关合侵蚀提供了依据。
  根据磨损行为过程特点,基于Archard磨损理论,建立了表征弧触头电弧烧蚀区域、过渡区域及远离电弧烧蚀区机械磨损质量损失特性的数学模型,结合J.Tepper电弧烧蚀质量损失模型,实现了弧触头关合侵蚀质量损失的定量计算。建立了弧触头关合侵蚀形貌数学模型,将弧触头轴向接触行程损失和径向半径过盈量损失与弧触头质量损失建立映射关系,模型计算表明,相同关合次数条件下,过盈量越大,弧触头轴向接触行程损失量越小,但有饱和趋势。结合断路器关合电寿命3000次与接触行程损失20mm的优化目标,提出在关合电流为10kA时弧触头半径过盈量应大于1mm小于1.5mm的优化设计措施。
  为解决运行断路器弧触头侵蚀状态检测问题,研究提出了基于分闸过程动态接触电阻的弧触头侵蚀状态检测方法,通过动态接触电阻曲线中弧触头接触电阻对应段的长度反演弧触头轴向侵蚀量,利用弧触头动态接触电阻平均值反映径向侵蚀量。研制出动态接触电阻测量装置。实现了断路器不拆解条件下对弧触头侵蚀状态的检测,并成功应用于现场。
  本文的主要创新点有:
  1)建立了断路器关合侵蚀质量损失试验平台,实现了对关合侵蚀过程中机械磨损作用造成质量损失的有效分离,获得了电容器组用SF6断路器弧触头关合侵蚀质量损失特性,揭示了关合侵蚀主要是由于机械磨损造成,其造成的质量损失占总质量损失的72.6%以上。
  2)揭示了弧触头关合侵蚀的机械磨损行为过程。常温条件下的磨损行为主要是磨粒磨损;电弧烧蚀条件下,弧触头电弧烧蚀中心区会发生粘着磨损行为,这将加剧弧触头的机械磨损侵蚀,随着远离电弧烧蚀中心区,磨损行为逐渐由粘着磨损过渡到磨粒磨损,为定量研究弧触头关合侵蚀提供了依据。
  3)建立了弧触头机械磨损质量损失模型和侵蚀形貌模型,实现了弧触头关合侵蚀过程的定量计算,分析获得了弧触头接触行程与半径过盈量随关合次数变化的定量关系,关合电流10kA时为达到3000次关合接触行程损失小于20mm的目标,提出弧触头半径过盈量应大于1mm的优化设计措施。
  4)提出了基于分闸过程动态接触电阻的弧触头轴向与径向侵蚀状态检测方法,研制出断路器动态接触电阻测量装置,实现了无需拆解条件下对弧触头侵蚀状态的检测,为运行断路器弧触头状态检测提供了手段,并成功应用。
[硕士论文] 孔令魁
高电压与绝缘技术 哈尔滨理工大学 2018(学位年度)
摘要:配电网处于整个电力系统的末端,其电能质量直接关系到用户电气设备能否正常运行。尤其,电压跌落、电压瞬时中断、电压升高等动态电压质量严重影响敏感负荷的正常工作,给生产造成巨大经济损失。因此,为了使敏感负荷能够安全稳定运行,应用动态电压恢复器(Dynamic Voltage Restorer,DVR)对配电网末端电压进行动态补偿具有重要意义。
  动态电压恢复器是治理动态电压质量有效的电力电子装置,可以精确、快速地对电网电压进行动态补偿,保证负荷正常运行。论文提出了新型动态电压恢复器拓扑和基于双二阶广义积分器的改进锁相环,对新型动态电压恢复器的逆变器的调制策略进行了详细的理论分析;搭建了基于新型动态电压恢复器拓扑结构的仿真模型,充分考虑工程实际应用,在电网电压发生畸变、三相电压不平衡、相位出现跳变等条件下对系统进行仿真模拟;结果显示应用改进的软件锁相环可以精确快速的跟踪到电压波形,同时新型动态电压恢复器输出的电压谐波畸变率更低,更加接近标准的正弦波形。
  论文建立新型动态电压恢复器拓扑等效电路模型。首先,分析了前馈控制在动态电压恢复器控制系统的优缺点;其次,分析了复合控制系统在动态电压恢复器中的优势;通过理论分析和仿真验证复合控制策略能够很好的实现动态电压恢复器对配电网末端的动态电压补偿。最后,论文结合改进的软件锁相环应用基于无功功率的DQ变换进行电压跌落检测。依据搭建的整个动态电压恢复器仿真平台,验证了动态电压恢复器在配电网发生电压三相不平衡或谐波条件下都能够快速精确的进行电压补偿。
  在完成理论分析和仿真验证的基础上,制定了系统硬件电路设计的整体方案;系统以TMS320F28335为核心作为中央控制芯片,设计整个系统的控制电路和主电路;并根据实际的硬件电路设计了算法流程图,完成了相关电路的调试和实验。实验结果表明新型DVR拓扑能够降低直流侧电压等级并减小输出电压谐波畸变率。
[硕士论文] 赵华东
电气工程 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:近年来,分数阶微积分被引入到控制理论中,并取得了丰富的研究成果。将分数阶微积分理论应用到经典的PID控制器的设计中所得到的分数阶PIλDμ控制器,与传统的PID控制器相比具有更好的控制品质,能够满足当今工业对于高性能控制器的要求。本文主要研究了基于改进粒子群算法的分数阶PIλDμ控制器优化及应用,主要内容分为以下四部分:
  第一部分,介绍了粒子群优化算法及其改进,研究了惯性权重和学习因子对PSO速度模型的影响,给出了一种具有动态惯性权重和动态学习因子的改进策略,提高了PSO算法的搜索性能,且不容易陷入局部最优点。
  第二部分,首先简介了分数阶微积分的基本理论和分数阶PIλDμ控制器,然后重点分析了分数阶控制器的离散化方法,给出一种具有可变参数δ的生成函数。进而,采用直接离散化方法和间接离散化方法进行了分数阶微积分算子的离散化实验。结果表明可变参数δ的取值和近似阶次的选取会影响分数阶微积分算子的离散化结果。
  第三部分,简介了主导极点法、相位裕量与幅值裕量法对于分数阶控制器参数的整定思路,并提出了基于改进PSO算法的分数阶PIλDμ控制器参数整定算法。在此基础上,设计了基于MATLAB/GUI的控制器参数寻优工具箱,并利用此寻优工具箱分别进行了基于直接离散化和间接离散化的分数阶PIλDμ控制器参数整定实验。通过选用多个典型的仿真实例进行了阶跃响应实验、增益鲁棒性实验和抗干扰实验,实验结果验证了本文所提算法的有效性,并且相比整数阶PID控制器具有更优越的控制性能。
  第四部分,选用双闭环无刷直流电机系统的Simulink模型为应用对象,利用本文的整定策略对系统优化设计了整数阶PI转速调节器、基于直接离散化的PIλ转速调节器和基于间接离散化的PIλ转速调节器,实验结果验证了采用本文方法设计的分数阶PIλ转速调节器具有更好的转速跟踪性能和鲁棒性。
[博士论文] 严延
化学 扬州大学 2018(学位年度)
摘要:超级电容器作为一类新兴储能器件,由于充放电速率快、循环寿命长、功率密度高等特点,在许多领域得到了广泛的应用。影响超级电容器性能最主要的因素是电极材料,其中,钒基材料具有合成简易、成本低廉及理论比电容值较高等特性,被广泛用作超级电容器电极材料。本文根据钒的化合价从低到高,成功制备出一系列的钒基超级电容器电极材料。研究内容主要包含以下五个部分:
  1.棒状VⅣ-MOFs的制备及超级电容性能的研究。为了能够成功制备出VⅣ-MOFs(VⅣ(O)(bdc),bdc=1,4-对苯二甲酸),本文首先从制备最为常见的Ni-MOFs入手,以六水合硝酸镍、对苯二甲酸为原料,通过溶剂热法,制备出一种新型的手风琴状Ni-MOFs,并将它作为超级电容器电极材料。通过对制备Ni-MOFs的方法加以改进,随后以硫酸氧钒、对苯二甲酸为原料,同样通过溶剂热合成了一种棒状VⅣ-MOFs超级电容器电极材料,其比表面积为116.8m2g-1。在三电极的测试条件下,棒状V-MOFs在1.0Ag-1的电流密度下,其比电容为520.8F g-1,同时具备出色循环稳定性。随后将所制备的棒状V-MOFs作为正极材料,活性炭作为负极材料,分别构建了水系和固态非对称超级电容器,发现无论是在水系还是固态条件下,其都具备优异的超级电容性能。棒状VⅣ-MOFs的合成以及超级电容性能的探究结果为一步开发MOFs基的高性能超级电容器电极材料提供了借鉴。
  2.CuV2O5纳米带设计制备及超级电容性能的研究。以广玉兰树叶、硫酸铜为起始原料,用一步水热合成了剪纸状的Cu超结构。再将所制备的Cu超结构与V2O5,双氧水进行水热反应,合成出CuV2O5纳米带,并将其用作超级电容器电极材料。在三电极的测试条件下,在1A g-1的电流密度下,比电容可达701.3F g-1,经历10000次充放电循环后,其电容保持量为91.2%。在非对称超级电容器体系下(CuV2O5纳米带和活性炭分别作为作为非对称超级电容器的正极和负极材料),在功率密度为86.4W kg-1时,超级电容器的能量密度为34.8Wh kg-1,当超级电容器的功率密度增加到1515.3W kg-1时,超级电容器的能量密度仍能达到24.8Wh kg-1。
  3.非晶AlV3O9微球的合成及超级电容性能研究。以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为表面活性剂和软模板,通过简单的一步水热方法,合成非晶AlV3O9微球。将非晶AlV3O9微球用作超级电容器电极材料表现出了优异的超级电容性能,具体表现为较高的比电容(在电流密度为1A g-1的条件下,非晶AlV3O9微球的比电容可达545F g-1)和优异的循环稳定性(在1A g-1的电流密度下循环10000次,仅有11%的比电容损失)。进一步,将非晶AlV3O9微球作为正极,活性炭作为负极组装成非对称超级电容器,实现在功率密度1124.4Wkg-1的情况下,能量密度可达37.2Wh kg-1。
  4.三维带状结构AlV3O9的合成及超级电容性能研究。以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)作为表面活性剂和软模板通过简单的水热方法合成三维带状结构AlV3O9。制备出的AlV3O9具有三维带状多孔结构,是理想的超级电容器电极材料。在三电极的测试条件下,在1Ag-1的电流密度下,比电容可达521F g-1,在经历10000次充放电循环后,其电容保持量为91.5%。将三维带状结构AlV3O9做正极和活性炭做负极组装成非对称电容器,该超级电容器呈现出长的循环寿命(循环10000次后,电容仅衰减7.4%)。
  5.花状结构Co3V2O8的合成及超级电容性能研究。以乙酰丙酮钴、偏钒酸铵和四丁基溴化铵为原料,通过简单的溶剂热法成功制备出花状结构Co3V2O8。该电极材料在电流密度为1A g-1时,比电容可达773.1F g-1。由花状结构Co3V2O8正极与活性炭负极组成的非对称超级电容器在水溶液中的窗口电压为1.6V,当电流密度为1Ag-1时,经过10000次充放电循环,该非对称超级电容器的比电容可保持其初始值的93.2%;当功率密度为400.2Wkg-1时,其最大能量密度可达41.8Wh kg-1。
[硕士论文] 刘祥
电机与电器 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:低压断路器作为低压配电网核心组成部分之一,以其体积小、寿命长、可靠性高的特点,在电能的输送与分配、用电设备的控制及保护中得到了广泛的应用。但因其应用场合的复杂性,连接负载的多样性以及传统剩余寿命预测方法的不足,造成了一些由低压断路器失效引起的系统失稳、人员伤亡以及财产损失等意外事故。因此有效地预测低压断路器剩余寿命,根据预测结果有选择性地更换低压断路器,可降低意外事故发生的可能性。
  论文通过分析低压断路器的寿命特性,确定了以其剩余电寿命在线预测为出发点,并展开深入研究。首先,研究低压断路器固有属性对电寿命损耗的影响,同时阐述低压断路器负载特性与使用电寿命的关系。其次,利用电弧能量化低压断路器的电寿命损耗,并对电弧能的计算模型进行研究,同时推导出基于总电弧能的低压断路器平均电弧能计算模型。最后,根据样本平均电弧能建立支路特征电弧能这一反应低压断路器工作支路状态的特征量,以此建立分段式低压断路器剩余电寿命在线预测模型,并利用蒙特卡洛模拟的方法对模型进行仿真验证,仿真结果表明分段式低压断路器剩余电寿命在线预测模型具有良好的预测能力。
  论文针对不同支路特征建立的分段式低压断路器剩余电寿命在线预测模型,可有效提高低压断路器剩余电寿命的预测精度,具有较好的应用价值。
[硕士论文] 刘书欣
应用数学 北京交通大学 2018(学位年度)
摘要:分数阶微积分,作为讨论非整数阶次微分和积分的一门学科,是将以往整数阶微积分的研究推广到了任意实数阶上,同时分数阶神经网络系统相比于整数阶神经网络系统能更好的描述系统的性质,仿真人类大脑。此外,忆阻器作为第四代电路元件,享有可变电阻,基于忆阻器的神经网络模型,能更好的模拟人类大脑系统。整数阶神经网络已经研究了比较长的时间,而对于分数阶神经网络系统和基于忆阻器的神经网络系统的研究还不是很多,所得理论结果还相对较少,还有许多有意义的工作可做。因此,基于忆阻器的分数阶神经网络是一个很有研究潜力的课题,同时在本文中还考虑了外界因素干扰带来的系统不确定,分析了所研究系统在参数扰动情况下的稳定和同步问题。
  本文主要研究了基于忆阻器的分数阶不确定Hopfield神经网络的稳定性,具体工作如下:
  1.对基于忆阻器的分数阶不确定Hopfield神经网络系统进行了稳定性分析,进一步讨论了系统的鲁棒性。在本篇文章中,给出了加入忆阻器的分数阶Hopfield神经网络的简化模型,并考虑了外界干扰带来的系统参数的不确定性。应用分数阶稳定性方法,给出了相应的稳定性条件。特别地,对于这种有着不连续右端函数的系统,考虑了在Filippov意义下系统解的存在唯一性。
  2.对基于忆阻器的分数阶不确定Hopfield神经网络系统进行了同步研究,进一步讨论了驱动-响应系统的鲁棒性。在本篇文章中,给出了加入忆阻器和控制器的分数阶Hopfield神经网络驱动-响应系统的简化模型,同样考虑了参数不确定的干扰。应用闭包运算去处理相应的误差系统,通过构造合适的V函数和假设条件,应用分数阶稳定性方法,得到了误差系统的Mittag-Leffler稳定,进而误差系统渐进稳定,得到驱动-响应系统实现了同步,因为参数的干扰,进而得出系统具有鲁棒性。
[硕士论文] 徐胜光
工程硕士 广西大学 2018(学位年度)
摘要:静止同步补偿器(STATCOM)以其调节灵活、响应迅速、谐波含量小等优点,已成为现代无功补偿领域最新技术代表。配电网静止同步补偿器(DSTATCOM)作为STATCOM在配电网应用中的衍化物,对改善电能质量起重要作用。因此,研究DSTATCOM控制方法和系统设计具有重要意义。本文以DSTATCOM为研究对象,阐述传统控制方法和检测技术并指出可改进之处,探讨动态高品质控制、检测新方法和软硬件设计。同时,针对装置挂网启动/关机产生电流冲击及电弧现象提出可行的工程应用方案。
  论文首先从分析理想情况和非理想情况下的DSTATCOM工作原理开始,采用开关函数描述法在abc坐标系中进行数学建模,并将其数学模型在不同坐标系中进行转换与分析,为全文研究奠定理论基础。
  然后对DSTATCOM传统的双闭环电压前馈解耦控制、双闭环非解耦控制策略进行研究并指出可改进之处,为此展开一种三相系统的新型无锁相环控制策略的探讨。随后,出于日常负荷多以单相为主的考虑,展开探讨单相级联H桥型DSTATCOM系统电容均压策略。理论研究和仿真结果表明,各控制策略的可行性和有效性。
  接着对三相DSTATCOM系统基于p-q法、dq法的电流检测原理进行研究,提出一种改进的dq法电流检测原理。同时,对基于三维交流量与直流量间坐标变换的电容分裂式三相四线制DSTATCOM系统双环检测控制策略进行研究。理论研究和仿真结果表明,各电流检测原理与策略的正确性和有效性。
  最后以模拟装置挂网启动存在极大的电流冲击现象展开分析,提出一种基于预充电路的软件启动算法原理及系统关机方案。随后借助实验室现有功率模块进行详细的三相及单相DSTATCOM系统软硬件设计,并展开平台各控制策略验证工作。实验结果表明,系统设计的正确性、智能性和策略在工程应用上的有效性。同时,给出了部分装置挂网启动数据来增强实验的可信度。
[硕士论文] 刘泽恒
工业设计工程 河北科技大学 2018(学位年度)
摘要:插排是常见的一种生活用品,无论在生活还是工作中随处可以见到它的影子,其安全性和易用性备受人们关注。目前市场上各类插排从功能、样式上数目繁多,但在实际生活中,插排在使用过程中还存在不尽如人意之处,由于设计的缺陷,有时会导致严重的后果。插排在固定方式、插拔动作、界面划分等易用性方面有很大值得改进和优化的空间。
  本文首先搜集大量有关插排的技术资料和设计案例,对插排现有市场进行分析。从产品易用性基本理论出发,通过观察和分析人的操作方式及环境等诸多因素,分析插排在使用过程中易用性的影响因素,找出插排在使用及设计中存在的缺陷与不足,对插排进行优化设计,使之更加安全、便捷。本文在最后部分进行了有针对性的设计实践,主要通过对环境、人的行为的分析,在影响安全性和易用性的角度进行改良,诸如防尘、插座布局、插拔角度、电线梳理、新功能叠加等方面进行有益的探究和改进。通过本文的研究和设计实践,期待为今后插排易用性设计的关注和功能提升有一定的帮助。
[博士论文] 刘宏宇
电气工程;高电压与绝缘技术 华北电力大学;华北电力大学(北京) 2018(学位年度)
摘要:GIS/GIL在生产、运输、安装、运行过程中将不可避免产生金属微粒,由于电场力的作用,金属微粒会在GIS/GIL腔体内部运动,甚至粘附在绝缘子表面,使得场强发生畸变,引发气体间隙击穿或绝缘子沿面闪络,降低了GIS/GIL的绝缘性能。相对于交流电压,金属微粒在直流电压下从电极浮起后所受电场力的方向不发生改变,微粒运动会更加剧烈,金属微粒污染问题也更为严重。
  论文针对GIS/GIL中金属微粒污染问题,以机理研究为主,对实际工程中的金属微粒形状进行了一定理想化,研究直流电压下SF6气体中球形金属微粒的运动及抑制,主要内容如下:
  搭建了微粒运动实验平台,提出了微粒运动关键参数获取方法。以SF6气体封闭罐体为主体,配置了高速相机、超声传感器、特高频传感器等设备,分别采集微粒运动过程中的运动图像、超声信号和特高频信号。对超声信号和特高频信号联合分析,表明超声信号主要由微粒与电极碰撞引起,实验过程中微粒与电极间的微放电对超声信号的影响可忽略。提出了微粒运动图像处理方法,能够精确得到微粒运动的瞬时位移。提出了微粒与电极碰撞时恢复系数的计算方法,得到了恢复系数的具体取值。
  研究了微粒在同轴圆柱电极中运动时微粒表面的电场畸变特性。计算了微粒在同轴圆柱电极中的电场分布,分析了微粒的受力情况,建立了微粒运动的力学方程。将微粒运动当作有限元网格运动,在COMSOL Multiphysics软件中实现了微粒运动的电学、力学多物理场耦合求解,得到了微粒运动过程中表面的电场畸变。探究了电压、微粒位置对电场畸变的影响规律。在得到电场畸变的基础上,基于流注起始判据、气体间隙击穿判据,揭示了微粒运动引发的微放电和间隙击穿机理。
  研究了微粒在同轴圆柱电极中与外腔体碰撞时的超声特性。基于弹塑性碰撞理论,分析了微粒与外腔体碰撞时的3个物理阶段:弹性压缩、弹塑性压缩和恢复阶段,建立了微粒与电极碰撞时的接触力模型,计算了碰撞过程中的接触力变化,得到了接触力最大值。采用相关系数方法分析了接触力最大值与实验得到的超声信号幅值之间的关系,得到了接触力最大值与碰撞速度、微粒直径的拟合公式。对拟合公式进一步进行无量纲分析,揭示了电压、微粒直径对超声信号幅值的影响规律。
  研究了低压电极涂覆电介质薄膜(覆膜)提高微粒起举场强的原因。实验得到了不同SF6气体压力、薄膜材质及厚度下1mm铝微粒的起举场强,以及微粒起举后的运动图像。提出了覆膜后微粒起举时带电量的计算方法,得到了微粒起举时的带电量。分析了Parekh起举场强计算模型的不足并进行改进,从微粒带电量和受力的角度揭示了低压电极覆膜提高微粒起举场强的原因。
[硕士论文] 曹冬冬
机械工程 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:随着科技的不断进步,开关柜正在朝着小型化、密集化、模块化、智能化、操作简单、高可靠性等方向发展。在开关柜小型化和密集化的过程中,绝缘和散热成为制约开关柜进一步发展的关键问题,开关柜绝缘击穿和火灾时有发生。因此,对开关柜的绝缘和产热的研究具有重要的实际应用价值和意义。
  本课题在查阅国内外文献的基础上,研究了40.5kV高压开关柜的总体结构和性能特点。以GB-T11022-2011要求为准则,计算出开关柜在稍不均匀电场环境下的SF6气体的临界击穿场强,作为绝缘要求电场值。采用有限元方法,对高压开关柜的隔离开关室和断路器室进行电场仿真,结果表明:隔离开关室和断路器室中最大场强均出现在气室上部母排的边缘处,且整体最大电场强度均大于绝缘要求电场值。研究了真空灭弧室的整体结构和灭弧室设计的关键区域,以真空的击穿场强为标准,对真空灭弧室进行电场分析,结论表明:真空灭弧室最大电场强度小于真空的临界击穿场强,且关键区域电场分布极不均匀。
  根据真空灭弧室关键区域结构和关键区域绝缘机理,选取灭弧室中某段陶瓷和屏蔽罩的结构进行研究,探求灭弧室结构尺寸变化对关键区域电场强度的影响规律。结果表明:屏蔽罩末端添加均压环后,屏蔽罩末端电场集中现象消失;增大均压环短半轴尺寸、减小均压环到陶瓷外壳距离可使外侧三重结合点处的电场强度减小;增大屏蔽罩之间距离和屏蔽罩到陶瓷之间距离可使沿陶瓷表面最大电场强度减小;增大金属嵌件深度和宽度、增大陶瓷角度可使内侧三重结合点处最大电场强度减小。
  以SF6的临界击穿场强为校核值,对隔离开关室和断路器室上部母排结构进行改进,结果表明:当隔离开关室采用圆角为25mm的母排结构时,满足绝缘要求。当断路器室采用12mm厚母排且母排边缘圆角曲面是倒圆角曲面和平面的交接面时,满足绝缘要求。利用灭弧室结构尺寸变化对关键区域电场强度的影响规律,以降低关键区域电场强度为目标,对真实灭弧室的结构进行改进,结果表明:选择5x2.5mm的椭圆型均压环和135。角度陶瓷结构;采用2.5x2.5mm正方形的嵌件和3x4mm的椭圆型弯角;采用3mm的屏蔽罩到陶瓷距离和46mm屏蔽罩之间距离结构的灭弧室更合理。
  利用计算接触电阻的经验公式和电阻计算公式,计算出接触电阻。依接触视在面积设定不同的电阻率和薄片厚度建立接触电阻模型,对开关柜通电导体进行温升仿真,结果表明:仿真结果略大于开关柜温升基本要求或温度裕度不足。通过改变断路器超行程和改变母排厚度,使开关柜接触电阻变小,温升符合开关柜温升基本要求。
  本课题的研究为40.5kV开关柜和真空灭弧室的结构改进以提高其绝缘性能,为开关柜温升的校核提供新的解决思路。
[硕士论文] 侯稳泰
高电压与绝缘技术 哈尔滨理工大学 2018(学位年度)
摘要:随着电力系统的不断发展,10kV配电网扮演着越来越重要的角色,面向广泛的用户,故障限流技术也在不断的发展。根据新的发展趋势,普遍采用限流电抗器与断路器组合方式。除了主体部分,保护算法是重要的一环,文章在介绍了已有算法的基础上,提出新的算法。另外设计了其它两个模块,信号采集模块和控制器模块。文章对各个模块的设计作出详细的介绍。
  首先介绍了故障电流限制器的整体工作原理,并单独介绍了控制单元模块和信号采集模块。
  电流检测算法的提出。文章介绍了几种已有算法,分析实际情况下的电流波形图,针对已有电流检测算法的不足,寻找新的保护算法。随后通过MATLAB对各种算法进行仿真,并分析其误差,通过对比分析确定新算法的可靠性。
  信号采集模块的设计。信号采集模块主要是采集电流信号,并将电流信号波形显示出来。该部分分别介绍了数据采集装置的各个模块,包括A/D转换电路的设计、信号放大电路的设计、电源电路的设计,并设计了相应的硬件电路图。
  控制单元的设计,包括核心控制CPU电路、电源电路、开入开出电路、外部存储电路,并设计了每个模块的硬件电路原理图。
  软件的设计,本文结合整个应用系统,对各个功能模块的软件系统进行设计,依据电流采样电路图,设计电流采样的流程图;根据介绍的新的保护算法,利用CCS3.3软件对控制单元进行软件编写。
  一次设备的选型,包括对保护用电流互感器的选型,并对其参数做出详细的介绍,选择合适型号的保护用电流互感器;高速开关断路器的选择,并对其参数作出了介绍,并对该断路器的额定开断电流和最大开断峰值电流值进行计算,确定符合该配电系统的应用;限流电抗器的选型,并进行了相应的动稳定、热稳定性校验,确定符合要求。
[硕士论文] 孙槐
高电压与绝缘技术 哈尔滨理工大学 2018(学位年度)
摘要:随着电网规模的不断扩大,短路电流值也不断攀升,可能会造成开关设备不能正常开断。所以,如何限制短路电流成为当今社会急需解决的问题。现有的各种限流措施虽然可以不同程度的降低短路电流值,但同时也会带来其他负面影响。随着科学技术的飞速发展,故障电流限制器(FCL)因其优越的限流特性成为国内外科研工作者研究的重点,未来将拥有十分美好的发展前景。
  对各种限流器的限流原理进行了简单介绍,在总结前人研究经验的基础上,提出了一种基于整流电容电流自然换流的短路故障限制器,该FCL将快速开关、限流电抗器和全桥整流电容充电回路并联。电网正常运行时,快速开关处于闭合状态,FCL相当于短路,对电网的安全运行没有任何影响。当发生短路故障时,快速开关迅速断开,FCL迅速呈高阻抗状态进行限流。论文先通过理论分析建立限流器拓扑结构并预估可行性,再通过公式推导详细分析限流过程,进而通过MATLAB/SIMULINK仿真实验验证其限流性能,仿真结果表明该限流器具有限流效果好和谐波含量小等优点。
  针对基于电磁斥力原理的快速机械开关,提出了一种新型的正推的计算方法和设计流程,并采用大型有限元仿真软件Ansoft Maxwell和其自带的电路编辑器Maxwell Circuit Editor进行联合仿真,实验结果表明,该设计方法能够基本满足该FCL中快速开关的开断要求。
  研究了该新型FCL对电力系统中断路器开断性能的影响。先分别推导出电力系统近区故障和出线故障时断路器断口间恢复电压上升率(RRRV)的一般公式,进而用MATLAB/SIMULINK仿真实验验证,结果表明,限流比、杂散电容以及故障段线路距离等都会不同程度的影响RRRV。
  为验证前面仿真结果的准确性,设计了一个针对该新型FCL的小容量样机试验,并采用LC振荡的方式模拟短路过程,结果表明,样机试验结果与仿真结果基本一致,进一步验证了该新型FCL的可行性。
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