基于MATLAB的热声发动系统电谐振控制器的研究

论文总字数：18482字

目 录

摘要 I

Abstract II

1绪论 1

1.1课题背景及研究意义 1

1.2国内外研究现状 2

2系统原理 6

2.1热声发电系统 6

2.2 单相电压型桥式PWM整流电路的结构 7

2.3控制系统原理 9

3系统算法 10

3.1线性热声理论 10

3.2直线发电机的理论基础 11

3.3直流侧电压产生二次波动的原因 12

4系统仿真 13

4.1系统参数的计算 13

4.2Simulink仿真图 14

5仿真结果分析 17

6总结与展望 19

参考文献 19

致谢 21

基于MATLAB的热声发电系统电谐振控制器的研究

马剑辰

，China

Abstract：Nowadays, it has become the urgent task of national development that how to solve the energy issues, because of the serious shortage of conventional energy and resources. How to develop and use new energy has become the most important development. As a new type of power generation , thermoacoustic power generation technology has many characteristics as the ability of adapting to a variety of heat sources and high efficiency . When the difference of the temperature between the hot and cold ends of the thermoacoustic engine reaches a critical temperature, it will produce acoustic oscillation, that is, the thermoacoustic effect. The linear generator then achieves "sound - electricity" conversion through the acoustic oscillation.

In this paper, when the frequency of the thermoacoustic system is shifted, the thermoacoustic power generation system can not work in the electric resonance state, resulting in the decrease of the sound and electricity and thermoelectric conversion efficiency and the decrease of the output power. For this problem, we planned to use voltage, current PWM rectifier dual loop configuration to eliminate the second harmonic present in the system. In this paper, we use MATLAB as the platform, use Simulink simulation to build the corresponding experimental bench and simulate the corresponding voltage, current waveform and changes of the corresponding power when the frequency drifts. In this way, we can verify that the system can stabilize the power factor close to 1 or not, thus improve the system of sound and electricity, thermoelectric conversion efficiency and increase the output power effectively.

Key words：Thermoacoustic effect; PWM rectifier; MATLAB; thermoacoustic engine

1绪论

1.1课题背景及研究意义

“十二五规划”提出我国能源科技到2020的发展目标：在新能源方面，建设具有自主知识产权的先进压水堆示范电站；风电机组整机及其关键部件的设计、制造技术排名国际前列；以光伏发电作为代表发展间歇式、分布式能源系统，使光伏发电成本降低，与常规电力成本处于同一水平；大力研究多塔超临界光伏热发电技术，将300MW超临界光伏热发电机组投入商业应用；实现先进生物燃料技术的产业化综合利用。

热声发电是一种全新的能源利用方式，其优点主要为效率较高、噪声较低，可靠性高、使用寿命长并且完全环保。热声发动机与直线发电机两大部分共同配合，构成了热声发电系统。热声发动机首先将热能转化成声功，直线发电机再将声功转化为电能，进而实现热能到电能的转化。加热和冷却热声发动机中的气体工质，引起其内部的气体膨胀和压缩，从而产生压力波，进而完成“热—声”转换。活塞被压力波推动进行往复运动，直线发电机的动力与活塞相连接，也随其做往复运动，进而产生电能，实现“声—电”转换。

浙江大学制冷与低温研究所的王凯和中国科学院理化技术研究所的罗二仓等人各自在热声发电系统这一方面进行研究，发现热声发电系统在谐振频率点上工作并且处于电谐振状态时，声电、热电转换效率与输出电功率都比在非谐振状态下工作时有很大提高。为了让热声发电系统始终处于电谐振状态，本文采用电压、电流双闭环PWM整流电路。

这项新技术最突出的特点就是没有机械运动部件存在于热声发动机中，一旦热声发动机冷热两端的温度差达到了临界值，就会引起声波振荡。和传统的内燃机组比较起来，减少了维护费用，更加安全可靠。其次，热声发动机对热源的要求很低，可以有效利用各种低品质的热能，不仅可以利用汽油、柴油、煤炭等传统能源，还可以利用一些新型能源或者至今无法被人们利用的能源例如太阳能、汽车尾热、工业余热等。现在，在汽车、无线电通讯、船舶、太阳能热发电等方面，人们已经进行了一些研究。目前，研究的热点主要有微型式和分布式热声发电。

在某些地区，传统电网无法为其提供可靠的电能，一般会采用分布式能源供电方式，这种情况下需要建立独立的发电系统。在一些特殊的场合如太空空间站、军事雷达网、潜水艇，需要稳定、功率密度高、可靠性高的供电方式。具有较高的转换效率，并且在运行过程中机械没有磨损而具有很高安全性的热声发电系统未来在这些领域可能得到广泛的使用和发展。

热声发电系统和传统发电系统相比较拥有明显的优点：

（1）热源适应性强：很多种燃料可以为热声发动机所用，从传统的化石燃料到太阳能这些新型能源，及其工业余热、汽车尾热为代表的各种低品质热能均可以利用。

（2）效率高：鉴于热声发动机冷却器和加热器之间安装回热器时，可以实现卡诺循环，热声发动机的效率得到了极大的提高。与此同时，发电机运用永磁直线发电机，略去了旋转电机的中间传动环节，使整个系统效率大大提高。

（3）污染比较小：传统的热机和热声发动机相比有很大的不同点，热声发动机将进排气阀门省去了，内部工作介质压力变化相对较小，可以抑制噪音的产生。

（4）结构简单，使用寿命长：采用直线发电机与热声发动机相连的结构，第一是因为热声发动机工作时没有元件产生机械磨损，使得热声发动机的使用寿命极大地延长了；其次活塞直接连接到直线发电机上，使得整个系统的体积缩小。

截至目前,热声发电技术由于还有不少问题需要人们解决,所以还没有得到广泛的应用，其中关键问题就是如何进一步提高热声发电系统的效率。本文的研究目的就是为了使热声发电系统一直工作在功率因数为1的电谐振状态，大幅提高转换效率及其输出电功率。作者撰写本文的意义在于锻炼自己查阅资料、提取资料的能力、提高自己的写作水平并且检验自己在校学习成果，同时也是人生新阶段开始的第一步。

1.2国内外研究现状

中国科学院理化技术研究所对热声发电系统进行了较多的研究，获得了一定的科研成果。2007年，中科院理化技术研究所的罗二仓教授带领其研究小组在发电领域运用热声发动机，设计出一种能够达到百瓦级功率的热声发电系统，但是这种热声发电系统的热电转换效率很低，只有4%，其结构图如图1.1所示。2010年，经过研究热声发动机和直线发电机两者之间的耦合规律，中科院的满满等人设计出一种功率为400W的行波热声发电系统。谐振管可以使此系统内的行波热声发动机获得更多的声能，将两台动磁式的直线发电机对置安装可以提高该系统的功率密度。当整个系统工作在平均压力为3.5MPa，系统运行频率为74Hz并且以氦—氩作为工作介质的环境下，该系统的最大输出电功能够达到446W，图1.2为该系统结构图。

主水冷器

室温断层流化原件

弹性膜

高温断层流化原件

变径管

行波热声发动机核心单元

谐振管

次水冷器

热缓冲器

高温换势器

回热器

图1.1 声学双作用型环路行波热声发动机

图1.2 中国科学院的热声发电系统

中国科学院的满满、吴张华等人在2011年5月设计出一种工作在以氦气为工作介质，平均压力为3.54MPa，工作频率为78Hz的工况下的热声系统，可以通过12.65%的热电转换效率得到481W的电功率，还可以凭借15.03%的热电转换效率获得450.9W的电功率。在此基础上，还对太阳能驱动行波热声发电系统进行了研究。整个系统由一架太阳能碟式集热器，一台行波热声发电及其吸热器组成。在实验过程中，鉴于聚光器的聚光比跟设计值的差距比较大，吸热气的导热效果也无法达到理想数值，该系统能够取得的最大发电量只有200W。不过该系统验证了使用太阳能进行热声发电这一想法的可行性。浙江大学的孙大明等人也设计出一套相仿的行波热声发电系统并对该系统进行了实验研究。

图1.3 双作用型行波热声发电系统

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：18482字

相关图片展示：