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分布式热电发电系统的研究-电力系统及其自动化专业论文

承诺书 本人声明所呈交的博/硕士学位论文是本人在导师指导下 进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注 和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果,也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 (必威体育官网网址的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名: 日 期: 南京航空航天大学硕士学位论文 南京航空航天大学硕士学位论文 分布式热电发电系统的研究 分布式热电发电系统的研究 I I PAGE PAGE IV 摘 要 热电发电(Thermoelectric Generation,TEG)模块能够直接将热能转换成电能,实现无污 染、无噪音、长寿命、绿色发电,在汽车尾气以及工业废热回收利用、航天深空探测器供电、 工业、交通和国防等领域具有广泛的应用前景。本文以提高 TEG 系统的能效为目标,研究其最 大功率跟踪控制方法、分布式 TEG 发电系统架构、控制策略及其实现方法。 分析了 TEG 系统中的基本热电效应,推导得到了 TEG 模块的等效电路模型,并实验测试 了实际 TEG 模块的输出特性。分析和实验结果表明,TEG 模块可以用电压源串联电阻模型等 效,TEG 模块的内阻、开路电压、最大功率点电压和功率均受温度影响。基于上述分析,根据 最大功率传输定理,研究了一种基于内阻匹配的最大功率点跟踪( Maximum Power Point Tracking, MPPT)方法,通过使得变换器的输入阻抗与 TEG 模块的内阻相匹配,实现了模块输 出功率的最大化。 当多个 TEG 模块串联连接时,由于模块自身特性差异以及空间热能分布不均匀等因素的影 响,集中式 TEG 发电系统无法保证每个模块发电功率的最大化。针对上述问题,研究了基于双 向 Buck/Boost 变换器的“模块-模块型”差分功率转移分布式热电发电系统架构,以及基于单 向反激变换器的“模块-输出型”差分功率转移分布式热电发电系统架构。详细分析了两种分布 式 TEG 系统的结构形式、工作原理和功率传输特性,给出了优化的控制策略,并分别设计、搭 建了基于 4 个发电模块的分布式 TEG 实验平台。实验测试结果表明:两种系统均能在各种条件 下实现各个 TEG 模块的 MPPT;相对于传统的集中式 TEG 发电系统,本文所研究的分布式 TEG 发电系统能够实现更高的发电功率;实验结果同时表明了所采用的控制策略的有效性。理论分 析和实验结果同时表明:基于单向反激变换器的“模块-输出型”差分功率转移分布式热电发电 系统更适用于各 TEG 模块的温差分布不均匀且经常发生变化的场合,基于双向 Buck/Boost 变 换器的“模块-模块型”差分功率转移分布式热电发电系统架构则适用于各 TEG 模块的温差分 布情况比较稳定的应用场合。 关键词:热电发电,分布式发电,最大功率点跟踪,新能源发电系统,内阻匹配 ABSTRACT As an environment-friendly energy alternative, the thermoelectric generator (TEG) has attracted considerable interest due to its zero pollution, low noise, long life and cleanness of energy production. It converts thermal energy directly into electricity, and has a wide prospect in the applications such as industrial waste heat recovery, vehicle exhaust gas and deep space missions. In this paper, the maximum power point tracking method (MPPT), distributed TEG system architecture, control strategy and implementation are investigated to improve the energy efficiency of the system. The basic thermoelectric effect of the TEG is analyzed and the equivalent circuit model of TEG module is obtaine

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