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优秀工程硕士论文范文篇一
1 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
从上世纪开始，经济发展势头迅猛以及人们对生活质量要求的提高，大量的高科技、高性能的电子产品随即产生[1]。这些电器设备内的非线性电子器件造成的不平衡性对系统的电能质量造成严重的干扰，降低了电能质量的水平；大规模的特高压交直流电网的构建促进了电能的远距离传输，也是实现大电网互联的必要条件，是以牺牲电网结构变化为前提的。综上，冲击性的非线性负荷的投入使用以及大电网的互联在给人们生活带来便利的同时却引起电能质量的恶化 [2-4]。谐波、电压偏差、三相不平衡度、电压波动和闪变、频率偏差等几项稳态电能质量指标的研究比较广泛，国内外很多学者对此进行了深入的研究，而对于瞬时过电压、暂时过电压、电压凹陷以及短时间中断等暂态电能质量问题的研究至今有部分学者进行了研究，但研究还不够彻底 [5]。为构建全球能源互联网，推动以清洁和绿色方式满足全球电力需求，风能、太阳能等新能源得到了更加广泛的研究与应用。由于这些新能源受自然条件的影响而具有的波动性、间歇性、随机性以及不可调性等特点，造成并网后电能质量变差。就风力发电机而言，都装有大量的电力电子器件，其非线性性质无疑会大大降低电能质量的水平，使系统产生大量的谐波；另外风力发电机组的出力随风力大小而波动，风力大小的变化则导致电网电压的波动；大容量风电机组或者多台风电机组同时并网或者离网会导致主网电压的骤升或骤降等一系列的暂态、稳态电能质量问题 [6,7]。电能质量问题严重影响着正常的生产生活方式[8]。首先，电能质量问题将影响着整个电力系统的安全稳定运行。电能质量问题会恶化一次系统的运行情况，甚至会造成安全运行事故；导致二次系统中部分设备退出运行造成严重后果。其次，电能质量问题造成的电能污染将危害电力用户的用电设备以及用户生产产品的质量。
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1.2 课题研究现状
电能质量是具有多指标属性的，不同用户对电能质量评估指标的要求程度有各自的需要，电能质量的各指标不能去“平等对待”,单纯评估某一项指标并不能全面合理地反应其整体情况。因此，众多国内外学者对如何将多个指标科学、合理地综合量化为单指标做了一系列的研究与探讨。综合国内外学者多年的研究总结电能质量综合评估方法主要分为:模糊数学方法[13-15]、概率统计和矢量代数方法[16]、人工神经网络等智能方法[17]以及其他方法。基于模糊数学理论的方法只能根据人为主观经验求取隶属度函数，其确定方法不够客观，对评估结果造成一定的差异；基于概率统计和矢量代数的方法进行评估时，影响评估结果的主要因素是基准值的选取，不同基准值标幺化后得到的数值存在一定的差异；基于智能算法的方法建模复杂、计算繁琐，必须先进行大量的训练以后才能更准确地评估。另外，还有各种新型的电能质量综合评估方法如基于可拓云、雷达图和动态时间弯曲距离等方法的电能质量综合评估，各有自己的优缺点，可以根据不同场合、不同需要选择合适的方法。 电能质量问题作为当今的一个热点研究课题，国外对该焦点的触觉敏锐，很早就开始了深入的研究，取得了一定的成果，不得不承认国内对于该课题的研究起步相对较晚对电能质量综合评估的研究还不成熟，至今没有一个科学的、权威的、广泛使用的电能质量综合评估模型。早在上世纪九十年代，美国国家电科院为更好的了解产生的电能质量问题与用户端的设备及习惯之间的关系，对二百多个监测点进行了长时间的监测用得到的数据进行深入的研究。加拿大经过不断地研究总结出 69 个稳态因素和 37 个暂态因素对电能质量有影响，经过一定的对比得到 25 项指标来反应电能质量的优劣，为构建电能质量综合评估体系提供了科学依据。伊朗电网通过与国际各种电能质量标准相比较，研究了两个电压等级的各项电能质量指标在同一尺度下的评估[18]。
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2 电力系统电能质量评估指标
电能质量（Power Quality）即电力系统中交流电的质量优劣水平。理想的电能是工频、标称电压的完整对称的正弦波，在三相交流系统中，三相电压、电流相量的幅值相等，且相位互差 120o。但实际系统中，这种理想状态在是不存在。因随着经济、科技的不断发展电网的用电负荷越来越多样化，冲击性、不平衡负荷等外来干扰，大量非线性的电力电子设备的使用，发电机、变压器等用电设备的非线性运行，运行操作的失误等原因将使电能质量的水平下降。电压、频率和波形是电能质量的衡量指标。供电质量、用电质量、电压质量和电流质量是优质供电的四个衡量标准。
2.1 电能质量单项评估指标
影响电能质量的因素比较多，其中主要的评估指标[33,34]包括：电压偏差、频率偏差、谐波、电压波动和闪变、三相不平衡度、暂态电压、供电可靠性以及非技术性性指标等。根据我国电力系统供电电压偏差的实际情况，参考国际上电能质量的相关标准，我国制定并颁布了 GB/T12325-2008《电能质量 供电电压偏差》，详细规定了 35kV 及以下供电电压允许的电压偏差范围,35kV 以上的电压等级没有直接用电设备，没有做更严格的要求。因为用电设备大多是通过降压变压器接入到供电系统，合理的选择降压变压器的分接头位置就能调节不符合要求的电压，起到一定得调压作用，具体情况如表 2.1 所示。另外对供电点短路容量较小、供电距离较长以及对供电电压偏差有特殊要求的用户,由供、用电双方协议确定。 为便于各种电气设备的设计以及批量生产，都按额定电压来制造，当电压偏差较大，会使电网和电气设备的安全、稳定、经济运行产生极大的影响[35,36]。系统的工作电压偏低时，系统频率可能不稳定，从而导致电力系统频率崩溃甚至解列系统。
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2.2 电能质量单项指标标准化处理
电能质量评价指标分为成本型（极小型）、效益型（极大型）、适中型（区间型）。各单项评价指标具有不同的单位和量纲，因此需要对指标进行标准化处理。其中对于成本型指标，其数值越小电能质量越好；对于供电可靠性以及非技术性指标则属于效益型指标供电可靠性越高越好，非技术性（服务性）指标越高也就代表服务质量越高。指标的标准化处理主要包括线性标准化处理和非线性标准化处理。标准化主要分为两个步骤：首先，一致化处理，可以将极小型和适中型都化为极大型；然后，无量纲化处理，处理方法较多，可根据不同需要选择。 至今，电能质量综合评估都是采用单项电能质量指标标准化处理（一致化和去量纲化）后加权综合，单项电能质量指标就成本型、效益型、适中型区别对待进行标准化处理，降低了评估速度，并且标准化过程可能导致数据的丢失、计算错误等。建立统一标度下电能质量指标体系可以加速评估，有利于模型的推广。
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3 未确知测度理论 .......... 22
3.1 不确定性信息 ..... 22
3.2 未确知测度理论 ........ 23
3.3 本章小结 .... 24
4 主客观权重相结合的电能质量综合评估 .......... 25
4.1 单一赋权法的权重确定 .... 25
4.1.1 主观赋权法 ...... 25
4.1.2 客观赋权法 ...... 30
4.2 确定综合权重 .... 33
4.3 变权 .... 34
4.3.1 局部变权 .......... 34
4.3.2 TOPSIS ...... 35
4.4 电能质量综合评估方法 .... 36
4.5 基于未确知测度的电能质量综合评估步骤 .... 43
4.6 本章小结 .... 49
5 基于未确知测度的仿真实例 ...... 50
5.1 仿真实例 .... 50
5.2 本章小结 .... 56
5 基于未确知测度的仿真实例
5.1 仿真实例
以 5 个待评估点的电能质量数据进行评价，主要针对电压偏差、频率偏差、谐波、电压波动和闪变、暂态压降、三相不平衡度、供电可靠性、服务性指标这九项指标，电能质量原始数据同表 4.6。由熵权法得各指标的权重为（0.1277、0.1136、0.1362、0.1052、0.1161、0.2749、0.1140、0.0039、0.0084），Delphi 法得各指标权重为（0.0758、0.1501、0.1489、0.1223、0.0474、0.1741、0.0808、0.0918、0.1088），由加法原理计算综合权重为（0.0967、0.1354、0.1438、0.1154、0.0750、0.2148、0.0941、0.0564、0.0684）。 由表 5.2 可知，可拓云和 DTW 方法评估结果完全一致，未确知测度方法所得评估结果，当取置信度 ? ?0.6时评估结果同上述两种方法的评估结果；当取置信度 ? ?0.7时大致与上述两种方法一致，不同的是评估点 1、2 的评估等级比另两种方法的等级稍低，因为置信度越高，评估要求更严格。因此要求不同的情况下选择不同的置信度以满足要求。对比 DTW 方法与未确知测度方法评估分数排序，两种方法排序完全一致，排列顺序为评估点 1＞评估点 3＞评估点 4＞评估点 5＞评估点 2。,DTW 方法中所得各评估点分数分别为 80.0734、65.5681、72.2118、68.9994、67.1792，为方便比较分析，化为五分制分别为 4、3.28、3.62、3.45、3.36。对比后两种方法如图 5.11 所示。由图可知使用未确知测度方法评估所得到每个评估点的评估结果差别相对较大，更容易区分两评估点的电能质量水平。
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结论
社会和科技的进步赋予了电能质量更多新的内容，建立一套合理的电能质量综合评估体系是对电能质量标准化管理的需要。本文基于电能质量的研究背景及现实需要，在大量分析电能质量综合评估方法的基础上，提出了一种新的电能质量综合评估方法，得到一些研究成果和结论。 电能质量的优劣受多个指标因素的影响，其影响因素存在一定的不确定性。针对我国现有的标准以及现阶段学者对该方面的研究，对谐波、电压偏差、频率偏差、电压波动和闪变、三相不平衡度、暂态电压、供电可靠性以及非技术性性指标从指标的获取、国家标准规定、产生原因及危害方面进行了分析总结。针对评估过程中需要数据处理，总结了指标标准化的方法。介绍统一型电能质量指标，与传统指标形成对比。该指标无需多余的数据处理，简化了评估步骤。 论文针对电力系统电能质量综合评估相关问题展开了研究，在综合分析现有电能质量综合评估方法的基础上，结合综合评估需求和特点，在深入研究未确知测度理论基础上，将其引入电力系统电能质量综合评估领域中，建立了电能质量综合评估体系。 由于专家知识结构以及事实的不确定性和模糊性，选用三角模糊数表示模糊权重，采用 Delphi 与三角模糊数相结合的方法计算主观权重，并总结了 Delphi 计算方法，采用熵权法计算客观权重，利用加法原理结合主客观权重求取综合权重,既满足了用电方的实际需求，又遵从了电能质量指标数据客观反映的信息。 针对效益型、成本型指标的不同，根据划分的等级区间，运用未确知测度理论分别构造其直线型未确知测度函数，计算得到单项指标的未确知测度值，结合综合权重确定综合测度值，根据置信度识别准则判定待评估点的电能质量等级。
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参考文献(略)
优秀工程硕士论文范文篇二
1 绪论
1.1 课题研究背景及意义
现阶段，伴随着经济领域的飞速发展，人们的生活水平已经得到了极大的提高，能源作为发展的动力，为了社会的持续发展，对能源的需求也呈现日益增长的趋势，能源已经成为了推动经济社会发展的巨大动力。当今社会，对能源的巨大依赖直接导致了过度消耗以煤炭和石油为主的传统一次能源，这些能源都有个共同的特点，就是在消耗的过程中会释放大量污染物，随之而来的就是严重的能源危机和世界各地出现的日益严峻的环境污染问题，这已经对可持续发展产生了很严峻的负面影响。一方面着眼于环境的保护，另一方面又要满足经济社会发展的日益增长的能源需求，于是发展新型可再生能源就自然而言的摆在了人们的面前，得到了社会广泛的关注。可再生能源一开始就有着自己极大的天然优势，成为全球能源需求的新方向，获得了快速的发展。 目前可再生能源发电问题已经成为了一个当今社会和学术界的很热门的问题，我国现阶段已经把能源问题提升到了国家发展重点的战略高度，将集中力量大力发展以风电和太阳能发电为代表的可再生能源发电产业，借此旨在进一步推动清洁能源的开发和利用。随着世界经济的快速发展和社会的不断进步，对电能的需求也在不断增长，大电网的集中供电模式在日益庞大的电网结构面前逐渐凸显出了一些弊端，建设成本高，电网结构越大自然电网就越复杂，整个庞大的电网运行起来成本相应就会增加许多，操作的难度也会增加很多，越来越难满足电力用户日益增长的多样化供电需求，这一点在偏远的山区表现的更加突出明显。而且随着电网的规模越庞大，相应的电网结构就表现出复杂多样的态势，带来的坏处就是电网的安全可靠性的大大降低。大规模和超大规模电力系统在实际运行过程中的薄弱之处也就凸现了出来，这已经成为了电力工业发展过程中的隐患。而且近些年来，许多国家相继发生的几次大规模的停电事故给社会发展带来的影响也更加佐证了这一点，在现代规模庞大的电力系统网络中，电力系统中任何一处发生的电力故障都存在发生连锁效应的风险，这在很大程度上给电网的安全运行带来巨大的负面影响。后来人们意识到，大规模的电力网络对于现实中的电网建设并不是一个最好的选择。而利用可再生能源的分布式发电引起了广泛的关注。
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1.2 微电网的研究现状
现阶段，微电网成为了智能电网建设的一个重要的内容，得到了广泛的关注。世界范围内各国都在投入各种力量开展微电网应用方面的研究。都各自提出了微电网的定义和发展愿景，微电网研究已呈现欣欣向荣之势。美国率先在世界上提出微电网的概念[14]，并在 1999 年就对微电网的经济性和可靠性及技术标准进行了研究。后来，美国可靠性技术解决方案协会对微电网给出了确切的定义，并发展了“即插即用”和“对等”的控制理念，微电网是可以同时提供电能和热能，由微型电源和负载共同组成的一种新型电网结构；微电网对于大电网来说是能源的一种补充，对配电网来说可以看成单独的可控单元，同时能够满足用户对电能质量和可靠性等方面的需求，微电网中存在大量的功率变换装置，负责电能的变换和控制传输。 在直流微电网研究方面，美国同样也走在了前面，直流微电网的概念是由美国威斯康辛大学麦迪逊分校电气工程系第一次提出的，后来直流微电网的发展也大致延续了当初的思想，其结构如图 1.1 所示[15]。 该直流微电网架构中，含有多种微电源，包括风力发电单元、光伏发电单元和储能单元，通过和直流母线连接给直流负载供电，再通过一个逆变环节为交流负载供电。 欧盟在微电网的研究和商业化运用方面处于领先地位，在微电网的研究中主要从电力市场的需求、供电的可靠性及环保方面进行了综合考虑，提出并发展了自己的微电网结构，欧盟微电网与美国提出的微电网在结构方面是有差异的，这归因于它们的侧重点不同，当然它有着自己独特的特点。它的最大不同在于，欧盟的微电网允许向大电网输入电能，这样更加合理的利用各种清洁能源，欧盟的微电网研究也更加侧重“多微网”结构，容易使得负荷靠近电源中心，能源的利用更加便捷有效[16]。
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2 电力储能装置的建模和分析
储能装置兼顾储能和供能的作用，在微电网研究和应用中占据很大的地位，由于储能装置的使用，不仅提高了系统的稳定性和可靠性，而且对于并网系统而言，能够很好的提高负载侧的电能质量和能量利用率。在风光互补微电网中，储能装置跟随微电源的状态变化而变化，其意义重大，在微电网的实际应用中不可缺少。 由于储能装置的特殊地位，一方面考虑到储能装置的能量密度，另一方面要考虑到储能装置要有快速的响应能力，而且能够对一定的环境变化作出响应。 目前，微电网的储能装置主要有绪论中提到的那四种。不同的储能装置各有各的优缺点。各种储能方法都不能完全兼顾高功率、高能量、长寿命、技术完善以及安全性高等多种要求，因为储能技术发展还不太成熟，所以微电网中还需要进一步研究。现阶段，就技术条件和普及度而言，蓄电池是使用最为广泛的储能装置之一。一般常见的蓄电池包括铅酸蓄电池、锂电池和镉镍电池等；锂电池具有高能量密度、高电压、无污染、不含金属锂、快速充电、无记忆效应和循环寿命高等诸多优点，大容量锂电池的安全性还有很多争议，而且成本也很高。相比之下，铅酸蓄电池由于成本低、技术较为成熟而得到了大规模的普及，但是铅酸蓄电池的缺点也是很明显的，它的体积太过庞大[32,33]。综合考虑而言铅酸蓄电池还是有其独特的优势的。对于本文而言，选择铅酸蓄电池。下文中提到的蓄电池特指铅酸蓄电池。
2.1 蓄电池的工作原理
蓄电池的主要功能是储存和释放电能，这是由蓄电池的充放电过程来实现的，蓄电池是以化学能的形式储存电能。其充放电过程是两种能量的相互转化的过程，蓄电池中化学能转换成电能的过程称为放电过程，负极进行的是氧化过程；将电能转换成化学能的过程称为充电过程，正极进行的是还原的过程，它是放电过程的逆过程。其放电过程的化学方程式如公式（2.3）所示。
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2.2 蓄电池的作用分析
由于微电网主要是利用光伏和风力等清洁能源来发电，电力的来源是可持续的清洁型能源，但是在微电网利用这么分散的能源的同时，也不得不考虑这些能源的固有的缺点，那就是这些能源都不是稳定的可持续输出的能源，它们有着其固有的随机性和波动性等特性，表现在电能方面就是供电的间断性，为了利用这些分散的清洁能源，同时也为了提高微电网供电的稳定和可靠性，这个时候就需要在微电网中引入储能装置，总的来说，储能装置在微电网中主要起到如下作用： 当微电网系统中功能有多余的时候，储能装置开始充电，分布式能源可以以最大功率的输出能源，达到合理利用清洁能源的目的。 当微电网系统中，出现功率缺额，这个时候分布式能源以最大功率输出已经不能满足负载的需求的时候，储能装置开始释放出电能，保证微电网的稳定运行。 从储能装置的这两个作用来看，近视于起到了“削峰填谷”的重要作用。 建模时用到的蓄电池模型选用 MATLAB 自带的蓄电池模型，其已经满足研究分析的需要。至于蓄电池的建模不是本文的重点，重点在于蓄电池接入微电网过程中的直流接口变换器，关于这一点下文中会提到，并有所涉及。
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3 直流微电网的建模和分析 ....... 17
3.1 风力发电系统 .......... 17
3.1.1 永磁同步发电机的数学模型 .... 17
3.1.2 风力发电的基本原理 ......... 18
3.1.3 风力机的特性分析 ...... 20
3.1.4 风力发电的最大功率点跟踪原理和常见方法 .... 22
3.1.5 风力发电系统的建模及综合仿真 .......... 25
3.2 光伏发电系统 .......... 30
3.3 本章小结 .... 47
4 直流微电网的协调控制 .... 48
4.1 直流微电网的运行模式 ........ 48
4.2 直流微电网的控制目标 ........ 49
4.3 直流微电网系统运行的控制策略 ......
4.3.1 光伏阵列 DC/DC 变换器 .......... 50
4.3.2 风力发电 AC/DC 变换器 .......... 51
4.3.3 蓄电池储能双向 DC/DC 变换器 ..... 52
4.3.4 直流微电网协调控制器 ..... 53
4.4 直流微电网协调控制的仿真分析 ...... 54
4.5 本章小结 .... 58
5 结论 ........ 59
4 直流微电网的协调控制
由于直流微电网中一般具有多个发电单元，而且它们大多布置比较分散，这就使得在利用的过程中无形地增加了控制的难度，同时也对研究新型的微电网控制理论提出了更高的要求。在目前的直流微电网协调控制方案中，主要有两种控制方式，一种是集中式控制，另一种是分散控制。集中控制对系统的要求比较高，它要求微电网主控系统和各微源控制器之间始终保持着良好的通讯联系，这就使得系统对通信线路的要求比较高，比较依赖线路的畅通情况，自然微电网控制系统的可靠性就降低了不少；而采用分散控制时，各个微源是独立运行的，它们之间不需要通讯的联系，控制过程在各个微源的内部完成，这就使得系统的可靠性提升了很多，同时也提高了系统运行模式的切换速度[50]。 如前文中提到的，对于直流微电网而言，直流母线电压表征微电网系统稳定可靠的唯一指标，因此，对于直流微电网来说，最重要的任务就是采取一些控制策略来达到直流母线电压稳定的目的。现阶段对于微电网控制研究的很多，也成为微电网研究领域最活跃的课题。本文就是以基于光伏发电和风力发电的微电网协调控制，通过这种分布控制的方法来降低控制难度，增大控制的可操作性。
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结论
近些年来，随着煤炭和石油等常规一次能源的利益枯竭和传统化石能源的过度使用，环境污染问题成了阻碍社会发展的突出问题，为了解决这些问题，现阶段主要靠提高清洁能源在能源结构中的比例，从而减少化石能源的消耗，微电网技术成了研究和应用的热点。直流微电网作为微电网组网模式的一种，与交流微电网相比有很多独特的优点，如便于控制和转化效率高等。对于直流微电网的研究有助于解决分布式能源所具有的电源分散和难于控制等问题。本文在绪论部分集中介绍了直流微电网领域的国内外发展现状和一些关键技术，在正文部分对直流微电网中的各个发电单元和储能单元进行了详细的介绍和仿真分析，并对含有光伏发电和风力发电、储能装置的直流微电网进行了协调控制的研究，通过研究得到了如下结论：
（1）首先介绍了几种常见的储能方式，并进行了比较；分析了直流微电网中用到的蓄电池的工作原理，利用 MATLAB 自带的蓄电池模型，对蓄电池的充放电特性分别进行了建模仿真和详细的分析，并对蓄电池接入微电网的接口变换器的工作原理进行了研究分析。
（2）分析了风力发电的数学模型，借助于 MATLAB/Simulink 平台建立相应的仿真模型，分析了风力机的输出特性和最大功率跟踪方法，并采用占空比扰动法实现了风力发电的最大功率跟踪，通过仿真结果表明，建立的仿真模型能够实现风力发电的最大功率跟踪，并且具有较好的跟踪效果，即使在变风速条件下也能够快速有效地实现风力发电的最大功率点跟踪。
（3）首先分析了光伏电池的物理原理和近似数学模型，根据工程上常用的单二极管电路模型建立了 MATLAB 的仿真模型，并进行了仿真研究，着重分析了光伏电池的输出特性，并且验证了该模型的可靠性。讨论了几种常见的光伏电池发电的最大功率跟踪方法，提出了改进的扰动法的最大功率跟踪方法。并和传统的扰动观察法进行了最大功率跟踪的比较，突出了其优势，并在 Simulink 平台上进行了整体仿真分析，仿真的结果表明，采用改进的扰动法能够很好的实现光伏电池的最大功率跟踪，结果也满足工程上的要求。
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参考文献(略)
优秀工程硕士论文范文篇三
1 绪论
1.1 电力系统稳定性研究的背景及意义
电力系统是由发电、变电、输电、配电和用电等部分构成的电能的生产与消耗的系统。它是用来将一次能源通过各种电力装备转化成人们生产、生活所需要的电能。之后经过电力线路的传输，将电能分配到相应的负荷中心。最终，通过电力设备的转换变成热能、光能、机械能等，为各个地方的经济和人民生活服务。电力系统是一个复杂庞大的非线性系统，它包括发电机、变压器、输电线路和负荷等一系列电气一次装置以及相应的继电保护电气二次装置。 近年来，随着社会的进步，人们经济水平的不断提高，电力能源的消耗也在急剧上升，高电压、大容量电网正在逐步形成。因此，电力系统的的稳定性控制受到越来越多人的重视[1-3]。在开始时，人们从两方面来分析电力系统的稳定性，包括静态稳定分析和动态稳定分析，其中静态稳定（Steady-State Stability）指系统受到小干扰后，保持所有运行参数接近正常值的能力。动态稳定（Dynamic Stability）指系统受到大的扰动后，系统运行参数恢复到正常值的能力。2004 年 8 月，人们重新制定了电力系统稳定性的定义和分类，即将电力系统稳定性分成了三类：功角稳定、频率稳定以及电压稳定[4]。所谓的功角稳定主要是用来表征电力系统在受到外界干扰时维持同步的能力。频率稳定是指当系统出现故障后，由于负荷的突然变大或减小从而引起发电机的有功不足或过剩导致系统不平衡时，能保证频率在额定值上下且偏移在一定范围内的能力。电压的稳定性表征电力系统开始是在给定的初始条件下运行，当遇到电力系统出现大的故障或者受到外界的扰动时，各个等级母线电压维持稳定的能力[5]。电力系统的稳定性研究是一个非常复杂的过程，不仅有很多不同的控制目标，还有无数个不同的控制方法。电力系统的分析针对的是高阶的、非线性系统。每一次系统的大事故，都使人们加深了对电力系统的认识，然而每一次事故都伴随着巨大的经济损失，因此我们应该尽可能的从事故中，挖掘新知识，积累经验。在 1996 年的 7 月 2 日美国西部电力系统大停电事故中[6]，由刚开始吉姆布端几（Jim Bridger）电厂至金姆波特（Kimport）345KV 线路单相接地，由于线路继电保护误动，并行的三回 345KV 输电线切除，接着吉姆布端几电厂发电机亦跳闸，造成爱达荷州（Idaho）南部地区，缺乏大量无功功率及有功功率，于是从西部俄瑞冈州（Oregon）及东北部蒙大拿州（Montana），送入大量无功功率和有功功率，造成西部主联络线电压下降，并先后使得蒙大拿州（Montana）至爱达荷州（Idaho）及俄瑞冈州（Oregon）至爱达荷州（Idaho）的两回 230KV 输电线，因过负荷而先后切除，于是爱达荷州南部电压严重下降，从而引起一系列的线路、发电机切除，事故扩大到整个系统，导致 150 万~200 万用户停电。
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1.2 电力系统稳定性控制对象的概述
电力系统的稳定性控制对象包括励磁控制和汽门控制。早在 20 世纪 60 年代，人们就提出了电力系统稳定器技术的概念。这项技术是指通过控制发电机的励磁系统来提高系统稳定性[7-10]，当时基于这种技术的研究就已经取得了一定的成就。后来，中国在这项技术的发展和工业推广方面，进行了出色的工作，使中国在这项技术上接近了国际水平。目前，发电机的励磁研究已经成为提高电力系统稳定性控制的必选手段。 同步发电机的励磁系统包括励磁电源和励磁装置两部分构成。其中励磁电源是指励磁变压器或者励磁机，而励磁装置是用来控制和调节励磁电流的电气调控装置。在实际正常运行的电力系统中，发电机不仅能够提供电力系统所需要的有功功率，而且还是无功功率的主要来源。发电机的励磁系统是发电机的主要组成部分，在维持电力系统稳定性方面有很大的作用。一旦电力系统发生故障，负荷急剧变化，此时，发电机励磁系统通过调节励磁装置来改变励磁电流，维持发电机的极端电压在给定的范围内，从而提高电力系统的稳定性。同时，当发电机内部出现故障时，励磁装置还会有强行增磁、减磁、以及灭磁功能，来减小故障损失。从不同的励磁电源方面考虑.
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2 考虑约束的发电机励磁和汽门开度的协调控制器设计
2.1 引言
近几年，电力行业的迅速发展，科学经济的不断进步，使得人们的生活水平得以不断提高，快速上升的用电需求让电力系统的稳定性研究越来越受关注。目前，我们国家的超高压电网正在逐步形成，电力网络变得日益复杂，因此对于电力系统的稳定性控制研究也得到了越来越多人的重视[39]。之前，在世界各地发生过的许多大的停电事故，不仅造成了大量的经济损失，而且人员伤亡也极其惨重，这也使得世界各国对电力系统的稳定性要求越来越严格。发电机的稳定性控制手段包括励磁控制和汽门开度控制，但是仅仅依靠其中一种控制手段已经不能很好地提高其稳定性，很难达到我们理想的稳定目标，因此许多人考虑将两种控制对象相结合，通过励磁与汽门开度系统的协调控制来达到系统稳定运行的目的。 电力系统的协调控制不仅很好地解决了系统中负荷随机变化或者存在外界干扰时系统的稳定性问题，并且对于发电机组的功角稳定问题也具有重要作用。因此针对发电机组协调控制的必要性，人们提出了大量的控制策略[40-44]：文献[40]研究的是单机无穷大电力系统的四阶数学模型，通过设计一个 Lyapunov 函数，使得系统在励磁电压的控制下，系统能够快速恢复到平衡点。最后通过仿真验证了发电机存在干扰或者发生三相短路时，系统仍旧能够保持动态稳定，证明了设计的非线性鲁棒励磁控制器在系统稳定运行方面相对于传统的方法比较可靠。文献[41]研究的是考虑了存在不确定参数和外部干扰时的电力系统，利用非线性 backstepping 控制方法，分步构造了闭环系统的 Lyapunov 函数，使每一阶系统均达到稳定状态，从而得到全局稳定目标，进而得到具有抑制干扰的反馈控制器。文献[42]将控制对象设置为 TCSC 和发电机励磁系统相结合，先将非线性电力系统进行线性化，再针对线性化后的模型，采用滑模控制理论设计控制器，最终使系统达到稳定。在文献[43]中，作者选取的是五阶电力系统模型，先将非线性系统进行了线性化，再通过选用基于 Lyapunov函数的滑模变结构方法设计 SVC、励磁、汽门开度的协调滑模控制器。最后的仿真实验表明，文章中设计的协调控制器相对于传统的控制器和非线性最优控制器具有更好的动态响应和鲁棒性。
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2.2 系统描述
本文基于单机无穷大电力系统模型，对发电机组励磁与汽门系统进行协调控制。针对图 2.1 所示的单机无穷大电力系统，在系统发生故障到恢复稳态运行的过程中，发电机通过调节励磁电压从而改变系统的电磁功率维持端电压不变，同时发电机的高压缸主调节汽门通过调节原动机的输出机械功率，最终获得发电机稳定运行的目的。因为在实际的电力系统运行过程中，通常要求发电机的运行频率在 50Hz±0.2~0.5Hz 的范围内，因此发电机转子角速度也是有限制的，本章采用非线性 backstepping 控制方法，根据李雅普诺夫稳定性定理，通过在设计过程中加入一个带约束的函数，此函数是基于虚拟控制变量的函数，因此将发电机转速控制在限定范围内。最终推导出实际的控制律，即通过调节控制励磁电压和汽门开度量，最终使系统达到稳定运行的目的。
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3 基于改进的 backstepping 方法设计励磁与汽门开度的协调控制器 .......... 18
3.1 引言 ..... 18
3.2 基于改进的 backstepping 方法的协调控制器设计 ....... 19
3.3 主要结果及仿真研究 ..... 22
3.4 本章小结 .... 26
4 发电机组励磁与汽门开度的协调自适应状态约束控制器设计 .......... 28
4.1 引言 ..... 28
4.2 状态约束自适应协调控制器设计 ...... 30
4.3 自适应鲁棒?H 控制器设计 ......... 39
4.4 本章小结 .... 47
5 结论 ........ 48
4 发电机组励磁与汽门开度的协调自适应状态约束控制器设计
4.1 引言
社会的不断进步使得电力系统呈现出大规模、高电压和强复杂的特点，对于电力系统的动态品质要求也愈来愈高，因此越来越多的学者将他们关注的焦点放在电力系统稳定性问题的研究上。电力系统具有一个很大的特点：强非线性性。因而针对这种非线性控制系统人们也提出了很多控制方法。但是许多需要控制的动力系统都具有常值或者慢变不确定参数，电力系统中的负荷会因为许多原因发生大的变化，因此电力系统同时又是不确定性系统，存在着各种干扰和位置参数。想要设计出性能优良的控制器，就必须将不确定性因素在系统中的影响研究在内，设计出不确定参数的替换率，从而达到自适应稳定运行目的。目前针对存在外部干扰和不确定性参数的电力系统，人们已经进行了很多研究。文献[49]概括归纳了在电力系统中考虑不确定参数时的各种自适应方法的应用，包括参数自适应、鲁棒自适应以及智能化自适应控制方法。其中参数自适应只是针对系统中仅仅含有不确定参数时模型进行控制器设计的，而鲁棒自适应除了可以应用参数不确定系统还可以应用于存在其他外界干扰时的系统。智能化自适应控制相对于前两种方法的优点是：它可以在没有系统模型的情况下，仅根据一些控制目标可控制量，通过大量的控制经验的积累来最终控制系统的稳定性。文献[50]选取单机无穷大电力系统模型的励磁控制系统，考虑系统中电抗和无穷大母线电压变化时，设计的一种基于 STF的励磁控制器，设计过程采用了参数自适应控制方法，使系统能够实时得知参数值，根据参数的变化而进行自动调整，从而获得良好的控制效果。文献[51]考虑了不确定因素（发电机电抗参数）存在时的电力系统控制器设计，设计过程采用了自适应控制方法结合上干扰抑制理论，不仅有效地提高了系统的稳定性，而且在功角和频率的暂态响应性能上也大有改善。文献[52]基于发电机三阶模型，通过坐标变换，利用反步法设计了发电机鲁棒自适应励磁控制方案，设计过程中考虑了发电机阻尼系数、d 轴同步电抗和暂态电抗不确定时，最终仿真实验验证了控制器具有优良的稳定性。
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结论
近几年，我国在电力行业的发展突飞猛进，电力系统结构也变得日益复杂。随着电力等级的不断提高，大机组、高电压、强耦合的电力系统特征不断凸显，相应的电力系统的自动化水平和互联性加强。一旦出现大的电路故障，如果不能及时的控制，很可能会造成大规模的损失和无法计量的伤害。因此为了能够更加有效地管理和调节电力系统，人们对于其稳定性的研究也变得越来越多。 励磁系统可以用来控制端电压，而汽门开度是用来控制电力系统的原动机的机械功率，这两个研究对象是电力系统稳定性研究的两个主要方面，它们在电力系统中至关重要，本文就从这两个方面入手，将发电机的励磁控制系统和汽门控制系统两者结合起来，通过利用非线性的backstepping控制方法加上Lyapunov稳定性定理来进行发电机励磁系统与汽门系统的协调控制器的研究设计。 本论文主要就以下几部分内容展开研究： 首先，论文选取了四阶的电力系统数学模型，将励磁和汽门开度作为控制对象，利用非线性backstepping方法和Lyapunov稳定性理论直接方法进行考虑状态约束的协调控制器的设计研究，由于在协调控制器的设计过程中并未对非线性电力系统进行线性化，从而很好了保留了原来系统的非线性性，仿真验证了该控制器不仅在系统发生干扰和故障时能够保持系统稳定运行，而且保证了发电机的转子角速度限定在设定的范围内。 接着，在考虑状态约束的控制器设计基础上，又设计采用改进控制方法的协调控制器，设计过程中通过加入一类 K 类函数来加快系统的响应速度，由于 K 类函数是关于误差变量的函数，从而确保了系统的控制增益不会大幅增加。 之后，考虑到在实际运行的电力系统中存在许多不确定因素从而引起系统模型中的参数也具有不确定性，通过利用自适应方法和 backstepping 控制方法相结合，最终设计了参数替换率和控制输入，得到新的误差控制系统。通过 MATLAB 仿真验证，所设计的发电机励磁与汽门系统状态约束的自适应协调控制器相对传统的自适应协调控制器在响应速度和振荡幅度方面效果较好。
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参考文献(略)
优秀工程硕士论文范文篇四
第一章 绪论
1.1 课题背景与研究意义
在人类社会快速发展的今天，能源作为社会发展的重要动力，我们对能源的依赖越来越重。自古以来，传统石化能源一直是我们最主要的能量来源。但传统石化能源不仅储存数量有限，而且在石化能源燃烧过程中产生了大量的 CO2，直接造成了温室效应，同时释放其他有害于人类健康的化学污染物质。因此，寻找人类社会能源危机这一重大困扰我们发展的问题的解决方案已经日益紧迫。可再生能源的开发为解决能源危机带来了曙光。而风电目前已经成为最重要的、发展最为迅速的可再生能源。加快风电发展，对于增加清洁能源供应、保护环境、实现可持续发展具有重要意义[1]。根据全球风能理事会（GWEC）于 2012年 2 月发布的全球风电装机情况的统计报告显示[2]，全球至 2011 年年底总装机容量达到 237,700MW，同比增长高达 22.3％，世界各国总量年度市场规模增长率已然超过 6％，如图 1-1 所示。全球具备商业化风电机组和风力发电设施的国家和组织的数目前已经超过 80 多个，而拥有总风力发电量大于 1.1GW 数量的国家已经超过 20 个，这 20 个国家中很多都隶属于新兴市场。2013 年全球风电新增装机排名前十位的国家和 2013 年风电累计装机前十位的国家如表 1-1 和 1-2所示。从表中不难看出，中国既是 2013 年全球风电新增装机第一名，市场份额占据了约二分之一，同时中国又是 2013 年风电累计装机第一名。除此之外，德国、美国等国家也有相当量的装机的容量。根据权威机构统计，目前世界电力总量的 2%来源于风力发电，而风力发电总量更是超过整个欧洲国家电力总量的5%。根据权威机构的预计[2]，截止到 2020 年全球风电供应量占全球电力供应总量的百分比将首次超过 10%，达到 12%。
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1.2 含风能微电网的国内外研究现状
微网的控制方法主要有基于电力电子技术的即插即用控制(plug and play)和对等(point to point)控制[11]、基于功率管理系统的控制[12]和基于多代理技术的微网控制[13-14]。国内外学者对微网控制做过多方面研究工作：文献[15-17]在并网和孤岛运行模式转换时进行了控制策略的切换，增大了控制器在切换过程中平滑过渡的难度，容易产生较大冲击；文献[18]提出了孤岛运行时一种基于下垂控制的无差 V-f控制，但是这种控制只能应用于一个主控分布式电源，不利于实现孤岛时各分布式电源功率的合理分配；文献[19]在并网和孤岛运行时外环利用 f-P 和 V-Q 下垂控制方法，内环采用有功功率和无功功率分别来调节逆变器输出电流的 d 轴和 q轴分量，这种控制更适合于电流源逆变器，而实际应用中的并网装置更多为电压源逆变器；文献[20]提出了 P-f(Q-V)和 f-P(V-Q)相结合的控制方式，但其动态过程中产生较大的功率振荡；文献[21-22]在并网和孤岛运行时外环利用 P-f 和 Q-V下垂控制方法，但是没有考虑孤岛转并网时利用下垂控制的同步并网问题；文献[23]简要介绍了同步并网控制，但是其内环控制较为复杂，参数设计受系统影响较大。微网的稳定性分为小信号稳定性和暂态稳定性。目前，已有一些关于微网稳定性研究的综述文献。文献[24]对小信号稳定性问题进行了总结，但对小信号稳定性问题的阐述尚不完善，未考虑系统故障等情况对微网运行的影响。文献[25]借鉴传统电网稳定性的分析结论，对微网稳定性的一些方面进行了总结，但未根据微网自身特点对短路故障等大扰动引起的暂态稳定性问题以及提高微网稳定性的措施等进行全面总结。
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第二章 含风能微电网的建模
2.1 引言
含风能微电网主要由风电机组和储能系统、负荷构成。储能常见的接入方式分为分散式接入和集中式接入两种方式。集中式充分考虑了风场各台风机间的互济作用，整场的输出功率波动要小于各台风机的波动累加值。因此，在同一控制目标下整场集中配置储能较分散式配置储能节省储能容量，这在当前储能成本较高的情况下显得尤为重要。采用分散式配置储能多是针对单台风机，这样所需的储能容量要比集中式小的多，灵活方便。但随着大规模集群风电场的发展，风电机组经常维护和检修，分散式储能的工作量要明显加大，由于结构复杂也降低了系统的可靠性。虽然分散式储能的单体容量要小的多，但是对于整个风场来说总的容量要比集中配置储能容量大。因为分散式储能没有充分考虑风场各台风机的互济作用。因此风电场或风电场群采用集中式配置储能系统更有优势，所以本文中储能配置方式采用集中式储能结构。本文中所用风能为双馈风力发电机组，储能形式为电池储能。由上文讨论可知，储能接入方式本文为集中接入。在并网运行时，储能可以实现风能对调度的响应，实现削峰填谷等功能，增强电力系统稳定性，提高风电利用率，优化风电经济运行。当微网独立运行时，波动的风功率经过电池储能系统的平抑后向负荷提供质量较好的电能。下面研究微电网的组成、结构特性以及各部分的详细原理、结构和数学模型。
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2.2 微网组成和结构特性
认可度高的 CERTS 微网[29]的基本结构如上图所示，图中包含了多个分布式发电源（Distributed Generation Source，DGS ）和储能元件，这些系统和元件联合向负荷供电，整个微网相对大电网来说是一个整体，通过一个断路器和上级电网的变电站相联系。微网内的 DGS 可以含有多种能源形式。在交流微网中，分布式电源的同步并网，变压器、电动机的励磁涌流，三相不对称，控制复杂等问题的存在与用户希望微网能够提供高效、可靠、高电能质量供电服务的要求存在矛盾。直流结构形式的微网在以上这些方面的拥有一定的优势。目前直流微网仍处于刚开始起步阶段[30]。
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第三章 风电机组出力特性分析..........34
3.1 研究意义和研究现状......34
3.3 30 秒数据出力特性分析........48
3.4 本章小结......53
第四章 微电网中风储容量的优化配置.....54
4.1 容量配比优化模型..........54
4.2 算例分析.....57
4.3 本章小结.....58
第五章 含风能微电网的运行仿真......59
5.1 风机仿真验证....59
5.2 储能系统仿真论证..........61
5.2.1 储能电池仿真验证.......61
5.2.2 电池储能系统多时间尺度特性分析..... 67
5.2.2.1 电池储能系统暂态特性.........69
5.2.2.2 电池储能系统中长期特性......69
5.3 微电网仿真验证.......70
5.3.1 微电网并离网运行仿真......70
5.3.2 微电网在负荷扰动下的稳定性仿真...... 72
5.4 本章小结.....72
第五章 含风能微电网的运行仿真
本章将在前文基础上进行整个微电网的仿真验证。首先在第二章数学模型的基础上，在 Matlab/Simulink 中建立风电机组和储能电池系统等各部分模型，分别进行仿真实验，最后建立整个微电网仿真模型，对微电网的运行特性设计仿真实验。
5.1 风机仿真验证
接下来进行仿真研究。风电机组重要特性就是能响应实时变化的风速，因此本文设计仿真实验，研究模型在波动风速下的运行情况。仿真步长设置为电力系统仿真研究中最常用的 5 微秒，仿真算法为定步长算法仿真条件：风速为阶跃输入，在 0 到 0.1 秒为 12 米每秒,0.1 到 0.2 秒为 8 米每秒，仿真结果如下：从上图可以得知仿真模型的电池内阻 r0 约为 166.86 毫欧，而实际生活中，电池的内阻一般是小于 200 毫欧，所以模型内阻是真实有效的。综合以上三个方面，可以得出结论，本文所建立的电池模型是真实有效的。接下来本文在建立的正确的模型上，做了大量的仿真实验，来研究充放电倍率、温度等因素对电池特性的影响，以及电池充电电流建立过程，和充电电量的随 SOC 的变化关系等问题。
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结论
目前，风能已成为新源领域中技术最熟、具规模开发和商业化展景的发电方式之一。然而，风能具有随机性、波动间歇等特点造成电场出力波动，也给能质量和网的稳定运行等造成负面影响，限制了风电的影响。储能系统具有动态吸收和释放能量的特点，合理地在风电场中配置储能设备可以有效弥补风电的间歇性和波动性，改善风电输出功率的可控性，增强稳定性，并改善电能质量及优化系统运行的经济性。本文基于含风能和储能电池的微电网的结构，做了如下研究工作：
1）首先分析了微电网的特性和结构，在此基础上提出了本文研究所用的含风能微电网的结构。之后详细研究了风力发电机组原理和储能电池系统工作原理后，建立了包含风机、传动链、双馈电机、变流器在内的双馈风电机组模型，和包含锂离子电池单体和储能变流器在内的储能系统模型，并建立了动态风场和风速等值模型。最后建立了微电网的变压器、线路和负荷等电力部件模型。
2）研究了风功率特性。基于两种实测数据进行了风功率出力特性的分析，首先从出力情况，不同时间尺度的变化率、单机和风场出力相关性、风速和风电机组功率相关性等多种角度进行了分析。而在进行了平稳性分析后，得出风功率出力序列是非平稳的序列，因此引入了小波变换，首先利用已有的 Matlab 工具箱进行了单尺度分解，多尺度分解和完全分解，为了进一步找到序列中的周期分量，进行了小波方差分析。在得到主周期分量后，又做了一系列的对比仿真，验证了周期分量的唯一性和正确性。
3） 对含风能微电网中风电机组和储能电池系统的容量配比问题进行了研究。提出了配置模型的目标函数和约束条件，构建了一种配置原则和方法。在算例中以包括投资陈本、运行费用、购售电成本的综合效益为优化目标，在满足功率平衡、电源容量和可靠性的约束下，对含风能微电网进行了容量配置。
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参考文献(略)
优秀工程硕士论文范文篇五
1. 绪论
1.1 课题研究的背景和意义
金属探测器最早应用于军事领域，探雷器就是它的雏形(探雷器能够检测出带有金属部件的地雷)。二十世纪中叶，世界上第一台金属探测器问世[1]，它的功能是：检测出工矿业矿石中混入的金属块，并驱动相应的设备剔除金属块。金属检测技术的发展离不开电力电子技术。上世纪六、七十年代，电力电子技术[2]、印刷电路板技术的快速发展，才出现便捷式的金属探测器，如公安部门常用的搜身器和公共场所或大公司的安全门。60 年代以后，金属探测器的开始使用平衡式接收线圈[3]，同时电路中增加同步解调器，不仅能检测到接收信号的振幅，而且还能检测到接收信号的相位，提高探测器的灵敏度和对接收信号的处理能力。早在 70 年代，国内就在食品安全领域引入金属探测器，当时，探测器使用大量的电子管和晶体管，导致线路庞大，功耗较大。随着电子元器件进入集成电路时代和微处理芯片的使用，让金属探测器走向自动化、智能化的道路。随后出现了能够自动进行自动大地效应平衡 (AGEB)技术和数据处理功能的金属探测器，使金属探测器有了质的飞跃，硬件上从单纯模拟电路转向模拟与数字电路相结合。软 件 上 从 单 片 机 发 展 到 数 字 信 号 处 理 器 (DSP) 和 Advanced RISC Machine(ARM)，数字化芯片的使用提高了金属探测器的性能、扩展了金属探测器的功能、扩大了金属探测器的应用范围。 金属探测器的价值体现在军事、食品、药品、原材料加工、公共安全等各个领域。最直接的体现就是在如火车站、汽车站等公共场所，或世博会、奥运会、亚运会、全运会等各种大型活动，人员大量聚集，安保工作好坏成为判定活动成功与否的重要因素之一。金属探测器的使用，可以及时有效地检测出潜在的危险物品，如犯罪分子(尤其是恐怖分子)携带的管制刀具或金属违禁品，提醒安保人员提前采取应对措施，保证广大公众的人身、财产安全[4]。医疗、食品等行业，直接关系到每个人的生命健康，因此无论是民间还是政府对其品质成分含量要求越来越严格，要求达到国内或国际上一系列技术标准，如国际食品技术委员会的危害分析、关键控制点 HACCP 体系[5]和我国的食品质量安全 QS 体系和 ISO 体系等[6]，在这些标准体系中，都将金属颗粒的含量检测作为关键的标准之一。因此，金属探测器成为食品、药品加工等领域必不可少的检测设备。并且对于某些特殊的加工行业，政府明确规定，如果其加工生产线没有金属颗粒物的检测设备，是禁止开工的。在原材料加工行业，金属探测器也是不可缺少的保护性设备之一。
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1.2 国内外发展概况
金属探测器的应用范围越来越广泛，而且达到了良好的效益。一台普通的矿用金属探测器便可以保护昂贵的矿石粉碎机（破碎机）；在机场一台性能良好的安全门式金属探测器就可以保护价值上亿元的飞机和数百人甚至数万人的生命安全。因此，对金属探测器的研发引起政府和专家的高度重视。我国在冶金、医疗、食品、原材料加工等行业中，先后引进美国、日本、澳大利亚、等国和欧洲国家研制的金属探测器，在北京、广州、上海、深圳等地进行各种型号的金属探测器的设计和研究，并投入到广泛的生产生活应用中。 现在，金属探测器的应用已经从军工、矿业、纺织等领域逐渐扩展到木材加工、药品、玩具、安检、野外探险等领域。此外，国外还研制出了 X 光、红外线式金属探测器，能够准确指示出金属碎片的位置和大小，达到精确除铁的目的。此外，这些探测器也能应用在安检方面，提升其检测的精度。目前，有一部分科研人员正在研究利用超高频的电磁波谱：万亿赫兹辐射或称 T 射线。T 射线的引用可能使安全监测、医学成像、食品加工等领域的检测精度发生质的变化。食品加工商可以通过使用 T 射线检测装置来检测密封包装食品得知其含水量，确保食品的新鲜度达到最好。英国的 TeraView 公司设计出能够运用到码头的金属探测器，这种探测器的检测精度可以达到：随身携带的剃须刀或行李中的塑料炸药。 随着科学技术的发展，电子元器件的精度有了很大的提高，使金属探测能够达到较高灵敏度的要求。国产的 JTJ 型金属探测器能够检测到直径为 0.44cm 的铁球；南非生产的金手指(GOLD FINGER)型金属探测器，通过二维检测，能够在显示屏上标出被检测到的金属块的大小、位置，其灵敏度最高可检测出 0.5g的黄金；随着灵敏度的提高，误报警率也大幅提高；较高的灵敏度和准确报警之间相互矛盾；故研制出适用于各个领域，且能够精确报警的探测器成为电磁检测行业的重中之重。
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2. 探测器的原理分析及整体设计
2.1 基本原理
麦克斯韦提出了位移电流假说：在任何随时间变化的电场都要在附近空间激发磁场；十九世纪早期，丹麦的物理学家奥斯特发现了电流的磁效应，推翻了几百年来电和磁无关的定论。同期的法国的物理学家毕奥和萨伐尔在拉普拉斯的帮助下总结出了毕奥-萨伐尔定律，定理描述变化的电流周围产生变化的磁场，在电流附近某点的瞬时磁感应强度可由公式 2.1 和 2.2 求的。传统的检测金属方法是：当有金属物体通过探测器的检测区域时，其等效电阻由原来的 R1变为公式(2.21)中的 R，阻值增大；等效电感由原来的 L1 变为式(2.22)中的 L，电感量减小。从而导致检测线圈两端电压的幅值和相位发生变化，通过检测这些变量可以判断被测物是否为金属。涡流的作用导致阻抗的实部(电阻部分)增大，而虚部等效电感量是增大或者减小，由下部金属的材料决定。当金属为非磁性材料时，电感量减小；为磁性材料时，由于金属材料被磁化使其电感量增大。新的检测方式是：切断原线圈两端电流时，被测物中的涡电流不会立即消失，会以某种方式衰弱，如果在被测物下部又有一个线圈时，线圈两端会产生一个感应电动势 EMF，测量 EMF 的大小也可以判断被测物是否为金属，甚至可以判定金属的种类。发生线圈输入信号为脉冲信号时，这种测量接收信号衰减曲线的方法在 2.6 节详细介绍。
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2.2 金属导体在线圈中的磁场分析
假定存在一个球形导体固定在某个发射线圈和接收线圈的中间，如图 2.3 所示，以球形导体的中心为原点建立直角坐标系，发射线圈和接收线圈的轴心为坐标系的 Z 轴，其半径大小分别为 Rt、Rs。发射线圈、接收线圈的截面与 XOY 平面平行。坐标系原点到发射线圈、接收线圈的距离分别为 rt和 rs，设球形导体的半径为 a，电导率为 σ，磁导率为 μ。发射线圈通入大小为 I、角频率为 ω 的交变电流时，在周围产生一个交变磁场，球形导体感应到交变磁场时，就会在导体内部产生涡电流；由涡电流产生的新磁场与原磁场相互叠加。假定某一时刻原磁场保持不变，接收线圈的 EMF 只与新磁场有关。新磁场随着涡电流的变换而变化，涡电流的大小不仅与原磁场有关，而且与自身的电阻率、磁导率等有关；判断新磁场的变化情况最有效的方式是测定接收线圈 EMF 的变化。金属探测器从最初的模拟信号技术[22]到数字脉冲技术，由原来“涡流效应”到现在的巨磁电阻传感器等科学技术成果。探测器由原来的笨重、功能简单发展到现在的轻便、智能化。无论是探测精度，还是稳定性，都有了质的飞跃。金属探测器一般根据检测原理分为差拍式、自激感应式、耗能式、平衡式等。现在国内的检测精度较低的金属探测器大都采用从差拍式、自激感应式、耗能式等探测技术，检测精度较高的采用平衡式原理。平衡式相对其它式金属探测器性能更加稳定、可靠。下面对这几种金属探测器[23]的工作原理作简要介绍。
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3. 硬件电路设计....21
3.1 发射模块 .....21
3.1.1 脉冲信号的产生 ..........21
3.1.2 接收线圈上的信号 ........23
3.2 接收模块设计 .........24
3.3 主控芯片 .....25
3.3.1 DSP 系统 ........26
3.3.2 DSP 电源电路 ....27
3.3.3 DSP 的晶振及复位电路 ....28
3.4 电源模块 .....30
3.5 RS485 通信模块 .......30
3.6 输出驱动模块 .........31
3.7 人机界面模块 .........31
3.8 键盘模块 .....34
3.9 PCB 的制作 ...........35
3.10 本章小结 ....36
4. 软件设计........37
4.1 DSP 程序设计 .........37
4.2 人机界面的软件设计 ...........42
4.3 本章小结 .....44
5. 实验结果分析及改进措施..........45
5.1 实验准备 .....45
5.2 实验结果 .....46
5.3 抗干扰措施 ...........51
5.4 本章小结 .....51
5. 实验结果分析及改进措施
本系统针对矿业中输送煤炭、金属矿石、非金属矿石设计的，在矿中需要检测出来的金属主要是：铲斗齿块、齿锰钢块、镗孔齿块、条钢、条链、铁制工具等。输送矿石主要用的是传送带(或输送带)，传送带主要由牵引件、承载构架、驱动装置、支撑件、皮带等组成，能够影响金属探测器的主要因素是皮带、支撑件，因为探测器完全可以通过移动位置来避开其它部件的影响。皮带中含有铁丝网，皮带的接头或修补处都是用的铁钉；在设置探测器灵敏度时都需要考虑。 金属探测器的灵敏度设计上需要对矿石背景分类；金属矿石的品位对灵敏度影响较大，而非金属矿石则对灵敏度没有影响。
5.1 实验准备
利用 Altium Designer 软件将硬件图设计成 PCB 板，能够实现焊接任务，并完成相应的焊接组装工作，其次通过程序下载然后将程序下载至 TMS320F2812型 DSP 和 STC12C5A60S2 单片机中进行最后的调试。接收面板的尺寸为 200cm×40cm×2cm；发射面板为 200cm×20cm×2cm。硬件电路板焊接完成后需要进行一系列的测试，来确定硬件系统能否正常工作。测试主要完成以下内容[39]： (1)查看硬件电路板有没有焊接好、漏焊、短路，关键是查看在各个元器件同地线之间有没有短路。 (2)检查发射面板、接收面板的电缆和是不是正确连接到控制器上。 (3)给系统上电后，检测各个器件的两端电压是不是达到正常值，大功率器件有没有发热、发烫迹象；完成的金属探测器硬件结构的调试，实物图如图 5.2所示。调试好的金属探测器的显示面板如图 5.1 所示。
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总结
本文介绍了多种原理的金属探测器。描述了圆形和矩形线圈的磁场分布和平衡线圈的基本原理，并在圆形平衡线圈模型的基础上提出灵敏度、可靠性更高的矩形平衡线圈模型，并加以改进得出改进平衡式金属检测原理。以此理论为基础，结合检测原理以及电路知识，设计出应用在矿业中检测金属杂质的金属探测器。通过金属探测器实验，将的到的结果与理论设定值相比较，验证探测器的灵敏度和可靠性。结合现场对产品技术性能的要求，通过多次实验测试探测器的检测效果，本文设计的金属探测器的检测精度能够满足市场的需求；需要注意，为了最大程度上抑制干扰，提高检测精度，加入了数字滤波电路；同时加入了屏蔽罩和稳固措施，使探测器的稳定性到了较大的提高。 设计的不足之处是不能消除输送带和补丁处铁钉的影响。需要设计出能够使探测器识别出皮带接头，在皮带接头处降低探测器的灵敏度，减少误报。
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参考文献(略)
优秀工程硕士论文范文篇六
1 绪论
1.1 选题背景及意义
随着社会发展突飞猛进，生活和生产中的用电设备也多样化起来，人们对用电设备的依赖性也日渐增强。因此可以说供电质量的保证不但关系着人们的生活质量，更关系着国民经济的发展速度。近十多年微电子技术和电力电子技术以十分迅猛的趋势在发展，增加了电网中的非线性、不平衡性和具有冲击性的负载，这将增加电能质量问题的发生概率，并且使电能质量问题有逐渐恶化的发展趋势[1]。我国的供电系统也普遍存在电能质量问题。目前对电能质量问题划分为以下几类：电压的波动、偏差和闪变，以及一些三相不平衡问题和谐波问题[2]。在近几年的各种新兴电气设备的冲击下，相继又产生了很多问题。比如有：瞬态过电压、暂态过电压、短时间间断及电压凹陷等[3]。 不论是生活家用电器设备还是电力系统中供配电设备，都会不同程度受到电能质量问题造成的不良影响。电能质量的问题必须得到足够的重视并及时解决，否则会严重威胁到一次系统中设备的安全运行。同时电能质量的恶化可能导致二次系统的一些重要设备直接退出正常工作状态，这将对整个系统造成无法挽回的严重后果。电能质量不合格会导致电力系统中一些装置接收到的控制信号不准确，从而导致供配电网络中一些继电保护装置发生误操作。这样会对电力系统的安全可靠的运行状态造成很大的隐患。因此可以得到一个不争的结论：电能质量的保证是十分重要的。这不但关系着用电设备的安全，而且还关系着整个电力系统的稳定运行。对于生活用电用户来讲电能质量的稳定与否关系到生活用户用电的质量[4]，也关系到生产用户的产品生产质量。据美国方面可靠资料记载，过去十几年中每年经济损失中有超过几百亿美元是因为电能质量不合格的问题造成的。不合格的电能会对社会经济造成无可估量的影响。例如电能质量出现问题将会导致电网的大面积停电，这将会造成生产用户的生产力大幅下降，使产品的成本大大增加。对日常用户而言，由于电能质量不稳定出现的电压闪变显然会使家用电器的照明设备和显示屏发生闪动。一些家用电器中压缩机由于受到电压波动所产生的冲击力而发生震颤，大大影响了电器的工作寿命。此外，电能质量受到污染还会造成其他不良的影响。常见的主要有对有线或无线通信设备造成干扰。 综上，对电能质量的提高和优化不仅对社会的整体经济收益可以提供一个稳定的保障，而且对供电系统中电气设备的安全运行和生活用电用户的生活质量都有着很重要的意义。由于电能质量问题影响面之大，危害性之严重，因此国际供电会议已经把这个问题提上会议议程[5]。其中电能质量污染的问题已经被列入当前供电界关注的首要问题。目前国际和国内的许多科研工作者已经将电能质量的评定和优化单独列为一个研究方向开始投入研究。
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1.2 课题国内外研究现状
电能质量去噪技术是近二十多年才提出的，虽然发展时间较短，但是发展速度非常迅速。国内外很多专家学者对电能质量信号去噪的问题已经做了比较深入的研究工作。目前相关的去噪技术基本形成了一套较为完善的理论基础[7]。噪声污染对电能质量信号的影响主要表现在电能质量评估所用的特征量提取方面。比如采用小波变换去噪时，在高频处附近的信号波动特征就可能由于电能质量信号受到污染而提取不到。这样一来就与小波变换原理中更为精确的多尺度判断的特性发生冲突。还有一种可能情况发生，是发生在利用局部模极大值原理检测信号的时候。待检测信号若被噪声污染则会在检测结果中出现一些本来没有的奇异点。与此相似的情况还会发生在一些算法变换中，噪声会随着有效信号的放大而随之放大。这样会混淆了有效信号中的特征信号与奇异点，使设备无法分辨真实信号。 有些学者在文章中提出应该将信号在使用和检测前进行一定的去噪预处理。文献[8]中提到了一种形态方法的预处理方法。但是文中提到的两种方法 DQ 变换法和动态测度法都会受到噪声的影响。这是因为这个算法本身不具有消噪的功能，接着为了应对消噪的问题就相继提出了傅里叶变换和 HHT 变换等具有消噪运算功能的算法。 按照去噪技术的分类可以归为线性滤波去噪和非线性滤波去噪两类。前者具有简单易操作，平滑性较好等特点。不过在实际应用过程中发现线性滤波不擅长处理脉冲型信号，针对脉冲型噪声无法很好的达到抑制目的，脉冲部分的有效信号会被模糊掉。非线性滤波技术就是针对线性滤波的不足之处提出来的。经过非线性滤波去噪处理后，噪声信号会被处理为零值，非噪声信号的特征信号部分会被保存下来。
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2 电能质量信号评估及去噪技术
2.1 评估电能质量的重要性
电能质量的概念已经被提出了好多年，近些年越来越受到国际上各国的重视。通常意义上电能质量指的是公用电网向用户所提供交流电的电能品质。合格的电能质量应该是具有标准的电压、恒定的频率和标准的正弦波形的供电信号[22]。关于电能质量的定义有很多，在没有统一定义之前不同文献中会使用电压质量、用电质量等词语对其进行代替或概括。直到 IEEE 标准技术委员会正式将电能质量一词规定为标准术语后，才出现了统一的定义。合格的电能质量具体定义内容为：可以保证设备进行正常工作的供电或接地系统的信号质量[23]。 三相交流供电系统中，不同相之间的电压、电流幅值相等、相位是对称且相互间隔120 度。实际在系统运行的过程中存在很多设备的非线性运行、系统中一些设备的不对称等、设备的开合闸操作和外在环境的干扰等因素造成了实际电能达不到理想状态。实际系统中用电设备和用户对供电电源特性的要求不同。对于这种供电和用电双方相互影响和相互作用的关系，在技术层面采用普遍认同的技术名词定义法给出一种定义[24]。
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2.2 电能质量评估标准及意义
电能质量评定问题是一个涉及到多学科的综合性课题，迄今为止对电能质量问题的研究仍然是电力部门和用电部门之间需要长期协调、研究和解决的问题。为了找出产生电能质量问题的根本原因并找出引起电能质量下降的因素，要对电能质量进行一定的规范分类，从而可以选择有效的解决方法去改善这一问题。目前国际上对电能质量的定义不统一，导致不同国家和地区所规定的类别分界和类别技术名词也不尽相同。国际电工届将此类问题归结为电子扰动的基本现象[26]。据此可以得出，电能质量问题可以根据造成扰动的时间长短大致分为暂态电能质量问题和稳态电能质量问题。 稳态电能质量问题主要是指发生电能质量异常的持续时间在大概一分钟以上的电能质量问题。主要的特征表现为波形畸变，主要问题包括：间谐波、谐波、噪声、缺口及电压不平衡等。暂态电能质量问题主要指发生电能质量异常的持续时间较短的电能质量问题。主要问题包括：信号凹陷、信号凸起、信号间隔、脉冲暂态和振荡暂态等[27]。IEEE根据电能质量问题的特征对其具体分类做出一个说明，将具体说明整理如表 2.1： 实现电能质量问题的分类与合理评估具有十分重要的实际意义。首先电能质量问题的准确分类和评估可以为供电方与用电方在拟定供电合同的时候来明确发生电能质量问题时候的责任提供划分依据，也为电能商品的分质计价提供参考。其次，准确的评估电能质量问题是对一个供电网络或者供电区域进行电能质量综合评估的提前，也是下一步对电能质量进行分类治理的先决条件。同时通过实时监测各监测点的电能质量可以调查到电能质量的干扰源，将责任具体到各电力用户，也有助于及时准确解决存在的问题。
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3 小波理论在电能质量信号去噪中的应用 .... 14
3.1 小波变换去噪的原理 .... 14
3.1.1 连续信号小波变换去噪 .......... 15
3.1.2 离散信号小波变换去噪 .......... 16
3.2 小波基函数的确定........ 17
3.2.1 小波基的选取 ..... 18
3.2.2 离散小波变换 ..... 19
3.2.3 小波基函数的特性 .... 20
3.3 小波阈值变换去噪参数确定 ...... 22
3.4 本章小结.......... 26
4 结合阈值函数的构建及去噪原理分析 ........ 27
4.1 结合阈值函数的构建 .... 27
4.2 加权结合阈值法去噪步骤 .......... 30
4.3 本章小结.......... 31
5 加权结合阈值去噪效果仿真及验证 ..... 33
5.1 加权结合阈值去噪的去噪模型建立 ........ 33
5.2 三种特征信号的去噪仿真 .......... 34
5.3 去噪效果的量化评定 .... 40
5.4 本章小结.......... 45
5 加权结合阈值去噪效果仿真及验证
5.1 加权结合阈值去噪的去噪模型建立
采用小波阈值去噪是依据有效信号与噪声信号经过小波变换后得到的小波系数再频率领域表现出来的特性不同，进而根据二者的差异制定相应的去噪规则，对小波系数进行分离去噪处理。处理的主要目的是在最大限度的保留有效信号的前提下尽量将噪声信号全部去除掉。然后将经过小波阈值处理后的小波系数进行重构。 因此去噪效果的改善主要在于小波变换后去噪规则的制定。本文中第三章介绍了几种阈值选取的规则与小波变换基函数，并且依据电能质量信号与高斯白噪声的特点选定采用正交小波基 Dsubechies 中的 db3 对原始含噪信号进行小波变换，采用 Donoho 和Johnstone 提出的统一阈值法进行阈值划分。接下来对阈值划分后的小波系数采用本文第四章详细介绍的加权小波阈值函数法进行不同频率段的阈值去噪，达到了再阈值门限处信号平滑过度不会发生跳变信号，在信号频率较高处的有效信号进行很好的信息保留。最后对去噪后的信号进行重构，通过计算 SNR 与 RMSE 来验证去噪效果的优劣。
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结论
本文通过研究电能质量评估的重要意义与具体的评估要求，提出了针对电能质量评估环节中最重要的采样环节进行信号的去噪预处理，使得采用去噪后的信号进行电能质量评估的结果更加准确可靠，从而保证了电力系统的安全稳定运行。文中详细对比研究了目前用于电能质量信号的去噪法，总结出了各种方法在去噪过程中的优缺点。以此为研究基础对小波变换去噪的方法进行了深入的研究。主要工作有：
（1）通过对电能质量问题划分的研究，分析了电能质量评估中电能质量信号去噪的重要性，决定了要针对电能质量信号去噪的方法进行改进，达到提高去噪效果的目的。
（2）详细对比研究了小波变换去噪方法的去噪原理与阈值门限选取方法，依据电能质量信号中所含高斯白噪声的特点，选定了针对电能质量信号小波变换的小波基函数db3 进行小波变换处理，确定了使用 Donoho 和 Johnstone 提出的统一阈值法进行阈值划分。
（3）根据现有的小波阈值去噪方法存在的问题，针对阈值函数进行了加权优化，对传统的软硬阈值函数，通过一个可变的加权因子，实现了结合去噪阈值函数的加权结合。达到了优化电能质量信号去噪的效果。
（4）Matlab 仿真软件对优化后的小波阈值函数进行了针对电压暂降、电压中断、电压暂升的去噪仿真，并与小波阈值去噪方法进行去噪效果的对比验证。
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参考文献(略)
优秀工程硕士论文范文篇七
第 1 章 绪 论
1.1 课题背景及研究的目的和意义
中国经济经过几十年的飞速发展，取得了许多令人骄傲的成绩，但经济发展带来的负面影响——环境污染问题，则使中国倍感压力。2012 年入冬以来，全国性的雾霾天气让人们不得不重新审视中国环境污染的现状，保护生态环境刻不容缓[1]。煤炭是雾霾产生的重要原因[2,3]。我国为煤炭大国，虽然煤炭脱硫、除尘、降噪等环保措施早已应用于煤炭发电系统中，但从能源的化学组成、获取和消耗来说，煤炭发电对环境的污染还是非常严重的。不可再生能源的储量越来越少，消耗量却越来越大，这就迫使研究人员越来越重视各种新能源的开发与应用。太阳能具有储能巨大、安装灵活性高等优点，这些优势促进了光伏发电技术的迅速发展。由于蓄电池成本高、回收难，废弃电池反而对环境污染更大，所以光伏电池发出的电应该并入大电网，而不是单纯存储在蓄电池里面。但在实际应用中，光伏并网发电技术也会遇到很多困难，比如光伏并网对电网运行稳定性的影响，如何快速准确地提取电网电压同步信号，以及如何对并网控制方式进行选择等。光伏并网应用过程中遇到的实际问题都将对配电网规划、配电网继电保护、电能质量、电网调度运行等产生影响。为了保证新能源并网时电网的正常运行，我国相继颁布了有关新能源并网的标准[4,5]。如何将新能源发出的电能进行广泛地应用、合理地分配以及有效地调度等，对各国研究人员都是任重而道远的。光伏电池发出的直流电很容易受到外界环境的影响。利用逆变技术，将直流电转变为交流电，可以降低外界环境对系统的影响，使用户能够体验更平稳的电压。光伏并网技术的核心之一是逆变，因此对逆变器拓扑的选择尤为重要。逆变器并网时，一般增加一级隔离变换装置，这样更有利于人身和设备的安全。最常用的隔离装置为变压器。传统变压器工作在工频状态，体积、噪声都比较大。本文研究的高频链矩阵式变换器使变压器工作在高频状态，克服了工频变压器的缺点，具有更好的发展前景。光伏发电并网时需要检测电网电压的相位、幅值和频率等信息以满足并网规范，减小对电网的污染。获得电网电压的动态信息，最常用的方法为锁相环技术[6]。锁相环(Phase Locked-Loop, PLL)的基本功能是跟踪、锁定电网电压相位，并同时提取其幅值和频率。
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1.2 国内外高频链矩阵式变换器研究现状
传统低频逆变技术是在非隔离型逆变器与输出负载之间加入一级变压器来实现电气隔离，并同时实现对输出侧电压的调节。因为变压器与输出负载电压都工作在工频状态，所以将这种隔离型逆变器称为低频或者工频逆变器，其结构图如图 1-1所示。由于变压器工作在工频状态，变压器的体积和重量都相对比较大，噪声污染也比较严重，并且负载滤波时需要的滤波器体积和重量也相对比较大，致使系统动态响应性能变差。高频链逆变器的概念最早是由美国辛辛那提大学学者 Mr.Espelage 于 1977 年提出的[7]。高频逆变技术中使用的变压器工作在高频状态，这就在很大程度上减小了逆变器体积和重量。由于开关管也工作在高频状态，对负载滤波也更方便省力。矩阵变换器(Matrix Converter, MC)的概念于 1976 年，由学者 L. Gyugyi 和 B. R.Pelly 提出，最早的拓扑结构为强迫循环变换器(FCC)拓扑结构[8]。1979 年，意大利学者 AlesinaA 和 Ventutini M，从理论上证实了矩阵变换器的存在，对矩阵变换器日后发展起到至关重要的作用[9]。20 世纪 90 年代起，我国也开始对矩阵变换器进行研究，对该拓扑的发展起到推动性作用[10-13]。高频链矩阵式变换器的基本结构框图如图 1-2 所示，该拓扑通过高频变压器实现能量变换。高频变压器传递的是交流信号，所以需要高频逆变器将直流电转换为交流电，再经过矩阵变换器将能量传递给负载。高频变压器不仅实现了电气隔离，还起到变压的作用。
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第 2 章 三相高频链矩阵式变换器调制策略研究
2.1 引言
对高频链矩阵式变换器调制策略的研究是应用该电路拓扑的基础。本章介绍的解结耦 SPWM 调制技术解决了矩阵式变换器的调制问题。由于该调制策略在矩阵变换器换流时会产生电压尖峰，因此进一步优化了解结耦调制策略，即“一体化”调制策略。通过 Matlab 仿真，验证了这两种调制策略的正确性以及“一体化”调制策略对电压尖峰的抑制作用。矩阵变换器每个桥臂由两个双向开关管，共计四个 IGBT 功率管构成。为了更清楚地分析矩阵变换器的工作状态，将每个双向开关管处于上边位置的 IGBI 功率管称为正组开关管，用标号 p 表示。将六个开关管 Spji(j=u,d 分别表示上桥臂和下桥臂；i=a,b,c 分别表示 abc 三相)按照普通三相桥式逆变器的位置排列，组成的逆变器称为正组逆变器。同理，将每个双向开关管处于下边位置的 IGBI 功率管称为负组开关管，用标号 n 表示。由这六个开关管 Snji(j=u,d、i=a,b,c)组成的逆变器称为负组逆变器。两组逆变器通过双向开关管耦合在一起，现在又被分解开来，这就是矩阵变换器的解耦过程。通过解耦，矩阵变换器就可以等效成为两个普通三相桥式逆变器了。图2-1 的解耦图如图 2-4 所示。
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2.2 解结耦 SPWM 调制策略
2.2.1 三相高频链矩阵式变换器结构分析
三相电压型高频链矩阵式变换器带负载拓扑如图 2-1 所示。此处将电网换成三相对称负载，是为了验证调制策略的可行性。该拓扑前级由单相全桥逆变器构成，其输出作为高频变压器一次侧输入；后级由三相电压型矩阵式变换器构成，其输入为高频变压器二次侧输出。高频变压器实现了系统的高频化，在减小变压器体积、重量的同时，还实现了能量的双向流动。图 2-2 为三相电压型桥式逆变电路。对比图 2-1 和图 2-2 可以发现，三相高频链矩阵式变换器和普通三相桥式逆变器在拓扑结构上有许多共同特点。若只看输入和输出，两者在能量变换类型上具有统一性：都是把直流电变换为三相交流电。不同的是前者在电路结构中增加了高频隔离变压器，矩阵变换器中的开关管也不再是单向全控开关管，而是双向可控开关管。注意，双向可控开关和单向全控开关在各自变换器中所处的位置也是相同的，如图 2-1 中的 Spua和 Snua对应图 2-2 中的 Sua的电路位置，其余的开关管依次类推。
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第 3 章 电网电压不平衡时软件锁相技术研究....24
3.1 引言 ........24
3.2 同步旋转坐标系锁相环 ......24
3.3 电网不平衡条件下的锁相技术 ....28
3.4 新型 2 倍频锁相环设计 ......33
3.5 锁相环方法的对比仿真研究 ........39
3.6 本章小结 .....45
第 4 章 三相高频链矩阵式变换器建模及并网控制......46
4.1 引言 ........46
4.2 三相高频链矩阵式变换器建模 ....46
4.3 电网电压平衡条件下并网变换器的控制策略 .....50
4.4 电网电压不平衡条件下并网变换器的控制策略 ......53
4.5 本章小结 .....58
第 5 章 系统实验研究....59
5.1 引言 ........59
5.2 系统硬件构成 .......59
5.3 系统软件设计 .......63
5.4 系统实验分析 .......65
5.5 本章小结 .....73
第 5 章 系统实验研究
5.1 引言
前几章介绍了高频链矩阵式变换器的调制策略，并对电网电压不平衡条件下的锁相环节和并网控制方法进行研究。现搭建一套三相高频链矩阵式变换器实验平台，在理论和仿真验证的基础上，对上述部分进行实验验证，证明解结耦调制策略和一体化调制策略的可行性和正确性，以及“一体化”调制策略对波形的改善；验证了DFF-PLL 和 DSOGI-PLL 锁相方法的有效性和可行性，以及前者较后者的快速性；对高频链矩阵式变换器进行带负载电压、电流闭环和电流环并网实验，并对实验结果进行分析。高频链矩阵式变换器的实验平台如图 5-1 所示，主要由主电路、控制电路和驱动电路等组成。其中，主电路由直流电源、高频逆变电路、高频变压器、矩阵变换器、LC 滤波器和负载（并网实验时，负载变为三相调压器）构成。控制电路则是通过DSP 和 CPLD 两个芯片配合工作完成对主电路的控制，其中 DSP 用于发生开关管的控制信号，CPLD 用于将这些控制信号进行逻辑组合，最终输出实际的控制信号。采样电路用于采集电路中的电压、电流信号。由于控制电路输出的驱动信号功率很小，所以在驱动主电路开关管时，需要使用驱动电路对其进行驱动。
......
结 论
三相高频链矩阵式变换器利用高频变压器实现系统的高频化，同时实现电源与负载之间的电气隔离和变压功能。逆变器工作频率变大，其体积和重量就相对变小，噪声也有所降低。矩阵变换器实现了能量的双向流动，既可工作于整流状态，也可工作于逆变状态。因此，该拓扑具有很大的发展空间，在新能源并网、不间断电源供电以及电机拖动等领域具有很广阔的应用前景。本文研究三相高频链矩阵式变换器的调制策略，目的是将其应用于光伏并网逆变系统中。光伏并网时电网电压通常是不平衡甚至畸变的，本文又针对并网同步锁相问题进行研究，并实现该情况下电流平衡并网的控制目标。本文的主要工作和创新点如下：
(1) 根据高频链矩阵式变换器结构的特殊性，研究了解结耦 SPWM 调制策略。该策略在矩阵变换器换流时会产生瞬时电压尖峰，针对这一问题，本文对解结耦策略进行优化，进而研究了“一体化”SPWM 调制策略。该策略对瞬时电压尖峰起到了很好的抑制作用，将开关管的电压应力降低到实验可以接受的范围内，同时降低了开关管的通断损耗。
(2) 针对电网电压同步锁相问题进行研究。首先对电网平衡时的 SRF-PLL 锁相方法进行研究，并对电网电压不平衡时的工作状态进行分析。然后介绍了两种电网电压不平衡条件下的锁相方法，分别为 DSOGI-PLL 和 T/4 延时法。在此基础之上，提出了一种新的锁相方法，2 倍频锁相(DFF-PLL)。为抑制电网电压中含有的谐波分量，本文又提出一种基于双带通滤波器结构的 DFF-PLL 锁相方法，使之对电网具有较好的适应性。将上述方法进行仿真验证，综合考虑，基于双带通滤波器 DFF-PLL具有较好的应用空间。
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参考文献（略）
优秀工程硕士论文范文篇八
第一章绪论
1.1研究背景与意义
我国电力行业发展迅速，电网规模已达到世界第一⑴。随着大规模电网互联技术的快速发展，特别是智能电网建设的全面展开，分布式电源广泛接入，影响电力系统的不确定因素日益增多，电网的结构和运行方式也曰益复杂，为满足对各类用户提供优质可靠的电能，同时考虑最大的经济性，迫切需要开展精确的电力负荷预测，以使系统发电出力随时紧跟系统负荷的变化情况。电力负荷预测是根据负荷、经济、社会、气象等因素的历史数据，使用一查系统地处理过去与未来负荷的数学方法，寻求电力负荷与各种相关因素之间的内在联系，确定未来特定时刻的负荷数值，使其满足一定的精度要求。电力负荷预测是电力系统设计、规划、运行、调度的基础，是保证系统安全运行，适应互联电网实现科学管理和统一调度，以及电网逐步实现商业化运营所需的重要内容[2]。电力负荷预测按预测期限的长短分为超、短期、短期、中长期和长期。长期预测一般指10年以上为单位的预测，中长期预测一般指5-10年为单位的预测，两者的意义是帮助决定新的发电机组的安装与电网的规划、增容和改造。短期负荷预测是指预报未来几小时、1天至几天的电力负荷，是制定曰前发电计划的基础，帮助确定燃料供应计划、预告运行中电厂的出力要求、合理安排网内机组的启停与检修计划[3]。超短期预测一般以小时或分钟为单位，可对电网进行计算机在线控制，实现发电容量的合理调度。
………..
1.2国内外研究综述
母线负荷预测存在信息不完备、不精确的问题[7]，其不精确的历史数据和相对较多的坏数据会对绝大部分已有方法产生破坏性的影响。由于某一系统负荷中包含了非常多个母线负荷，且各母线情况各异，影响因子多变[8],负荷信息不完整，所以目前关于母线负荷的预测仍然缺乏成熟的解决方法和理论指导。国外最早关于短期母线负荷预测的研究是Pyne R.A于1974年提出的短期母线负荷预测方法，并将其应用在检修计划分析中[9]。文献[10]提出一种采用聚合预测模型的短期母线负荷预测方法，根据相似日的母线负荷对母线分组，调整每组的母线模型进行预测；该方法基于每条母线的历史负荷数据，类似于单个母线的预测算法，但是总的计算量较小，在巴西东北部电网得到了应用。文献[11]针对受天气影响较大地区的母线负荷提出一种基于模糊和神经网络的混合模型，将母线负荷分解为与天气无关的基本负荷和受天气变化影响的敏感负荷两个分量，然后分别釆用BP神经网络模型和三个模糊逻辑子系统建立的模型预测两个负荷分量，再合成为该地区的总负荷；实际的历史负荷数据测试表明这种预测方法可以得到与系统负荷预测精度相当的结果。文献[12]釆用自适应状态估计（FASE)和多层反馈神经网络（MLP)混合的方法对母线负荷进行预测，其处理方法是先用FASE初步预测母线负荷，然后用MLP研究FASE的输入、输出量之间的映射关系，对初步预测结果进行修正，结果表明预测精度得到了提高。2
……..
第二章母线负荷预测问题概述
2.1母线负荷预测相关概念
母线负荷定义为由变电站的主变压器供给一个相对较小供电区域的终端负荷的总和。在实际生产中，有应用价值的是变电站母线下网负荷的预测值，因此母线负荷预测以下网负荷为预测对象。变压器高压侧下网负荷，等于变压器供给中、低压侧的负荷加上变压器自身的损耗，是供电区域内系统负荷的主要来源[3"]。因为母线负荷的供电范围相对很小，所以通常母线负荷的组成比较单一，只包括一、两种用户类型。一般可按母线负荷性质将其分为工业负荷、商业负荷、城市民用负荷、办公负荷、农村负荷等。(1).工业负荷：指工厂、企业用于工业生产的用电负荷，所占比重在我国国民经济用电构成中居于首位。它不仅取决于工业用户的工作方式，而且与各工业的行业特点、季节变化都有紧密的联系.此外，虽然工业负荷也受到温度、阴雨、光照等气象条件的影响，但由于本身基数很大，气象因素对此影响的负荷波动较小，因此工业负荷一般视作受气象因素影响较小的基础负荷。(2).商业负荷：指商业部门里的照明、空调、动力等用电负荷，覆盖面积较大，且用电增长平稳，同样具有季节性变动的特点。商业负荷中照明类负荷占用电系统的高峰时段，特别是在节假日里对电力负荷影响很大。(3).城市民用负荷：指城市居民的生活照明用电、家用电器等家用负荷，与人们的日常生活、工作的规律紧密相关，具有明显的季节性波动，对系统峰值负荷有直接影响。不同地区间呈现不同特点，同一天内负荷也极不平衡。
……….
2.2母线负荷预测与系统负荷预测的关系
在实际中，系统负荷一般是指某一供电单位如供电局或供电所，在其供电区域内的用电负荷值。通常由多种负荷累加，包括该供电单位下属各变电站的网供负荷、当地小电源出力、购买区外电网负荷。而母线负荷仅是其中的一部分，当然这部分负荷占据了系统负荷的绝大部分。文献[34]中对湖南省某市24条220kV母线负荷进行了单独预测，并将各母线预测结果之和与系统负荷预测值进行比较，发现母线负荷预测值之和的精度较低，即母线负荷预测值之和产生的误差大于系统负荷预测值的误差。造成这种现象的主要原因有：
(1).母线负荷作为系统负荷的细化，基数小，规律难以把握，故而对每条母线负荷进行单独预测的准确率低；
(2).母线负荷的供电范围较小，意外随机事件对负荷的影响较大，在收集进行预测的各项资料时必然产生误差；另外，一般难以掌握当地的精确气象预报，而是以更大区域的气象预报为准；
(3).系统负荷预测只需进行一次预测，而母线负荷的领测次数与母线条数相等，每条母线预测中都可能产生误差，故而存在误差积累的问题。
………
第三章基于改进FCM算法的母线聚类分析........ 16
3.1 聚类负荷概念 ........16
3.2 基于减法聚类改进的FCM算法........ 18
3.3 算例分析........ 25
3.4 小结 ........28
第四章面向聚类负荷的母线负荷预测........ 29
4.1 本文建模思路........ 29
4.2 数据处理策略........ 29
4.3 最小二乘支持向量机（LS-SVM)模型........ 36
4.4配比模型........ 40
4.5算例分析........ 41
4.5.1母线负荷的预测分析 ........41
4.5.2地区总负荷的预测分析........ 45
第五章 总结与展望........ 48
5.1本文总结........ 48
5.2研究展望........ 49
第四章面向聚类负荷的母线负荷预测
4.1本文建模思路
在电力系统负荷预测中，由于测量或人为的因素会造成采集数据的偏差，特殊事件的发生也会引起负荷的异常变化，这些都会严重地影响预测的准确度。在实际数据系统中，不良数据的产生往往是随机的，且以多种类型同时存在，大体上可分为坏数据和畸变数据两大类。坏数据通常是由于SCADA系统运行故障或错误引起的，常表现为无规律性、离散型和连续型同时存在，是属于无任何物理意义的错误数据；畸变数据常是由于特殊事件的发生（如负荷转移、停电检修、小电源出力、天气突变等），引起负荷曲线形状变化，略变数据表现为正常数据叠加随机事件引起的负荷波动，往往显著偏离正常负荷曲线，较易辨识，这些数据是现实的下网负荷值，是各种影响因素在负荷数据中的体现。相比系统负荷，电网中的各类母线负荷均存在波动大、毛刺多、非线性的特点，对母线负荷样本数据的质量有很大影响；另外，由于自动化系统等问题使得实际的母线负荷样本数据中不可避免地包含有数据缺失、数据突变引起的异常数据，这些不完备的数据将对大部分预测方法产生破坏性的影响，使得据此得的预测结果偏离正常的母线负荷变化轨迹。因此，需要对母线负荷数据进行预处理，填补数据缺失，修正数据异常。
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总结
母线负荷预测对电力系统实现调度的精益化管理有重要意义，但由于母线负荷数量多、基数小、规律性差、易受影响因素影响等特点，其预测问题一直是一个难点。特别是近年来随着电网的发展，母线负荷预测问题越来越受到重视，围绕着如何提高其预测精度和预测速度作了很多研究，但目前大多数研究针对母线负荷历史数据预处理和预测方法的改进。基于此，本文通过对母线负荷预测与系统负荷预测的关系的思考，提出了一种基于聚类分析的母线负荷预测新方法，对此进行了一定研究，并运用算例进行了验证，总结来说，本文取得了以下一些研究成果：
1.母线负荷预测和系统负荷预测同为电力系统负荷预测的两个分支，联系紧密，二者最大的区别是预测对象的不同，巳有相当多文献对系统负荷预测展开过研究。本文通过分析二者在误差组成和负荷基数方面的区别，发现目前常用的母线负荷预测方法存在误差的积累问题，从而使得母线负荷预测值之和不等于系统负荷预测值，且前者与系统实际负荷误差较大；另外，通过对母线负荷与系统负荷的波动性分析，发现负荷的规律性强弱与其基数大小呈正比，而提高预测对象的规律性可提高预测精度。基于此，提出了构造一种介于系统负荷与母线负荷之间的中间层，本文将此局域母线负荷称之为聚类负荷；
2.阐述了聚类负荷的思想和意义，选取日负荷曲线相似作为聚类的特征量，并提出了一种基于减法聚类改进的模糊C均值聚类算法（SUB-FCM)对母线负荷进行聚类。SUB-FCM算法通过减法聚类的密度指标来选取聚类中心，解决了传统FCM算法对初值敏感的问题，并可自动得出聚类个数；有效性验证证明了该算法在全局搜索能力、搜索速度和聚类效果上均有提高。
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参考文献（略）
优秀工程硕士论文范文篇九
第1章 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
能源是关系到国家、社会以及经济发展的重要物质基础，随着人类社会的经济发展加快，能源需求不断增加，能源结构不断变化，煤炭、石油和天然气等能源在提供人们所需能量的同时也带来了大气污染、土地荒漠化、污水排放等影响经济可持续性发展的难题。在这种情况下生态环境持续恶化，开发新能源与节能减排则成为应对环境恶化的唯一出路，也是全世界各国共同关注的焦点问题[1]。风是自然界中最常见的现象之一，是太阳辐射热引起的一种自然现象。因为太阳距离地球的距离十分遥远，其发出的能量能到达地球并变成自然界的风能就少之又少了，尽管如此，地球上的风能资源仍是不可小觑的。风是自然环境中产生的一种能量，因此它对于自然因素的依赖性最大。科学家发现，只有在平均风速 6.9m/s 以上的风是可以被人们利用的，如果其区域高度超过 85m 以上，则是具有最佳性价比的风速。这就相当于每年可利用的风能有 720 亿 kW。其中的很少一部分就可以满足全世界的能源需求，可见风能是一种蕴含量丰富的能源。而近年来，风力发电在世界范围内得到了迅猛的发展，无论在规模或是水平上都有了很大的提高。不仅在装机容量上由原来的几十千瓦发展到现在的兆瓦，并且在控制技术上也由原来经典的恒速恒频控制技术变成了变速恒频控制技术。由于风速不能在长时间内保证保持稳定，因此研发出适应风速特点的、能够将风电技术紧密结合的，具有较高适应性的控制技术，便成了保证风机高效率和安全稳定运行的重要手段和方法[2]。风电机组能否顺利并网，并网后与电网的协同控制都是十分关键的研究课题，因为其关系到整个并网系统能否安全、稳定的运行。
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1.2 风力发电的历史及现状
早在远古时代人类便开始利用风力，波斯人用风车碾米，伊斯兰人用风车提水，中国人驾驶帆船出使西洋。14 世纪风车装置从中东地区传到了欧洲，一举成为了当时最重要、最新型的动力装置。19 世纪末丹麦建成了世界上第一个风力发电装置，但是由于当时满足于煤矿、石油的开采，加上风能发电技术并不成熟，并没有引起人们对风能的关注。随着进入 20 世纪，两次世界范围内的石油危机引起了传统能源的告急和全球生态环境的恶化，人们开始将注意力逐步转到风力发电技术上，风能的利用开始引起人类更大的关注与兴趣。科学技术的发展使风力发电技术成本降低，也正是因为其造价低，风力发电技术也越来越被广泛的应用。随着风力发电技术的发展，世界风能发电速度增加幅度将近 5 倍。2012 年上半年全球新装机容量达到 16.5GW，其增长速度比 2011 年减少了 10%。2012年 6 月底全球总风机装机容量达到 254GW，全球五大风力发电国家分别为：中国，美国，德国，西班牙和印度，其总额占全球风电装机容量的 74%并且仍将引领全球风力发电行业发展[6]。2013 年度，中国仍然是全球年度和累计风电装机的第一名，当年装机占全世界总数 45.6%，但是总装机容量与 2012 年相比有所下降。2013 年，中国年度整机制造商前五名分别是：金风，国电，明阳，远景和湘电，外资企业如 Gamesa、GE、Nordex 等全部退出前 10 名。截至 2014 年 6 月底全球装机容量达到 336GW，五大风电大国则变成了中国，德国，巴西，印度和美国。中国风力发电装机容量已超过了 100GW 的大关，成为了全球风力发电的领跑者。我国已经成为全球风力发电规模最大、增长最快的市场[7,8]。
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第2章 双馈风力发电系统的模型
2.1 双馈异步发电机的运行原理
双馈式异步发电机通常也叫做“异步化同步发机”，因为其本身虽属异步范畴，但是其却像同步机一样拥有独立的励磁系统，因而得到“异步化同步电机”这个称呼。其“双馈”的特点则体现在电机本体的定子和转子都可以直接和电网相连，且两侧都能够向电网输送电能。双馈电机的“异步化同步”的特点，体现在其存在励磁电流、频率和相位角三个可调量。可以像同步电机一样通过调节励磁电流达到调节无功功率的目的，还可以通过调节频率改变电机的转速实现变速恒频发电，也可以通过改变励磁的相位角使系统的功率角也发生改变。双馈异步发电机具有这些优点的前提是，电机的励磁电流是交流电。但是也正是由于这一点，对励磁电流的控制就更具有难度。现在多数电机的控制是采用基于定子磁链定向和定子电压定向的矢量控制，借助这种控制方式可以实现可以独立调节各个量却不产生相互耦合的目的[31]。由图 2-1 可以看出，齿轮箱使风力机的转轴和发电机的转轴连接在一起，这样可以在风机由叶片带动旋转的情况下时，发电机的转速也会随之改变为叶片转速的整数倍，进而获得了机械转矩，电机的定子侧输出的电能经过升压变压器处理后直接与电网相连，转子侧的交直交变频器则可以使转子与电网相连从而实现向电网吸收或者输出电能。
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2.2 双馈异步发电机的数学模型
本文的研究目的是使双馈电机在风电场中能以最大风能追踪运行，并且实现有功功率和无功功率解耦控制。要实现以上几点，就需要将电机的数学模型进行整理，将其转化为在两相同步旋转坐标系下的模型。在列出 DFIG 的数学模型前，一般将电机的定子侧按发电机惯例的列写，而转子侧以电动机的惯例列出，还要做出如下的假设：本章在对风力机和双馈风力发电机的数学模型的分析的基础上，将三相静止坐标系下的数学模型经坐标变换转成两项同步旋转坐标系下的数学模型，并且建立了相应的物理模型，不仅简化了电机的控制也为后续的系统建模提供了基础。另外，通过采用矢量控制技术，分别对转子侧变换器和网侧变换器进行了理论叙述与推导，提出了相应的控制策略。转子侧变换器采用基于磁链定向的控制策略，采用双闭环控制，外环采用功率外环控制，内环是电流内环控制，不仅提高了系统控制的稳定也减小了误差，保证了系统的可靠性，除此以外还实现了电机的转子侧电流的 d、q 轴分解。网侧变换器采用的基于电网电压定向的控制策略，这种控制策略有效的减小了直流侧的母线电压的波动，抑制了电网电压波动引起的电流变化和功率变化，从而减小了对转子侧的影响。在分析了最大风能追踪的理论后，对风力机的最大风能追踪进行了控制，保证在风速变化时以最大风能输出曲线运行，得到实时的最大风能输出。经过系统的计算处理后，得到了风力发电系统的有功功率参考值，回馈给转子侧的功率控制外环，实现最大风能跟踪。
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第 3 章 双馈风力发电系统的功率控制研究.........26
3.1 双馈风力发电系统的功率控制计算..... 26
3.2 双馈风力发电系统的改进功率控制..... 29
3.3 本章小结.............. 32
第 4 章 双馈风力发电系统的仿真分析..........33
4.1 双馈式风力发电系统的仿真模型......... 33
4.2 稳态运行下系统的仿真波形.......... 34
4.3 电网电压波动情况下系统的仿真波形........ 36
4.4 本章小结.............. 39
第4章 双馈风力发电系统的仿真分析
4.1 双馈式风力发电系统的仿真模型
电机的转速如图 b)所示。从图 a)和 b)可以看出：风速变化的同时发电机转速也会随之上升，发电机能够很好跟随风速变化。电机转速改变也会引起电机的定、转子电流相应的变化，其变化波形如图 c)和 d)所示。通过坐标变换可以观测到转子电流在 d、q 轴上的分量的波形，如图 e)和 f)所示。将图 c)和图 d)进行对比可以得出以下结论，定、转子的电流变化都与风速的变化有直接的关系。由图 e)和 f)可以看出，风速上升时，转子 q 轴电流随之上升，而 d 轴电流出现小幅度波动后仍能保持在原来的水平，说明系统转子侧发出的有功、无功功率实现解耦控制。基于本文搭建的系统仿真模型，系统仿真时间设为 4s，假设电网电压在 1s时产生小幅度的波动，持续时间较短，电压波动情况如图 4-3 所示。对应的仿真图波形如图 4-4 所示，图 a)为电机的转速变化波形，图 b)为电机的电磁转矩的变化，图 c)为转子的 a、b、c 三相电流变化，图 d)为定子 a 相电流变化，图 e)为系统输出的有功功率变化和有功功率参考值对比波形，图 f)为输出的无功功率变化和无功功率参考值对比波形。
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结论
全球经济快速发展，风能作为新型能源已经收到越来越多的重视和研究。随着机械，电力电子技术和现代电气技术的发展，双馈式风力发电系统成为了目前主流的风电系统。本文根据对双馈式风力发电系统的各个组成部分进行的分析和研究，在仿真平台下搭建了相应的仿真模型，通过仿真得到了以下结论：
1.根据风力机的机械特性，并且在风速不超过额定风速的情况下，采用了定桨矩控制方式，使风力机能够在此情况下随着风速的变化能很好的运行在最有功率曲线上，从而实现最大风能捕获。
2.对于 DFIG 的转子侧变换器采用基于定子磁链定向的控制方法，并根据已经建立的风力机模块实现了最大风能的输出，有功功率和无功功率解耦控制。网侧变换器则是采用基于定子电压定向的控制策略，由于其可以起到稳定直流侧母线电压波动的作用，系统的功率因数可以得到很好的控制。
3.通过在传统的控制策略中加入考虑动态响应过程的电压补偿模块，可以在电网电压产生波动的时刻，减小了转子电流的波动和电磁转矩的突变。使系统具有更高的灵敏性。
本文 DFIG 系统的各个部分都进行了详细分析，但是仍然存在的一定的不足。首先，本文的有功功率参考值和无功功率参考值只是以系统单位功率因数运行的情况下计算的，没有根据实际工况进行计算；其次，转子侧控制中采取的 PI 调节不够精准；最后，在经济和实际允许的情况下，在电网侧投入静止无功补偿器可以在实际工况中很好的调节系统的无功功率，适合大型风电场。
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参考文献（略）
优秀工程硕士论文范文篇十
1 绪论
1.1 课题背景与选题意义
桥式起重机是现今使用数量最多、应用规模最广的一种起重机械，根据相关统计，在用的约有 45%以上的起重运输机械都是桥式起重机。而起重量为 5~50吨的通用桥式起重机的数量在桥式起重机械里占据绝对优势，其产量约占整个桥式起重机总产量的 60%~80%，这充分说明桥式起重机，特别是通用桥式起重机在国民生产建设中的重要地位[1]。通用桥式起重机是进行物件吊运的重要起重设备，通常横架于工厂车间、仓库或料场等上空，两端横亘在高耸的水泥柱或金属支架上，外形似桥，桥架沿着铺在两端高架上的轨道水平纵向运行，能充分利用桥架下面的空间吊运物件，而不受地面设备的阻碍，在采矿运输业、工厂车间中应用广泛。图 1-1 所示为车间中的通用桥式起重机。目前起重机的发展趋势是大型化、自动化、网络化和智能化[2]，而随着工业、建筑业和交通运输业的迅猛发展，各行各业对于起重机械的应用已越发广泛。在国内外的起重机械产品种类基本齐全，技术层次有高有低的同时，我国也拥有了自己完整的产品系列和健全的产品标准[3]。但是，一方面由于我国起重机械设计观念陈旧，对于起重机械节能性和经济性方面的重视不够，导致目前我国在用的起重机械自重普遍比国外先进起重机的重 20%～50%，体形庞大而笨重，驱动功率偏大，机构传动效率偏低，在起重机的制造、运输以及安装过程中对人力、物力有较大的浪费，使用中输入能量的消耗也较多，能量损耗相对严重；另一方面，由于我国工业生产规模呈现爆炸式增长，生产效率逐步提高，在企业产品生产过程中，物料搬运费用所占比例逐渐增加，所以企业对大型、高速和智能起重机的需求量亦随之不断增长。起重机的起重量越来越大，工作速度越来越快，自动化程度越来越高，随之而来的就是对起重机的能耗和可靠性的更高要求。因此，需要依据相关标准对起重机械的能源浪费问题进行严格的管控，为国内起重机设计、制造、改造、使用的相关单位开展节能工作提供参考依据。
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1.2 国内外研究现状
早在上个世纪中期西方工业发达国家就开始对生产企业生产过程的节能技术进行相关研究和方案实施，各个生产行业根据各自生产过程特点制定了相对应的节能技术规范和考核标准，到了上个世纪末已普遍施行。而我国也在上个世纪末通过引进、消化、吸收、制定和实施了相关行业的节能生产技术规范和标准。不过在起重机械生产行业，虽然也有对起重机械生产运行过程中的相关节能技术要求，但至今并没有给出类似于家用电器一般的节能技术规范、考核标准和能耗分级标准。而对于起重机械能耗评价和能耗检测相关技术研究正是制定和实施起重机械节能技术规范和考核标准的前提。起重机能耗的评价是指对不同类型的起重机能耗性能进行合理的比较分析，而起重机的能耗评价指标体系是判断起重机能耗性能优劣的前提和依据。起重机能耗指标体系的研究内容是如何利用相关基础理论，科学的评价起重机的整体、各部件性能，为科学的进行起重机能耗评价提供相关理论支持。目前，针对于起重机以及其他类似工程机械的能耗评价指标体系，国内外的相关文献已有一定的研究。文献[5]指出工程起重机的综合评价是一个多层次，多因素决策过程，并采用系统工程分析法和 Delphi 法建立工程起重机综合指标体系。提出了多层次模糊综合评价方法，用以实现该指标体系对起重机性能的评价。在该方法中，模糊数用于量化定性指标。文献[6]通过指标的筛选建立科学和实用的起重机评价指标体系，分层选择初步的综合评价指标，采用定量指标筛选熵值法和 Pearson 相关系数法，定性指标筛选 Delphi 法和 Spearman 相关系数法，删除对评价结果影响不大的指标。这种被简化的指标体系具有全面性和代表性，便于比较分析和评估起重机。
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2 通用桥式起重机能耗评价与检测方法
2.1 能耗特性分析
通用桥式起重机械是进行物料起重、运输、装卸作业的特种机械设备，在它的整个生命周期中，存在着诸多影响其能耗的重要因素。起重机的全生命周期的定义如图 2-1 所示。在上述生命周期四个阶段中，设计阶段应用的节能技术，制造阶段使用的新材料、新工艺，都会对使用阶段起重机械各个机构的能耗产生一定影响，因此虽然设计制造和维护阶段是能耗评价指标体系必不可少的一环，但本课题对能耗检测技术研究的重点依然集中在起重机械的使用阶段。起重机的能耗结构系统主要包括运行机构（包括大车运行机构、小车运行机构）、起升机构（包括主起升机构、副起升机构）[18]。起重机作为一个复杂的机电系统，在与系统外部进行能量交换的同时，亦在系统内部进行着多种形式的能量转换。处于使用阶段的起重机主要消耗电能，如若忽略照明系统、控制系统等辅助部分的电能消耗，工作状态的起重机机构各环节的动态过程通常可以表示为能量的输入输出、储存释放[19]，如图 2-2 所示。由于起重机的运行过程是电能转换为机械能的过程，所以输入能量是系统或者各个机构本身的输入总电量，输出能量通常是指吊重和机构自重消耗的位移能，储存的能量通常包括运行电机磁场的储存能和机构机械系统储存的机械能[12][20]。
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2.2 主要能耗机构数学模型
起升机构所需能量直接由电网或发电机组提供时，电能经过电机，电机驱动起升机构中的机械传递系统；若起重机是以变频器驱动时，则从电网传递的能量得首先经过变频调速装置，需要在其中消耗一部分电能。对起重机械能耗评价指标体系的建立，需要一定的科学理论作指导，本课题主要依据桥式起重机主要机构能耗的数学模型。在该评价指标体系系统中，指标需要尽可能多的用数据来进行表达，以客观数据为基础评价其能耗参数。对于某一些评价指标，由于在现有的情况下，较难通过行之有效的方法进行定量的测量，我们可以通过其他途径获取，例如通过对出厂前参数的查阅来对其进行直接获取或者一定的估算。在按照全面性的原则初建指标体系时，指标之中通常会存在冗余信息。因此有必要根据具体的评价对象，筛选具备典型性的评价指标，综合考虑影响起重机械能耗的主要因素，便于起重机比较的综合评价指标体系。
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3 通用桥式起重机能耗检测技术 ......... 18
3.1 电功率参数检测.......18
3.2 机械功率参数检测.....23
3.3 能耗检测无线传感器网络......27
3.4 本章小结......32
4 通用桥式起重机能耗感知系统 ......... 33
4.1 系统设计概述 .........33
4.2 节点数据采集单元.....38
4.3 主控单元......42
4.4 供电单元......48
4.5 数据分析上位机软件..........49
4.6 本章小结......53
5 通用桥式起重机能耗感知系统验证性测试 ...... 54
5.1 实验室测试....54
5.2 现场测试......55
5.3 本章小结......60
5 通用桥式起重机能耗感知系统验证性测试
5.1 实验室测试
测试原理：霍尔型传感器设备采集一次侧待测负载的电压（电流），传感器数据采样设备将检测信号转换为标准的 4-20mA 电流信号，该电流信号经精密检测负载变换为 1-3.3V 电压信号连接一号 ZigBee 无线收发实验开发设备的 AD 采样端口，该开发设备将 AD 采样完成的数据转换为无线信号进行实时无线发送。二号 Zigbee 无线收发实验开发设备对该无线信号进行接收，检测数据帧头满足接收协议时对其进行进一步处理，处理完成的信号经 USB 接口连接 PC 机，并借助数据采集和分析软件将该数据进行显示。实验室测试结论：实验数据表明，起重机能耗检测无线传感网络系统能够稳定的进行数据的采集，无线收发，串口显示；具有稳定的误差，误差范围在 5%的范围之内；起重机能耗检测无线传感网络系统在实验室环境下可以持续稳定可靠工作，并可实现被检测对象电能消耗的实时监测；检测获取的数据反复一致性好，测量精度稳定。
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总结
随着我国起重机保有量的急速增加以及国家能源政策对产品节能的要求，对起重机能耗检测的研究与实现成为起重机能耗评价、节能监管、起重机设计、选配起重机的基础。本课题完成了基于无线传感网的起重机能耗感知系统的分析、研究与设计。本文所完成的工作主要包括以下几个方面：本文首先分析了起重机的能耗特性，依据该能耗特性的分析结果，建立了起重机主要能耗机构的数学模型。针对该能耗数学模型和起重机能耗评价指标体系的建立原则，初建了起重机的能耗评价指标体系，并依据一定的精简原则，对能耗评价指标进行了相应的筛选，最终确立了起重机的“全生命周期”能耗评价指标体系。由于影响起重机能耗的因素众多，很多参数较难通过现有的检测手段直接获取，所以本文提出了一种基于“黑箱理论”的起重机能耗动态检测方法，并设计了该动态检测法的总体实现方案。依据起重机能耗检测的总体实现方案，针对起重机输入电压、电流波形存在畸变的情况下，提出了一种瞬时值测量法，同时设计测量方案，配置检测传感装置，完成起重机输入电功率参数的检测。而对于起重机输出机械功率参数（包括压力和加速度）的检测，本文进行了详细的理论探讨和方案设计。随后，本文针对无线传感器网络的三个关键技术，设计了适用于起重机工作环境的无线传感器网络，来用于检测数据的处理与传输。
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参考文献（略）