漂浮摆式波浪能发电装置功率控制技术研究
发布时间：2020-09-17 11:38
波浪能是一种能量密度较高的海洋可再生能源,波浪能的合理开发不但利于解决能源短缺难题,而且能够应对边远海岛的供能需求。漂浮摆式波浪能发电装置具有安装与维护简单、可靠性高等优点。然而,漂浮摆装置较低的能量俘获效率制约了其进一步的研发与应用。因此本文开展了漂浮摆式波浪能发电装置的功率控制技术研究,旨在通过功率控制技术控制漂浮摆装置始终工作于最优输出功率曲线,进而提高漂浮摆装置的能量俘获效率。本文借助波浪与漂浮摆相互作用力的计算方法,推导得出了规则波浪与不规则波浪作用下的漂浮摆动力学方程,进而完成了漂浮摆仿真模型的搭建。随后对漂浮摆式波浪能发电装置的永磁同步发电机、二极管全波整流器、升压斩波电路等子模块进行数学分析,并建立相应的仿真模型。最后在Matlab/Simulink环境下搭建漂浮摆式波浪能发电装置的仿真平台,用于分析波浪输入到电能输出之间整个系统的工作情况。本文在波浪能发电系统中引入最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)控制来实现漂浮摆装置的最大功率输出。针对MPPT算法的误判问题,本文开展了基于扰动观测法的MPPT算法的优化工作,并在规则波和不规则波下制定不同的优化方案。仿真试验结果和物理模型试验结果共同表明:在规则波下,将扰动观测法的扰动周期设定为波浪周期的整数倍,可以解决扰动观测法的误判问题。在不规则波下,增大扰动观测法的扰动周期,可以改善算法的误判问题。然而,增大扰动周期会带来算法追踪速度下降的负面影响。因此,对于每一种波况条件都对应存在一个最优扰动周期。在最优扰动周期下,可以在保证算法正确性和功率输出最大化的前提下,使算法拥有最快的追踪速度。规则波下的最优扰动周期是一个波浪周期。不规则波下的最优扰动周期随着谱峰周期的增大而增大,增长幅度逐渐减小;而随着有义波高的增大而变化不大。根据得出的关系曲线,便可依据波况条件来确定扰动观测法扰动周期的优化参数,为扰动观测法扰动周期的优化提供一定的参考指导。本文提出了一种改进的适用于不规则波浪的最大功率点跟踪算法。改进MPPT算法采用导纳微分法,在此基础上结合功率预测算法与最大俘获宽度比跟踪控制,解决了由于波浪能量输入波动剧烈造成的算法误判问题,实现了在不规则波浪下对漂浮摆装置最大功率点的实时跟踪。相较于最优固定负载值方法,改进MPPT算法可以实现更高的能量俘获效率。改进MPPT算法对漂浮摆装置的能量俘获效率提升效果随着不规则波浪谱峰周期的减小而逐渐增强,因此改进MPPT算法更加适合应用于谱峰周期较小的不规则波况。改进MPPT算法实现的能量俘获效率提升效果是功率预测算法和最大俘获宽度比跟踪控制的共同作用,结合上述两种方法的改进MPPT算法也比只基于其中一种方法的MPPT算法实现了更高的平均输出功率。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM612;P743.2
【部分图文】：
依据不一的设计构想，形态各异的波浪能发电装置被研发出来并进行了大批的试验研究逡逑ｍ。而我国在波浪能开发领域的相关科研工作开展晚于部分西方国家，然而在国家高技术逡逑研究发展计划、可再生能源专项基金等项目的倾力支持下，我国在波浪能开发领域内取逡逑得了长足进步［６］。通常来说，被广泛研究的波浪能开发装置大致包含以下几种类型：振荡逡逑水柱式，越浪式、振荡浮子式以及摆式。逡逑１．２．１振荡水柱式波浪能发电装置逡逑振荡水柱式（Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇ邋Ｗａｔｅｒ邋Ｃｏｌｕｍｎ，ＯＷＣ）波浪能开发装置是以空气作为能量转逡逑换的介质。该装置在海面以上建造密闭的舱室，舱室内的海水同附近的海水相互贯通，逡逑外界大气与位于舱室上方的开口相互贯通。在海浪的推动下，密闭于舱室内的水柱会产逡逑生往复震荡，进而压缩舱室内的气体，使得气体往复通过装置的喷嘴，带动空气透平不逡逑断旋转，进而使得发电机转动产生电能。依据结构形式进行分类，ＯＷＣ波浪能发电装置逡逑又能够进一步区分成漂浮式与固定式。逡逑
接固定于海床，能够在海水中漂浮。然而，漂浮式收缩波道装置的建造成本较高，这一问逡逑题限制了它的发展与推广。逡逑图１．２漂浮式收缩波道装置逡逑１．２．３振荡浮子式波浪能发电装置逡逑振荡浮子式装置是依靠各个部分在波浪力作用下产生相对运动，随后驱动液压元件逡逑将部件的动能传递出去，液压元件随后带动马达旋转，使之变化为旋转机械能。各个部逡逑分在波浪力作用下的相对运动能够通过能量俘获机构（Ｐｏｗｅｒ－ｔａｋｅ－ｏｆｆ．ＰＴＯ）对其进行俘逡逑获，最后便能够徶到输出电功率的目的。美国的科技公司研发的ＰＢ型波能装置是振荡浮逡逑子式装置的典型代表（见图１．３）邋Ｉ１＇选用相似形式的还有山东大学的漂浮式波能发电系逡逑统（见图１．３），该装置已经经过了海试的考验⑴１２］。逡逑１邋焌‘‘逡逑逦■逡逑图１．３美国ＯＰＴ装置（左），山东大学主持研建的１２０ｋＷ波浪发电系统（右）逡逑３逡逑
分在波浪力作用下的相对运动能够通过能量俘获机构（Ｐｏｗｅｒ－ｔａｋｅ－ｏｆｆ．ＰＴＯ）对其进行俘逡逑获，最后便能够徶到输出电功率的目的。美国的科技公司研发的ＰＢ型波能装置是振荡浮逡逑子式装置的典型代表（见图１．３）邋Ｉ１＇选用相似形式的还有山东大学的漂浮式波能发电系逡逑统（见图１．３），该装置已经经过了海试的考验⑴１２］。逡逑１邋焌‘‘逡逑逦■逡逑图１．３美国ＯＰＴ装置（左），山东大学主持研建的１２０ｋＷ波浪发电系统（右）逡逑３逡逑
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM612;P743.2
【部分图文】：
依据不一的设计构想，形态各异的波浪能发电装置被研发出来并进行了大批的试验研究逡逑ｍ。而我国在波浪能开发领域的相关科研工作开展晚于部分西方国家，然而在国家高技术逡逑研究发展计划、可再生能源专项基金等项目的倾力支持下，我国在波浪能开发领域内取逡逑得了长足进步［６］。通常来说，被广泛研究的波浪能开发装置大致包含以下几种类型：振荡逡逑水柱式，越浪式、振荡浮子式以及摆式。逡逑１．２．１振荡水柱式波浪能发电装置逡逑振荡水柱式（Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇ邋Ｗａｔｅｒ邋Ｃｏｌｕｍｎ，ＯＷＣ）波浪能开发装置是以空气作为能量转逡逑换的介质。该装置在海面以上建造密闭的舱室，舱室内的海水同附近的海水相互贯通，逡逑外界大气与位于舱室上方的开口相互贯通。在海浪的推动下，密闭于舱室内的水柱会产逡逑生往复震荡，进而压缩舱室内的气体，使得气体往复通过装置的喷嘴，带动空气透平不逡逑断旋转，进而使得发电机转动产生电能。依据结构形式进行分类，ＯＷＣ波浪能发电装置逡逑又能够进一步区分成漂浮式与固定式。逡逑
接固定于海床，能够在海水中漂浮。然而，漂浮式收缩波道装置的建造成本较高，这一问逡逑题限制了它的发展与推广。逡逑图１．２漂浮式收缩波道装置逡逑１．２．３振荡浮子式波浪能发电装置逡逑振荡浮子式装置是依靠各个部分在波浪力作用下产生相对运动，随后驱动液压元件逡逑将部件的动能传递出去，液压元件随后带动马达旋转，使之变化为旋转机械能。各个部逡逑分在波浪力作用下的相对运动能够通过能量俘获机构（Ｐｏｗｅｒ－ｔａｋｅ－ｏｆｆ．ＰＴＯ）对其进行俘逡逑获，最后便能够徶到输出电功率的目的。美国的科技公司研发的ＰＢ型波能装置是振荡浮逡逑子式装置的典型代表（见图１．３）邋Ｉ１＇选用相似形式的还有山东大学的漂浮式波能发电系逡逑统（见图１．３），该装置已经经过了海试的考验⑴１２］。逡逑１邋焌‘‘逡逑逦■逡逑图１．３美国ＯＰＴ装置（左），山东大学主持研建的１２０ｋＷ波浪发电系统（右）逡逑３逡逑
分在波浪力作用下的相对运动能够通过能量俘获机构（Ｐｏｗｅｒ－ｔａｋｅ－ｏｆｆ．ＰＴＯ）对其进行俘逡逑获，最后便能够徶到输出电功率的目的。美国的科技公司研发的ＰＢ型波能装置是振荡浮逡逑子式装置的典型代表（见图１．３）邋Ｉ１＇选用相似形式的还有山东大学的漂浮式波能发电系逡逑统（见图１．３），该装置已经经过了海试的考验⑴１２］。逡逑１邋焌‘‘逡逑逦■逡逑图１．３美国ＯＰＴ装置（左），山东大学主持研建的１２０ｋＷ波浪发电系统（右）逡逑３逡逑
【参考文献】
相关期刊论文 前4条
1 盛松伟;张亚群;王坤林;叶寅;游亚戈;;鹰式波浪能发电装置发电系统研究[J];可再生能源;2015年09期
2 石世宁;
本文编号：2820676
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