倒挂式波浪能发电系统研究

发布时间：2020-10-13 18:02

　　 针对传统波浪能发电装置普遍存在捕获基点波动、能量转化环节多、捕获效率低等问题,提出了倒挂式波浪能发电系统,将波浪能发电装置倒挂在风机塔架平台,稳定捕获基点,采用浮子将波浪轴向运动能量,高效转化为直线发电机电能输出,经机侧变流器反电磁力调控,确保浮子轴向运动谐振,捕获最大能量。本文主要从倒挂式波浪能发电系统的结构设计、模型构建、性能分析、控制策略和仿真实验等方面开展研究。结合日照海况(波高为0.6m,波浪周期为2.7s),设计了15kW倒挂式波浪能发电系统。基于波浪周期内动能和势能变化以及发电机平均输出功率,采用能量守恒原则,优化设计浮子重量和体积;综合考虑波高、周期以及直线发电机额定转速,优化选择升速机构升速比;结合功率等级和输出电压要求,完成直线发电机选型以及机侧变流器设计。综合考虑浮力、阻尼力、弹簧力以及反电磁力,构建波浪能捕获系统动态模型,藉此完成波浪能捕获系统的性能分析。针对波浪特征值提取误差所致模型谐振速度设定偏移问题,将单相交流信号锁相环技术引入波浪能特征值提取,根据多浮标传感器实测波高、周期以及彼此间差异,提出波浪特征值提取校正策略;鉴于设备老化和模型失配所致参考速度设定偏差问题,采用以捕获功率为反馈的扰动寻优策略,协同完成优化速度设定;波浪能高效捕获的本质是优化速度的快速无静差跟踪控制问题,但优化速度本质为频率时变的交流速度信号,鉴于直线电机定子电流中转矩和励磁电流严重耦合,对比性分析多种磁场定向策略,采用转子磁链定向解耦定子电流,实现转矩和励磁电流独立控制,采用转速外环和电流内环的双闭环策略,针对波浪能捕获本质上的非线性、时变性和强干扰等问题,提出基于自适应补偿的优化速度跟踪控制策略,输出转矩电流参考,结合电流跟踪控制器,协同完成波浪能的高效捕获。搭建了15kW倒挂式波浪能发电系统仿真实验平台,分别进行了模型谐振多速度跟踪控制的捕获性能对比实验和扰动寻优多速度跟踪控制的捕获性能对比实验,模型谐振实验中,自适应补偿控制的速度跟踪误差为0.009m/s,捕获功率为11530W,远远优于PI控制的0.062m/s、10527W和PR控制的0.038m/s、10981W;扰动寻优实验中,自适应补偿控制的扰动寻优耗时为33.9s,增发功率为818W,远远优于PI控制的48.9s、1403W和PR控制的41.9s、1093W,经综合对比,基于扰动寻优的自适应补偿控制策略在速度跟踪误差、扰动寻优用时和整体捕获功率等方面全面占优,有效解决模型失配所致参考速度设定偏差和优化速度的快速无静差跟踪控制问题,完成波浪能的高效捕获,是最适宜倒挂式波浪能发电系统的最大功率捕获控制策略。
【学位单位】：曲阜师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM612;P743.2
【部分图文】：

第 1 章 绪论波面筏式工作原理是通过漂浮在水面的、端部铰接的若干筏体在波浪的作用下往复，引起阀体之间的角位移, 压缩液压装置中的液体，驱动发电机发电。其优点在于具好的可靠性，且在设计波况下系统效率较高；缺点在于装置体积大，液压装置中的液易泄露。代表装置为英国McCabe Wave Pump波浪能发电装置和英国OPD公司的Pela浪能发电装置。McCabe Wave Pump 波浪能发电装置[2],如图 1-1 所示，由三个钢质浮成，具有正面迎浪功能，可用于驱动海水淡化和发电机发电；Pelamis 波浪能发电装图 1-2 所示，为新型波面筏式波浪能发电装置，允许两个方向的角位移，有较强的抗力，装机容量为 750kW，是世界上第一座商业示范的波面阀式波浪能发电站，而且在大仍在建该类型的波浪能发电站，总功率可达 2MW[2]。

第 1 章 绪论波面筏式工作原理是通过漂浮在水面的、端部铰接的若干筏体在波浪的作用下往复，引起阀体之间的角位移, 压缩液压装置中的液体，驱动发电机发电。其优点在于具好的可靠性，且在设计波况下系统效率较高；缺点在于装置体积大，液压装置中的液易泄露。代表装置为英国McCabe Wave Pump波浪能发电装置和英国OPD公司的Pela浪能发电装置。McCabe Wave Pump 波浪能发电装置[2],如图 1-1 所示，由三个钢质浮成，具有正面迎浪功能，可用于驱动海水淡化和发电机发电；Pelamis 波浪能发电装图 1-2 所示，为新型波面筏式波浪能发电装置，允许两个方向的角位移，有较强的抗力，装机容量为 750kW，是世界上第一座商业示范的波面阀式波浪能发电站，而且在大仍在建该类型的波浪能发电站，总功率可达 2MW[2]。

图 1-1 英国 McCabe Wave Pump 装置图 图 1-2 英国 Pelamis 装置图摆式波浪能发电装置提出于日本度部富治教授，工作原理是利用波浪水平方向往复运动，推动摆板的摆动，捕获波浪能，压缩液压装置内液体或驱动机械装置，从而驱动发电机发电，如图 1-3。其优点在于设计波况下波浪捕获效率较高，结构简单，装置建造和维修费用较低；其缺点在于非设计波况下捕获效率较低，不适用于远洋区域。代表装置为英国牡蛎波浪能发电装置：牡蛎波浪能发电装置[2]，如图 1-4 所示，内置液压缸，通过海底通道输送高压水，驱动海岸的水力发电机发电或连接到海水淡化装置，该装置于 2001 年由英国女王大学 Trevor Whittake 教授研发，2005 年经 Aquamarine Power 公司商业化，200年在苏格兰奥克尼郡进行发电[2]。
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本文编号：2839509