1kW潮流能发电机试验装置控制系统研究_硕士学位论文.pdf

国内图书分类号：t p 6 1 2 工学硕士学位论文 1k w 潮流能发电机试验装置控制系统研究 硕士研究生：张少杰 导师：段铁群 申请学位级别：工学硕士 学科、专业：机械电子工程 所在单位：机械动力工程学院 答辩日期：2 0 11 年3 月 授予学位单位：哈尔滨理工大学 c l a s s i f i e di n d e x ：t p 3 91 9 d i s s e r t a t i o nf o rt h em a s t e rd e g r e ei ne n g i n e e r i n g r e s e a r c ho fco n t r o ls y s t e m f o rlk w t i d e w a yg e n e r a t i o ne x p e r i m e n t c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： d e v i c e z h a n gs h a i j i e d u a n t i e q u n a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ： m e c h a t r o n i ce n g i n e e r i n g d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 011 u n i v e r s i t y ： h a r b i nu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文l k w 潮流能发电机试验装置 控制系统研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期问独 立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他 人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者躲陬矽蠡、 嗍扫降乒月日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 ( ( 1 k w 潮流能发电机试验装置控制系统研究系本人在哈尔滨理工大学攻 读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。论文的研究成果归哈尔滨 理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解 哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门 提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。授权哈尔滨理工大学可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口在年解密后适用授权书。 不保密团。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名： 7 够易岔、日期：扣7 年乒月歹日 刷醛轹礁钮群 嗍一州年年川日 哈尔滨理丁人学t 学硕l ：学位论义 1k w 潮流能发电机试验装置控制系统研究 摘要 在传统能源r 益枯竭的今天，新能源的开发利用已刻不容缓。如今，资源 丰富、绿色环保的潮流能越来越受到世人的关注。世界各国都在研建潮流能发 电站，但在潮流能发电系统中，由于水动力特性，系统从水中吸收功率的大小 和系统的转速特性有关，那么如何控制系统的转速特性来提高功率利用系数， 增加系统输出功率，对提高能量利用率具有重要的现实意义。 本文以l k w 潮流能发电装置为研究对象，在研究了其机械结构和设计理论 的基础上确定功率控制策略，即通过控制最佳叶尖速比来实现最大功率利用系 数的控制。本文分析研究并建立系统数学模型，根据系统模型确定最佳叶尖速 比的控制采用可变功率负载调节方法。在具体的控制过程中采用转速外环电流 内环的双闭环控制，用转速外环的输出作为电流内环的输入。在逆变环节采用 s v p w m 脉宽调制技术，其输入量采用双闭环控制的输出量。在负载变化时， 主轴转速也会随之发生变化，水轮机输出功率也随之变化，通过调节负载大小， 使输出功率始终为最优功率，就可达到最优功率跟踪控制的目的。 为验证可变功率负载理论分析的正确性和可行性，本文设计了l k w 潮流能 发电试验装置控制系统的硬件和软件部分。包括控制系统主电路，信号反馈电 路，功率保护电路以及软件实现思想和流程图。在此基础上，本论文对整套装 置进行了试验，实验结果证明本文提出的可变功率负载调节理论分析正确，方 案可行。 关键词潮流能；发电装置；功率控制；控制系统 哈尔滨理t 人学t 学硕，i j 学位论文 r e s e a r c ho fc o n t r o ls y s t e m f o rlk w t i d e w a y g e n e r a t i o ne x p e r i m e n td e v i c e a b s t r a c t t o d a y , t h ed e v e l o p m e n ta n d u t i l i z a t i o no fn e w e n e r g yb r o o k n od e l a ya c c o r d i n g t oi n c r e a s i n g l ye x h a u s t e dt r a d i t i o ne n e r g y t h ep e o p l ep a ym o r ea t t e n t i o nt ot i d a l c u r r e n te n e r g y , w h i c hi sr i c hr e s o u r c ea n dg r e e ne n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n m a n y c o u n t r i e sa r es t u d y i n go nt i d a lc u r r e n t d r i v e ng e n e r a t o r t h eg e n e r a t o ra b i l i t yo f c a p t u r i n ge n e r g y i s c l o s e l y r e l a t e dt o s p e e d c h a r a c t e r i s t i c s a c c o r d i n g t o h y d r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s s o i th a sv e r yi m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et o i n c r e a s eu t i l i z a t i o nc o e f f i c i e n to fp o w e ra n de n h a n c et h ee f f i c i e n c yo fg e n e r a t o r t 1 1 i st h e s i st a k e slk wt i d e w a yg e n e r a t i o nd e v i c ea st h er e s e a r c ho b j e c t ， f i n d i n gt h a ti t sf e a s i b l et og e tb i g g e s tu t i l i z a t i o nc o e f f i c i e n to fp o w e rt h r o u g ha d j u s t t h et o ps p e e dr a t i oo nt h eb a s i so fs t u d y i n go nm e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n dd e s i g nt h e o r y a n dt h i st h e s i sa n a l y s i sa n dr e s e a r c ht h ew h o l es y s t e ma n de s t a b l i s hm a t h e m a t i c a l m o d e l ，r e s u l ti nw h i c ht h ec h a n g i n gp o w e r - l o a da d j u s t i n gi st h ec o n t r o lw a yo ft h e b e s tt i ps p e e dr a t i o s p e c i f i c ，d o u b l el o o pw i l lb eu t i l i z e d ，a n dt h er e s u l to fv o l t a g e o u t - r i n gi st h ei n p u to ft h ec u r r e n ti n n e r a p p l y i n gs v p w mt e c h n o l o g yi ni n v e r t s e g m e n t ，r e g a r dd o u b l el o o po u t p u ta sp w mi n p u t a c c o r d i n g l y , w h e nt h el o a di s a l t e r e d ，r o t a t i o n a ls p e e do fm a i ns p i n d l ea n do u tp o w e rw i l lc h a n g e i t st h ea i mo f t h eb e s tt r a c k i n gc o n t r o lo fe f f i c i e n c yt h a to u tp o w e ra l w a y sm a i n t a i nt h eb i g g e s t p o w e rt h r o u g ha l t e r i n gl o r d t h e r e sas e r i e so fd e s i g n so fh a r d w a r ed e p a r t so ft h es y s t e mw h i c hi n c l u d e m a i nc i r c u i t ，f e e d b a c kc i r c u i tp r o t e c t i o nc i r c u i ta n ds o f t w a r ea c h i e v ei d e o l o g ya n d f l o wc h a r ta n de x p e r i m e n t su p o nt h i sg e n e r a t i o nd e v i c et op r o v ei ft h et h e o r yo f a l t e r i n gl o r di sc o r r e c ta n df e a s i b l ef o rt h ew h o l eg e n e r a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a t t h et h e o r yo fa l t e r i n gl o r dp r e s e n t e di nt h i st h e s i si sc o r r e c ta n df e a s i b l e k e y w o r d st i d e ，g e n e r a t i o nd e v i c e ，p o w e rc o n t r o l ，c o n t r o ls y s t e m 1 i 哈尔滨理t 人学t 学硕f ：学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第l 章绪论1 1 1 课题背景和意义1 1 2 潮流能国内外发展现状2 1 2 1 国内发展现状2 1 2 2 国外发展现状3 1 3 潮流能发电功率控制技术发展现状4 1 4 本课题研究内容和目的5 1 4 1 本课题研究目的5 1 4 2 研究内容5 第2 章总体设计6 2 1 总体方案设计6 2 2 总体设计理论8 2 3 水轮机的结构方案9 2 3 1 水轮结构1 0 2 3 2 发电机选择1l 2 3 3 连接驱动方式1 l 2 4 控制系统方案1 1 2 4 1 功率控制策略1 2 2 4 2 电力电子变流控制1 3 2 5 本章小结1 3 第3 章控制系统设计原理1 4 3 1 控制方法的确定1 4 3 2 系统及各部分模型1 5 3 2 1 叶轮模型1 5 3 2 2 永磁同步发电机数学模型1 6 3 3 系统工作原理l7 3 3 1 三相不可控整流器1 7 3 3 2s v p w m 调制技术1 8 3 3 2 1s v p w m 的原理1 8 3 3 2 2 空间电压矢量的合成。2 0 哈尔滨理t 人学t 学顾i ：学位论文 3 4 可变功率负载调节2 2 3 5 本章小结2 3 第4 章控制系统硬件及软件设计一2 4 4 1 三相不可控整流电路2 4 4 2 功率控制电路设计2 5 4 2 1 主电路设计2 5 4 2 2 驱动电路设计2 7 4 2 3 电压采集电路设计2 8 4 2 4 电流反馈电路2 9 4 2 5 功率保护电路设计一3 0 4 3 软件设计3 0 4 3 1 软件设计示意图3 0 4 3 2 软件流程图3l 4 4 本章小结3 2 第5 章实验及结果分析3 3 5 1 整流滤波电路实验及结果分析3 3 5 2s v p w m 性能实验及结果分析3 4 5 3 功率控制实验分析3 6 5 4 本章小结3 7 结论。3 8 参考文献3 9 攻读学位期间发表的学术论文。4 3 致谢4 4 哈尔滨理t 火学t 学硕1 j 学位论文 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 如今，传统能源的同益枯竭，新能源的利用已刻不容缓。潮流能，作为一 种新型能源，由于其绿色环保，资源丰富逐步受到世界各国青睐，且发展迅猛。 在地球、月亮和太阳的相对运动中产生的作用于地球海水的引潮力，使海 水形成周期性的涨落潮现象。这种涨落潮现象包括两种运行形式：一种是海水 的垂直升降，通常称为潮汐；一种是海水的水平运动，通常称为潮流。两者所 携带的动能分别为潮汐能和潮流能【l 】。在实际应用中，利用海水周期性性升降 的势能和水平流动的动能来发电的方式分别为潮汐发电和潮流能发科2 引。此 外，海洋中还存在另外一种由于海水温度、盐度不同等产生的海水运动，通常 称为海流。海流也可用来发电，即海流发电。在海流发电中，强海流一般发生 在海洋深水海域，其流速和流向基本不变。与海流相比，潮流的流速和流向的 变化均为周期性的，且多发生在近海岸处1 4 j 。 开发潮流能比开发波浪能、海上风能及太阳能更有优势：波浪能、风能、 太阳能都受气候制约，因此规律性差，而潮流能，尤其是潮汐能，受气候影响 小，规律性强，易预测，且能量稳定；海水的密度是空气的8 0 0 1 0 0 0 倍，因 此潮流的能量密度远大于风能、太阳能的能量密度，表1 1 列出了潮流能、风 能、太阳能的能量密度；潮流能的年发电量几乎是风能的四倍，潮流能比波浪 能、海上风能、太阳能更具有商业竞争力p 6 j 。 我国潮流能资源丰富，例如，福建、浙江沿海等就是世界上潮流能最丰富 的地区之一。此外，潮流高能密度区有杭州湾北侧，渤海海峡老铁山水道，西 门侯水道以及舟山群岛的金塘水道等。据对我国1 3 0 个航门水道统计，每年理 论上可发电1 4 0 0 万千瓦。在我国大部分海域水流流速范围为2 4m s ，能流密 度等同于2 0 4 0 m s ( 9 - 1 2 级以上) 风能的能流密度。另外，潮流能与其它可再 生能源相比，具有规律性强，能量稳定，易于电网的发配电管理等优点，是最 优秀的可再生能源【7 】。据估算，当潮流速度为2 米秒时，在1 平方米水流断 面上，一年可发出约2 万度电【8 】。随着技术的逐步提高和成熟，潮流能发电的 哈尔滨理t 人学t 学硕l j 学位论文 经济效益完全有可能超过风能等其他可再生能源，为缓解能源危机和环境恶化 起到一定作用。 表1 - 1 能量密度表 t a b l el 一1t h et a b l eo fe n e r g ya n dd e n s i t y 注：风速1 3 m s 是一般人型风力机的额定风速。 1 2 潮流能国内外研究现状 1 2 1 国内研究现状 海洋潮流是可再生的自然能源，潮流发电是本世纪七十年代才提出的高新 技术，目前该技术在世界上尚处于试验研究阶段f 9 l 。 我国属较早开展此项研究的国家之一，始于7 0 年代末，当时在舟山地区 以实型进行过潮流发电的海上原理性试验，采用螺旋桨式水轮机，驱动装在船 上的液压发电机组，发出5 7 k w 的电力。1 9 8 3 年，在该地区马鞍航道进行作 为航标灯电源的1 2 0 w 潮流发电试验。 2 0 0 2 年4 月，我国首座潮流实验电站在浙江省舟山市岱山县龟山水道建 成，并通过验收和鉴定，装机容量7 0 k w j 。 2 0 0 5 年末，由东北师范大学主持并完成了国家“8 6 3 计划课题“海洋水 下仪器能源补充技术”，其作用是通过海流能发电机给水下仪器提供能源补给 1 2 1 o 2 0 0 6 年年初，浙江大学成功研制出了完整的潮流能发电机组模型样机，其 额定功率和流速分别为5 k w 和2 m s ，叶轮额定转速和半径分别为5 0 r m i n 和 1 3 m 13 1 。 截止目前，经过十几年的研究，我国在潮流能发电多个研究方向取得了较 大的技术进步并积累了丰富的经验，例如水轮机的水动力性能理论研究、模型 试验研究、机构设计、叶片控制以及电站总体设计等。其中，水轮机性能研究 已达国际先进水平。但是，我国潮流能发电的利用研究才迈出实验室，要进入 哈尔滨理t 大学t 学硕i ：学位论义 实海况下的应用示范研究阶段，使潮流能发电技术向商业化产业化方向发展， 还需在提高水轮机性能、完善机械结构设计、扩大机组容量、优化逆变并网技 术、提高电站效益、加强急流和强风浪下水轮机、载体及锚泊系统运行可靠性 与安仝性等方面进行大量研究【1 4 】。 我国现已开始研建实体电站，在该领域已处于国际领先地位，但尚有一系 列关键性的技术问题有待解决。 1 2 2 国外研究现状 国外最早开展海潮流发电研究的国家是美国和同本【l 引。首先美国1 9 7 3 年 提出采用顺流悬在海水中的伞式巨型水轮机组一科罩奥利系统利用佛罗罩达 海流能的方案【l6 1 。1 9 7 5 年日本开始利用黑潮动能发电的资源调查【1 7 】。1 9 7 6 年 美国根据降落伞原理，设计的“低速海流换能器”，在佛罗旱达海流中进行了 试验【1 8 】。8 0 年代美国、口本、加拿大等国虽然都曾进行几种类型装置的试验 研究。1 9 8 5 年美国在佛罗里达的墨西哥湾流中进行了小型海流水轮机试验，悬 吊在研究船舷水下5 0 m 处，发出2 k w 电力。同年春季美国u e k 公司设计制 造了一台2 0 k w 装置，在纽约市东河吊桥上进行了涨落潮流驱动透平发电的试 验【1 9 】。同本1 9 7 5 年开始利用黑潮的动能发电的调研工作。1 9 8 8 年同本又对一 种电磁发电原理的装置进行了试验【2 。 时至上世纪9 0 年代初，国外很多国家在潮流能发电技术方面进行了大量 研究和试验，但并没有出现较有影响的能量转换装置或发电站。且在上世纪9 0 年代，国外潮流能发电技术有了突飞猛进的发展，研制成功几种装置，并在海 上示范运行【2 1 1 。因为此时世界各国对在海湾e l 筑坝建潮汐电站是否对环境有影 响有争议，而潮流能电站的建立不需筑坝。英国i t 动力公司在9 0 年代中期开 始进行潮流发电研究，1 9 9 4 年，该公司对海底固定水平轴水下风车式的潮流发 电机在苏格兰近海，进行了潮流发电双叶透平试验。试验结果显示，流速2 5 m s 时，可输出功率达1 5 k w t 2 2 j 。1 9 9 6 年，意大利阿基米德桥公司开始进行墨西拿 海峡潮流发电可行性研究，且在1 9 9 8 年已完成4 0 k w 试验电站初步设计i z 川。 现在，加拿大n o v a 能源公司正在开发达克厄型垂直轴潮流发电水轮机， 且已对5 k w 原型机进行了试验【2 4 】。此外，t y s o n 透平有限公司设计了一种小 到中型的模块式海流能发电机，不过该项技术尚未成熟，仍处于研发阶段1 2 引。 哈尔滨理t 人学t 学硕i ：学位论文 1 3 潮流能发电功率控制技术发展现状 由于原理相似，潮流能发电机俗称“水下风车”，其控制系统可以借鉴风 力发电机控制系统。目前，潮流能发电装置功率技术主要有： 1 叶尖速比控制该控制方法是在给定最优功率曲线上的基础上，在某 一风速下，通过调节叶尖速比，使系统输出功率始终为该流速在最优功率曲线 上所对应的值。换言之，在任何流速下，系统都能获得最大功率。 这种方法结构简单，但需要测量水轮机转速和流速1 2 6 。而实际使用中，要 求所测流速和作用在桨叶上的流速有很好的关联性，且流速需在到达桨叶之前 测出，但由于水轮机的旋转而产生扰动，流速仪需远离风机，这样所测流速误 差加大【2 7 2 8 1 。同时，为减小误差，系统要求测速传感器的测量结果能够体现出 水轮机跟踪流向的偏差，但在系统工作过程中叶轮扫掠面上各点流速不同。所 以这种方案实现困难。 2 功率信号反馈控制该控制方法是根据给定条件，转速与发电机的输 出功率之间的关系曲线或采用查表法，使系统工作在最大功率点处。 其具体工作过称是在某一流速下，根据给定条件的得到该流速下系统的最 大功率点处，并使系统稳定工作在该状态下，此时水轮机转速为该流速下的最 佳转速，水轮机捕获的机械功率乘以系统效率即为发电机输出功率，在流速变 化时系统再根据给定条件进行相应的调整【2 9 , 3 0 1 。但当系统工作在额定流速以下 的整个运行流速范围内时，该方案不能确保系统可始终工作在最佳叶尖速比或 最大功率点处，且在实际应用中常用发电机的输出功率来代替机的机械功率， 因为其信号获取比较困难，这也使系统误差增加 3 q 。 另外，在一个大的运行风速范围和功率变化范围内，发电机输出功率的效 率不能保持不变。那么该方案的实施也比较困难。 3 爬山搜索法爬山搜索法是通过施加人为扰动转速，然后测量功率的 变化来自动搜索发电机的最佳转速点。 该方法不用给定功率特性曲线和测量风速。该方法的工作过程为，先计算 当前风力机的功率，之后和上一控制周期的j x l 机功率作比较，如小于上一功率， 就将扰动值反号，反之保持不型3 2 , 3 3 】。最后，当前扰动值加上上一周期的转速 指令值就构成新的指令值。所以，爬山搜索控制法是一种搜索转速最佳值的 局部搜索算法，其功率变化趋势通过小幅增加水轮机转速来判定，而后，搜索 转速的最佳值。但，该方法是适用于水轮机转动惯量比较小的时候，当转动惯 4 量较大时，其效果不佳。 在分析了以上各功率控制方案的基础上，为控制容易实现，且增加系统跟 随性本文提出了一种新型的功率控制方案，即可变功率负载调节技术，该方案 的具体内容将在第二章中详细介绍。 1 4 本课题研究目的和内容 1 4 1 本课题研究目的 本课题研究目的是以l k w 潮流能发电试验装置为对象，根据潮流能发电 装置的水动力特性，不同水流速度时，通过功率负载的调节，使系统始终工作 在该流速下的最大功率点处，为潮流能电站的建立提供科学的数据，奠定实验 基础。 1 4 2 研究内容 本论文主要研究内容有： 1 分析国内外潮流能发电装置控制系统的发展现状和发展趋势和机械结 构，提出本课题研究的整体方案和控制策略； 2 分析系统模型，并根据控制系统各部分的工作原理，确定控制方法； 3 设计研究系统硬件及软件部分； 4 对发电装置进行实验，证明本论文可变功率负载调节方法的j 下确性和 可行性，并对实验结果进行分析。 哈尔滨理t 人学t 学硕，i ：学位论文 第2 章总体设计 随着潮流能的不断发展，对于其工作性能和控制特性也同益重要。根据贝 兹极限理论，水轮机的功率利用系数o o 5 9 3 ( 实际小于这值) ，又g 是叶尖 速比九的函数，即叶片的叶尖圆周速度与风速之比，在一定流速下，有唯一一 个叶尖速比值对应最大的风能利用系数c d 肌甜，只要控制水轮机的五值，就可 以满足实时获取最大的潮流能。因此，潮流能发电控制系统需要实时控制水轮 机的转速，使水轮机的角速度国对应于最佳角速度国o p t ，从而达到最大限度地 利用潮流能的目的。此外，发电机所发电能频率和幅值都很不稳定，为达到使 用要求，需经过整流逆变，把发电机所发电能转化成频率幅值可控的三相交流 电，从而达到使用的目的。本章详细阐述了系统设计理论，制定结构方案，确 定控制系统方案。 2 1 总体方案设计 潮流能发电装置是把海水能转化成电能的装置，其工作原理为：水流以一 定速度和攻角作用在水轮机的桨叶上，在水轮机轴上形成转矩，使水轮机转动； 水轮机和发电机通过机械结构连接在一起，水轮机带动发电机转动，发出随流 速的变化，幅值和频率都变化的交流电；发电机发出的变压变频的交流电经过 变流装置转化为频率幅值可调可控的三相交流电，达到使用的目的 3 4 , 3 5 j 。 潮流能发电系统控制框图如图2 1 所示，其主要包括水轮机、发电机、电 力电子变流系统和控制系统四大部分。下面对系统的几个主要部分进行简要的 介绍。 1 水轮机水轮机是吸收潮流能并将其转化成机械能的部件。桨叶通过 机械装置连接到水轮轴上，水流以一定速度和攻角作用在桨叶上，使桨叶产生 旋转力矩而转动，将动能能转变成机械能。在潮流能发电中，水轮机吸收能量 的多少因其机械结构形式的不同而异。在潮流能发电装置控制系统中，针对不 同的水轮机结构，要制定相应的控制方案，以实现吸收能量最大。所以，对于 发电装置的控制系统而言，发电装置的结构形式至关重要，在本论文中将介绍 本试验装置的机械结构。 哈尔滨理t 人学t 学硕l ：学化论文 水轮机 图2 - 1l k w 潮流能发电机试验装置控制框图 f i g 2 - 1c o n t r o lb l o c kd i a g r a m o fi k wt i d e w a yg e n e r a t i o ne x p e r i m e n td e v i c e 2 发电机发电机是把机械能转化为电能的装置。发电机按照不同的分 类方法有很多种，根据转子运行方式的不同可分为同步和异步发电机；按照磁 场产生方式的不同可分为励磁和永磁发电机；按照结构特点可分为凸极式和隐 极式或立式和卧式发电机等。不同的发电机其输出特性和控制方式各异，在本 试验装置中将选用永磁同步发电机。 3 电力电子变流系统电力电子变流系统包括两个部分，即整流和逆变。 整流就是利用二极管的单向导电性，把三相正弦交流电转换成单一方向的脉动 电压，其经滤波就成为稳定的直流电压。逆变，是指整流的逆向变换过程，其 作用是通过半导体功率开关管i g b t 的开通和关断作用，把直流电能变换为交 流电能。i g b t 是高压大电流晶闸管制造技术和大规模集成电路微细加工技术 的综合体现，无论是在导通或是关断状态下都可以承受很大的电流，可以方便 的实现器件的串联。i g b t 还具有m o s f e t 的栅极高输入阻抗，开关安全工作 区宽的特点。它是一种电压驱动型器件，由于它驱动电路简单有较高的开关频 率可以方便的现实d i d t f f h d u d t 。 4 控制系统潮流能发电机组作为一个独立运行的大系统，控制系统至关 重要。控制系统包括主控系统、功率控制系统、信号接口系统、保护系统、输 出等部分。主控系统是整个系统的控制核心，包括处理接受到的信息和发送命 令，控制整个系统正常运行；稳压部分负责为后面的整流逆变系统提供稳定的 电压，并跟踪系统的最大功率点。在每一流速下，根据给定的功率曲线，通过 软硬件的调节，使系统工作在该流速下的最大功率点处；信号接口系统负责采 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 集系统所需电压、电流、以及流速等信号，为主控系统监视信息和反馈信息； 保护系统实现对系统的保护，包括过流、过压、过温等；输出部分是主控系统 输出的指令信号，控制系统相应部位动作。 2 2 总体设计理论 本论文采用贝慈极限理论，是在1 9 2 6 年由德国的贝兹( b e t z ) 建立的3 6 1 。 贝慈极限理论是在一种理想的状态下得出的结论，假设水轮机叶片无限多，没 有轮毂，水流流经水轮时没有阻力，在扫掠面是均匀的，且前后方向一直为轴 向【3 7 1 。图2 2 所示为贝慈理论计算筒图。 图2 - 2 贝慈理论计舁简图 f i g 2 - 2s k e t c hm a po fb e t zt h e o r y 在此假设水流是不可压缩的，则根据量守恒定律有 墨q = s o = 岛呸 ( 2 1 ) 根据欧拉定理，作用在水轮机上的力f 和提供的功率p 可分别表示为 f ：妻p s 。( q 2 一呸2 ) ( 2 2 ) p = 丢p s u ( q 2 一呸2 ) ( q + 呸) ( 2 3 ) 式中：p 为水流密度；k g m 3 ；q ，u ，和呸分别为水轮机上游，流经和下游 流速，m s ；s l ，s 和& 分别为水轮机上游，流经和下游水流截面积，m 2 。 对式( 2 3 ) 进行微分得p 的最大值 = 寺p 吖 ( 2 - 4 ) 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学化论文 将式( 2 - 3 ) 除以水流通过扫掠面s 时水流所具有的动能，可推得水轮机 的理论最大效率( 理论潮流能能利用系数) 2 藉p m a x2 簧2 秘9 3 ( 2 - 5 ) 式( 2 5 ) 表明，水轮机从海水中获取的能量有限，其功率损失部分可认 为是留在尾流中的旋转动能。 能量转换过程中因机械传动以及摩擦等损失，水轮机的实际能量利用系数 o 0 5 9 3 ，且它还和水轮机以及发电机的型式有关，实际有用输出功率为 e = 去c p p s q 3 ( 2 - 6 ) 单位扫掠面积上功率为 = 寺c 口p q 3 ( 2 - 7 ) 根据文献 3 8 】的研究可知，o 是叶尖速比和节距角的函数，其表达式为 q = ( 0 4 4 - 0 0 1 6 7 , ) s i n 篱】- 0 1 8 4 ( 允一3 ) ( 2 - 8 ) 式中：九为速比，即叶尖圆周速度与流速之比，表示水轮机在不同流速中的状 - 态，表达式如式( 2 9 ) 所示；为节距角，r a d 。 a ：2 ：r r n ：c o r( 2 9 ) 式中：r 为水轮机半径，m ；d 上游流速，相当于式( 2 - 8 ) 中的t ，l ，m s ：以为 水轮机的转度，r m i n ；为水轮机角速度，r a d s 。 2 3 水轮机的结构方案 在海洋能利用中，有多种因素可引起海水的运动，例如风海流、密度流、 补偿流以及潮流。而在实际中，同一海流往往是由多种因素叠加共同作用的结 果。根据研究发现，当海流流域最大流速超过2 m s 时便可进行开发利用。在 近海流域，多数海水运动都是由于潮流引起的，最大流速也超过了2 m s 。在潮 流能发电利用中，整个系统通过桨叶从水中吸收能量，桨叶由流经叶片的水流 所产生的垂直于水流方向的升力推动旋转，获得动能。所获能量通过机械机构 哈尔滨理t 人学t 学硕l ：学位论文 传送到发电机，使发电机旋转发出电能。潮流能发电机组成部件一般由桨叶、 轮毂、传动机构、发电机、控制系统以及辅助部件等。 在本论文中主要研究潮流能发电装置的控制系统，其因结构不同而异，所 以发电装置的结构形式对于控制系统来说至关重要。又本文研究对象是试验装 置，考虑其试验环境和试验要求，在此着重讨论水轮机机械结构。 2 3 1 水轮结构 潮流能发电装置的关键技术是潮流能获取装置。近一、二十年来，人们提 出了五花八门的潮流能获取系统，但大部分为旋转类水轮机。又由于潮流能发 电和风力发电都是利用流体的动能发电，故许多潮流能获取装置的灵感都来源 于各种风力机，采用了许多类似风力机的结构。目前，世界上主要潮流能获取 装置按轴向分为水平轴和竖直轴。目前以水平轴潮流能水轮机应用最多，竖轴 潮流能水轮机次之，文献 3 9 详细介绍了各水轮机的工作性能和工作特点。在 本论文采用竖直轴水轮机。因此，下面重点介绍竖轴式潮流能水轮机。其机构 示意图见图2 3 。竖轴水轮机的最大优点是不需对流装置，在传统的水平轴水 轮机中，为满足控制要求必须假设对流装置，这不仅使系统结构复杂，而且在 实际应用中，由于海水的腐蚀和冲刷，对流装置易损坏，系统故障率增加，所 以在本试验装置中采用竖轴水轮机结构【4 0 】。 u _ d 型嘲广1 丑f f 眄p n kf l j 图2 3 潮流能发电装置结构示意图 f i g 2 - 3s t r u c t u r es c h e m a t i cd i a g r a mo f t i d e w a yg e n e r a t i o n 2 3 2 发电机选择 目前，潮流发电系统中常选择励磁发电机。但是，低流速时系统需增设增 哈尔演理t 人学t 学硕i ：学位论文 速齿轮箱以满足发电机对水轮机转速的要求。而齿轮箱的使用，增加系统成本， 提高故障率，降低可靠性，增加噪声污染等。 永磁同步发电机的运行原理与普通电励磁同步发电机相同，但它以永磁体 励磁代替励磁绕组励磁，使电机结构更为简单，降低了加工和装配费用，同时 还省去容易出问题的集电坏和电刷，提高了电机运行的可靠性。由于无需励磁 电流，没有励磁损耗，提高了电机的效率和功率密度。此外，永磁同步发电机 在转子转速较低时仍可f 常工作，其电角频率可通过磁极对数来调节。因此， 在本论文中根据潮流能自身性能特点，水轮机工作转速较低，采用水轮机直接 驱动永磁同步电机发电的方案。同时，省去齿轮箱，简化系统结构，增加系统 的可靠性。 2 3 3 连接驱动方式 目前，潮流能发电机组多采用增速齿轮箱用来联接水轮机和发电机，而齿 轮箱寿命较短，对使用者来说保险费用是一大难题。更换齿轮箱时，大多情况 下要拆下叶轮。齿轮箱故障一般会导致其他部件发生并发故障，维修费用高， 而且停机造成发电损失。常常由于恶劣天气和不易抵达，使停机时间加长。要 是增加监控装置，成本增加。增速齿轮箱还会增加机组的重量、产生噪音、需 要定期维护以及增加损耗等缺点。因此，无齿轮箱的直驱型潮流能发电机组引 起了人们越来越多的关注。其具备以下优点：缩短机械传动链、降低损耗和噪 声、增加发电装置工作寿命、减低维护成本、利于环境保护等。 2 4 控制系统方案 潮流能发电机组作为一个独立运行的大系统，控制系统至关重要。控制系 统包括主控系统、信号接口系统、保护系统、输出等部分。主控系统是整个系 统的控制核心，包括处理接受到的信息和发送命令，控制整个系统正常运行； 整流部分是利用二极管的单向导电性，把发电机发出的三相交流电变成脉动的 单向电压，再经滤波环节使输出为平稳的直流电，为逆变系统提供稳定的直流 电压；逆变部分是本论文中功率跟踪控制的核心环节，在每一流速下根据给定 的最优功率值，逆变系统通过改变功率开关管的开闭时间改变输出电压大小， 进而改变负载数值，使系统运行在该流速下的最大功率点处，达到功率跟踪控 制的目的；信号接口系统负责采集系统所需电压、电流、以及转速等信号，为 哈尔滨理丁人学t 学颀l ：学位论文 主控系统监视信息和反馈信息；保护系统实现对系统的保护，包括过流、过压、 过温等；输出部分是主控系统输出的指令信号，控制系统相应部位动作。l k w 潮流能发电机控制系统结构图见图2 4 。 2 4 1 功率控制策略 图2 - 4 控制系统结构图 f i g 2 - 4c o n t r o ls y s t e mc h a r t 潮流能发电机组的功率控制，其主要的目标就是最大限度将潮流能转变为 电能，以提高机组的运行效率【4 1 4 2 】。通过式( 2 - 8 ) 可看出潮流能功率利用系 数g 是叶尖速比允和水轮机节距角的函数，一定流速下，当水轮机节矩角 一定时，c 就仅为叶尖速比兄所决定。如图2 5 所示，一定流速下，仅有一个叶 尖速比值，即最佳尖速l y , x o p t 对应着最大的潮流能利用系数g 一。又叶轮和发 电机通过机械连接同步旋转，两者转速同步，叶轮转速控制也即可转化为发电 机转速的控制【4 3 m 】。因此，潮流能发电控制系统需要实时控制发电机的转速， 使电机的角速度对应于叩，从而达到最大限度地利用潮流能的目的。因此， 在本论文中，l k w 潮流能发电装置的功率跟踪控制采用发电机转速控制策略。 目前，潮流能电站都研建在近海岸处，近海岸的水流速度一般不大于 2 5 m s ，所以在本论文中只研究海水速度2 5 m s 以下的控制性能。 哈尔演理t 人学t 学硕i j 学位论文 e 9 “ 2 4 2 电力电子变流控制 图2 - 5g 一五关系曲线 f i g 2 - 5c r 五r e l a t i o n s h i pc u r v e 潮流能发电机所发电能频率和幅值是随着给定条件的变化而变化的，不能 为用户所使用。那么，为了达到使用的目的，必须经过整流逆变过程，把发电 机所发电能变成频率和幅值可控的三相交流电。本文整流逆变方案如下所述。 在本论文中选用三相不可控整流电路，实际上就是- - a c d c 变换过程。也 就是利用二极管的单向导电性，把三相正弦交流电转换成单一方向的脉动电 压，经电容滤波变为稳定的直流电压。其特点有：电路结构确定后输出电压值 和输入电压值比例关系就确定了，利于后级控制；负载容量大，滤波容易等。 在逆变控制中，为提高电压利用率，降低谐波，且利于数字化控制，本论文采 用s v p w m 控制技术。在2 0 世纪8 0 年代初，同本学者针对交流电动机变频驱动 提出s v p w m 控制策略，在开关频率不高的情况下，利用逆变器空间电压矢量 的切换获得无线接近圆形的旋转磁场，以提高交流电动机的控制性能【4 5 。 s v p w m 脉宽调制技术优点有：提高直流电压利用率；增加了电机的动态响应 特性；减小电动机的脉动转矩；易实现数字化控制处理。 2 5 本章小结 本章分析了潮流能发电的特点，制定总体设计方案。通过引用贝兹理论， 设计1 k w 潮流能发电装置的结构方案和控制方案。在本系统中采用三直叶片 垂直轴水轮机结构形式和发电机转速控制策略。 哈尔滨理t 人学t 学顾l ：学位论文 第3 章控制系统设计原理 本课题试验装置的控制系统，从以上分析中可知，目的是追踪系统功率最 大值，即通过控制最佳叶尖速比来实现最大功率利用系数的控制。所以在本论 文中，速度的控制采用转速外环电流内环的双闭环控制，用转速外坏的输出作 为电流内环的输入。在逆变环节采用s v p w m 脉宽调制技术，其输入采用转矩 双闭环控制