（控制理论与控制工程专业论文）海洋潮流能发电控制系统研究.pdf

海洋潮流台 独创声明 本人声明所呈交的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。据我所知，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，也不包含未获得 ( 注12 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者签名：立冈q签字日期：加胁年岁月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权学校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。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网 络向社会公众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：主冈q 签字日期：劢f o 年乡月日 导师签字： 签字日期：j , o ( o 年芎月8 日 海洋潮流能发电控制系统研究 摘要 随着经济社会的不断发展，人们对能源的需求量也越来越大，而由于常规 化石能源不可再生的特点，最终将导致该能源的枯竭，再加上化石能源大量消 耗严重危害了人们的生存环境。因此，可再生能源的开发利用不断引起世界各 国重视。在可再生能源中，潮流能因其具有能量密度大、可预测性强、载荷稳 定、储量丰富等诸多优点而极具开发前景和价值。 根据潮流能发电的特点，结合较成熟的风力发电技术，研究和开发适用于 潮流发电能量转换的高可靠性、高效率、控制及供电性能良好的发电和检测控 制系统，是海洋潮流能发电系统中的重要组成部分。 介绍了课题研究的目的、背景和意义，综述了现有的潮流能发电系统在国 内外的发展概况，以及现有的潮流能发电系统所采用的控制技术及其实现方法。 确定了潮流能发电系统的基本构成和原理，其中包括水轮机、永磁同步发电机 ( p m s g ) 、二极管整流桥、b u c k 变换器、蓄电池、逆变器和控制器等，分别介 绍了相关的控制技术。 介绍了潮流能发电检测控制系统的设计过程。确定了该系统的整体结构设 计和工作原理，从硬件电路设计和软件程序开发两个方面展开，详细阐述了系 统所采用先进技术，其中包括变速恒频技术、蓄电池充放电控制、能耗负载控 制和自动变桨距控制的运行原理及实现策略。另外，还结合永磁同步发电机本 身的特点，采取相应的控制和保护措施，保证发电系统可靠、安全、稳定运行。 该控制系统于2 0 0 8 年1 2 月在胶南斋堂岛进行海试，实践证明了系统设计 方案的正确性和可行性。最后，系统以成熟的风力发电并网运行技术为参考， 结合潮流能发电自身的特点，分析并提出了潮流能无刷双馈发电系统并网运行 控制策略。 关键词：潮流能发电；控制系统研究；自动变桨距；蓄电池充放电控制；能耗 负载控制 r e s e a r c ho nt h ec o n t r o ls y s t e mo f o c e a nt i d a lc u r r e n t e n e r g yp o w e rg e n e r a t i o n a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p i n go ft h ee c o n o m i c s o c i e t y , p e o p l e ，sd e m a n da l s og r o w i n g m o r ea l l dm o r ef o r e n e r g y b e c a u s eo ft h ec h a r a c t e r i s t i co fn o n r e n e w a b l e t 1 1 e o r d m a r yp e t r i f a c t i o ne n e r g ys o u r c e sw i l lb eg r a d u a l l ye x h a u s t i n g i na d d i t i o n ，1 榷e n 啪b e ro ff o s s l le n e r g yc o n s u m p t i o nl e a d i n gt oe x c e s s i v ec a r b o nd i o x i d e e m i s s i o n s 1 sc o n s l d e r e dt 0b ea l li m p o r t a n tr e a s o nf o rg l o b a lw a r m i n g s o m a n yc o u n t r i e sh a v e b e g u nt oa t t a c h1 m p o r t a n c et ot 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 fr e n e w a b l e e n e r g v i n t h er e n e w a b l e e n e r g y , t h et i d a lc u r r e n t e n e r g ys h o w sap r o m i s i n g向t u r ei n d e v e l o p m e n ta n dv a l u ef o rt h e a d v a n t a g e s o fh i g h e r e n e r g yd e n s i t y , h i g h e r p r e d i c t a b i l i t y , h i g h e rl o a ds t a b i l i t ya n dh i g h e rr i c hr e s e e s a c c o r d i n gt ot h eu n i q u ec h a r a c t e r i s t i c so ft i d a lc u r r e n te n e r g y g e n e r a t i o na n d c o m b l n e dw l t ht h em o r em a t u r ew i n dp o w e rt e c h n o l o g y , t h er e s e a r c ho n d e v e l o p i n g o 仆i g he f f i c i e n c ya n dh i g hr e l i a b i l i t yc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hi ss u i t a b l ef o rt h e e n e r g v c o n v e r s l o no fn d a lc u r r e n t g e n e r a t i o n ，i sb e c o m i n ga ni m p o r t a n tc o m p o n e n to f d e v e l o p i n gt i d a lc u r r e n te n e r g y t h i sp a p e r f i r s t l yi n t r o d u c e st h ep u r p o s e ，b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a i l c e 1 1 1 e nt 1 1 e d e v e l o p m e n ta n dt h em a i nc o n t r o lt e c h n o l o g yo f t i d a lc u r r e n tp o w e r g e n e r a t i o ni nt h e w o r l da r er e v i e w e d i ta l s oa d d r e s s e st h e p r i n c i p l e sa n dt h e b a s i ct r a d i t o n a ls t r u c t u r e w h i c hc o n t a i n st u r b i n e ，p e r m a n e n t r e c t i f i e rb r i d g e ，b u c kc o n v e r t e r , m a g n e ts y n c h r o n o u s g e n e r a t o r ( p m s g ) ，d i o d e v a l v e r e g u l a t e dl e a d - a c i db a r e r ys t o r a g eb a t t e r y , i n v e r t e ra n dc o n t r o l l e ra n ds oo n s u b s e q u e n t l y , t h ed e s i g np r o c e s s e so ft h ec o n t r o l s y s t e ma r ed i s c u s s e d i t i n t r o d u c e st h ew o r k p r i n c i p l ea n db a s i cc o m p o s i t i o no ff i d a jc u r r e n tp o w e r g e n e r a t i o n s y s t e m ，a sw e l la st h ed e t e c t i o na n dc o n t r o lt e c h n o l o g y , w h i c ha r ea l la p p l i e dt o t l l e s y s t e m i ta 1 s om a i na d d r e s s e st h ec o n t r o lp r i n c i p l e si n a u t o m a t i c 州a b l ep i t c h e n e 唱yc o n s u m p t l o nl o a da n da l t e r n a t i o no fs t o r a g ec e l l s c h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n a l lo fw h i c hw o u l db e p r o v i d e dw i t hh a r d w a r ec i r c u i t d e s i g n i n ga n ds o r w a r e p r o g r a m m i n g a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c so fp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u s g e n e r a t o r , w ea d o p tt h ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o la n dp r o t e c t i o nm e a s u r e st oe n s u r et h e s t a b i l i t yo fp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m t h ec o n t r o ls y s t e mh a sa p p l i e dw e l li nt h em a r i n ee x p e r i m e n ta tz h a i t a n gi s l a n d o fj i a o n a nc i t yi nd e c e m b e r , 2 0 0 8a n dt h ef e a s i b i l i t ya n dc o r r e c t n e s so ft h ed e s i g n s c h e m ei nt h ec o n t r o ls y s t e ma r ep r o v e d f i n a l l y , m a t u r eg r i d c o n n e c t e dw i n dp o w e r g e n e r a t i n gt e c h n o l o g ya sar e f e r e n c ea n dc o m b i n e dw i t h o w nc h a r a c t e r so ft i d a l c u r r e n tp o w e rg e n e r a t i n g ，t h ep a p e ra n a l y s i sa n dp r o p o s et h a tt h ec o n t r o ls t r a t e g yo f g r i d c o n n e c t e di nb r u s h l e s sd o u b l y f e dg e n e r a t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：t i d a lc u r r e n tp o w e rg e n e r a t i n g ；r e s e a r c h o fc o n t r o ls y s t e m ； a u t o m a t i cv a r i a b l ep i t c h ；s t o r a g ec e l l sc h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n gc o n t r o l ； e n e r g yc o n s u m p t i o nl o a dc o n t r o l ；c o n t r o ls t r a t e g yo fg r i dc o n n e c t e d ； 目录 1 绪论l 1 1 课题背景1 1 2 课题的来源及研究意义2 1 3 潮流能发电技术概况3 1 3 1 国外潮流能发电技术现状3 1 3 2 国内潮流能发电技术现状5 1 4 课题研究内容以及关键技术8 1 5 小结9 2 潮流能发电系统组成及工作原理1 l 2 1 潮流能发电系统的结构1 1 2 2 潮流能发电系统的运行特点1 1 2 3 系统中各部件的功能原理1 2 2 3 1 永磁同步发电机1 2 2 3 2 蓄电池的分类及充、放电方法1 4 2 3 3 电能变换单元和控制单元1 5 2 3 4 控制器2 0 2 4 小结2 0 3 潮流能发电检测控制系统设计2 1 3 1 系统控制要求2 1 3 2 控制系统工作原理2 2 3 3 主要部件的选择2 3 3 3 1 永磁同步发电机2 3 3 3 2 扭矩传感器2 3 3 3 3 整流模块2 4 3 3 4 蓄电池2 4 3 4 硬件电路的设计2 5 3 4 1 单片机接口电路2 6 3 4 2 辅助电源电路3 0 3 4 3 能耗负载控制电路3 1 3 4 4 蓄电池充、放电控制电路3 1 3 4 5 水轮机扭矩转速检测电路3 4 3 4 6 矩阵键盘扫描输入电路3 5 3 4 7 自动变桨距控制回路设计3 6 3 5 系统软件设计3 6 3 5 1 软件开发平台3 7 3 5 2 主程序设计3 7 3 5 3 能耗负载控制子程序3 8 3 5 4 自动变桨距控制子程序3 8 3 5 5 蓄电池充放电控制子程序3 9 3 6 小结4 0 45 k w 样机海试现场及结果分析4 1 4 1 实验数据分析4 1 4 2 实验设备和海试现场图片4 2 5 潮流能发电系统并网运行控制策略4 5 5 1 鼠笼异步发电系统4 6 5 2 永磁发电机变速恒频发电系统4 6 5 3 交流励磁双馈型变速恒频发电系统4 7 5 4 无刷双馈发电机变速恒频发电系统4 8 5 5 磁场调制型变速恒频发电系统4 9 5 6 小结5 0 6 总结与展望5 3 6 1 结论5 3 6 2 创新点5 3 6 3 展望5 4 参考文献5 5 个人简历5 9 发表的学术论文6 0 致谢6 1 海洋潮流能发 【l 控制系统研究 1 绪论 1 1 课题背景 随着人类社会进入2 1 世纪和经济的飞速发展，世界各国都面临着人口、资 源、环境的重大压力。一个人口迅速膨胀的人类社会正以自人类产生以来从未 有过的空前速度大量消耗着地球上亿万年前形成的极为有限的化石能源。一切 有远见的人们开始考虑如何不以牺牲后代生存环境、经济资源为代价来发展我 们的社会，这也是一个可持续发展的战略问题。能源是国民经济发展的重要物 质基础和人类生活必需的物质保证。我国能源形势与能源安全问题更为严峻。“开 源节流”，“节流”就是按照目前中央部署，切实做好节能减排工作；“开源”更为 重要，找到有效的替代能源，即开发可再生能源，才能从根本上解决能源压力 与潜在的巨大危机。可再生能源的开发利用亦得到了包括我国在内的多个国家 政策和法规的扶持与保障，成为相关国家能源体系建设的重要组成部分。中国 能源发展面临的问题日益突出，概括起来有四个方面【1 1 ： ( 1 ) 资源短缺。能源资源总量少，优质资源尤其短缺。总体而言，中国人 均拥有的能源很少，只有世界平均值的4 0 ，特别是中国石油资源量严重不足， 最终可开采储量仅占世界石油可采储量的3 左右，剩余可开采储量仅占世界剩 余可开采石油储量的1 8 。因此，中国能源供应将面临长期后备资源不足，特 别是优质能源短缺问题。 ( 2 ) 效率低下。能源利用技术落后，能源利用效率低。目前，中国能源效 率为3 2 ，约低于世界平均水平1 0 个百分点，单位g d p 能源消耗是美国的3 5 倍、日本的9 7 倍，世界平均水平的3 倍。同时，中国正处在经济高速增长时期， 工业化、城镇化、小康化建设都需要能源作支撑，能源消耗总量将不断提高， 大力提高效率是降低能源消耗总量的重要措施之一。 ( 3 ) 环境污染。中国是世界上少数几个以煤炭为主要能源的国家，目前能 源消耗构成中煤炭占6 7 。能源消耗过分依赖煤炭造成了严重的煤烟型环境污 染。不仅造成土壤酸化、粮食减产和植被破坏，而且引发大量呼吸道疾病，直 接威胁人民身体健康。中国每吨标准煤的能源消耗，排放的温室气体比世界平 均水平高出5 0 ，在不远的将来，排放总量上中国将超过美国，成为世界第一 大温室气体排放国。 海洋潮流能发电控制系统研究 ( 4 ) 能源结构不合理。中国能源以煤为主，这远远偏离当前世界能源消耗 以油气等优质能源为主的基本趋势和特征。 据专家预测表明，为实现中国2 0 2 0 年国民生产总值翻两番的目标，能源供 应至少要翻一番，预计到2 0 2 0 年全国电力装机将约1 0 亿千瓦，如果按2 0 0 2 年 的电源结构和供电煤耗3 8 3 克标煤千瓦时估算，2 0 2 0 年中国仅用发电的煤耗将 近1 4 亿吨标煤，能源供应需求量将超过3 0 亿吨标准煤。要满足如此巨大的需 求量，石油一半以上靠进口，煤炭也接近开采极限，因此保障能源供应必须调 整能源结构，大规模开发可再生能源资源。 在可再生能源中，潮流能是最具开发前景的新能源之一，所谓潮流能是指天 体引潮力引起的海水发生水平流动的动能【2 ，3 1 。据联合国科教文卫组织估计，全 球蕴藏的可开发利用的潮流能总量达3 亿千瓦 4 1 。我国潮流资源理论平均功率为 1 3 9 4 8 5 2 万千瓦【5 】，而且它具有能量密度高，可与世界潮流能资源最好的地区相 媲美，存在诸多功率密度、理论储量和开发利用环境都非常优越的水道。加之 海洋潮流能能量更加集中( 能量密度约是风能的4 倍，太阳能的3 0 倍) 、载荷 稳定和可预测性强等优势，因此我国海洋潮流能亟待加大开发力度。 1 2 课题的来源及研究意义 本课题来源于国家8 6 3 课题计划资助项目“海洋潮流能驱动的柔性叶片发电 设备研究”。 现有的潮流能发电控制系统仍然不成熟。因此，本文的研究是在分析现有 的潮流能发电系统的基础上，通过对潮流能发电控制系统中的自动变桨距控制、 蓄电池的充放电控制和能耗负载的自动通断控制等的设计研究，研制开发了具 有自主知识产权的潮流能发电监测控制系统，系统采用a v r 单片机作为核心控 制器，结合相应的外围电路和芯片设计制作而成。具有体积小、功能强、稳定 性和可靠性高、安装维护简单等优点，实现了控制系统的优化运行。 系统是将嵌入式技术在潮流能发电控制系统应用方面的新尝试，对于提高 潮流能利用效率，加快推动潮流能发电技术的进步，响应国家对可再生能源开 发利用的号召，降低环境污染，提高人们的生活水平，满足人们对能源的需求 等都具有重要意义。 2 海洋潮流能发电控制系统研究 1 3 潮流能发电技术概况 潮流能发电技术已有3 0 多年的历程，到目前为止，已有超过2 5 个国家参 与到潮流能开发利用中，其中英国、加拿大、爱尔兰、美国等国家已走在了世 界的前列，潮流能的开发利用得到世界各国政府、科研机构的重视，在对潮流 能开发利用选址、经济技术和环境影响等全面评估基础上，提出了多种类型的 原型设计，并在实验室、海域进行了试验和测试，各种技术正在步入规模化应 用阶段。目前国际上潮流能开发利用技术较为成熟，已经开始进入工程示范阶 段；在装机容量上一般都在数百千瓦级、兆瓦级，趋向规模化、商业化发展。 1 3 1 国外潮流能发电技术现状 国际上潮流能发电源于1 9 7 6 - - - 1 9 8 4 年苏丹尼罗河上灌溉用河流涡轮机。经 过8 0 年代的低迷期后，9 0 年代中期，随着全球变暖现象日趋明显，人们开始大 范围开发潮流能。潮流能发电技术虽已有3 0 多年的历程，但由于多种原因，如： 高成本低效率、妨碍海上交通、海洋环境恶劣、设备的安装固定困难、流速多 变等，潮流发电技术发展缓慢。但因受到全球尤其是亚洲电力市场需求的驱动 和环境压力，各国在潮流能发电技术上加大了研究力度并不断取得进步。特别 是欧美国家的海洋能开发利用，受到政府和社会的大力支持，许多国家已提出 了明确的目标，以促进海洋能源的开发。世界主要国家海洋能开发目标见表1 1 。 表1 1 世界主要国家海洋能开发目标 在上述的国家当中，英国和挪威在潮流发电技术上走在世界的前列，单个 海洋潮流能发电控制系统研究 设备最大装机容量已达到2 5 m w 。英国m c t ( m a r i n e c u r r e n tt u r b i n el t d ) 公司 研制的1 2 m w 潮流能水轮机s e a g e n ”1 6 如图1 1 所示，该水轮机已于2 0 0 8 年1 2 月建成，现己并网发电，可供约1 0 0 0 户家庭用电，这是世界上第一个商业化电 站。5 英：n s m dh y d r o v i s i o n 设计的一种锚泊式水轮机l ；t i d e l ”，如图1 2 所示，单 个转子旋转直径1 8 5 m ，在流速2 3 州s 的工况下，发电功率1 m w s i 。 r 。7 猡? 锶f 鞭弼黟臻舅嬲彬2 ”鼍 牡铷“l 坤# ? 碰j # ，k灞 二一一二乙 ，镕一 一 ，穗 篷：一。，一：簸彩| ，固 二二= ? 。二= = ? 黼嗍 “”。”“7 乒i 二誓，。4v # ，。一 副 ， ，一 一，4 | 。龇磁舔 k ， 图1 1s e a g e n 水轮机 图1 2 t i d e l ；水轮机 2 0 0 8 年5 月2 6 日，由爱尔- - z - o p e n h y d r o 公司制作的2 5 0 k w 示范样机o p e n c e n t r e ，在英国的奥克尼郡( o r k n e y ) 岛成功发电，并入到英国国家电网【8 】。挪 威h a m m e r f e s ts t r o m 公司于2 0 0 2 年1 2 月设计安装3 0 0 k wb l u ec o n c e p t ：水轮机， 所发电能并a h a m m e f f e s t o g n ，成为首个并网发电水轮机。北美近几年一直进行 小型发电样机的测试，样机额定功率一般都在3 0 k w 以下。可以说，北美在潮流 发电技术方面和欧洲相比还有一段距离，但在不断取得进步。l u n a r f i p n 公司宣 布将与韩国m i d l a j l d 电力公司合作在韩国南部沿岸建立斥资5 0 0 亿英镑由3 0 0 个 水轮机组成的工程项目吼。截止到2 0 1 4 年，韩国计划建设三个拦河坝，总的装 机容量可达到1 8 g w 1 0 1 。 在控制技术方面，s e a f l o w 公e k 轮机通过商用p c 机控制。p c 机连接到包括 水轮机在内的所有系统设备上，通过手动或自动两种方式实现对整个发电系统 的控制。它具有灵活性强、控制软件易于更新等优点【l l 】。其控制系统如图l - 3 所示。 4 海洋潮流能发电控制系统研究 图1 3 控制系统框图 g o r l o vh e l i c a lt u r b i n e ( g h t ) 采用d a c s 系统实现对潮流能发电装置的控 制。本系统能够采集和记录包括扭矩、转速、发电机电流和电压等在内的所有 g h t 的性能参数，还能采集重要的环境信息，特别是在水轮机的放置处的不同 深度的水流流速。另外，它具有数据自动存储功能，能自动的将数据存储于计 算机硬盘上【12 1 。其数据采集模块d t 9 8 0 6 及其框图如图1 4 所示。 图1 4 采集模块d t 9 8 0 6 及其框图 1 3 2 国内潮流能发电技术现状 我国潮流发电研究始于2 0 世纪7 0 年代末，发电实验最早是1 9 7 8 年由一位 浙江农民进行的。他制作的螺旋桨式水轮机，通过液压传动装置带动发电机， 在舟山群岛西候门潮流流速3 m s 条件下，发出了5 7 k w 的电力1 1 3 】。后来在舟山 海洋潮流能发电控制系统研究 海域进行了8 k w 潮流发电机组原理性实验。进入2 1 世纪以来，随着国家支持与 重视，我国潮流能开发利用出现新的局面，哈工程、中国海洋大学、东北师大 和浙江大学进行了多次原理性实验研究和样机试运行，总体上处于样机试验和 示范阶段，装机容量在百千瓦以下，无论从发展阶段还是装机容量与国外均有 较大差距。目前我国潮流能装置研发取得了如下进展： ( 1 ) 7 0 k w 潮流实验电站“万向i ”，由哈尔滨工程大学研制，于2 0 0 2 年1 月 完成，“万向i ”和意大利的k o b o l d 电站于同一时期建成，是世界上第一个漂浮式 潮流能试验电站。该装置采用漂浮结构形式，主要包括电站载体、双转子水轮 机、锚固系统、液压恒频发电与控制系统等部分，工作流速范围为1 6 - 4 0 m s ， 抗风能力1 0 级，耐波高度3 m ，锚固适应潮差4 m 。在流速2 2 5 m s 时，平均发 电功率5 - 2 0 k w 。偏心机构使转子保持正迎水流，叶片采用变倾角控制方式，自 传运动由连杆滑块机构执行。这种直叶片摆线式可变攻角水轮机具有较高的获 能能力和自起转能力。电控部分主要由定量泵、变量马达、减速器、发电机和 控制柜等组成，液压调速实现了发电系统稳频稳压，系统同时具有蓄电池充电 控制、并网控制和相关的保护功能【1 4 】，。 ( 2 ) 4 0 k w 潮流实验电站“万向i i ”，为哈尔滨工程大学研制的海底固定式垂 直轴潮流能装置。装置研制得到国家科技部“十五”8 6 3 计划的支持，2 0 0 5 年1 2 月完成。继“万向i ”、“万向i i ”之后，哈尔滨工程大学和意大利p o n t ed ia r c h i m e d e 公司正在合作研制2 5 0 k w 水面漂浮式垂直轴潮流发电装置。整体结构类似于 “k o b o l d ”竖轴水轮机。项目得到国家科技部“十一五”8 6 3 目标导向类项目和联合 国工业发展组织的支持【1 5 j 。 ( 3 ) 5 k w 固定式水平轴潮流能装置，如图1 5 所示，由浙江大学研制。项 目得到国家科技部“十一五”8 6 3 探索类项目的支挣【1 6 】。项目开始于2 0 0 7 年8 月， 于2 0 0 9 年1 2 月结束。 ( 4 ) 柔性叶片潮流能水轮机，由中国海洋大学研制，得到国家科技部“十一 五”8 6 3 探索类项目的支持。于2 0 0 8 年l1 1 2 月，在青岛市胶南斋堂岛水道成功 进行了海试。 ( 5 ) l k w 水下漂浮式水平轴潮流能装置，如图1 6 所示，由东北师范大学 正在研制的装置。该装置由水下锚泊系统、发电机、软轴、水平轴水轮机组成， 6 海洋潮流能发电控制系统研究 为避免现有水平轴水轮机需要调整浆距，且在水流反向时效率下降的缺点，装 置采用软轴，将水平轴水轮机与垂直安放的发电机连接，使水轮机组正对水流 方向。该装置的研制获得国家科技部“十一五8 6 3 探索类项目支持，项目开始 于2 0 0 6 年1 1 月，于2 0 0 8 年1 2 月结束。 图1 5 浙江大学研制的水下风车图1 6 东北师大l k w 潮流发电装置 在控制技术方面，上海交通大学设计开发了基于l p c2 210 嵌入式平台的潮 流电站电能变换控制系统。采用基于支持实时仿真和跟踪的删7 t d m 卜s 刑 c p u 芯片l p c 2 2 1 0 ，并移植嵌入式操作系统c o s i i ，利用操作系统来调度逆 变、蓄电池充放电等各个任务功能模块，促使各功能模块的信息融合，实现优 化控制【1 8 j ，其系统结构框图如图1 7 所示。 图1 7 系统框图 哈尔滨工程大学设计的4 0 k w 潮流能发电控制系统也是以l p c 2 2 10 为核心 控制器件，设计的控制器主要完成以下任务：逆变环节的控制，实现恒压、恒 频输出；实现蓄电池的先恒流再恒压的充电控制；系统的过流过压保护：信息 量的采集与上位机的通讯f 1 9 】，其系统结构如图1 8 所示。 7 海洋潮流能发电控制系统研究 图1 8 系统结构框图 浙江大学研制的2 5 k w 样机潮流能发电电气系统如图1 9 所示，该系统能够 独立运行，其拓扑结构为：二极管整流器+ d c d c 变换器+ 蓄电池组。采用 上位机软件控制，保证了系统的安全运行【2 0 l 。 甲 l i l i l i l 毛 篓藏晷 1 哪厂鬟 、 一年1 2 。医研再i 佾j 【j 上 l u t f j f 。一t 广白 i ) i l = ：ll 二川歹- ：ff j【j；j t i r t k 一- 3 。i 馨i 篙 l 嚣， l ! l 鼍! 三一 m n 持暮 ，b !i l 一二。 接崩嚣祁 一一_ j i l 一 嗍信号錾动电珐 - 一，l 一_ j 建书行近诅 应用程序1罾：= 图1 92 5 k w 样机电气系统 1 4 课题研究内容以及关键技术 本系统的主要控制对象为稀土式永磁同步发电机和水轮机。课题的主要研 究内容及关键技术如下： ( 1 ) 叶片换向与自动变桨距：根据海洋潮流能自身的特点( 海流往复运动) ， 本控制系统可调整叶片旋转1 8 0 0 适应海流的往复运动，保证水轮机转向不变。 当海流流向不发生变化时，根据实际海流流速和发电机输出功率，自动调整水 轮机叶片旋转适当的角度，使水轮机捕获最大效能。 ( 2 ) 蓄电池充放电：根据检测到的蓄电池的荷电状态( 蓄电池两端的电压 和电流) ，实现对蓄电池充放电过程的控制。 8 海洋潮流能发电控制系统研究 ( 3 ) 能耗负载控制：对发电机采取各种保护措施，当发电机转速远高于额 定转速时，能紧急刹车制动或切入能耗负载自动降低发电机转速。 ( 4 ) 实现对发电机、水轮机、海流环境以及能量转换模块等信号的检测控 制。系统所涉及到的主要信号参数众多，转子功率p t 和获能效率c p 由公式计 算得到，其余参数均由硬件电路检测获得。另外，为了研究潮流能水轮机特性， 该系统需具有自动存储实验数据的功能。 1 5 小结 本章的主要内容包括课题的来源、背景以及研究的意义。从国内和国外两 个方面阐明了海洋潮流能发电技术的研究现状。详细的介绍了本文研究的内容 以及实现的关键的技术。 9 海洋潮流能发f c l 控制系统研究 1 0 海洋潮流能发电控制系统研究 2 潮流能发电系统组成及工作原理 2 1 潮流能发电系统的结构 根据现有发电系统的结构，设计合理的潮流能发电控制系统，常见的系统 采用包含d c d c 变换器与耗能负载的结构，如图2 1 所示。它主要包括水轮机、 三相磁同步发电机、不可控桥式整流器、d c d c 变换器、蓄电池、逆变器以及 控制系统几个组成部分。水轮机驱动永磁同步发电机发电，所发出的电经整流 后变成直流电输入d c d c 变换器，而逆变器将蓄电池或斩波器输出的直流电变 换成交流电供交流负载使用。d c d c 变换器用来改变发电机的负载特性，调节 发电机输出功率和控制蓄电池充放电。卸荷负载用来保护发电机组 2 1 , 2 2 】。 图2 1 系统结构框图 2 2 潮流能发电系统的运行特点 对于该潮流能发电系统来说，它的工作情况主要由海流流速、水轮机叶片 角度、蓄电池状态和负载情况决定，发电机输出的能量要与负载当前消耗的能 量以及蓄电池所能储存的能量总和匹配。系统运行状态的分析见表1 2 。 状态说明如下： 状态l ：水轮机不发电，由蓄电池单独为负载供电； 状态2 ：水轮机发电，由发电机和蓄电池一起为负载供电： 状态3 ：水轮机发电，为蓄电池充电，发电机和蓄电池都没有为负载供电； 状态4 ：水轮机发电，为蓄电池充电的同时也为负载供电。 海洋潮流能发电控制系统研究 表1 2 发电系统运行状态 发电机状态 蓄电池状态负载状态 状态是否存在 发电不发电充电 放电 有电无电 1 0 1o1o n o000 y e s ( 状态1 ) 0o1 n o010 n o011 n olo0 y e s ( 状态2 ) 1o1 y e s ( 状态3 ) 11o y e s ( 状态4 )l 1 1 由以上状态分析可以看出，海洋潮流能发电系统一般都是在以上四种状态 下工作的，随着外界环境的变化，如水流流速、水流流向的不同，还有负载工 作情况的变化，整个潮流能发电系统是在四种状态间切换工作的。当由于环境 水流流速低于水轮机机的启动流速，而使永磁同步发电机无法发电时，则要由 蓄电池为负载供电，这就是第一种工作状态：当水流流速足够大，永磁同步发 电机可以发电，且蓄电池不需要充电时，则可以由永磁同步发电机和蓄电池一 同为负载供电，若负载较小时，也可由永磁同步发电机单独为负载供电，这就 是第二种工作状态；当水流流速不是很大，且蓄电池亏电较为严重时，为了保 护蓄电池，则需要停止为负载供电，而永磁同步发电机只为蓄电池充电，这就 是第三种工作状态；当蓄电池亏电严重，而流速较大时，发电机发出的电能较 多，除了满足为蓄电池充电外，还可为负载供电，即第四种工作状态。 2 3 系统中各部件的功能原理 2 3 1 永磁同步发电机 借鉴于风力发电系统，永磁同步发电机承担了潮流能能到电能的转换任务。 它不仅直接影响这个转换过程的性能、效率和供电质量，而且也影响到整个系 统的运行方式、效率和装置结构。因此，选用可靠性高、效率高、控制性能良 好的发电机系统至关重要。在小型风力发电系统中，发电机的型式为三相交流 同步发电机，主要使用永磁发电机。在潮流能发电系统中，结合潮流能和风能 的共同特点，采用三相永磁同步发电机，其优越性在于比起相同额定功率的三 1 2 海洋潮流能发电控制系统研究 相电机体积小，成本低；转予采用永磁结构，省去励磁绕组和容易出问题的集 电环和电刷装置，成为无刷电机，不消耗励磁功率，因而有较高的效率，结构 简单，运行可靠；还可省去增速齿轮箱，将发电机直接与水轮机相连。 假定永磁同步发电机( p m s m ) 电机满足以下假设条件 2 3 , 2 4 】： ( 1 ) 空隙中磁束分布呈正弦波状； ( 2 ) 忽略电压和电流的高次谐波； ( 3 ) 忽略铁损。 经过有关理论推导，得出隐极式永磁同步发电机的电气方程式为： ( 1 ) 空隙中磁束分布呈正弦波状； ( 2 ) 忽略电压和电流的高次谐波； ( 3 ) 忽略铁损。 经过有关理论推导，得出隐极式永磁同步发电机的电气方程式为： r 警= 一主l 。d 栅r l “o 圭w f 一= 一一 + ， + 一v 0 i以 上 。三 弋ldi：pwdd-r i q + 1w 一尸所竺 ( 2 1 ) d t 厶l d l 发电机的机械方程式为： j d o o m ：l 一冗一凡席 ( 2 2 ) 电磁转矩的计算式为： 兀= 三烈南 ( 2 3 ) 。 一 式中，蹒转动惯量，单位埏m 2 ；f 为摩擦系数，单位n r n s ；p 为极对数； 兄为磁通系数，单位w b ；l a 、l q 为定子绕组的d 、曰轴电感，单位h ， 如和0 为 以坐标系电流，单位a 。 式( 2 1 ) ( 2 3 ) 构成了p m s g 的数学模型。由电机理论可知，当永磁同 步电动机输入机械转矩时，由电动机运行状态转为发电机运行状态。永磁同步 发电机( p m s g ) 输出功率为 气 p c = 三( 砌+ i q v q ) ( 2 4 ) 、 海洋潮流能发i 【l 控制系统研究 2 3 2 蓄电池的分类及充、放电方法 在小型的潮流能发电系统当中，广泛采用蓄电池作为储能装置，蓄电池主 要分为普通铅酸蓄电池、碱性镉镍蓄电池以及阀控式密封铅酸蓄电池三类。普 通铅酸蓄电池由于具有使用寿命短、效率低、维护复杂、产生的酸雾污染环境 等问题，其使用范围有限，目前已逐渐被阀控式密封铅酸蓄电池所淘汰。阀控 式密封铅酸蓄电池整体采用密封结构，不存在普通铅酸蓄电池的气涨、电解液 渗漏等现象，使用安全可靠、寿命长，正常运行时无须对电解液进行检测和调 酸加水，又称为免维护蓄电池，并已经得到广泛的应用。碱性镉镍蓄电池也由 于其造价高、单体电压低、易漏电、对环境造成污染等原因在使用当中受到限 制。因此，在小型的潮流能发电系统当中大都采用阀控式密封铅酸蓄电池 ( v r l a ) 1 2 5 , 2 6 , 2 7 , 2 8 】。 蓄电池是影响风电系统寿命的关键因素，对阀控式密封铅酸蓄电池充放电 的控制直接影响蓄电池的寿命，不合理的充放电将直接导致蓄电池的崩溃。在 大多数的发电系统中，都是由c p u 来监测并控制蓄电池的充放电过程，较多采 用分阶段法来优化充电过程。因为分阶段充电过程符合阀控式密封铅酸蓄电池 的特性，z 日出匕，6 k e l 好地保护蓄电池，延长其使用寿命。 典型的阀控式密封铅酸蓄电池的充电过程包含了4 个阶段，如图2 2 所示。 l b l f j 气 l 磊j 1 。2 ： 1 入 i 、一 1i ll ll- 0 t i i 2 t 31 4 t 图2 2 蓄电池充电过程曲线 每个阶段以恒电流或恒电压充电，依赖于电流、电压的设定值b i 、i b l 、民2 、 i b 2 。第一阶段，以i b l 恒流充电，当电压达到e b i 时转入第二阶段。第二阶段以恒 电压充电，随着蓄电池端电压的升高，电流会逐渐减小，当充电电流达至l j i b 2 时， 1 4 海洋潮流能发电控制系统 j f 究 转入第三阶段。第三阶段以恒流充电，这时蓄电池电压进一步提高，当电压达 到e b 2 时则转入第四阶段。第四阶段以e b 2 恒压充电，这时充电电流进一步减小， 当达到规定的电流强度时则停止充电。 除了以上介绍的分阶段充电法外，目前使用的另一种蓄电池充电方式就是 脉冲式充电，利用脉冲式充电不仅充电效率高，而且还能够实现快速充电。脉 冲快速充电法的理论依据就是通过在充电电流中叠加一定频率、宽度、高度的 负脉冲或短时间的停充电，使参加反应的p b 一离子来得及生成并提高其浓度，又 使生成的h i 和s 0 4 离子来得及从电极表面附近移开，其综合效果是降低了浓差 极化，