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毕业设计论文
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海流能发电装置控制系统的建模与仿真,毕业设计论文
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学号： 200710231026 上海海事大学 本科生毕业设计（论文） 海流能发电装置 控制 系统 的 建模与仿真 学 院：物流工程学院 专 业：电气工程及其自动化 班 级：电气 071 姓 名：汪正韦 指导老师：汤天浩 完成日期： 2011 年 5 月 nts 摘 要 海流能是一种巨大的能量，如何利用她来发电 成为当今国际所讨论的一个焦点问题 ，近些年一些专家对他也颇有研究，可喜的是，已经摸索出了具体的设计方案和控制方法。 本文 以 5kw 级水平轴 螺旋桨式 式海流能发电装置为原型， 通过分析小信号数学模型，根据其特性，探讨最大功率跟踪控制方法，特别是针对控制系统的选择做一番研究，使其符合最大性能要求。同时也提出了间接速度控制的最佳转矩 转速曲线跟踪方法，最后通过仿真结果验证了其正确性和可行性。 关键词 ： 水平轴螺旋桨式，能量跟踪，控制系统，建模与仿真 Abstract Sea can be a great deal of energy, how to use electricity for her to become an international discussing a problem, in recent years some experts to his study is also gratifying is that has been feeling out of the specific plans and control. 5kw the level of the horizontal axis by the propeller can generate electricity in the current mechanism for a signal by the mathematical model, according to its characteristics, the greatest power tracking control method, particularly in control system of choice to make a study, make it consistent with the biggest performance requirements. it also made consequential speed control of the best turns in the moments speed of the following ways, by simulation results to verify its accuracy and feasibility. Key words: Level of the propeller shaft joint, Energy tracking, Control system, Modeling and simulation nts 目 录 前 言 第一章 系统 机械 模型分析 1.1 海流能发电的原理 及特点 1.2 叶轮模型 1.3 叶轮动量及能量捕获理论 1.4 叶轮力学模型分析 第二章 系统电气模型分析 2.1 柔性输出扭矩及发电机运动方程 2.2 电气系统模型 2.3 永磁同步发电机模型 2.3 最大能量捕获理论控制策略 第三章 利用永磁同步发电机来建模与仿真 3.1 海流能发电装置系统模型 3.2 叶轮机仿真模型 3.3 海流能发电控制系统仿真及结果 第四章 展望与前景 第五章 结论 参考文献 nts 前 言 海流能是一种取之不尽、用之不竭的绿色清洁能源， 也是可再生资源， 近年深受世界各国重视。水平轴式海流能发电装置正是利用海流能进行发电的一种新型能源装备。而海流在时间和空间上具有随机性变化的特点，因此如何最大程度地捕获海流能量，并提高发电电能 的 品质是研究海流能发电装置至关重要的问题。 我国海流能资源丰富，但目前对海流能发电装置的研究较少。 2005年，浙江大学流体传动及控制国家重点实验室成功研制出 5kw 水平轴式海流能发电装置的试验样机，并在浙江省岱山县海试发电成功 (如图 1 所示 )。在此基础上，对如何最大程度地捕获海流的能量和提高发电电能品质也进行了研究。本文 也 以 5kw 海流能发电 装置为原型，分析其小信号数学模型，提出通过调节发电机转矩控制叶轮转速，实现最大能量跟踪和提高发电电能品质的方法 ;针对测量的海流流速有滞后性的问题，采用间接速度控制方法实现最佳转矩一转速曲线跟踪。仿真研究结果表明模型分析方法和控制策略是合理的，可以为下一步实物样机设计和改进提供研究基础。 本文主要研究海流能发电装置 控制系统如何建模 ，如何选择，如何最优化一系列问题。我们将在第一章介绍它的系统机械模型及建模过程，第二章介绍 电气模型与建模；第三章 利用永磁同步发电机 将分析数据用 matlab 建立仿真曲线进行； 第四章 将提出一些海流能装置的应用与推广前景 ，第五章 就仿真结果进行分析，从而 得出结论 。 nts 一 系统 机械 模型分析 1.1 海流能发电的原理及特点 水下风车式的海流发电系统原理与风力发电机相似：通过流体流过桨叶产垂直流体流向的力，引起叶轮转动，带动发电机旋转发出电能。海水能量密度是空气的 800 多倍，海流能量密度大大高于风能能量密度，同等功率等级的海流发电机可以比风力发电机采用更小的叶轮半径；由于在海水中运行，海流能发电机的转速将受到限制，过高的转速将会产生气蚀现象而影响了海流发电机的叶片，另外还留发电机的密封防腐也是海流能发电装置的关键技术。 如图 2 所示，水平轴式海流发电装置由轮毅、叶片、机舱、变速箱、发电机、塔架六大部分及密封、防腐蚀等部件组成。该装置的工作原理与风力发电机相似，利用海流以一定的速度和攻角冲击流线型的桨叶，通过变速机构，带动发电机发电，故又被称为“水下风车”。 水平轴式海流能 发电装置是非线性、多变量、受强干扰的机电系统，本文基于流体力学及叶栅理论、机械动力学等理论对其模型进行分析研究。 1.2 叶轮模型 考虑系统的柔度，把主轴、齿轮箱传动系统的各部分惯量折算到叶轮轴上，且将主轴、齿轮箱传动的柔度等效到齿轮箱输出轴。 nts 其中 。为叶轮及传动系统折算到叶轮轴上的 转动惯量，大为传动系统各级传动比及相 应转动惯量 ;Tr 为叶轮获取的液动力矩 ;TD 为阻尼力矩 ;为齿 轮箱输出轴的机械扭矩为叶轮转动角速度 ; 由 Beta 得 : 其中 为叶轮捕获功率， p 表示海水的密度， 为海水流速， s 为 叶轮扫过面积， 为节距角， G(人，川为叶轮捕能系数，为尖速 比，即叶尖线速度与海流流速的比值， R 为叶轮半径， 叶轮转矩系 是常数。 1.3 叶轮动量及能量捕获理论 忽略水流的可压缩性和粘性 ，并假定叶轮扫截面上的流速，密度均匀；并忽略扫截面上的压力梯度变化 、塔架轮彀对叶轮的塔影效应及温度变化； 则叶轮所在流道上的流 场满足连续性方程、动量方程及能量守恒方程，即： 1.4 叶轮力学模型分析 在流体中运动的物体，要遭受流体阻力的作用，因此对叶片性能的要求，首先就是获得尽可能大的升力和尽量小的阻力，翼形的升力和阻力分别用升力系数 C1和阻力系数 Cd来表示 ，它们不仅与自身的结构参数有关，而且与来流条件及叶片与来流相对运动关系有关。 为了有效计算叶轮的旋转力矩及轴向力，同时考虑流速的随机变化，这里采用流体动力学理论及 fluent 软件下流固耦合仿真方法对叶片的升阻系数特性进行研究分析。湍流模型的选择是仿真中非常重要的一个问题，在本文的仿真中，低攻角时采用了标准的 k-e 模型，并采用非平衡 壁面函数的近壁面处理，该模型对于处理贴近壁面附近的流动计算是很有效的；当大攻角时，在考虑流体分离及回流现象的基础上，采用 k-w 模型。 仿真结果与试验结果基本吻合（见图 2），表明用数值模拟的方法可以获得合理的叶片升力系数和阻力系数特性。 nts 图 2 升力系数和阻力系数随攻角的变化曲线 当已知了叶片的升阻系数特性，再结合叶片结构参数及来流条件，就可以求得叶轮的驱动力矩。 图 3 及图 4 分别为叶片某截面运动和受力分析图，O-O 为轮彀旋转轴。图中为安装角（节距角），被定义为叶轮旋转平面与该截面弦线 AB 的夹角； v 是自由来流速度； u 为该截面处的线速度； 参考文献 1. 海 流发电的新方法 关孟儒 (华东水利学院 ) 2. 海流能发电装置功率控制技术研究 浙江大学流体传动及控制国家重点实验室 (浙江杭州 310027) 应有 李伟 刘宏伟 林勇刚 3. 水平轴螺旋桨式海流能发电装置模型分析及试验研究 浙江大学流体传动及控制国家重点实验室 (浙江杭州 310027) 刘宏伟 李伟 林勇刚 马舜
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