水平轴潮流发电水轮机最大功率捕获技术研究

摘要

随着人类社会的发展,产业及生活对能源的需求迅速增长,使得常规形式的能源大量消耗,且已日趋枯竭。潮流能作为一种清洁、可再生能源,其能量密度大、储量丰富,引起世界各国的广泛重视。因此作为传统不可再生化石燃料的替代能源,其开发与利用就显得迫在眉睫。潮流发电装置作为海洋能开发的关键设备,其获能效率的高低直接关系到整个潮流发电装置的设计成功与否。潮流的周期性涨落,使得水轮机输出功率脉动变化,同时由于国内潮流资源整体流速偏低,使得可利用的能量范围相对较小,因此如何实现水轮机功率输出的稳定性以及能量捕获的最大化利用将是潮流能发电装置的一个关键技术。
　　 本文从水轮机的最大能量捕获作为出发点,结合目前比较成熟的风力发电技术与潮流发电本身的特点,研究水平轴潮流发电系统的最大能量捕获策略,并通过模型实验来验证最大能量捕获策略的可行性与有效性。
　　 在查阅大量国内外相关资料的基础上,介绍了潮流能发电装置的最新研究进展以及潮流发电技术的前景,阐述了潮流能发电系统所采用的功率控制技术、变速恒频技术及其实现方法,提出了本课题的研究意义和研究内容。
　　 研究了潮流能发电装置的基本理论及特性,并对叶片升力系数,阻力系数、俯仰力矩系数等特性系数进行了分析,引出了变桨距的原理,同时就驱动方式及运行状态进行了论述,为系统的设计提供理论基础。
　　 介绍了潮流发电装置的基本构成与发电系统的拓扑结构,其中包括永磁同步发电机、不可控整流、DC/DC变换等部分,然后就变桨距的设计及驱动方式展开论述,并详细介绍了发电机选型、电力变换系统控制原理、以及桨叶驱动伺服电机的功率计算,最后建立了潮流发电水轮机的数学模型。
　　 对比了大量风电最大功率捕获控制策略,针对永磁同步交流潮流发电系统的特点,提出了变步长求导MPPT(Maximum Power Point Tracking)算法,克服了传统爬山搜索法与三点比较法中固定步长导致系统收敛慢且易震荡的缺点。
　　 搭建了基于虚拟仪器技术与嵌入式实时操作系统的潮流发电水轮机模型实验平台,通过实验验证了变桨距可有效提高水轮机的自启动性能,通过负载调节,验证了MPPT算法的可行性,及时跟踪最大功率点,有效提高了水轮机获能效率。