并网型海流能发电机组控制系统关键技术研究

摘要

随着《海洋可再生能源发展“十三五”规划》的发布，以提高海洋能装备技术成熟度，推进海洋能产业化，实现“能发电”到“稳定发电”转变等的一系列目标变得明确。海流能属取之不尽、用之不竭的海洋可再生能源。海流能发电装备是海洋战略需求、新能源研究装备、先进设计制造的“交汇点”。过去的十几年中，海流能发电技术得到快速的发展。海流能发电机组正朝着大功率兆瓦级、阵列化、商业化方向发展，这也对能源装备的控制技术提出了更高的要求，如何从系统控制方面提升海流能发电机组的捕能高效性、运行可靠性、功率稳定性是十分有意义的。
　　本论文在对海流能发电装备控制系统软硬件构架及功能性需求等进行分析的基础上，完成120kW并网型水平轴海流能发电装备控制系统的软硬件设计，系统的厂内试验及实海况试验。基于所设计的控制系统，论文还对并网型海流能发电机组的功率控制技术、并网控制策略等进行了研究，并完成了相关仿真及试验研究。
　　论文各章节内容如下:
　　第一章，课题研究背景与意义。介绍了海流能的特点、分布;综述了国内外海流能发电装置及其控制技术的研究现状，总结了现有海流能发电控制技术研究存在的困难与不足;结合课题研究的意义与来源，给出了论文的主要研究内容。
　　第二章，并网型海流能发电机组功率特性及系统结构介绍。利用贝兹理论、叶素-动量理论分析了水平轴海流能发电机组的能量捕获原理，同时对叶素-动量理论进行了设计上的参数修正，并给出了机组运行的功率控制特性;介绍了并网型海流能发电系统的主要组成部分及工作原理，包括变桨系统、机械传动链、并网电气系统等，并概括性地介绍了控制系统的硬件结构与功能拓扑。
　　第三章，并网型海流能发电机组控制系统设计。结合海流能发电机组的固有工作特性，提出并网型水平轴海流能发电系统的控制目标、控制逻辑和系统设计原则。完成了120kW机组控制系统的软硬件设计，包括软硬件功能拓扑方案、信号流程、硬件控制回路设计、安全链设计及软件功能控制逻辑设计等。
　　第四章，并网型海流能发电系统控制策略研究。建立并网型海流能发电机组数学模型，对提出的用于能量捕获控制的直接桨距角反馈控制和基于功率反馈的变桨控制进行研究。重点对基于最优转速跟踪法、最优转矩跟踪法及发电机目标转矩矢量控制的最大能量捕获控制策略进行了研究。此外，提出一种以发电机转速、功率变化量为发电机q轴电流控制依据的模糊控制策略，以提高发电机功率和转速的平稳性。建立并网系统dq解耦数学模型，提出电压电流双闭环控制，实现并网有功无功、dq电流解耦控制，采用软件锁相方法跟踪电网电压矢量。通过仿真验证了控制策略的有效性，既实现了水平轴海流能发电系统的高效、稳定运行，也实现了较高质量电能馈入电网的功能。
　　第五章，并网型海流能发电系统试验及结果分析。对120kW并网型海流能发电机组控制系统进行试验研究，包括厂内试验和实海况试验。结果验证了所设计的控制系统的可靠性与稳定性，同时验证了变桨距控制、能量捕获控制、并网控制等策略的有效性。
　　第六章，并网型海流能发电系统性能提升控制技术。针对机组实际运行中存在的不足，从提升与优化整体系统运行特性的目标出发，提出了相关的控制策略，包括低流速启动的预变桨控制策略，基于流速预测的海流能发电机组优化变桨控制策略，以及基于直流母线电压匹配的最大能量捕获控制策略。仿真及试验结果验证了所提出控制策略在提升系统能量捕获特性、减少运行损耗、增加可靠性、延长工作寿命等方面的有效性。
　　第七章，总结了论文的主要工作和研究结论，阐述创新点，并对后续工作进行展望。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 海流能概述

1．2 国内外海流能发电装置研究现状

1．2．1 国外海流能发电装置研究现状

1．2．2 国内海流能发电装置研究现状

1．2．3 阵列化发展趋势

1．3 海流能发电控制系统及技术研究进展

1．3．1 国内外海流能发电控制系统研究现状

1．3．2 海流能发电系统相关控制技术研究现状

1．3．3 现有研究存在的困难和不足

1．4 课题来源及主要研究内容

1．4．1 课题来源

1．4．2 研究内容

1．5 本章小结

2 并网型海流能发电机组功率特性及系统组成

2．1 水平轴海流能发电机组功率特性分析

2．1．1 叶轮能量捕获一贝兹理论

2．1．2 叶素-动量理论分析及参数修正

2．1．3 海流能发电机组功事的区间控制策略

2．2 并网型海流能发电机组系统结构

2．2．1 变桨系统

2．2．2 机械传动链

2．2．3 并网电气系统

2．2．4 主控系统

2．3 本章小结

3 并网型海流能发电机组控制系统设计

3．1 海流能发电机组控制系统需求

3．1．1 控制系统设计原则

3．1．2 具体控制需求分析

3．2 海流能发电控制系统硬件设计

3．2．1 控制系统信号流程分析

3．2．2 控制系统电气原理设计

3．2．3 控制系统安全链设计

3．3 海流能发电控制系统软件设计

3．3．1 控制系统软件功能拓扑

3．3．2 程序功能逻辑关系

3．3．3 控制系统软件功能实现

3．4 本章小结

4 并网型海流能发电系统控制策略研究

4．1 海流能发电系统模型建立

4．1．1 海流流速模型研究

4．1．2 变桨系统模型

4．1．3 叶轮模型

4．1．4 传动链模型

4．1．5 发电机模型

4．1．6 并网系统模型

4．2 变桨距控制

4．3 能量捕获控制

4．3．1 最优转速跟踪法

4．3．2 最优转矩跟踪法

4．3．3 发电机转矩控制原理

4．3．4 基于模糊控制的最大能量捕获与功率平滑

4．4 并网控制

4．4．1 网侧电压电流双闭环控制

4．4．2 电网电压同频锁相方法

4．5 并网型海流能发电系统仿真分析

4．5．1 变桨系统仿真分析

4．5．2 功率控制仿真分析

4．5．3 网侧控制仿真分析

4．6 本章小结

5 并网型海流能发电系统试验及结果分析

5．1 变桨控制试验

5．1．1 交桨系统实现

5．1．2 交桨试验结果与分析

5．2 120kW水平轴海流能发电系统试验

5．2．1 厂内拖动与并网测试

5．2．2 海上试验布置

5．2．3 海上试验结果与分析

5．3 本章小结

6 并网型海流能发电系统性能提升控制技术

6．1 低流速启动的预变桨控制策略

6．1．1 预交桨桨距角确定

6．1．2 低流速阶段最大能量捕获控制

6．1．3 仿真结果分析

6．2 基于流速预测的海流能发电机组优化变桨控制策略

6．2．1 流速预测方法

6．2．2 优化变桨控制策略

6．2．3 试验方案设计

6．2．4 结果与分析

6．3 基于直流母线电压匹配的最大能量捕获控制策略

6．3．1 基于直流母线电压匹配的最大能量捕获控制原理分析

6．3．2 控制律曲线测试

6．3．3 结果与分析

6．4 本章小结

7 总结与展望

7．1 论文总结

7．1．1 论文工作总结

7．1．2 论文创新点

7．2 工作展望

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间的主要科研成果