60kW潮流能发电机组研制.docx

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1、舞m“坚_中国可I再生i能源学目会 2011 年学术年会论文（海洋能）60kW 潮流能发电机组研制李伟7，刘宏伟，林勇刚，张大海，石茂顺（浙江大学流体传动及控制国家重点实验室，杭州 310027）摘要潮流能发电已成为当前研究热点，潮流能具有可预测性强、能量密度高等优点，但局部范围：也存在流速偏低、方向不稳定等缺点，同时恶劣的海洋环境也给潮流能发电机组的研制带来很大的困j，17难。提高机组可靠性、提升整体效率及成本控制已成为潮流能发电机组研制中的三大关键问题。本文将以在研的 60kW 潮流能发电机组为例，对潮流能发电机组的捕能机构高效设计、传动系统可靠性设计、能量控制管理系统及整体效率控制等进行

2、详细介绍，并对机组的研制成本进行了部分考虑。关键词：潮流能发电；可靠性；整体效率；成本控制中图分类号：TK 73文献标识码：A1 叶轮水动力学设计方案等0，i囊要。高于+垂。直轴结。构。同时结合雾本课题组已有；的研。理论证明，水平轴形式的潮流能发电机组效率引言经验及基础，60kW 工程性样机将采用水平轴结构潮流能发电是近年来快速发展起来的一种可形式。再生能发利用方式。潮流能具有蕴藏量大、周为提高一次能量转换环节的捕能效率，基于叶期性强及能量密度大等优点1，开发潮能对能源素动量理论，对叶轮捕能机理进行研究。如图 1 所结构调整具有重要战略意义。示为某翼型的受力图9。当前世界范围内的潮流电机组单机

3、最大容量已达到 1 2 MW（英国2, 3，同时挪威已安装300 kW 机组4，美国 2008 年完成 35 kW 机组的现场试验，目前正在研制 MW 级机组。在潮流能开发技面，我国基本与国外同步，本世纪初我国相继进行几台样机的海试，如哈尔滨工程大学的 40kW 垂直轴机组，浙江大学的 25 kW 水平轴机组等6,7，目前哈电集、大唐集团等也拟开发 MW 级潮流能发电机组8。我国潮流能资源丰富，达 14000 MW，但也存。，高j在泥沙含量大、沿海台风、局部流速偏低等缺点，如何充分结合我国的国情，提高潮流能发电机组的”“”可靠”性9升“整体效率及控制成本已成为当前潮流图 1 叶片翼形受力及运动

4、关系图由图可得：。能发电机组研制中的三大关键问题。为提高系统可靠性，需要简化系统结构并采用冗余结构设计方案，改善机组的密封、防腐等方案或工艺，同时考虑机 组的易维护性；要提高系统整体效率，重点在于提 高机组在不同流速尤其是低流速条件下的能量捕获 能力，实现叶轮在全流速范围内的高效运行，同时 保证传动系统的传动效率；成本控制在于采用成熟 技术产品或方案，同时需要对系统结构或关键部件 进行结构优化。本文将以在研的 60kW 潮流能发电 机组为例，对潮流能发电机组的捕能机构高效设计、(1)(2)另外 dF = 1 BCw2dr(C cos+ C sin)(3)aLD2dT = 1 BCw2rdr(C

5、 sin C cos)(4)LD2由动量定理可得：传动系统可靠性设计、能量控制管理系统及整q体效。、，时2dFa = m(v v2 ) = 4rdra(1 a)v(5)率控制等进行详细介绍。dT = m(0 2a r)r = 4r3dra(1 a)v(6)输入流速、转速、叶轮直径、叶片数及翼型参数BCCL cos a =8rsin 2 + BCC cos LBCCL sin a=4rsin(2) BCCL sin 考虑水流在叶尖及叶根部的扰流损失，叶尖损失系数及叶根损失系数分别为：N所以 a。及 a可：以修正为兰：。-。痂fY 三娑兰1BCCL cos a =8rFsin 2 + BCC co

6、s LBCC sin La=4rFsin(2) BCCL sin 其流程图如图 1 所示。2 能一量传动方案设计目前在潮流能发电机组j中常用的能量传递方叭xj案有高速比齿轮箱传动、液压传动、低速比半直驱图 2 叶片设计流程图传动及直驱传动方案，其中用得较多还是第一种，如英国及挪威的 300 kW 样机等。英国 Edinburgh 大学对液压传动在潮流能中的应用进行了理论研 究，而国内浙江大学在 20 kW 潮流能发电机组中对 液压传递方案已完成了试验研究，早期哈尔滨工程 大学在垂直轴潮流能发电机组中也曾尝试了液压传 递方案。直驱方案是结构相对较为简单，但根据风 力发电机的经验，随着功率等级的增

7、加，直驱发电 机的尺寸将成倍地增加，对于潮流能发电相对较小 的叶轮来讲，这是相当不利的因素，所以它更多地 被限制在中小功率范围之内。低速比半直驱传动方 案也是源于风力发电技术，它是介于高速比传动与的并具有合理尺寸直径（通常不超过叶轮直径的10%）的流线型结构。所以在本论文的 60 kW 工程性样机中，以提高能量传递系统可靠性为目的，综 合各传动方案优点，采用低增速比的能量传递结构， 并以大长径比为约束条件对能量传动系统进行优化 设计，形成紧凑的传动结构形式，在不降低整体效 率的前提下，实现了传动结构的简化及可靠性的提 高。传动方案如图 3 所示。贴f竺竺1直驱传动的一种折衷方案，它具有如下优点

8、 10：结构相对简单；效率及可靠性相对较高；发电机体积小，从而保证机舱外形结构相对紧凑，形成狭长图 3 半直驱传动方案该传动机构有、如下p几(个1的特点：（1）V使)得机舱结束修正弦长、扭角Next i输出 C,及扭转角|a-a |e、|a-a |e11计算 a 、a 11修正 a、a计算 ri、f、F、C；选取升阻系数 CL、CD 赋初值 a=a0、a =a 0FOR i=1:n最大外径不超过 800 mm；（2）在同等外形条件下，有足够的余量将机组扩展到百千瓦级数；（3）采用 大间距轴承布置，以抵消叶轮引起的悬臂作用；（4） 采用调心滚子轴承及圆锥滚子轴承，增强了承受轴 向、径向联合载荷的

9、能力，并具备自对心功能。考虑到海流能发电装置工作环境恶劣，为提高 机组传动机构的可靠性，在传统冗余设计的基础上， 采用了与数值仿真相结合的设计方法。将实测潮流 流速导入专业仿真软件BLADED中，设置叶轮参数、 齿轮箱参数及发电机参数等，然后进行仿真，可以 得到在不同工况下叶轮的载荷谱，进而分析得到传 动系统的载荷谱。最后对传动系统进行极限强度设 计及疲劳强度设计。3 能量管理系统3.1 硬件部分3.2 能量控制实现方式（1）最大能量实现控制方式在潮流能发电机组的整个工作周期内，局部时 间的潮流流速偏低，如何提高低流速下潮流能发电 机组的工作效率，对提升整体效率来讲意义很大。 另一方面，当流速

10、超过额定流速，如何通过负载调 节实现功率的控制也是比较关键的问题。在许多文献中已经提到，对于基于叶素动量理 论设计完成的叶轮，当水流流速低于额定流速时， 通过控制叶轮转速，并使之与水流流速保持一个最 佳的比值（即最佳叶尖速比叶尖速度与水流流速 的比值），就可以实现叶轮的最大能量捕获，其过程 如图 5 所示。P本文研究的 60 kW 潮流能发电机组，采用三相永磁同步发电机，三相线电压 AC 400 V，考虑到周 边环境情况及地方配套情况，机组将采用离网型结 构，总体方案如图 4 所示。Pmaxopt0图 5 不同流速下叶轮输出功率与转速关系曲线最大功率控制策略可用下式表示：1R33Pmax =

11、2 S( )Cpmax= k（7）optBattery Grouppart4Loadpart9Dump Loadpart101Rpart1其中 k =SC()3 ，为常数；为实测optpmax2图 4 潮流能发电能量管理系统图中 part 1 为发电机部分，part 2 完成系统的整 流及共模、差模电流滤波、直流平波设计，此部分 设计的好坏直接影响后面 DC-DC 变化电路及 IGBT 卸荷功率电路的稳定性；part 3 为 DC/DC 变换器部 分，此部分完成直流电能的 DC/DC 变换，变换器 接受 Part 7 的 DSP 信号，通过一定的算法，控制发 电机转速使其按照发电机具有的转速功

12、率曲线运 行，从而实现叶轮的最大功率捕获。DSP 是系统的大脑，它不仅可以通过 DC/DC 变换或负载控制实现叶轮的最大功率跟踪，而且它 需要将采集到的各路信号如蓄电池电压，充放电电 流，实时发电功率等通过 RS232 实时传输给上位机， 并显示出来。的叶轮转速。如图 6 所示为最大能量捕获控制系统框图，外 环为功率环，内环为电流环。测量叶轮的转速， 根据公式（7）计算出系统的参考功率 Pref，和发电 机的有功功率 PAC比较，所得偏差信号经 PI 校正环 节后得出电流环的目标参考值 IBref，该值和蓄电池 组的充电电流 IB比较，所得偏差信号经校正环节算 得直流变换器的目标占空比值 D，

13、通过 PWM 驱动 电路对直流变换器进行调节，改变系统的负载特性， 从而改变叶轮转速，使叶轮的输出功率跟踪参考功 率。对于独立运行的海流能发电系统的转速调节 执行机构，通常有两种拓扑结构：（1）发电机输出 经 PWM 调节的可控整流后直接对蓄电池组进行充Recitify& FilterGeneratorIgbt Power Circuitpart8DC/DCpart3Dsp Boardpart7part2Rs485 Commu.part6Lcd Displaypart5最大功率曲线v1 v2 v3v1v2v3PrefIBrefDPWM图 6 控制系统框图电，通过 PWM 矢量控制方法调节系统的

14、负载可改变叶轮转速；但这种结构比较复杂，成本较高，适 合于大功率的并网型海流发电系统11；（2）不可控 整流结合 BuckBoost 型的直流变换器的拓扑结 构，这种结构选用 IGBT 作为功率电子元器件通过 DCDC 变换器调节蓄电池组的充电电流，从而改 变负载实现转速调节。BuckBoost 型的 DCDC 变换器使叶轮具有较宽的转速运行范围。（2）能量稳定控制方式 当潮流流速超过额定流速，发电机输出功率超过额定功率，此时调节卸荷电路工作，通过增加发 电机反力矩及相应的叶轮反力矩来改变叶轮转速、 减小叶轮的能量捕获能力，进行发电机功率的闭环 控制，从而达到保护电气系统。在 DCDC 变换器

15、之后连接有 100 kW 的卸荷 负载。当蓄电池组的充电状态到达一定程度之后， 也可通过调节卸荷回路 IGBT 的占空比使系统无级 地卸荷。4 仿真研究为验证最大能量捕获理论，首先建立系统模 型。本文所研究的潮流能发电系统可分为叶轮、增 速机构、发电机、电气负载系统及控制系统五大部 分。4.1 系统模型建立（1）叶轮模型 由水动力产生的叶轮旋转时的机械力矩 T可以表示为：31 Sv CpP（8）T =2假定叶轮轴系的各连接为刚性连接，并忽略轴的弹性，则叶轮机构的力矩平衡方程为：（9）T iT T = J& + Bgf式中，Tg发电机电磁反力矩；i传动比；Tf叶轮轴系上的摩擦力矩；B叶轮轴系上的

16、阻尼系数；J叶轮侧的等效转动惯量； 增速机构可以看作是个比例环节。（2）永磁同步发电机数学模型12 永磁同步电机的机械部分和电气部分可分别用一个二阶状态空间模型来表示，并假设永磁体产生 的磁通在定子处是正弦分布的，即电动势是正弦分 布的。其机械运动方程为：dr11=(TL Te TD) =(TL Te B1r)JJdt(10)d dt = r在 d-q 坐标系下的电气方程为： dLq1Rd id = L vd L id + L priqtddd（11） d 1RLpiq =vq iq d prid rdtLqLqLqLqTe = 1.5piq + (Ld Lq)idiq其 中：、r转子角位置及

17、角速度；J转子及负载的合成惯量； Te、TL、TD电磁力矩、机械力矩及阻尼力矩； B1电机等效阻尼系数；id、iqd 轴电流和 q 轴电流；vd、vqd 轴电压和 q 轴电压；Ld、Lqd 轴和 q 轴电感；R定子绕组电阻；3optPACvIB永磁同步 发电机TgPmax = k叶轮 模型PIPI蓄电 池组DC/DC变换器驱动 电路p极对数；定子处磁通幅度；基于以上分析，在 Matlab/Simulink 下建立系统 仿真模型如图 7 所示。4.2 仿真结果分析在仿真模型中，使用流速所对应的最佳转速作 为功率最大控制的参考信号，即通过转速控制实现 最大能量捕获。海流流速信号作为仿真模型的输入，

18、图 7 系统仿真模型如图 8 所示。为测试机组在不同流速下的工作特性，仿真流 速选取了从平均流速 2m/s 到 1.75m/s 的范围。图 9 功率对比图 10 为叶轮所能捕获的理论最大功率（虚线） 与叶轮实际捕获功率（实线）的对比，两者十分接 近，也说明通过负载控制基本可以实现叶轮的最大 能量捕获。图 8 仿真流速图 9 为叶轮捕获功率与发电机输出功率的对 比。从图中可以看出，发电机输出功率（实线）与 叶轮捕获功率（虚线）变化趋势基本一致。在低流 速下，由于发电机效率的影响，跟随效果不是很好， 发电机参数有待优化。5 结论本文对 60kW 潮流能发电机组关键部件进行了 理论设计及仿真研究。研

19、究结果表明，叶片设计方 法可以满足实际工作的需要；在流速变化的情况下， 能量管理控制策略可以实现叶轮的最大能量捕获， 同时也验证了模型和控制系统的正确性及有效性。参考文献王传崑，施伟勇, 中国海洋能资源的储量及其评价, in 中国可再生能源学会海洋能专业委 员会第一届学术讨论会文集. 2008: 杭州. p. 169-179. :/ marineturbines /Baddour, E., OCEAN ENERGY: AN UPDATE.2005: St Andrews.STONE, R., Norway Goes With the Flow To Light Up Its Nights. S

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