針對傳統(tǒng)波浪能發(fā)電裝置普遍存在捕獲基點波動、能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)多、捕獲效率低等問題,提出了倒掛式波浪能發(fā)電系統(tǒng),將波浪能發(fā)電裝置倒掛在風(fēng)機塔架平臺,穩(wěn)定捕獲基點,采用浮子將波浪軸向運動能量,高效轉(zhuǎn)化為直線發(fā)電機電能輸出,經(jīng)機側(cè)變流器反電磁力調(diào)控,確保浮子軸向運動諧振,捕獲最大能量。本文主要從倒掛式波浪能發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、模型構(gòu)建、性能分析、控制策略和仿真實驗等方面開展研究。結(jié)合日照海況(波高為0.6m,波浪周期為2.7s),設(shè)計了15kW倒掛式波浪能發(fā)電系統(tǒng)�；诓ɡ酥芷趦�(nèi)動能和勢能變化以及發(fā)電機平均輸出功率,采用能量守恒原則,優(yōu)化設(shè)計浮子重量和體積;綜合考慮波高、周期以及直線發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速,優(yōu)化選擇升速機構(gòu)升速比;結(jié)合功率等級和輸出電壓要求,完成直線發(fā)電機選型以及機側(cè)變流器設(shè)計。綜合考慮浮力、阻尼力、彈簧力以及反電磁力,構(gòu)建波浪能捕獲系統(tǒng)動態(tài)模型,藉此完成波浪能捕獲系統(tǒng)的性能分析。針對波浪特征值提取誤差所致模型諧振速度設(shè)定偏移問題,將單相交流信號鎖相環(huán)技術(shù)引入波浪能特征值提取,根據(jù)多浮標(biāo)傳感器實測波高、周期以及彼此間差異,提出波浪特征值提取校正策略;鑒于設(shè)備老化和模型失配所致參考速度設(shè)定偏差問題,采用以捕獲功率為反饋的擾動尋優(yōu)策略,協(xié)同完成優(yōu)化速度設(shè)定;波浪能高效捕獲的本質(zhì)是優(yōu)化速度的快速無靜差跟蹤控制問題,但優(yōu)化速度本質(zhì)為頻率時變的交流速度信號,鑒于直線電機定子電流中轉(zhuǎn)矩和勵磁電流嚴(yán)重耦合,對比性分析多種磁場定向策略,采用轉(zhuǎn)子磁鏈定向解耦定子電流,實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和勵磁電流獨立控制,采用轉(zhuǎn)速外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)策略,針對波浪能捕獲本質(zhì)上的非線性、時變性和強干擾等問題,提出基于自適應(yīng)補償?shù)膬?yōu)化速度跟蹤控制策略,輸出轉(zhuǎn)矩電流參考,結(jié)合電流跟蹤控制器,協(xié)同完成波浪能的高效捕獲。搭建了15kW倒掛式波浪能發(fā)電系統(tǒng)仿真實驗平臺,分別進行了模型諧振多速度跟蹤控制的捕獲性能對比實驗和擾動尋優(yōu)多速度跟蹤控制的捕獲性能對比實驗,模型諧振實驗中,自適應(yīng)補償控制的速度跟蹤誤差為0.009m/s,捕獲功率為11530W,遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于PI控制的0.062m/s、10527W和PR控制的0.038m/s、10981W;擾動尋優(yōu)實驗中,自適應(yīng)補償控制的擾動尋優(yōu)耗時為33.9s,增發(fā)功率為818W,遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于PI控制的48.9s、1403W和PR控制的41.9s、1093W,經(jīng)綜合對比,基于擾動尋優(yōu)的自適應(yīng)補償控制策略在速度跟蹤誤差、擾動尋優(yōu)用時和整體捕獲功率等方面全面占優(yōu),有效解決模型失配所致參考速度設(shè)定偏差和優(yōu)化速度的快速無靜差跟蹤控制問題,完成波浪能的高效捕獲,是最適宜倒掛式波浪能發(fā)電系統(tǒng)的最大功率捕獲控制策略。
【學(xué)位單位】：曲阜師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TM612;P743.2
【部分圖文】：

第 1 章 緒論波面筏式工作原理是通過漂浮在水面的、端部鉸接的若干筏體在波浪的作用下往復(fù)，引起閥體之間的角位移, 壓縮液壓裝置中的液體，驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。其優(yōu)點在于具好的可靠性，且在設(shè)計波況下系統(tǒng)效率較高；缺點在于裝置體積大，液壓裝置中的液易泄露。代表裝置為英國McCabe Wave Pump波浪能發(fā)電裝置和英國OPD公司的Pela浪能發(fā)電裝置。McCabe Wave Pump 波浪能發(fā)電裝置[2],如圖 1-1 所示，由三個鋼質(zhì)浮成，具有正面迎浪功能，可用于驅(qū)動海水淡化和發(fā)電機發(fā)電；Pelamis 波浪能發(fā)電裝圖 1-2 所示，為新型波面筏式波浪能發(fā)電裝置，允許兩個方向的角位移，有較強的抗力，裝機容量為 750kW，是世界上第一座商業(yè)示范的波面閥式波浪能發(fā)電站，而且在大仍在建該類型的波浪能發(fā)電站，總功率可達 2MW[2]。

第 1 章 緒論波面筏式工作原理是通過漂浮在水面的、端部鉸接的若干筏體在波浪的作用下往復(fù)，引起閥體之間的角位移, 壓縮液壓裝置中的液體，驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。其優(yōu)點在于具好的可靠性，且在設(shè)計波況下系統(tǒng)效率較高；缺點在于裝置體積大，液壓裝置中的液易泄露。代表裝置為英國McCabe Wave Pump波浪能發(fā)電裝置和英國OPD公司的Pela浪能發(fā)電裝置。McCabe Wave Pump 波浪能發(fā)電裝置[2],如圖 1-1 所示，由三個鋼質(zhì)浮成，具有正面迎浪功能，可用于驅(qū)動海水淡化和發(fā)電機發(fā)電；Pelamis 波浪能發(fā)電裝圖 1-2 所示，為新型波面筏式波浪能發(fā)電裝置，允許兩個方向的角位移，有較強的抗力，裝機容量為 750kW，是世界上第一座商業(yè)示范的波面閥式波浪能發(fā)電站，而且在大仍在建該類型的波浪能發(fā)電站，總功率可達 2MW[2]。

圖 1-1 英國 McCabe Wave Pump 裝置圖 圖 1-2 英國 Pelamis 裝置圖擺式波浪能發(fā)電裝置提出于日本度部富治教授，工作原理是利用波浪水平方向往復(fù)運動，推動擺板的擺動，捕獲波浪能，壓縮液壓裝置內(nèi)液體或驅(qū)動機械裝置，從而驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，如圖 1-3。其優(yōu)點在于設(shè)計波況下波浪捕獲效率較高，結(jié)構(gòu)簡單，裝置建造和維修費用較低；其缺點在于非設(shè)計波況下捕獲效率較低，不適用于遠(yuǎn)洋區(qū)域。代表裝置為英國牡蠣波浪能發(fā)電裝置：牡蠣波浪能發(fā)電裝置[2]，如圖 1-4 所示，內(nèi)置液壓缸，通過海底通道輸送高壓水，驅(qū)動海岸的水力發(fā)電機發(fā)電或連接到海水淡化裝置，該裝置于 2001 年由英國女王大學(xué) Trevor Whittake 教授研發(fā)，2005 年經(jīng) Aquamarine Power 公司商業(yè)化，200年在蘇格蘭奧克尼郡進行發(fā)電[2]。
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本文編號：2839509