發(fā)布時間：2020-06-13 23:45

【摘要】：潮流能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是一種利用流體動能發(fā)電的新型的可再生能源利用機電系統(tǒng)。本文在對潮流能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的水動力學及能量傳遞過程中的相關控制問題進行較全面的綜述后,采用了理論分析、數(shù)學建模、數(shù)字預測及仿真試驗、基于真實樣機系統(tǒng)的試驗臺試運行試驗、廠房試驗、及實際海洋環(huán)境下的海上驗證試驗等研究方法,重點針對水平軸式潮流能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的能量捕獲裝置的設計方法及水動力學特性、各能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的能量轉(zhuǎn)換效率、潮流能系統(tǒng)的最大功率跟蹤及變速恒頻控制、及適用于潮流能系統(tǒng)的新型變槳距裝置及相應的功率控制等關鍵問題展開研究。論文的各章節(jié)內(nèi)容如下：第一章,概述了潮流能的特點、分布、及開發(fā)意義；分類綜述了潮流能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的特點及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,總結了潮流能轉(zhuǎn)換技術所面臨的挑戰(zhàn)；綜述了潮流能系統(tǒng)的水動力學、最大功率跟蹤控制、功率穩(wěn)定輸出控制等方面的研究進展；結合課題的研究意義及來源,提出了論文的主要研究內(nèi)容。第二章,分析了水平軸潮流能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換原理。利用一維動量定量及葉素理論分別從宏觀的能量變化角度及微觀的葉片受力角度分析了水平軸潮流能透平裝置的能量捕獲原理,而將兩者相結合的葉素動量理論給出了水平軸透平各項載荷的計算方法；分別介紹了基于機械傳動及液壓傳動方法的系統(tǒng)二次能量轉(zhuǎn)換原理；最后分析了潮流能系統(tǒng)最大功率跟蹤運行及功率穩(wěn)定輸出運行的控制原理。第三章,采用了基于葉素動量理論的變速運行最優(yōu)葉片設計方法設計了水平軸潮流能捕獲裝置；考慮了必要的模型修正后建立了捕能裝置的水動力學性能預測的數(shù)字模型,利用該模型預測了不同安裝角下的性能；針對25 kW試驗樣機,設計了后續(xù)的機電能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng),并開展了樣機系統(tǒng)的仿真試驗、試驗臺試運行試驗、及海上試驗,各項試驗結果顯示潮流能捕獲裝置的功率特性、機電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率、及整機系統(tǒng)的工作運行情況總體上令人滿意,驗證了潮流能捕獲裝置及機電能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設計方法是合理有效的,所建立的水動力學性能預測模型是正確有效實用的,以及檢驗了整套潮流能試驗樣機系統(tǒng)的可靠性及魯棒性。第四章,首先對采用機械傳動方式的潮流能系統(tǒng)的最大功率跟蹤控制開展研究,提出基于負載調(diào)節(jié)方法的功率控制方案,建立了系統(tǒng)的數(shù)學模型,并開展了仿真對比試驗及靜態(tài)最大功率跟蹤控制試驗來驗證所提出的調(diào)控方法及實現(xiàn)方案；然后對液壓傳動式潮流能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)開展了探索性研究,提出了基于泵馬達蓄能器配置的液壓式潮流能系統(tǒng)的實現(xiàn)方案,通過Simulink及Amesim的聯(lián)合仿真初步驗證了方案的可行性并對液壓元件的作用進行了評估；最后對基于容積調(diào)節(jié)結合負載調(diào)節(jié)方法的液壓式潮流能系統(tǒng)的變速恒頻控制開展了研究,建立了液壓式潮流能系統(tǒng)的數(shù)學模型,提出通過調(diào)節(jié)泵的排量來控制透平轉(zhuǎn)速,調(diào)節(jié)負載大小來控制發(fā)電機轉(zhuǎn)速,及調(diào)節(jié)馬達排量來控制系統(tǒng)壓力的變速恒頻恒壓復合控制的調(diào)控原理,開展了聯(lián)合仿真試驗,仿真結果及對比分析驗證了調(diào)控原理的正確性,并對系統(tǒng)的控制策略進行了討論。第五章,對液壓式潮流能轉(zhuǎn)換試驗樣機進行了設計及試驗研究。依次設計了樣機的液壓傳動系統(tǒng)、機械系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng),估算了系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率,并對樣機系統(tǒng)開展了拖動試運行試驗,獲得了試驗樣機的各項性能指標,檢驗了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性,真實地驗證了液壓傳動在潮流能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中應用的可行性。第六章,對潮流能系統(tǒng)的變槳距裝置及控制開展研究,設計并測試了一套新型的液壓式變槳距控制系統(tǒng)。通過基于理論力學及葉素動量理論的槳葉受力分析,提出了潮流能系統(tǒng)變槳載荷的理論計算方法,根據(jù)水平軸潮流能系統(tǒng)變槳運動的特點,設計了由前置液壓缸、齒輪齒條等組成的新型的潮流能變槳距執(zhí)行機構及相應的電液比例控制系統(tǒng),開展了變槳距系統(tǒng)的建模仿真及廠房試驗,仿真及試驗結果顯示系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍的變槳對流,節(jié)距角的控制具有較理想的響應速度和控制精度。第七章,總結了論文的主要工作,闡述了研究結論和創(chuàng)新點,并對后續(xù)的研究工作進行了展望。 【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2011
【分類號】：P743.3;TM612

【圖文】：

由于水平軸潮流能透平的效率高、啟動特性好等特點，水平軸式系統(tǒng)取得了更大的發(fā)展，是目前主流的潮流能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。英國的 MarineCurrentTurbines(MCT)公司設計的seaflow及seagen系統(tǒng)是目前世界上最著名的潮流能系統(tǒng)(如圖卜2，圖1一3)。seaflow系統(tǒng)具有直徑nm的雙葉片式葉輪，使用行星齒輪箱增速，功率電阻進行耗能，具有電氣式全范圍變槳距控制，能夠在雙向潮流中運行，其安裝采用單樁式結構，維修時可將機組提升至水面以上I22)。該系統(tǒng)于2003年5月在Devon郡北部成功進行了海上試驗，在理想的水流條件及15:/min的轉(zhuǎn)速下其發(fā)電功率超過額定 300kw曰}。McT公司第二代全尺寸樣機系統(tǒng)seagen除了繼承seaflow系統(tǒng)的特點外也進行了一些改進，其水平橫梁上裝有兩個雙葉片式葉輪，采用了并網(wǎng)型的電氣系統(tǒng)，在支撐結構上采用了套樁盯2月。該系統(tǒng)于2008年在北愛爾蘭的strangford灣成功進行了海上試運行，其發(fā)電功率達到額定值1.2MW，目前該系統(tǒng)仍處于試運轉(zhuǎn)階段曰]。挪威的 HammerfestStrom公司于2003年底在挪威北部的Kvalsund安裝了一臺300kw的潮流能發(fā)電樣機(如圖1一4)

偏航方式實現(xiàn)雙向并網(wǎng)運行。該公司下一階段計劃在East形ve:的東部水道安裝由30臺樣機組成的 1Mw級潮流能發(fā)電陣列嶺’}。圖I一SOpen一CentreTurbine圖1一6CleanCurrentTurbine圖l一7FreeFlowsystemTurbine除了以上這些規(guī)模較大的示范性系統(tǒng)外，還存在許多處于縮小模型樣機試驗階段的系統(tǒng):如英國 LunarEnergy公司的 RoteehTidalTurbine(圖1一sa)，除了采用導流罩外還采用了液壓傳動來驅(qū)動發(fā)電機，目前只進行了1/20尺寸的模型試驗!一33)。英國sMDHydrovision公司的TidEI裝置(圖1一sb)，雙葉輪結構，采用懸浮式的支撐方法，利用浮力、流體作用力及錨鏈拉力使裝置平衡在水中，能適應各種水深條件及自動對流，目前進行了1/10尺寸的模型試驗以341。美國uEK公司的 3kw雙葉輪帶導流罩樣機比36}(圖l一se)。英國 OeeanFlowEnergy公司的 EvopodTida1Turbine(圖1一sd)，采用漂浮式支撐結構，進行了1/10模型試驗{3?l。意大利Fri一 EIGreenPowe:s.p.A.公司的Fri一 EIseaPowe:樣機(圖1一se)

【參考文獻】

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本文編號：2711927