直驱式海浪发电功率控制方法-清华电机系肖曦

自强不息 厚德载物
Tsinghua University
一、背景
Department of Electrical Engineering
海浪发电主要形式
传统三级能量转换
液压式 气动式
• 海浪速度和频率比较低 • 旋转电机
一级转换
海浪
机械式
接触媒介
二级转换 二级 转换
液压涡轮机系统 气压涡轮机系统
缺点：若WEC的额定功率为100kW，为使直 流母线电压波动小于10%，需要204个 4700μF/450V的电容。
缺点：能量密度小 应用：振荡水柱式WPG中有应用
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二、直驱海浪发电系统关键技术
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L en(r)
R -DC Voltage
E
海浪场规划 母线电容调节 外加储能单元
蓄电池
缺点：需要长期的海浪数据观测，优化是 针对特点海浪情况进行的
DC-link WEC& PMLG Grid
优点：能量密度高，应用成熟 缺点：温度限制，循环次数有限 应用：直驱式中平抑功率波动
超级电容
优点：功率密度高，循环次数多
直线发电机优化设计
磁通方向
• 横向磁通电机 推力密度高；负载角大 • 纵向磁通电机 结构简单、鲁棒性强、负载角小
铁心设计
• 有铁心电机 感应电动势中存在大量谐波 • 无铁心电机 成本低，感应电动势接近正弦波
减小定位力
斜槽、半开口槽 增加气隙宽度 永磁体宽度优化 边端辅助齿、槽 电磁力补偿控制
特性 模拟
机械模拟 同步带传动 丝杠传动 直线对拖 电力输出模拟 编程模拟
浮子形状
功率控制策略
电机控制
推力控制准确
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Tsinghua University Department of Electrical Engineering 一 二 三 四 五
背景 直驱海浪发电系统关键技术 优化功率控制策略
物理含义 运动部件总质量 浮体位移、速度、加速度 重力加速度 海浪激励力 海浪辐射力 海水静浮力 流体黏滞力 摩擦力 发电机电磁力 海浪冲击静止浮体产生的作用力 浮体运动与海浪作用产生的作用 力，������∞ 为无穷频率下的附加质 量，������������ 为辐射核函数 作为阻力考虑，一般较小，可忽 略
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三、直驱海浪发电系统优化功率控制策略
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三、直驱海浪发电系统优化功率控制策略
• 外形结构
• 圆筒式 绕组无端部，绕组利用率高 • 扁平式 结构简单、推力密度相对小 自强不息 厚德载物
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二、直驱海浪发电系统关键技术
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特性模拟与测试
• 电力输出模拟 编程灵活；无法模拟机械运动 • 机械运动模拟
(b)
Trident T5 （直驱式）
The AWS（直驱式）
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一、背景
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海浪发电主要形式
加入中间环节（液压方式、气压方式和齿轮箱方式），离 岸系统整体成本及复杂性必会提高，并带来了额外的能量损 耗及维护工作量，在海面上进行维护非常复杂、昂贵与危险 ，在岸系统功率偏低。 直驱型系统采用直线发电机直接将海浪的上下运动转换为 电能，无需中间转换环节，相对于前述三类系统，直接驱动 型系统所需的离岸维护是最少的，所以它被认为是现有的海 波发电系统中最具可行性的海上发电方式之一，具有很好的 发展前景。 如何提升功率输出特性和降低成本是其中关键的问题。
国内外发展现状
1799年，法国人Pierre Girard首次申请了海浪能转换装置专利
1910年，Bochaux-Praceique发明了第一个振荡水柱式海浪能发电装置
欧洲
•世界上最好的海浪能资源。20世纪80年代 初已成为世界海浪能研究中心。 •1854-1973年，申请340项海浪能发明专利 •1985 年，挪威建成岸式海浪能发电站（ 500kW）。 •1995年，英国建造了第一座商用海浪能电 站（2MW）。 •2003年英国建成奥克尼波浪发电试验场。 •2008 年，葡萄牙建成 2MW “海蛇”商用 海浪能发电场。 •2014年英国Checkmate 公司“海蟒”装置 投运。
机械齿轮箱系统
直驱式直线电 机系统
三级 转换
旋转电机
新型直驱能量转换
电能
• 直线发电机
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一、背景
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海浪发电主要形式
Pelamis （液压式）
The Islay LIMPET （气压式）
二、直驱海浪发电系统关键技术
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电网侧变流器 电网
电机侧变流器
PMLG
提高海浪能利用率 降低发电成本
优化功 率输出
输出功率波动小、可 控、满足电网需求
直线 电机
推力、功率密度大 定位力小，推力控制精确
关键技术
功率波 动平抑
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能量分布不均匀 • 欧洲海浪能量丰富； 台湾、浙江、广东等沿海海浪能量 丰富 经济性有待提升 • 欧洲达20欧分/kWh； 中国约2元/kWh 应用前景广阔
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一、背景
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诸多关键技术问题亟待解决，总体
发展进程落后于风能和潮汐能。
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一、背景
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全球海浪能源可提供25亿千瓦的电力，可解决全球10%的用电量。
我国沿海的总能量达1.7亿千瓦，具有很好的发展前景
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1500 750 0 -750 -1500
1500 750
波浪力 (kN)
0 -750
对比结果
0 5 10 15 20 25 时间 (s)
-1500
0
5
10
15
20
25
功率波动抑制方法
长时功率波动：受天气状况影响而出现的数十分钟或小时级的波动 短时功率波动：海浪周期内秒级的波动
平抑措施
Amplitude Period Phase
L e1(r)
R
+DC Voltage Load current Rload
超导储能
优点：功率密度高 缺点：价格高，需要低温冷却 应用：离岸海浪发电中应用较少
日本
•在海浪能转换技术实 用化方面走在世界前 列。 •20 世纪 80 年代初建造 的“海明号”海浪发 电船，是世界上著名 的海浪能发电装置（ 1250 kW） •1998 年，日本海洋科 学技术中心建成“巨 鲸 ” （ Mighty whale ）海浪发电装置。
中国
•1990 年，中科院广州能源 所研建了 3kW 岸基式海浪 发电装置 •2011 年 ， 建 成 大 万 山 10 kW 漂浮直线波浪发电站 •2012 年 建 成 即 墨 大 管 岛 110kW 摆 式海浪发电 示范 站。 •2014 年 10kW 振 荡 浮 子 式 波浪发电装置投放于青岛 斋堂岛。 •2015 年， 120kW” 万山号 ” 鹰式海浪发电装置投运。
全年平均海浪高度: Class I : H>1.3 m; Class II: 0.7 m < H < 1.3 m; Class III: 0.4 m < H < 0.7 m; Class IV: H< 0.4 m
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一、背景
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背景 直驱海浪发电系统关键技术 优化功率控制策略
并网功率平抑控制与能量管理
MPPT功率控制算法
六
小结
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一、背景
Department of Electrical Engineering 海浪能发电特点与现状 海洋能主要形式之一，干净的可再 生能源，对陆地基本没有影响，不 需要占用土地和迁移人口 能量密度是风能和太阳能的15-20倍 可预测性好
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三、直驱海浪发电系统优化功率控制策略
动态响应快 机械、电特性全面模拟
特性 模拟
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二、直驱海浪发电系统关键技术
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优化功率控制测量
Sub 提高能量吸收效率 title
• 海浪场排布 • 海浪预报 • 吸收装置形状优化
球形 Marine power system公司
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中国电源学会 2016电力电子与变频电源新技术学术论坛
直驱式海浪发电系统功率控制方法研究
肖 曦 清华大学电机系
2016-06 自强不息 厚德载物
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并网功率平抑控制与能量管理
MPPT功率控制算法
六
小结
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三、直驱海浪发电系统优化功率控制策略
Department of Electrical Engineering
直驱海浪发电系统建模
符号 ������ ������(������)、������(������)、������(������) g ������������ (������)
扁圆柱形 Marine power system公司
• 幅值控制法 • 幅值相位控制法 • 锁相控制法
多边体形 SEABASED公司
斧形 Trident公司
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二、直驱海浪发电系统关键技术
Department of Electrical Engineering
h
H
x
η(x,t)
百度文库
波谷
• ������������ :附加质量，辐射力作用在浮体上等效于增 加了系统质量的分量 • ������������ :附加阻尼，辐射力作用在浮体上等效于增 加了系统阻尼的分量
规则波
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三、直驱海浪发电系统优化功率控制策略
传动环节损耗大，需要补偿
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二、直驱海浪发电系统关键技术
Department of Electrical Engineering
优化功 率输出
动力学理论 数值模拟 优化设计
直线 电机
电机设计 推力密度大 定位力大
波动功 率平抑
长时功率波动 海浪场规划 短时功率波动 母线电容控制 储能介质
Department of Electrical Engineering
规则波下的动力方程
• 实际海洋中的海浪是很复杂的现象，在海浪理论研究和海洋资源开发的 工程实践中，通常把实际的海浪近似看作为具有正弦特性的规则波进行 近似分析。
λ
波峰
关，可以通过水动力学仿真软件数值计算求出
两个水动力学系数，与浮体形状、海浪周期相
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背景 直驱海浪发电系统关键技术 优化功率控制策略
并网功率平抑控制与能量管理
MPPT功率控制算法
六
小结
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