【毕业学位论文】（Word原稿）波浪风光伏联合发电系统仿真研究-流体机械及工程

分类号 密级 编号 中国科学院研究生院 硕士学位论文 波浪 /风 /光伏联合 发电系统 仿真研究 指导教师 副 研究员 中国科学院广州能源研究所 研究员 中国科学院广州能源研究所 申请学位级别 硕士 学科专业名称 流 体机械及工程 论文提交日期 论文答辩日期 培养单位 中国科学院 广州能源研究所 学位授予单位 中国科学院研究生院 答辩委员会主席 摘 要 i 摘要 我国海域辽阔，分布了大量岛屿，由于岛屿其自身孤立的环境， 电力资源缺乏，供电 成为制约海岛经济发展和影响居民生活质量的一个大问题。 海岛上 有着丰富的可再生能源 ，但是 利用单一能源，很难满足海岛上的实际用电需求， 因此，发展独立稳定的多能互补发电系统是解决海岛电力短缺的重要 途径。 本文对多能互补发电系统进行了一些调研分析，提出了一种 波浪 /风 /光伏 联合发电系统设计方案， 建立了 波浪 /风 /光伏 联合发电系统 数学模型 ， 这些 模型 包括 ： 波浪能蓄能稳压发电模型、 风 力发电模型、太阳能光伏阵列发电模型 ，相应的 控制系统 模型有 ：蓄能稳压控制、 光伏发电最大功率跟踪控制、独立电网频率稳定控制、光伏发电逆变输出 控制等，最后利用 上述数学模型进行数学仿真模型搭建，并根据该模型进行波浪 /风 /光伏联合发电系统的仿真实验研究。 波 浪 /风 /光伏联合发电系统仿真实验结果表明： 波浪能蓄能稳压发电系统具有良好的稳定性和适应性， 虽然系统 输入了不同形式的能量，但能量均能被较平稳地输出，有效地证明了蓄能稳压系统可以 实现 将不稳定的波浪能 转化为 较稳定的 能量 输出 ； 风力机仿真模型 模拟 的 风力机 风能利用系数曲线及功率输出曲线和实际风力机性能相符， 可以较好地模拟实际风力机运行 ； 光伏阵列模型可以有效模拟实际光伏阵列输出特性， 采用 模糊 /模控制 的 最大功率跟踪 系统在日照强 度变化较大时仍然能够快速、准确地跟踪到太阳能电池板的最大功率点 ； 波浪 /风 /光伏联合发电系统 在波浪能、风能能量输入和 波浪能、风能、太阳能都输入 的情况下，均能较好地将波浪能、风能、太阳能三种能量并入独立电网，所形成的独立电网电压稳定、频率波动较小，满足用户负载的要求，有 较好的 供电 性能。 关键词： 波浪 /风 /光伏；联合发电系统；蓄能稳压；最大功率跟踪；频率稳定控制； 逆变输出 控制；仿真 波浪 /风 /光伏联合发电系统仿真研究 in of a s of As is is of in t to s so is a to a is of a a PV a on as of of V so A is on a is on V of PP in of of of of of 浪 /风 /光伏联合发电系统仿真研究 录 I 目录 第 1 章 绪论 . 1 言 . 1 能、太阳能、波浪能的特点 . 1 岛能源问题 . 2 内外多能互补的可再生能源利用技术发展现状 . 3 外现状 . 3 内现状 . 4 文选题的背景和目的 . 4 文主要工作 . 5 第 2 章 波浪 /风 /光伏联合发电系统的组成及设计思路 . 7 统组成 . 7 统设计思路 . 8 统主要 模块简要介绍 . 8 统中相关控制系统简要介绍 . 9 第 3 章 波浪能蓄能稳压发电系统的数学建模 . 11 浪能蓄能稳压 发电系统工作原理 . 11 浪能蓄能稳压发电系统数学建模 . 12 压系统 . 13 制系统 . 13 型 . 14 真实验研究 . 15 束语 . 18 第 4 章 风力机数学建模 . 19 波浪 /风 /光伏联合发电系统仿真研究 力机简介 . 19 力机的能量转换 . 20 能计算 . 20 兹理论 . 20 力机数学模型 . 22 力机 型 . 23 真分析 . 23 束语 . 25 第 5 章 太阳能光伏阵列数学建模 . 27 阳能光伏阵列 . 27 伏电池特性 . 28 伏阵列的数学模型 . 28 型的光伏电池特性曲线 . 29 糊 /模控制设计 . 29 糊控制器的输入量、输出量 . 30 定输入量和输出量的模糊子集和论域 . 30 属度函数 . 30 糊决策表 . 30 真实验 . 31 真模型 . 31 真结果 . 34 束语 . 35 第 6 章 波浪 /风 /光伏联合发电系统数学建模 . 37 步发电机数学建模 . 37 步发电机数学建模 . 39 目 录 电池数学模型 . 41 电池充放电控制 . 42 磁控制 . 43 变输出控制 . 44 变输出控制原理 . 44 变输出控制仿真分析 . 45 浪 /风 /光伏联合发电系统模型建立 . 48 束语 . 50 第 7 章 波浪 /风 /光伏联合发电系统仿真实验 . 51 浪能、风能能量输入 . 51 浪能、风能、太阳能均输入 . 54 束语 . 60 第 8 章 结论与展望 . 61 论 . 61 望 . 61 参考文献 . 63 致 谢 . 71 硕士期间发表论文 . 72 作者简介 . 73 附录 控制算法介绍 . 74 波浪 /风 /光伏联合发电系统仿真研究 1 章 绪论 1 第 1章 绪论 能源与环境问题是当今社会普遍关注的热点。在 20 世纪中，人类使用的能源主要有原油、天然气和煤炭三种，而根据国际能源机构的统计，假使按目前的势头发展下去，地球上这三种能源能供人类开采的年限，分别只有 40 年、 50 年和 240 年。 随着化石能源的逐步消耗，能源危机已展现在人类面前 ， 世界各国日益重视清洁的可再生能源的开发利用， 我国于 2005 年 2 月颁布了可再生能源法并于 2006 年 1 月开始实施，其中 风能、太阳能、水能、生物质能、地热能、海洋能等 可再生能源在该法中备受关注。然而，由于太阳能、风能、地热能、海洋能等可再生能源 的分散性 、间隙性和 季节性导致单一的可再生能源很可能难以满足局部区域在时空上的需要（如单一的波浪能和风能在无浪和无风季节、单一的太阳能在雨季和晚上是难以满足实际需求的） 。多能互补就是根据当地的 资源条件和 不同的 用能对象，采取多种能源互相补充，以缓解能源供需矛盾 。多能互补系统 的研发 已成为国内外发展可再生能源利用技术的关键问题之一 。 能、太阳能、波浪能的特点 太阳每秒钟放射的能量大约是 0 年内到达地球表面的太阳能总量折合标准煤共约 0 千亿吨，是目前世界主要能源探明储量的一万倍。相对于常规能源的有限性，太阳能具有储量的“无限性”，取之不尽，用之不竭。相对于其它能源来说，太阳能对于地球上绝大多数地区具有存在的普遍性，可就地取用。这就为常规能源缺乏的国家和地区解决能源问题提供 了美好前景。 风能是太阳能在地球表面的另外一种表现形式。由于 太阳的辐射造成地球表面受热不均 ，在地球表面形成温差， 从而引起大气层中压力分布不均 ，空气沿水平方向运动形成风 。 全球风能资源极为丰富，而且分布在几乎所有的地区和国家。 据估计全球的风能约为 0 中可利用的风能为 72 10 地球上可开发利用的水能总量还要大 10 倍。数千年来，风能技术发展缓慢，也没有波浪 /风 /光伏联合发电系统仿真研究 2 引起人们足够的重视。但自 1973 年世界石油危机以来，在常 规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下，风能作为新能源的一部分才重新有了长足的发展。风能作为一种无污染和可再生的新能源有着巨大的发展潜力，特别是对沿海岛屿，交通不便的边远山区，地广人稀的草原牧场，以及远离电网和近期内电网还难以达到的农村、边疆，作为解决生产和生活能源的一种可靠途径，有着十分重要的意义。 波浪能是一种依附在海水中的可再生能源，是海洋表面波浪所具有的动能和势能。波浪能来源于风，而风又是太阳能对大气的加热而产生的，因此波浪能是可再生和无穷无尽的，蕴藏量丰富。相对与其他“间歇”性能源比如风能、太阳 能来说比较均衡，其能量密度远大于太阳能和风能，具有很高的应用价值。 虽 说风能、太阳能、波浪能都有很多各自的优点，但在一些特定的环境和时空，单一的能量不能满足实际需求，比如： 晚上没有太阳能、波浪能和风能存在无浪和无风季节，然而，在很多环境下波浪能、风能、太阳能却具有很好的互补性，通过多能互补可以较好地弥补单一能源的不足，因此 多能互补 技术对于解决上述问题有重要意义， 得到国内外的广泛关注。 岛能源问题 海岛有着十分重要的战略地位，不仅表现在海岛是沿海国家领土的一部分，是沿海国家的海防前哨，还表现在海岛周围 200 海里属于海岛控制国家的专属经济区（联合国海洋法公约规定），那里可能蕴藏着丰富的海洋资源。沿海周边国家常引发海岛之争，矛盾的焦点主要集中在岛屿 (要地 )归属形成的争端、海域划界、海洋资源争夺和海上优势地位的争夺等方面。 我国有海岛 6500 多个，面积 8 万多平方公里，其中有人居住的海岛 400 多个，人口约 2700 万。广东省岛屿大小岛屿 1431 个，沿海岛屿 651 个，其中珠江口外大小岛屿近 200 个，海岛总面积 1600 平方公里，这些岛屿上大多电力和淡水资源缺乏，供电和供水是 制约 海岛经济发展和影响居民生活质量的一个大问题；此外，海洋开发平台上的工作人员和岛礁上的守岛部队的 用电 和 用水 依靠船运，其补给周期长、成本高昂。这些特殊场合都是海岛可再生能源多能互补技术利用的巨大市场。此外，利用波浪能、风能和太阳能的多能互补技术也可缓解沿第 1 章 绪论 3 海城市的电力和淡水紧缺问题。 海岛上的可再生能源较为丰富，利用当地的海洋能资源，如波浪能、风能和太阳能，可以为海岛提供电力。然而，由于这些能源的不连续性、不稳定性和季节性，利用单一能源，很难满足海岛上的实际用电需求 ， 如波浪能在无浪季节、风能在无风季节、太阳能在雨季或者阴云天气就无法保证为用户提供充足电 力。然而，海岛上的太阳能、风能和波浪能却具有很好的互补性，在我国，夏秋季节的风能和波浪能相对较小，太阳能则较大；而冬春季节的风能和波浪能相对较大，太阳能则较小。此外，夜间没有太阳能，但可能有波浪能和风能。因此，发展独立稳定的多能互补发电系统是解决海岛电力短缺的最佳途径。 内外多能互补的可再生能源利用技术发展现状 国际上开展了大量的多能互补的研究和应用示范工作，主要是 风 /光、风 /柴及 风 /光 /柴系统的研究 。 在基础研究方面，近几年国际著名期刊 f 、 、 n 上发表了不少的有关风 /光、风 /柴油机互补系统的优化设计和最优控制方面的研究工作，如文献 1研制了一个简单的数学模型来优化设计风 /光互补系统；在应用示范方面，国外已经建成了不少大型的风 /光、风 /柴油、风 /光 /柴油机互补发电系统 23。如 1995 年，日本在冲绳岛建成了 1 座 750能和 300油机的风 /柴油机发电互补系统； 1998 年澳大利亚在 成了 1 座 100阳能和 550油机的风 /柴油机互补发电系统； 希腊在 1982间，在 建成了 1 座 100阳能和 100能的风 /光 /柴 互补系统； 目前，在德国的 建成了欧洲最大的太阳能光伏发电互补系统，其中太阳能 光伏发电功率为 800大利也正在研建 1 座 600阳能和 900能的风 /光互补系统；西班牙 也开始研建 1 座 480阳能和 1550能的风 /光互补系统； 美国于 2003 年 在新墨西哥的 座风 /光伏 /柴油互补 发电 系统 4；从发展趋势看，国际上的 风光或风光柴等 互补系统正向大规模化发展。 波浪 /风 /光伏联合发电系统仿真研究 4 国内也非常重视 多能互补的 可再生能源 利用技术 的研发。我国中央政府和地方政府均以立法的形式或在政策上对多能互补的发展予以保障和支持。如 中华人民共和国节约能源法 第三十八条 规定：“ 各级人民政府应当按照因地制宜、多能互补、综合利用、讲求效益的方针，加强农村能源建设，开发、利用沼 气、太阳能、风能、水能、地热等可再生能源和新能源。 ” 我国对多能互补系统进行了较多的研究，并有一定数量的示范工程，这些研究和示范工程大多集中在风 /光、风 /柴油机或者风 /光 /柴油机互补发电方面。如1994年在辽宁乌莽岛建成 130745； 1997年浙江大陈 岛 205802001年浙江北龙岛1002067； 2004年我国首个大型风力、1008；随 着各种可再生能源技术的快速发展，最近多能互补的研究范围已经扩展到生物质、地热、海洋能等其它可再生能源，如 2003年，山东即墨大管岛的风光波浪能的混合发电系统是我国第一座可再生能源的多能混合试验示范项目 9。 经过数十年的应用示范研究，波浪能在海岛的利用得到很大的发展，技术趋于成熟，因此应像风能示范一样开展多能互补和综合利用的示范工作，建立风能、波浪能、太阳能等综合利用的示范基地，促进可再生能源技术的全面发展，发挥综合效益。 文选题的背景和目的 近几十年，世界各国对多能互补系统进行了一系列有针对性的 研究，在这些研究中，主要是 针对 风 /光、风 /光 /柴、光 /柴互补系统的研究， 而 对 波浪 /风 /光系统的研究 较 少 ， 仅有少量文献涉及， 如文献 10中 人 分析了岛屿灯塔 波浪 /风 /光伏 混合能源 系统的经济性、稳定性并说明了能源系统的互补性； 文献 11中 人提出了岛屿能源系统的概念及其组成构想； 文献 12中 出了根据能量需求来优化 波浪 /风 /光伏 能量系统配置的方法； 文献 9中介绍了 山东即墨大管岛 的混合发电 示范 系统 的组成结构 。上述文献 大部分 着重 提出或 分析 波浪 /风 /光伏 系统的概念或经济性 ， 而对于 波浪 /第 1 章 绪论 5 风 /光伏 系统的设计分析较少涉及 ， 仅 文献 9介绍了 大管岛 波浪 /风 /光伏 系统 的设计 方案 ， 首先把 波浪能和风能发出的交 流电整流 成直流电 ， 然后和光伏阵列输出直流电一起被输到配电柜， 配电过程中 ， 多余的 直流 电能向蓄电池充电， 最后通过 逆变器 实现对交流负载的供电 。 本文提出一种新的 波浪 /风 /光伏 系统的设计思想 ， 不同于文献 9设计思想 ，目标是形成一个稳定的独立电网对用户供电。 基于 该设计思想 可 有效 地 结合 波浪能、 风 能、太阳能 三种不同形式能量 ，来 满足用户负载的工作要求。 文主要工 作 本文在 “十 一 五” 863 项目 （ 2006 海岛可再生独立能源系统研建 的资助下，进行了 波浪 /风 /光伏 联合发电系统的研究，具体工作如下： 1 对 波浪 /风 /光伏 联合发电系统组成 进行分析，提出一种合理的、有效的系统设计 方案。 2 对 波浪 /风 /光伏 联合发电系统进行数学建模， 这些模型包括： 波浪能蓄能稳压发电模型、风力发电模型、太阳能光伏阵列发电模型 ，相应的控制系统模型有：蓄能稳压控制、光伏发电最大功率跟踪控制、独立电网频率稳定控制、光伏发电逆变输出控制等。 3 利用 上述 数学模型进行数学仿真模型搭建， 并根据该模型进行 波浪 /风 /光伏 联合发电 系统的仿真实验研究 ，并对实验结果进行分析 。 4全文总结和展望。 波浪 /风 /光伏联合发电系统仿真研究 6 第 2 章 波浪 /风 /光伏联合发电系统的组成及设计思路 7 第 2章 波浪 /风 /光伏 联合发电系统的组成及设计思路 本章主要 介绍波浪 /风 /光伏联合发电系统的构成、 系统设计思路 、系统主要模块简要介绍及相关控制系统 简要 介绍 。 统 组成 波浪 /风 /光伏 联合独立发电 系统由 波浪能蓄能稳压发电子系统、风力发电子系统 、太阳能光伏阵列发电子系统、 蓄电池、 相关的控制系统及用户负载等 组成。如图 2示，其中 波浪能蓄能稳压发电 子系统 由 波浪能采集系 统 、 蓄能稳压器、液压泵、液压马达、各种阀门管路等组成 ， 风力机为水平轴风力机， 太阳能光伏阵列 为一系列太阳能电池板组成 。相关 控制系统 保证发电系统的可靠 运行 ， 主要有 波浪能的 蓄能稳压控制、光伏发电最大功率跟踪控制、 蓄电池充放电控制 、光伏发电逆变输出 控制 、同步发电机励磁控制 等 。 波浪能发电系统风力机太阳能光伏阵列同步发电机励磁控制器异步发电机无功调节逆变器M P P T 功 率 跟 踪逆变输出控制输出测量用户负载蓄电池逆变器充放电控制电网参数测量输出测量图 2浪 /风 /光伏 联合 发电 系统 构成示意 图 波浪 /风 /光伏联合发电系统仿真研究 8 波浪 /风 /光伏联合发电 系统 的基本设计思路为： 通过同步发电机、异步发电机及逆变器分别把波浪能发电系统、风力机和太阳能光伏阵列产生的三种不同形式的能量 稳定地 并入独立电网， 为实现这个 目标，设计了 相关控制系统， 这些控制系统主要有波浪能的 蓄能稳压控制、 同步发电机励磁控制、 光伏发电最大功率跟踪控制、 光伏发电逆变输出控制、 蓄电池充放电控制等， 通过这一系列控制， 最终 目的是 使 波浪 /风 /光伏联合发电 系统 形成一个 电压稳定、频率波动小 的独立电网。 统 主要 模块 简要 介绍 波浪 /风 /光伏联合发电系统中主要的能量环节有 波浪能蓄能稳压独立发电系统 、风力机、太阳能光伏阵列及蓄电池。如何把各能量环节产生的能量安全稳定地汇集到独立电网是 本文的 研究 重点， 下面 分别对各个 部分的组成 及 工作原理作简要介绍。 1 波浪能蓄 能稳压独立发电系统 波浪能蓄能稳压独立发电系统主要由能量输入系统、蓄能稳压 系统、发电 系统和自动控制系统等组成，能量输入系统通过 波浪能采集系统 驱动液压泵来实现波浪能输入， 蓄能稳压 系统起到蓄能和调节的作用， 发电系统把液压能转换为电能输出，自动控制系统对整个系统调节控制实现把不稳定的能量输入转换成稳定的能量输出 ， 详细的 介绍 及分析 见 第 3 章 波浪能蓄能稳压发电系统数学建模 。 2 风力机 风力机 是 将风能 转换 为 机械功 的一种 动力 机械，其最重要的组成部分是风轮，工作原理为：风以一定的速度和功角作用在风力机风轮的桨叶上，驱动 桨叶产生旋转力矩，将风能转变成机械能，进而驱动发电机，将机械能转换为电能 ，详细的 介绍 及分析 见第 4 章 风力机数学建模 。 3 光伏阵列 光伏阵列是根据实际需要，将若干光伏电池组件经串、并联排列组成光伏阵列，满足光伏系统实际电压和电流的需要。光伏电池组件串联，要求所串联组件具有相同的电流容量，串联后的阵列输出电压为各光伏电池输出电压之和，相同第 2 章 波浪 /风 /光伏联合发电系统的组成及设计思路 9 电流容量光伏电池串联后其阵列输出电流不变。光伏电池组件并联，要求其并联的所有光伏电池具有相同的输出电压等级，并联后的阵列输出的电流为各个光伏电池输出电流之和，而电压保持不变 。不同功 率的光伏阵列一般需要若干个 光伏电池组件或模块串、并联 ，详细的介绍及分析见第 5 章 太阳能 光伏阵列数学建模 。 4 蓄电池 波浪 /风 /光伏联合发电系统采用 的 电化学 蓄 电池 是一种储藏电能的装置，通过把化学中的氧化还原所释放出来的能量直接转化为直流电能。蓄电池的主要组成部分有正极活性物质、负极活性物质、电解质、隔膜及外壳， 蓄电池内部发生反应，向外部用电设备输出电流的过程为放电，反之，外部向蓄电池输入电能，形成与放电电流相反的电流使蓄电池内部发生与放电过程相反的反应的过程为充电。在波浪 /风 /光伏联合发电系统中， 蓄电池 主要 起 削峰填谷的作用， 稳定独立电网的电压及频率， 在系统输入能量大于负载需求时候，通过充放电控制逆变器将多余能量充入蓄电池，同时稳定独立电网频率；在系统输入能量不能满足负载需求时，蓄电池放电，向独立电网提供能量，稳定独立电网频率，保证系统正常运行 ，详细介绍见第 6 章中蓄电池数学模型及蓄电池充放电控制 。 要 介绍 波浪 /风 /光伏联合发电系统中相关控制系统是保证发电系统可靠运行的重要组成部分，是本文的一个研究重点，下面将 波浪 /风 /光伏联合发电系统中相关控制 的 作用 简单 介绍如下： 1 波浪能蓄能稳压控制 根据 蓄能稳压器的工 作状态，由控制程序计算得出 控制 量即 液压马达的开关 及开度，从而稳定液压马达的能量输出，实现 将不稳定的波浪能转化为稳定的能量输出 。 2 同步发电机励磁系统 根据发电机负荷的变化相应的调节励磁电流，以维持机端电压为给定值 ，并可调节 各发电机间无功功率分配 从而调节调节独立电网的功率因数及相位。 3 无功调节主要是为了 提高 独立 电网及负载的功率因数，降低设备所需容量，减少不必要的损耗 ，同时 稳定电网电压，提高电网质量。 4 逆变输出控制是控制系统中一个重要的组成部分，通过控制逆变器门信号波浪 /风 /光伏联合发电系统仿真研究 10 的输入脉冲，跟踪调节光伏 阵列输出的直流电压，同时控制调节逆变器输出三相交流电的相位及幅值，使之和独立电网的三相交流电同步，实现安全并入独立电网。 5 光伏阵列 率跟踪器捕捉太阳能光伏阵列的最大功率输出，提高光伏阵列发电效率。 第 3 章 波浪能蓄能稳压发电系统的数学建模 11 第 3章 波浪能蓄能稳压发电系统的数学建模 本章 介绍波浪能蓄能稳压发电系统的工作原理、数学建模，并对数学模型进行计算机仿真研究。 浪能蓄能稳压发电系统工作原理 海洋波浪能是以机械能形式存在于海水中取之不尽的可再生能源。在二十世纪七十年代以前，波浪能利用研究的活动主要是波能转换 装置的发明。八十年代以后，研究进入了以实用化、商品化为目标的应用示范阶段 13。各国建立了大量的波浪能发电装置，但较早提出的某些影响很大的装置，如鸭式、筏式等装置由于装置容易损坏，可靠性极差几乎停止研究，而振荡水柱（ 波能系统成为现在的主攻方向，如挪威 500 式波能