豪潮汐能控制系统研究报告

1、潮汐能控制系统研究报告1352741 张子豪 同济大学控制科学与工程系摘要本文主要介绍利用潮汐能进行发电的潮汐电站内的能源控制系统，由全局到细节地介绍了在潮汐电站中利用最多的单库双向电站的基本位置，总体结构，电站构成，内部发电系统结构，并网系统以及为了适应潮汐特点而采用的发电机组构成。然后从应用范围，经济性特点，未来技术发展趋势方面介绍了现今潮汐能电站的发展概况。关键词：潮汐电站、控制系统、动态潮汐能、新能源。引言现今世界能源已然成为人类共同关注的关键问题之一。随着老一代能源的不断使用并濒临枯竭。新能源利用已经成为科技发展迫在眉睫的前沿问题。目前主要的新型能源有太阳能，风能，生物质能以及潮汐能

2、。而潮汐能因为其巨大的潜力，一直是人们关注的发展点之一。在新能源不断发展的今天，人类在潮汐能发展发面依然停留在起步状态。潮流能是蕴藏在海洋中的一种大规模的仍未被大规模开发的可再生能源，它源于地球、月亮和太阳的重力场的相互作用llI。周期性的潮起潮落，可被局部地理结构所放大，如海湾湾口、岛屿之间的水道等。近年来，海洋工程和电力电子技术的发展极大的顺应了可再生能源的开发，潮流能逐渐成为一种在技术上可行且经济的海洋能源。与风机发电具有相似之处，相对于定速发电方式，变速恒频的方案更适合于采用水轮机的潮流能发电系统，在潮流流速变化时，后者通过调整水轮机转速使之运行在合适的工作点上。用于风力发电的一些技术

3、通过适当的改造也可移植到潮流能发电系统中。虽然各种海洋能源中，潮汐能的开发利用最为成熟的。但潮汐能发电一直被认为“在技术上可行，经济上不合算”。而且传统潮汐能发电受到库容的限制，电站的装机总量有限，如我国最大的江厦潮汐实验电站L4o装机总量仅为3900 kW。另外，在海湾口门建坝会对鱼类洄游、海湾水交换造成影响，破坏海湾生态。一、潮汐能控制系统结构框图及特点潮流能发电系统1.1.1单库双向潮汐发电站为了在涨落潮时都能发电，则建造单库双向电站。在海湾出口或河口处，建造堤坝、发电厂房和水闸，采用双向发电的水轮发电机组使涨落潮两向均能发电。图1左图是单库双向潮汐发电站布置示意图。单库双向潮汐发电示意

4、图图1 单库双向潮汐发电示意图图1右图是单库双向潮汐发电站运行工况示意图，运行工况可分为以下六个步骤： （a）在海水开始涨潮时，库外潮位与水库水位之差不足以发电时，关闭闸门等待潮位上涨。 （b）库外潮位上涨与水库水位之差可以发电时，启动水轮发电机发电，闸门依然关闭。 （c）库外潮位开始退潮，潮位与水库水位之差不足以发电时停止水轮机发电，打开闸门让海水进入水库，直至两者水位相同时关闭闸门。 （d）水库保持水位，直到潮位降至水库水位以下可以发电时 。（e）开启水轮发电机发电，直到潮位重新上涨与水库水位之差不可以发电时停止发电。 （f）打开闸门把水库中的水泄入海中，直到直至两者水位相同时关闭闸门。

5、关闭闸门后又进入等待状态，开始下一个循环。 单库双向电站每昼夜发电4次，停电4次，平均每日发电约1416小时。跟单库单向电站相比，发电小时数约增长1/3，发电量约增加1/5。但由于兼顾正反两向发电，发电平均水头较单向发电小，相应机组单位千瓦造价比单向发电为高。设备制造和操作运行技术要求也高，宜在大中型电站中采用。 这种电站也可以采用单向发电机组，但从水工建筑物布置上要设置流道使涨潮和落潮时，使水流都能按同一方向进入和流出水轮机，从而使涨落潮两向均能发电，由于增加了流道与闸门，操作也麻烦，只在中小电站采用1.1.2电站部分由于潮汐电站水头很低，只有小型潮汐电站可能使用立轴水轮机，大部分都采用贯流

6、式水轮机，贯流式水轮机有三种基本形式，都可以实现双向运行，可根据情况选用一种。 轴伸贯流式水轮发电机组的水轮机置于流道中，发电机置于陆地上，有检修方便、效率较高等优点，适用于潮差5以下的中小型机组。竖井贯流式水轮发电机组是将发电机置于具有流线形断面的竖井中，具有运行方便、发电机通风冷却条件较好等优点，竖井贯流式水轮发电机组在中小型潮汐电站机组中应用较多。 对于大中型潮汐电站主要采用灯泡贯流式水轮发电机组。灯泡贯流式机组具有流道顺直、水头损失小、单位流量大、效率较高、体积较小及厂房空间较小等优点，图2是采用灯泡贯流式水轮发电机组的潮汐电站示意图。图21.1.3控制策略：图3所示为具有MPPT功能

7、的潮流能发电系统及其并网示意图。该机组包括一台水轮机和一台直驱永磁发电机(Permanent Magnet Generator，PMG)。发电机发出的初始交流电的幅值和频率均不稳定，首先经过三相二极管桥式电路整流，然后再将其输出的直流电逆变为具有理想幅值和频率的交流电，送入电网或直接供给用户使用。图31.1.4并网变换器及其控制图4控制策略：图4为并网变换器系统的示意图，包括直流侧电容、三相逆变器及其串联的并网电抗器。 操作员在控制室可以根据不同情况手动调节补水流量，以便在启动、停堆期间允许控制稳压器的水位。1.1.5发电机组潮汐能过程变化很快，水量又无法储存，如果不及时利用，将很快消失，只有

8、机组运行正常，潮汐能量才能转化成电能。因此机组的运行工况、控制方式是否合理会直接影响电站发电量和效益。下面借鉴国内某潮汐电站6号机组实践经验，对双向运行方式中含抽水运行工况的机组控制过程进行简要介绍。根据潮位的周期性变化，6号机组运行的工况顺序正常情况下为：停机一正向发电一正向泄水一正向抽水一停机+反向发电一反向泄水一反向抽水停机。机组的运行工况参见下图5。其控制过程如下：图51.1.5潮汐电站的控制特点(1)运行工况多常规水轮发电机组的运行工况不外乎停机、发电和调相三种；而潮汐电站机组的工况一般有停机、发电、泄水、抽水四种，并且有正反向之分，即正反向发电、正反向泄水和正反向抽水等工况。(2)

9、潮汐电站一般会有泄水闸参与水位控制，机组泄水运行可提高发电量，但也增加了机组控制的复杂性。(3)由于潮汐电站利用海水的潮汐能源，每天一般会有两次潮涨潮落。所以机组的开停机操作比较频繁、复杂。特别是具有双向发电和抽水运行工况机组，由于被控对象多，切换操作复杂，其控制系统较常规水电机组要复杂得多。机组顺序控制需按严格和周密的闭锁自动进行，要求采用最优的操作路径，且操作时间最短。(4)潮汐电站的机组台数相对较多，而且各机组的运行方式在同一时间内又是一致的，所以全站须配置一套公用工况控制系统，以便对各机组的运行方式进行统一的切换和闭锁。每一工况启动条件是水头值的大小和方向，它们由一套公用的水位发送器、

10、水位差接收器组成的水头信号装置发出。潮汐电站控制系统经济性特点 世界较大的潮汐电站至今运行正常，证明潮汐发电在技术上是可行的，可是从20世纪80年代至今，近20年来几乎没有建新的潮汐电站，主要原因是经济性和潮汐电站对其它海洋功能的影响。法国朗斯潮汐电站总的基建费用为5.7亿法郎(约1亿美元)， 若按1973年的实际发电量计算，每度电的成本大概是常规水力发电的2.5倍。2016年温州市抛出了一项宏伟规划在瓯江、飞云江的浅海及滩涂区域建设温州市海洋能综合开发利用项目，而温州潮汐能电站则是其主体内容之一。根据规划，温州潮汐能电站装机容量拟定为40万千瓦，总投资335亿元，规模世界第一 三、潮汐电站控

11、制系统应用范围一.与火电相比 ,潮汐发电不受一次能源分布不均,储量有限等问题的限制 ; 不排放各种有害废物及气体, 无大气污染 、酸雨和水环境污染问题 , 节省相应的治污费用 ; 可减少水力排灰废水和温排水等对水域的污染 ; 不需运输煤炭 ,无运输成本。二.与核电相比, 潮汐电站不存在核电站建设、拆除及安全防护的高昂费用; 无放射性和化学物质的污染,无处理放射性和剧毒性废物的问题 。三.与水电相比, 潮汐电站不需移民, 不淹没农田,不会破坏生态环境 ,而且可结合围垦 、水生养殖和海洋化工发展综合利用 。如江厦潮汐电站促淤围垦 5 600 亩土地 ,其中可耕地为 4 700 亩 ,种植了水稻 、

12、棉花 、油菜和柑桔等多种作物, 年产值达 411万元 ; 在该电站水库内, 养殖了对虾、青蟹 、蛏子、花蚶等水产品,年产值高达 3 270 万元 。种植 、养殖 2项净收入 776 万元 。某些情况下 ,潮汐电站还可替代造桥,方便交通 。如法国朗斯潮汐电站的 750 m长的大坝已成为交通要道, 平均每天有 2 万多辆车通过。新建潮汐电站, 可提高水库内水位 , 增大库区航深和航运能力 。在发生地震或军事袭击等不可抗力引起的堤坝决口时 ,潮汐电站不存在水电那样淹没下游城市和农田等的危险 ,也不会像常规水力发电那样受气候条件变化的影响 。四.同风力电站相比 , 潮汐电站的发电效率更高,因海水密度远

13、大于空气密度。就理论而言, 使用相同直径的涡轮机, 潮汐电站发出的电能是风力电站的 4 倍 。通常,当水的流速为 2 m/s 时 ,可发出2 kW/m2的电能 , 而用风力电站获得同样的电能,风速需达 18 m/s 。理论上涡轮机用于潮汐发电时 5片叶片所发出的电, 在风力发电时叶片需 200 片,风速要达到 20 25 km/h 。潮汐发电在电价上与风力发电也有一定的竞争力 。因与风力涡轮机相比,潮汐式水轮机浸没在水中 ,对重量无严格要求,故结构件可用低价钢材制作; 潮汐式水轮机需抵抗最坏运行条件的技术要求比风力或波能发电设备要低些,因在水下运行, 即使在最恶劣的天气下变化也不大。潮汐发电比

14、风力发电更稳定, 因潮汐是可预测的 ,所发出电能的时间是可知的 。潮汐电站控制系统未来技术发展前景4.1未来潮汐能电站技术发展潮汐能的蕴藏量为4 000 GW，与可利用的水电蕴藏量相当。在21世纪，预计将在世界各地的130多个研究地点开发可再生的且环境友好的潮汐能蕴藏量。目前，世界上有11座潮汐电站在运行，俄罗斯和加拿大的试验潮汐工程、中国的8个小工程、韩国的始华工程正在建设中。加拿大和英国拟建的7座大容量潮汐电站已提出设计报告。俄罗斯、印度以及澳大利亚也正在设计另外一些潮汐电站。潮汐发电的主要优点是具有月平均规律性。另一方面，潮汐发电的主要特点是具有日变化。潮汐发电不均匀性的问题，在20世纪

15、下半叶通过兴建大型电力系统已经得到了解决。大型电力系统通过保障水电站和火电站的联合运行，能够吸收潮汐电站所发的电力。俄罗斯的基斯拉雅试验潮汐电站首次使用了漂浮沉箱技术(不用围堰)，大力推动了该技术在燃料与电力建筑物施工中的应用，几乎可以使施工费用减少一半(达45)。朗斯电站和基斯拉雅电站40 a的监测数据业已证明，潮汐能是一种环境友好的能源。在潮区(甚至在北极海洋沿岸)，钢筋混凝土建筑物没有损坏的迹象，而电化学腐蚀保护和生物污损等问题在电站运行期间也都已经得到了解决。俄罗斯设计和制造的用于潮汐电站的新型正交水轮机，使发电设备的成本得到了实质性的降低，从而减少了潮汐电站的建设费用。正交水轮机不同

16、于潮汐电站以前所用的灯泡式水轮机，它在技术上结构设计更为简单，可以在任何通用机械制造厂制造。4.2动态潮汐能技术4.2.1动态潮汐能动态潮汐能技术b1是一项新型的潮汐能开发方式，由荷兰海岸工程师Hulsbergen”o和Steijn在1997年提出的，已有多种数学和物理模型对动力潮汐能坝的水位差进行了模拟16 J。它包括建立一个垂直于海岸并延伸到海洋的长坝，并在坝身末端建立平行于海岸的纵坝，形成一个庞大的T形。T型坝使沿岸的潮汐波变形，从而在长坝的两侧产生较为可观的水头差，可用于潮汐能发电，如图1所示为动态潮汐能T型大坝水动力效果，蓝色和暗红色分别表示高水位和低水位。 动态潮汐能技术在某种程度

17、上规避了传统潮汐能的缺陷，是潮汐能开发的一种新思路。本文首先对动态潮汐能技术的原理进行阐述，然后使用二维潮汐运动数学模型，模拟海岸建坝对潮汐的影响，并对其水动力特性进行了研究。图6动态潮汐能T型大坝水动力效果4.2.2发电可行性初步探讨模型计算结果中，大坝两侧每小时输出水位值，并画出水位变化过程曲线。可见，受到大坝的干扰，大坝两侧的潮波明显发生改变，大坝两侧的潮位相位明显错开(如图7)，两侧的潮时相差约25小时，并因此形成动态水头(如图5)。因此大坝两侧的潮时不一致，使得大多数时间内两侧存在动态水位差。动态水位差最大可达367m，可作为发电水头。从可发电时间来看，两侧水位差多数时间超过10m，而现有的潮汐能发电技术水位差大于08m即可进行发电，因此动态潮汐能技术的发电时间较长。图7参考文献：1、The development and application practice of neglected tidal energy in China 2011 Li-qun L