多点直驱式波浪能发电系统的研究

多点直驱式波浪能发电系统的研究

0多点吸收式波浪能发电装置波浪能是一种绿色环保、储量丰富的海上能源，受到研究人员的高度重视。虽然点吸收式波浪能发电装置结构多样,但其中大多数由于只利用一个(或少量)振荡浮子来收集波浪能,受单个振荡浮子体积、重量等因素的限制,同一套系统的发电总功率受限,导致发电成本较高。同时由于波浪能的不稳定性等因素,也使得单个振荡浮子的发电系统电能输出不稳定,甚至无法连续发电。因此,美国在PowerBuoy波能装置的基础上同时连接9个浮子形成波能电场发电,挪威的FO3波力发电装置也将20个振荡浮子布置成两列,进行了1/10比尺的海试试验。目前,具有多个振荡浮子的多点吸收式波浪能收集发电装置正在成为研究热点。本文在点吸收式波浪能转化研究的基础上,提出并设计一种多点直驱式波浪能发电系统1系统的组成和运行原则1.1主要配套设备组成多点直驱式波浪能发电系统主要由漂浮式平台、多个振荡浮子、传动索、超越离合器、配重体、锥齿轮、旋转轴、增速齿轮箱、飞轮、永磁交流发电机、AC/DC全控整流器、控制装置、蓄电池和电气负载等设备组成1.2振荡浮子的作用系统运行时,在波浪作用下,每个振荡浮子和漂浮式平台之间将产生相对运动,在传动索的带动下,波浪力作用在旋转轴的超越离合器上,使旋转轴单向旋转,也使波浪力只有半个周期做功(即每个振荡浮子只能在向上或向下运动时使旋转轴旋转,而在另半个周期,由于超越离合器分离,波浪力无法作用在旋转轴上做功)。多个振荡浮子同时作用在旋转轴上产生输入力矩,驱动旋转轴单向旋转做功。增速齿轮箱将转速提高到额定转速附近,驱动永磁发电机发电,为电气负载供电和为蓄电池充电。整套装置运行时实际包括3个能量转化过程,首先是每个振荡浮子分别收集波浪能,并利用传动索、海底重物上的定滑轮等装置传递给超越离合器;然后超越离合器使旋转轴单向转动,将多个振荡浮子所收集的波浪能叠加后转化成旋转轴的旋转机械能;最后旋转轴驱动永磁发电机转子转动发电,将机械能转化为电能。2数学建模和计算机模拟分析2.1多变量非线性机电系统多点直驱式波浪能发电系统是一种复杂的多变量非线性机电系统。本文基于线性波浪理论、机械动力学、磁电转化理论等分别建立系统各组成部分的数学模型。2.1.1振荡浮子在垂向的波浪力根据线性波浪理论,利用Froude-Krylov假定法可计算得出当振荡浮子为圆柱形时,单个振荡浮子在垂向上的波浪力计算公式为式中,F由式(2)可得,振荡浮子在垂向上的波浪力按照余弦函数规律变化,其周期与波浪周期相同。在本系统中,由于振荡浮子只能在向上或向下运动时对旋转轴产生力的作用,因此每个振荡浮子只能有半个周期做功,另半个周期内振荡浮子作用在超越离合器上的力矩为零。2.1.2高速轴系传动特点传动系统由4个方向的4根低速轴、锥齿轮、增速齿轮箱、高速轴和飞轮组成。在对传动系统进行数学建模时,有刚性轴数学模型和柔性轴数学模型两种建模方法式中,k2.1.3电动势和弦分布永磁发电机的数学模型可用二阶状态空间模型来表示,假设永磁体产生的磁通在定子处正弦分布,即电动势正弦分布。则永磁同步发电机在q-d坐标轴上的电气方程可表示为式中,i2.1.4发电机为直流负载本系统的电气负载包括交流负载、直流负载和蓄电池组3类。直流负载是本系统中的电气主负载。交流负载在试验过程中使用阻值较大的电阻型负载,主要作用是防止发电机空载运行时产生较大的转速,损坏发电机。系统运行时,发电机发出的交流电通过可控整流器整流后供给直流负载以及为蓄电池充电。当发电机发出电能较小时,蓄电池与发电机一起向直流负载供电;当发电机发出电能较大时,交流电经过整流器变换为直流电后可同时为直流负载供电和为蓄电池组充电。本文中交流负载和直流控制负载均选用电阻型负载,蓄电池组选用铅蓄电池。2.2计算机仿真仿真在上述数学模型的基础上,利用Matlab的S-Function模块基于式(1)编程计算各振荡浮子在垂向上的波浪力矩,叠加后乘以锥齿轮、超越离合器和增速齿轮箱的传动系数,获得系统总输入力矩。利用Simulink/SimPowerSystems工具箱中的PermanentMagnetSynchronousMachine、Battery、UniverseBrige等模块,设置相应参数后,获得永磁发电机、铅蓄电磁和全控整流器等装置的仿真模块。最后,按照系统内部信号的传递顺序,将各模块连接在一起,建立完整的系统仿真模型,如图2所示。基于上述仿真模型,本文模拟在规则波情况下,不同振荡浮子数量和不同飞轮转动惯量对系统运行情况的影响。图3所示为设置波浪周期T为10s,海水深度h为12m,波高H为0.5m,每个浮子半径R均为0.3m,质量为50kg,且分别取振荡浮子数量为2、4和8个时,发电系统总输入力矩的变化情况。当浮子数为2时,设每个振荡浮子分别布置在1/2和1倍波长位置处;当振荡浮子组数为4个时,设每个振荡浮子分别布置在1/4、1/2、3/4和1倍波长位置处;当振荡浮子为8个时,设每个振荡浮子分别布放在1/8、1/4、3/8、1/2、5/8、3/4、7/8和1倍波长位置处。如图3所示在浮子数目为2时,每个振荡浮子只有半个周期的做功时间,总输入力矩波动较大且会出现输入力矩为零的时间点;当浮子数目增加为4时,系统总输入力矩大于2个浮子的情况,并且在时间上不间断输入,总输入力矩的波动程度明显降低;而当浮子数目为8时,系统获得的总输入力矩更大,且其波动程度更低。因此,本系统在设计海况下只要将振荡浮子按一定规律布放,浮子数目越多捕获的波浪能越大且输入波动越小。本系统中单个振荡浮子的体积无需太大,可根据实际布放位置的常见波况灵活设计,从而使每个振荡浮子能与波浪之间产生共振,最大程度吸收波浪能。如图4所示为系统振荡浮子数目为4,且飞轮转动惯量分别取2.5、5.0和10.0kg·m3实验平台建设进行波浪能发电系统的实际海况试验需要较大的资金投入,因而目前国内许多海洋能发电科研团队都首先搭建实验室物理试验平台,并利用试验平台对所设计的发电系统进行全面分析和研究3.1发电系统技术参数试验平台的主要设备包括4台变频器、4台伺服液压缸、旋转轴、增速齿轮箱、飞轮、永磁交流发电机等。试验时分别利用4台变频器驱动4台伺服液压缸上下运动,模拟海洋波浪能能量输入,并驱动发电系统旋转轴旋转,同时利用实时智能监控系统采集发电系统的运行参数数据。各主要设备的技术参数为:(1)变频器,型号ATV312,额定功率1.5kW;(2)液压缸,DYTP型,额定输出功率1.5kW,最大行程1000mm;(3)飞轮,质量100kg,半径0.25m;(4)永磁交流发电机,额定功率3kW,额定转速375r/min;(5)增速齿轮箱,传动比9,传动效率0.93;(6)实时监控系统包括硬件和软件两部分,下位机采用西门子PLCS7-200及扩展模块3个分别连接各类传感器和控制设备,上位机利用组态软件开发监控界面,试验时系统采样频率设为1s。试验平台实物图如图5所示,图6为试验平台内部结构,图7为开发完成的监控系统。3.2单台液压缸的输入试验台搭建完成后,通过改变变频器的控制信号使变频器的输出频率按余弦规律变化,从而控制4台液压缸在垂直方向上下运动,模拟波浪输入,驱动旋转轴旋转,液压缸之间的初始相位相差1/4周期,液压缸行程设为500mm,运行周期10s。如图8a所示为试验过程中利用传感器测量得到的单台液压缸的实际输入力矩和低速旋转轴总力矩。由图8a可知,单台液压缸的输入力矩只有半个周期向发电系统做功,另外半个周期输入力矩变为较小的负数,这是由于这半个周期中在配重体的作用下,超越离合器相对于轴反向旋转,这期间超越离合器分离因此该反向力矩并不能作用在旋转轴上。图8a中,总输入力矩是4台液压缸输入力矩叠加后的结果,由图可知旋转轴上的总输入力矩明显大于单台液压缸输入力矩,证明了本系统能实现多点输入力矩的叠加。试验过程中总输入力矩能够连续不断驱动旋转轴转动,从而可不间断发电,避免了单点驱动时电能时断时续的情况,总力矩虽仍有波动,但波动程度较单台液压缸输入情况小。图8b所示为试验过程中,永磁发电机功率输出情况,随着总输入力矩的变化,发电机输出功率也在一定范围内上下波动并连续输出电能。将试验结果与建模仿真分析进行对比,可得到试验结果与理论推导和仿真分析结论一致,从而验证了仿真模型和系统设计的合理性与正确性。4试验研究与结果1)本文提出并叙述了一种多点直驱式波浪能发电的原理与方法,以点吸收式波浪能捕获方式为基础,将多个振荡浮子以一定规律布放,同时收集海面上不同位置的波浪能,当振荡浮子数目较多时,本系统能够由“点”至“面”的同时大规模捕获波浪能,从而降低发电成本。2)建立数学模型和进行计算机仿真研究。结果表明,多点直驱式波浪能发电系统可实现多个振荡浮子输入力矩的叠加,通过增加振荡浮子数目和加大飞轮转动惯量等方法