漂浮摆式波浪能发电装置功率控制技术研究

论文摘要

波浪能是一种能量密度较高的海洋可再生能源,波浪能的合理开发不但利于解决能源短缺难题,而且能够应对边远海岛的供能需求。漂浮摆式波浪能发电装置具有安装与维护简单、可靠性高等优点。然而,漂浮摆装置较低的能量俘获效率制约了其进一步的研发与应用。因此本文开展了漂浮摆式波浪能发电装置的功率控制技术研究,旨在通过功率控制技术控制漂浮摆装置始终工作于最优输出功率曲线,进而提高漂浮摆装置的能量俘获效率。本文借助波浪与漂浮摆相互作用力的计算方法,推导得出了规则波浪与不规则波浪作用下的漂浮摆动力学方程,进而完成了漂浮摆仿真模型的搭建。随后对漂浮摆式波浪能发电装置的永磁同步发电机、二极管全波整流器、升压斩波电路等子模块进行数学分析,并建立相应的仿真模型。最后在Matlab/Simulink环境下搭建漂浮摆式波浪能发电装置的仿真平台,用于分析波浪输入到电能输出之间整个系统的工作情况。本文在波浪能发电系统中引入最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)控制来实现漂浮摆装置的最大功率输出。针对MPPT算法的误判问题,本文开展了基于扰动观测法的MPPT算法的优化工作,并在规则波和不规则波下制定不同的优化方案。仿真试验结果和物理模型试验结果共同表明:在规则波下,将扰动观测法的扰动周期设定为波浪周期的整数倍,可以解决扰动观测法的误判问题。在不规则波下,增大扰动观测法的扰动周期,可以改善算法的误判问题。然而,增大扰动周期会带来算法追踪速度下降的负面影响。因此,对于每一种波况条件都对应存在一个最优扰动周期。在最优扰动周期下,可以在保证算法正确性和功率输出最大化的前提下,使算法拥有最快的追踪速度。规则波下的最优扰动周期是一个波浪周期。不规则波下的最优扰动周期随着谱峰周期的增大而增大,增长幅度逐渐减小;而随着有义波高的增大而变化不大。根据得出的关系曲线,便可依据波况条件来确定扰动观测法扰动周期的优化参数,为扰动观测法扰动周期的优化提供一定的参考指导。本文提出了一种改进的适用于不规则波浪的最大功率点跟踪算法。改进MPPT算法采用导纳微分法,在此基础上结合功率预测算法与最大俘获宽度比跟踪控制,解决了由于波浪能量输入波动剧烈造成的算法误判问题,实现了在不规则波浪下对漂浮摆装置最大功率点的实时跟踪。相较于最优固定负载值方法,改进MPPT算法可以实现更高的能量俘获效率。改进MPPT算法对漂浮摆装置的能量俘获效率提升效果随着不规则波浪谱峰周期的减小而逐渐增强,因此改进MPPT算法更加适合应用于谱峰周期较小的不规则波况。改进MPPT算法实现的能量俘获效率提升效果是功率预测算法和最大俘获宽度比跟踪控制的共同作用,结合上述两种方法的改进MPPT算法也比只基于其中一种方法的MPPT算法实现了更高的平均输出功率。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 课题研究背景及意义
•   1.2 波浪能发电技术研究现状
•     1.2.1 振荡水柱式波浪能发电装置
•     1.2.2 越浪式波浪能发电装置
•     1.2.3 振荡浮子式波浪能发电装置
•     1.2.4 摆式波浪能发电装置
•   1.3 波浪能发电装置功率控制技术研究现状
•   1.4 本文研究内容
• 第2章 漂浮摆式波浪能发电装置数学建模与系统仿真
•   2.1 引言
•   2.2 漂浮摆式波浪能发电装置的结构及原理
•   2.3 漂浮摆式波浪能发电装置动力学分析
•   2.4 永磁同步发电机模型
•   2.5 二极管全波整流模型
•   2.6 升压斩波电路模型
•   2.7 漂浮摆式波浪能发电装置仿真平台
•   2.8 本章小结
• 第3章 最大功率点跟踪算法研究
•   3.1 引言
•   3.2 常规最大功率点跟踪算法分析
•     3.2.1 常量控制法
•     3.2.2 模糊逻辑控制法
•     3.2.3 扰动观测法
•   3.3 扰动观测法扰动周期的优化
•   3.4 改进的最大功率点跟踪算法研究
•     3.4.1 导纳微分法
•     3.4.2 功率预测算法
•     3.4.3 最大俘获宽度比跟踪控制
•     3.4.4 改进的最大功率点跟踪算法
•   3.5 本章小结
• 第4章 功率控制系统仿真试验
•   4.1 引言
•   4.2 仿真参数校正
•   4.3 扰动观测法扰动周期优化的仿真试验
•     4.3.1 规则波下扰动周期的优化
•     4.3.2 不规则波下扰动周期的优化
•   4.4 改进最大功率点跟踪算法的仿真试验
•   4.5 本章小结
• 第5章 功率控制系统物理模型试验
•   5.1 引言
•   5.2 试验装置
•     5.2.1 试验水槽
•     5.2.2 漂浮摆装置
•     5.2.3 控制系统
•     5.2.4 量测和数据采集系统
•   5.3 试验过程
•   5.4 规则波下扰动周期优化试验
•   5.5 不规则波下扰动周期优化试验
•   5.6 本章小结
• 第6章 总结与展望
•   6.1 全文总结
•     6.1.1 本论文完成的工作
•     6.1.2 主要结论
•     6.1.3 主要创新点
•   6.2 工作展望
• 参考文献

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 周元超

导师: 张大海

关键词: 漂浮摆,波浪能发电装置,功率控制技术,最大功率点跟踪控制

来源: 浙江大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 海洋学,新能源,电力工业

单位: 浙江大学

分类号: TM612;P743.2

DOI: 10.27461/d.cnki.gzjdx.2019.000236

总页数: 95

文件大小: 9029K

下载量: 178