董永軍，朱挽強，陳健梅，徐明奇，郭景富

（1.東北師范大學 物理學院，吉林 長春 130024；2.吉林省先進能源開發(fā)與應用創(chuàng)新重點實驗室，吉林 長春 130024）

新型水平軸定槳距永磁直驅(qū)潮流能發(fā)電系統(tǒng)設計及應用

董永軍1,2，朱挽強1,2，陳健梅1,2，徐明奇1,2，郭景富1,2

（1.東北師范大學 物理學院，吉林 長春 130024；2.吉林省先進能源開發(fā)與應用創(chuàng)新重點實驗室，吉林 長春 130024）

雙向潮流適應性和運行可靠性是水平軸潮流能發(fā)電系統(tǒng)需要解決的兩個關(guān)鍵問題。文中研究的新型潮流能發(fā)電系統(tǒng)由自適應雙向流水平軸定槳距潮流能透平、直驅(qū)永磁發(fā)電機、功率變換器、蓄電池儲能系統(tǒng)以及卸荷負載組成。根據(jù)我國潮流能特點和直驅(qū)永磁發(fā)電系統(tǒng)的運行特性，采用翼型尾翼完成透平的雙向潮流對流功能。針對離網(wǎng)型潮流能發(fā)電系統(tǒng)的功率控制，設計了基于三相不可控整流橋和雙管BUCK-BOOST變換器的功率變換電路?；贛atlab/Simulink軟件對20 kW潮流能發(fā)電系統(tǒng)各部分進行了建模與仿真分析。在實海況環(huán)境進行了現(xiàn)場試驗。研究表明，設計的離網(wǎng)型水平軸潮流能發(fā)電系統(tǒng)能夠有效地利用雙向潮流能，而且在結(jié)構(gòu)設計方面所采取的措施提高了系統(tǒng)的可靠性。

水平軸潮流能發(fā)電系統(tǒng)；雙向潮流適應性；功率變換；建模仿真

潮流能作為一種海洋可再生能源，具有穩(wěn)定、規(guī)律、不受天氣影響、易于獲取且儲量巨大等優(yōu)點。據(jù)聯(lián)合國教科文組織估算，全球可開發(fā)利用的潮流能資源約為300 GW；歐盟委員會支持的非核能項目估計，歐洲可利用的潮流能可達12.5 GW[1]。我國是潮流能資源最為豐富的區(qū)域之一，據(jù)《中國沿海農(nóng)村海洋能資源區(qū)劃》對我國沿岸130個水道潮流能資源蘊藏量的統(tǒng)計，我國可利用的潮流能理論平均功率約14 GW[2]。潮流能的利用方式與風能類似，但流速較低，且流速和流向更平穩(wěn)，其主要利用形式為發(fā)電。有效利用潮流能發(fā)電，可以為沿海及島嶼、海洋監(jiān)測儀器、水下聲吶等提供電能。潮流能發(fā)電技術(shù)的推廣和應用將對緩解我國能源短缺、改善能源結(jié)構(gòu)、降低環(huán)境污染、開發(fā)海島經(jīng)濟及增強海洋國防實力具有重要意義。

由于我國沿海潮流能持續(xù)時間最長的流速在0.5～2 m/s之間，其能量密度遠小于當今世界潮流能開發(fā)較早的英美等國潮流能資源，因此適應我國現(xiàn)狀的潮流能發(fā)電裝置必須具備低流速啟動和發(fā)電能力，否則很難具有經(jīng)濟價值。水平軸潮流能透平因其能量轉(zhuǎn)換效率高和自啟動性能好等特點而成為世界上潮流能發(fā)電裝置的主要透平形式之一[3-4]，但其雙向潮流適應性是需要解決的關(guān)鍵問題之一。結(jié)合我國的潮流能特點，永磁發(fā)電機因具有阻力矩小、啟動流速低和轉(zhuǎn)動慣量大等特點，在潮流能發(fā)電系統(tǒng)中有著廣泛的應用前景。而且，永磁發(fā)電機已廣泛應用于風力發(fā)電系統(tǒng)，一是其自勵磁特性使得系統(tǒng)能夠在高功率因數(shù)和高效率下運行；二是其額定轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍較大，轉(zhuǎn)速可以較低，與風力機直接耦合連接，取消了齒輪箱，從而提高了風力發(fā)電機組的效率和可靠性。但是，傳統(tǒng)的永磁發(fā)電機應用于潮流能發(fā)電系統(tǒng)需要解決其動密封問題。此外，對于定槳距水平軸永磁直驅(qū)潮流能發(fā)電系統(tǒng)，功率變換器的控制性能對系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率和運行可靠性具有重要的影響。

作者所在課題組長期致力于水平軸潮流能發(fā)電系統(tǒng)的研究工作，為提高透平裝置的低流速啟動能力和運行可靠性，采用定槳距四葉片透平方案。透平依靠翼型尾翼的水動力性能實現(xiàn)雙向潮流對流功能。為提高發(fā)電機裝置的效率和可靠性，采用永磁直驅(qū)發(fā)電機方案，密封式發(fā)電機繞組暴露于海水中，能夠避免對密封式發(fā)電機結(jié)構(gòu)帶來的可靠性隱患。針對上述離網(wǎng)型水平軸定槳距永磁直驅(qū)潮流能發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運行特性，本文設計了20 kW潮流能發(fā)電系統(tǒng)的功率變換器。基于 Matlab/ Simulink軟件建立了系統(tǒng)各部分的模型，并對其進行了仿真研究。在實海況環(huán)境下進行了現(xiàn)場試驗，根據(jù)所采集參數(shù)分析了發(fā)電裝置的性能。

1　系統(tǒng)構(gòu)成

離網(wǎng)型水平軸永磁直驅(qū)潮流能發(fā)電系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括水平軸定槳距潮流能透平、直驅(qū)永磁發(fā)電機、功率變換器、蓄電池儲能系統(tǒng)以及卸荷負載。水平軸定槳距潮流能透平依靠其水動力性能將水平潮流動能轉(zhuǎn)換為透平的旋轉(zhuǎn)機械能，直驅(qū)永磁發(fā)電機將剛性傳動軸傳遞的透平旋轉(zhuǎn)機械能轉(zhuǎn)換成電能，功率變換器將發(fā)電機輸出的不穩(wěn)定電能變換成符合儲能系統(tǒng)要求的直流電，蓄電池儲能系統(tǒng)和卸荷負載用于存儲和平衡發(fā)電機輸出的電能。

圖1　離網(wǎng)型水平軸永磁直驅(qū)潮流能發(fā)電系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)

2　結(jié)構(gòu)與模型分析

潮流能發(fā)電系統(tǒng)的開發(fā)和應用必須基于各組成部分的結(jié)構(gòu)和工作特性，通過準確分析系統(tǒng)各部分的運行特性，才能建立潮流能發(fā)電系統(tǒng)各部分的準確模型并進行仿真研究，從而有效地分析和預測潮流能發(fā)電系統(tǒng)的性能。

2.1流速模型

由于潮流流速狀況對于潮流能發(fā)電系統(tǒng)性能具有非常重要的影響，因此潮流流速特性是進行潮流能發(fā)電系統(tǒng)性能研究的重要部分。長期的潮流流速呈周期性緩慢變化，可預測性強，但短期的潮流流速受地形、水深、波浪、風等因素的影響[5]，具有一定的波動性。由于波浪對潮流流速波動的影響較大，潮流流速vtc可近似為潮汐現(xiàn)象中的海水水平流速vt和波浪導致的海水水平流速vw的疊加[6]，即：

潮汐現(xiàn)象中的海水水平流速分量vt沿垂向分布是不均勻的[6]，可表示為：

式中：y表示距離水面的深度（負數(shù)表示在水面以下）；h為水深；umax為潮汐現(xiàn)象中的海水水平最大流速。顯然，受海底摩擦的影響，距離海底越近，潮汐現(xiàn)象中的海水水平流速越小。

海面波浪引起的海水水平流速vw可表示為[6]：

式中：t為時間；ηa為波高；ωw為波的頻率；k為波數(shù)，且有k=2π/波長。

2.2透平裝置

傳統(tǒng)水平軸潮流能透平多采用風力機兩葉片或三葉片結(jié)構(gòu)方案，尤其是三葉片結(jié)構(gòu)可以得到最佳的實度[7]。較高實度的透平結(jié)構(gòu)可提供較大的啟動力矩，從而提高潮流能發(fā)電系統(tǒng)在低流速下的啟動和發(fā)電性能。對于離網(wǎng)型潮流能發(fā)電系統(tǒng)，鉛酸蓄電池儲能系統(tǒng)依靠低流速下輸出的小功率電能進行連續(xù)補償式充電是較為理想的。因此，本文設計的潮流能透平裝置采用大實度四葉片結(jié)構(gòu)方案，通過增大透平實度來提高透平的低流速啟動和發(fā)電能力。尤其是我國沿海潮流能持續(xù)時間最長的流速在0.5～2 m/s之間，流速相對較低，四葉片透平方案比較適合我國的潮流流速狀況。此外，透平輪轂采用金屬與非金屬疊片組合式結(jié)構(gòu)，在減輕重量的同時提高了輪轂的疲勞壽命。

雙向潮流適應性是水平軸潮流能透平應具備的特性之一，否則將大大降低雙向潮流能利用率。傳統(tǒng)水平軸潮流能透平多采用動密封式（液壓或電動）大角度變槳距或透平整體偏航方式實現(xiàn)透平的雙向潮流調(diào)向功能。動密封結(jié)構(gòu)長期在海水環(huán)境下運行存在一定的安全隱患，必須定期維護。本文設計的定槳距水平軸透平依靠水動力尾翼在垂直方向上180°往復偏轉(zhuǎn)實現(xiàn)透平的雙向?qū)α鳎捎梅墙饘倬酆衔镙S承系統(tǒng)[8]，完全暴露于海水中，能夠避免動密封可能存在的安全隱患。

與水平軸風力機類似，水平軸潮流能透平從潮流能中捕獲的能量Ptc可表示為：

式中：ρ為海水密度；R為透平半徑；CP為潮流能利用系數(shù)。

對于水平軸定槳距潮流能透平，CP為葉尖速比λ的函數(shù)，而葉尖速比可表示為：

式中：ω為透平旋轉(zhuǎn)角速度。

潮流能透平輸出轉(zhuǎn)矩系數(shù)CT(λ)與潮流能利用系數(shù)CP(λ)的關(guān)系為：

顯然，對于定槳距透平，CT(λ)與CP(λ)一樣僅為λ的函數(shù)。

潮流能透平機械輸出轉(zhuǎn)矩為：

2.3傳動機構(gòu)

對于水平軸潮流能直驅(qū)永磁同步發(fā)電機組，由于發(fā)電機轉(zhuǎn)軸與透平直接剛性相連，省去了增速齒輪箱，完全可以忽略傳動軸的柔性扭轉(zhuǎn)，其簡化的單質(zhì)量傳動系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖2　簡化的單質(zhì)量傳動系統(tǒng)模型

該系統(tǒng)的等效模型可表示為：

式中：J為發(fā)電機的等效轉(zhuǎn)動慣量；Te為發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩；B為轉(zhuǎn)動粘滯系數(shù)。

2.4永磁同步發(fā)電機

直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機由于省去了增速機構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、效率高、抗過載能力強等特點。發(fā)電機定子采用分數(shù)槽結(jié)構(gòu)，以降低發(fā)電機內(nèi)阻、減小啟動阻力矩、提高發(fā)電效率[9]，從而提高潮流能發(fā)電裝置的低流速啟動和發(fā)電能力。傳統(tǒng)應用于潮流能發(fā)電的永磁同步發(fā)電機多采用動密封結(jié)構(gòu)，而動密封結(jié)構(gòu)存在可靠性隱患，必須定期維護以確保發(fā)電機的安全性。本文設計的直驅(qū)永磁潮流能發(fā)電機定子繞組和轉(zhuǎn)子永磁體進行靜密封處理，發(fā)電機艙內(nèi)與外界海水連通，軸承部分采用磁推力軸承和非金屬聚合物軸承，軸承在海水中具有自潤滑功能，可以有效減小發(fā)電機的阻力矩。由于發(fā)電機暴露于海水中，海水的冷卻功能可以有效解決發(fā)電機運行過程中存在的散熱問題。

根據(jù)電機原理，dq軸同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的永磁同步發(fā)電機電壓和轉(zhuǎn)矩方程可表示為：

式中：ud，uq分別為發(fā)電機的d軸和q軸電壓分量；id，iq分別為發(fā)電機的d軸和q軸電流分量；Rs為定子繞組相電阻；Ld，Lq分別為發(fā)電機的d軸和q軸電感；p為發(fā)電機轉(zhuǎn)子的極對數(shù)；ω為發(fā)電機轉(zhuǎn)子的機械角速度，且有電角速度ωe＝pω。

根據(jù)式（9）可得永磁同步發(fā)電機在dq軸同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的等效電路，如圖3所示。

圖3　永磁同步發(fā)電機在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的等效電路

發(fā)電機輸出電功率可表示為：

式中：ua，ub，uc分別為發(fā)電機的相電壓；ia，ib，ic分別為發(fā)電機的相電流。

2.5功率變換器

對于離網(wǎng)型變速潮流能發(fā)電系統(tǒng)，通常采用三相二極管整流橋?qū)Πl(fā)電機輸出的交流電進行整流變換。而蓄電池組儲能系統(tǒng)的電壓變化范圍較小，需對整流變換后的電能進行DC-DC變換，實現(xiàn)功率變換電路與儲能裝置的電壓匹配。由于變速機組的電壓變化范圍較大，本文設計了雙管BUCK-BOOST變換器實現(xiàn)功率變換電路的升降壓變換。圖4所示為基于三相二極管整流橋和雙管BUCKBOOST變換器的功率變換電路拓撲結(jié)構(gòu)。

圖4　基于三相整流橋和雙管BUCK-BOOST變換器的功率變換電路

由于三相二極管整流橋具有不可控性，整個功率變換電路的控制核心為雙管BUCK-BOOST變換器。該變換器具有結(jié)構(gòu)簡單高效、輸入輸出電壓同極性、電壓輸入范圍寬、器件應力低和變換功率大等特點，非常適合獨立運行可再生能源發(fā)電系統(tǒng)。本文設計的雙管BUCK-BOOST變換器采用非同步控制模式組合開關(guān)方案，通過獨立調(diào)節(jié)兩個開關(guān)管，變換器升壓時呈現(xiàn)BOOST電路特性，降壓時呈現(xiàn)BUCK電路特性，有效降低開關(guān)管損耗。雙管BUCK-BOOST變換器在非同步控制模式下的通用輸入輸出電壓關(guān)系可表示為：

式中：Uin，Uout分別為變換器輸入和輸出電壓；D1，D2分別為開關(guān)管T1，T2的占空比。

2.6儲能裝置與卸荷負載

離網(wǎng)型潮流能發(fā)電系統(tǒng)多采用鉛酸蓄電池組作為儲能裝置，同時配備卸荷負載來平衡發(fā)電機的輸出能量?；阢U酸蓄電池的儲能裝置可有效平衡潮流能發(fā)電的波動性和間歇性以及用戶用電的隨機性，對于改善離網(wǎng)型潮流能發(fā)電系統(tǒng)的輸出性能具有非常重要的作用。蓄電池儲能系統(tǒng)是一個典型的非線性系統(tǒng)，難以對其充放電狀態(tài)進行精確描述[10]。本文采用一種簡化的等效電路模型，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　鉛酸蓄電池的等效電路

圖5所示鉛酸蓄電池等效電路的數(shù)學模型可表示為[6]：

式中：Ub為蓄電池端電壓；Ib為主反應回路電流；Eb為蓄電池的開路電壓；R0為蓄電池歐姆內(nèi)阻；Rr，Cr分別為極化內(nèi)阻和電容；Ucr，Ir分別為極化內(nèi)阻端電壓和電流。

3　仿真與實驗分析

本文基于Matlab/Simulink軟件建立了離網(wǎng)型潮流能發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，如圖6所示。

圖6　離網(wǎng)型潮流能發(fā)電系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)式（1）～式（3）可知，圖6中的短期潮流仿真模型為流速平均值與正弦信號的疊加。圖7所示為平均潮流流速在1.2 m/s時的潮流能發(fā)電系統(tǒng)性能仿真結(jié)果。圖7（a）所示為潮流流速的仿真波形。圖7（b）所示為潮流透平輸出功率的變化情況。圖7（c）給出了水平軸潮流能透平轉(zhuǎn)速的變化情況，可以看出透平轉(zhuǎn)速隨著流速的波動而波動。圖7（d）為潮流能利用系數(shù)變化情況，顯然，潮流能利用系數(shù)基本維持在0.3左右，與設計基本吻合。圖7（e）所示為基于式（12）和式（13）所給出的鉛酸蓄電池組模型的充電電壓變化情況，該電壓在240 V左右有小幅度波動。

圖7　平均潮流流速在1.2 m/s時的水平軸潮流能發(fā)電系統(tǒng)性能仿真結(jié)果

基于對離網(wǎng)型水平軸潮流能發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運行特性的研究，本文作者所在課題組研制了20 kW自適應雙向流水平軸定槳距永磁直驅(qū)潮流能發(fā)電裝置，其樣機如圖8所示。圖9所示為該系統(tǒng)的功率控制柜。樣機實海況運行結(jié)果表明，該透平結(jié)構(gòu)可以通過翼型尾翼完成雙向潮流對流功能。由于尾翼結(jié)構(gòu)參數(shù)計算誤差和裝置投放位置不夠平坦導致自調(diào)向旋轉(zhuǎn)軸承處存在應力等因素影響，透平無法正對潮流，使得潮流能利用效率有所降低，實測潮流能利用效率最大僅為0.18左右（裝置投放位置測得持續(xù)最大流速為1.3 m/s左右）。從裝置投放至發(fā)電機被拆解已時隔3 a，所設計的永磁直驅(qū)潮流能發(fā)電機仍能正常運行，顯然該發(fā)電機具有較好的海洋環(huán)境適應性和較高的可靠性。

圖8　20 kW自適應雙向流水平軸定槳距永磁直驅(qū)潮流能發(fā)電裝置

4　結(jié)論

本文針對水平軸潮流能發(fā)電系統(tǒng)的雙向潮流適應性和運行可靠性問題，采用一系列措施對傳統(tǒng)水平軸潮流能發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)進行了改進。由于省去了變槳距機構(gòu)或增速器等動密封結(jié)構(gòu)，所設計的水平軸定槳距永磁直驅(qū)潮流能發(fā)電系統(tǒng)具有相對較高的結(jié)構(gòu)可靠性。根據(jù)水平軸直驅(qū)永磁潮流能發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，分析了系統(tǒng)各部分的運行特性，給出了系統(tǒng)各部分的數(shù)學模型?；贛atlab/ Simulink軟件建立了離網(wǎng)型潮流能發(fā)電系統(tǒng)各部分的仿真模型。通過模型仿真分析和實海況實驗研究，結(jié)果表明所設計的永磁直驅(qū)式水平軸潮流能發(fā)電系統(tǒng)能夠有效地利用雙向潮流能發(fā)電。通過進一步優(yōu)化設計，該透平和發(fā)電機設計方案可以有效地解決水平軸潮流能發(fā)電系統(tǒng)的雙向潮流適應性和運行可靠性問題。

圖9　潮流發(fā)電功率控制柜

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Design and Application of a Novel Horizontal Fixed-Pitch Tidal Current System with Direct-Drive Permanent Magnet Generator

DONG Yong-jun1,2,ZHU Wan-qiang1,2,CHEN Jian-mei1,2,XU Ming-qi1,2,GUO Jing-fu1,2
1.School of Physics,Northeast Normal University,Changchun 130024,Jilin Province,China; 2.Key Laboratory of Advanced Energy Development and Application Innovation under Jilin Province,Changchun 130024,Jilin Province,China

Adaptability of bi-directional tidal currents and operational reliability are the two key problems that a horizontal tidal current generation system needs to solve.This paper presents a novel tidal current generation system consisting of a horizontal fixed-pitch tidal current turbine with adaptability of bi-directional currents,a direct-drive permanent magnet generator,a power converter,an energy storage system of lead-acid batteries and a set of damp load.According to the features of China's tidal current energy resources and the operating characteristics of the direct-drive permanent magnet generation system,the symmetrical airfoil blades are adopted for the tidal current turbine to adapt to bi-directional currents.For the power control of the system,this paper develops a power control circuit based on three-phase uncontrolled rectifier bridges and double-switch BUCKBOOST converter.All parts of the 20 kW tidal current generation system are modelled and simulated relying on the software of Matlab/Simulink.The test performance of the 20 kW system under real sea conditions is presented here as well.The investigation shows that this off-grid tidal current generation system could effectively utilize the bi-directional current energy,and by means of the optimization design of its structure,the reliability of the system is improved.

horizontal tidal current generation system;adaptability of bi-directional tidal currents;power conversion;modeling and simulation

P743

A

1003-2029（2016）05-0074-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.05.015

2016-03-14

國家海洋可再生能源專項資金資助項目（ZJME2013ZB02）

董永軍（1984-），男，博士，講師，主要研究方向為海洋可再生能源開發(fā)利用。E-mail：dongyj591@163.com