新型水平軸定槳距永磁直驅潮流能發電系統設計及應用

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與應用創新重點實驗室，吉林 長春 130024）

新型水平軸定槳距永磁直驅潮流能發電系統設計及應用

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與應用創新重點實驗室，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電系統需要解決的兩個關鍵問題。文中研究的新型潮流能發電系統由自適應雙向流水平軸定槳距潮流能透平、直驅永磁發電機、功率變換器、蓄電池儲能系統以及卸荷負載組成。根據我國潮流能特點和直驅永磁發電系統的運行特性，采用翼型尾翼完成透平的雙向潮流對流功能。針對離網型潮流能發電系統的功率控制，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潮流能發電系統各部分進行了建模與仿真分析。在實海況環境進行了現場試驗。研究表明，設計的離網型水平軸潮流能發電系統能夠有效地利用雙向潮流能，而且在結構設計方面所采取的措施提高了系統的可靠性。

水平軸潮流能發電系統；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，具有穩定、規律、不受天氣影響、易于獲取且儲量巨大等優點。據聯合國教科文組織估算，全球可開發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域之一，據《中國沿海農村海洋能資源區劃》對我國沿岸130個水道潮流能資源蘊藏量的統計，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，其主要利用形式為發電。有效利用潮流能發電，可以為沿海及島嶼、海洋監測儀器、水下聲吶等提供電能。潮流能發電技術的推廣和應用將對緩解我國能源短缺、改善能源結構、降低環境污染、開發海島經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較早的英美等國潮流能資源，因此適應我國現狀的潮流能發電裝置必須具備低流速啟動和發電能力，否則很難具有經濟價值。水平軸潮流能透平因其能量轉換效率高和自啟動性能好等特點而成為世界上潮流能發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鍵問題之一。結合我國的潮流能特點，永磁發電機因具有阻力矩小、啟動流速低和轉動慣量大等特點，在潮流能發電系統中有著廣泛的應用前景。而且，永磁發電機已廣泛應用于風力發電系統，一是其自勵磁特性使得系統能夠在高功率因數和高效率下運行；二是其額定轉速可調范圍較大，轉速可以較低，與風力機直接耦合連接，取消了齒輪箱，從而提高了風力發電機組的效率和可靠性。但是，傳統的永磁發電機應用于潮流能發電系統需要解決其動密封問題。此外，對于定槳距水平軸永磁直驅潮流能發電系統，功率變換器的控制性能對系統的能量轉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電系統的研究工作，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雙向潮流對流功能。為提高發電機裝置的效率和可靠性，采用永磁直驅發電機方案，密封式發電機繞組暴露于海水中，能夠避免對密封式發電機結構帶來的可靠性隱患。針對上述離網型水平軸定槳距永磁直驅潮流能發電系統的結構和運行特性，本文設計了20 kW潮流能發電系統的功率變換器?；?Matlab/ Simulink軟件建立了系統各部分的模型，并對其進行了仿真研究。在實海況環境下進行了現場試驗，根據所采集參數分析了發電裝置的性能。

1　系統構成

離網型水平軸永磁直驅潮流能發電系統的典型結構如圖1所示，主要包括水平軸定槳距潮流能透平、直驅永磁發電機、功率變換器、蓄電池儲能系統以及卸荷負載。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換為透平的旋轉機械能，直驅永磁發電機將剛性傳動軸傳遞的透平旋轉機械能轉換成電能，功率變換器將發電機輸出的不穩定電能變換成符合儲能系統要求的直流電，蓄電池儲能系統和卸荷負載用于存儲和平衡發電機輸出的電能。

圖1　離網型水平軸永磁直驅潮流能發電系統典型結構

2　結構與模型分析

潮流能發電系統的開發和應用必須基于各組成部分的結構和工作特性，通過準確分析系統各部分的運行特性，才能建立潮流能發電系統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電系統的性能。

2.1流速模型

由于潮流流速狀況對于潮流能發電系統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電系統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（負數表示在水面以下）；h為水深；umax為潮汐現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，且有k=2π/波長。

2.2透平裝置

傳統水平軸潮流能透平多采用風力機兩葉片或三葉片結構方案，尤其是三葉片結構可以得到最佳的實度[7]。較高實度的透平結構可提供較大的啟動力矩，從而提高潮流能發電系統在低流速下的啟動和發電性能。對于離網型潮流能發電系統，鉛酸蓄電池儲能系統依靠低流速下輸出的小功率電能進行連續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構方案，通過增大透平實度來提高透平的低流速啟動和發電能力。尤其是我國沿海潮流能持續時間最長的流速在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構，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透平的雙向潮流調向功能。動密封結構長期在海水環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°往復偏轉實現透平的雙向對流，采用非金屬聚合物軸承系統[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。

對于水平軸定槳距潮流能透平，CP為葉尖速比λ的函數，而葉尖速比可表示為：

式中：ω為透平旋轉角速度。

潮流能透平輸出轉矩系數CT(λ)與潮流能利用系數CP(λ)的關系為：

顯然，對于定槳距透平，CT(λ)與CP(λ)一樣僅為λ的函數。

潮流能透平機械輸出轉矩為：

2.3傳動機構

對于水平軸潮流能直驅永磁同步發電機組，由于發電機轉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，其簡化的單質量傳動系統模型如圖2所示。

圖2　簡化的單質量傳動系統模型

該系統的等效模型可表示為：

式中：J為發電機的等效轉動慣量；Te為發電機電磁轉矩；B為轉動粘滯系數。

2.4永磁同步發電機

直驅式永磁同步發電機由于省去了增速機構，具有結構簡單、工作可靠、效率高、抗過載能力強等特點。發電機定子采用分數槽結構，以降低發電機內阻、減小啟動阻力矩、提高發電效率[9]，從而提高潮流能發電裝置的低流速啟動和發電能力。傳統應用于潮流能發電的永磁同步發電機多采用動密封結構，而動密封結構存在可靠性隱患，必須定期維護以確保發電機的安全性。本文設計的直驅永磁潮流能發電機定子繞組和轉子永磁體進行靜密封處理，發電機艙內與外界海水連通，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，可以有效減小發電機的阻力矩。由于發電機暴露于海水中，海水的冷卻功能可以有效解決發電機運行過程中存在的散熱問題。

根據電機原理，dq軸同步旋轉坐標系下的永磁同步發電機電壓和轉矩方程可表示為：

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

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

圖3　永磁同步發電機在同步旋轉坐標系下的等效電路

發電機輸出電功率可表示為：

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

2.5功率變換器

對于離網型變速潮流能發電系統，通常采用三相二極管整流橋對發電機輸出的交流電進行整流變換。而蓄電池組儲能系統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構。

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。該變換器具有結構簡單高效、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電系統。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方案，通過獨立調節兩個開關管，變換器升壓時呈現BOOST電路特性，降壓時呈現BUCK電路特性，有效降低開關管損耗。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分別為開關管T1，T2的占空比。

2.6儲能裝置與卸荷負載

離網型潮流能發電系統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，對于改善離網型潮流能發電系統的輸出性能具有非常重要的作用。蓄電池儲能系統是一個典型的非線性系統，難以對其充放電狀態進行精確描述[10]。本文采用一種簡化的等效電路模型，其結構如圖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為蓄電池歐姆內阻；Rr，Cr分別為極化內阻和電容；Ucr，Ir分別為極化內阻端電壓和電流。

3　仿真與實驗分析

本文基于Matlab/Simulink軟件建立了離網型潮流能發電系統的仿真模型，如圖6所示。

圖6　離網型潮流能發電系統仿真模型

根據式（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時的潮流能發電系統性能仿真結果。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速的變化情況，可以看出透平轉速隨著流速的波動而波動。圖7（d）為潮流能利用系數變化情況，顯然，潮流能利用系數基本維持在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電系統性能仿真結果

基于對離網型水平軸潮流能發電系統結構和運行特性的研究，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潮流能發電裝置，其樣機如圖8所示。圖9所示為該系統的功率控制柜。樣機實海況運行結果表明，該透平結構可以通過翼型尾翼完成雙向潮流對流功能。由于尾翼結構參數計算誤差和裝置投放位置不夠平坦導致自調向旋轉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最大流速為1.3 m/s左右）。從裝置投放至發電機被拆解已時隔3 a，所設計的永磁直驅潮流能發電機仍能正常運行，顯然該發電機具有較好的海洋環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潮流能發電裝置

4　結論

本文針對水平軸潮流能發電系統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水平軸潮流能發電裝置的結構進行了改進。由于省去了變槳距機構或增速器等動密封結構，所設計的水平軸定槳距永磁直驅潮流能發電系統具有相對較高的結構可靠性。根據水平軸直驅永磁潮流能發電系統的結構特點，分析了系統各部分的運行特性，給出了系統各部分的數學模型?；贛atlab/ Simulink軟件建立了離網型潮流能發電系統各部分的仿真模型。通過模型仿真分析和實海況實驗研究，結果表明所設計的永磁直驅式水平軸潮流能發電系統能夠有效地利用雙向潮流能發電。通過進一步優化設計，該透平和發電機設計方案可以有效地解決水平軸潮流能發電系統的雙向潮流適應性和運行可靠性問題。

圖9　潮流發電功率控制柜

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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利用。E-mail：dongyj591@163.com