基于直线电机的直驱式波浪发电控制系统设计

论文总字数：23389字

摘 要

自工业革命以来，科学技术的创新发展，推动着世界经济迅猛发展，社会在不断进步，地球人口激增，与此同时，人类对于能源的需求急剧增长。在支撑人类经济发展200多年之后，煤、石油、天然气等传统化石能源日益枯竭，人类也为经济发展带来的物质享受付出了惨重的代价：生物种类快速减少，生态环境不断恶化，极端气候日益频发等等。随着人们对可持续发展的不断认可，以及出于对能源安全和气候变化的政治承诺，可再生能源产业正在全球范围内快速发展。地球表面百分之七十的面积被海洋覆盖着，浩瀚的海洋中蕴藏着巨大的能量，吸引着越来越多的人的目光。

波浪能作为海洋能中的一种从很早之前就得到了一些人的研究，近几十年来，波浪发电技术得到快速发展，主要的波浪能发电装置都是利用能量转换装置将波浪能先转换为其他形式的能量再转化为电能，这当中不可避免的会有能量的损耗。

直驱式波浪发电技术是随着波浪发电和直线电机技术的发展，迅速发展起来的新型直驱式发电技术。直驱式发电系统采用直线发电机直接将波浪的机械能转换为电能，没有中间的能量转换，减少了损耗。

本课题以直驱式波浪发电为研究对象，按照永磁同步发电机的原理建立了永磁直线发电机的数学模型，在直线发电机的控制和最终的并网控制方面，采用PI控制技术保证从波浪中提取最大功率，应用全功率交—直—交PWM变换技术，采用电压定向控制满足并网运行的要求。

最终，利用Simulink建立低速直驱波浪发电并网系统模型，调试并且验证所搭建模型的正确性。

关键词：永磁直线发电机，直驱式波浪发电，PWM，Simulink

Abstract

Since the Industrial Revolution, the innovation and development of science and technology has promoted the rapid development of the world economy, the society is progressing and the number of people increases quickly, in the meantime, human demand more and more energy. After supporting the economic development of mankind nearly 200 years, the coal, oil, natural gas and other traditional fossil fuels are dried up, and humans has paid a heavy price for the material comfort coming from the economic development: the biological species decrease rapidly, the ecological environment is becoming worse and worse, the extreme weather is becoming frequent and so on. As more and more people recognize the importance of the sustainable development, and due to the political commitments over energy security and climate change, the renewable energy industry is developing all over the world rapidly. Seventy percent of the Earth's surface area is covered with oceans, the wide ocean filled with abundant energy is attracting more and more people's attention.

As one of the marine energy, the wave energy had been researched since a long time ago. In recent years, the technologies of wave power generation have developed quickly, the main wave energy generation devices take advantage of the energy convertor to convert the wave energy into other forms of energy and then into electricity, during the process, it is inevitable that some energy will be loss.

The direct-drive wave energy generation technology which develops rapidly is a new type of wave energy generation technology with the development of wave power and linear motor technology. The direct-drive systems usually use a linear generator to convert mechanical energy of the wave into electrical energy directly, it reduce the loss because of the elimination of intermediate step.

The research object of this issue is direct-drive wave energy generation, it establishes a mathematical model of permanent magnet linear generator according to the principle of permanent magnet synchronous generator. In terms of the control strategies and the technology of connection with the power grid, it uses the PI control technology to extract the maximum power from the wave energy, taking advantage of the full power AC - DC - AC PWM conversion technology, makes use of voltage-directional control to meet the requirements of network operation.

Finally, it uses Simulink to establish the model of low-speed direct-drive wave generation and connection with the power grid, by debugging verifies the correctness of the model structures.

Keywords：permanent magnet linear generator, direct-drive wave energy generation, PWM, Simulink

目 录

摘要Ⅰ

AbstractⅡ

第1章 绪论1

1.1波浪发电的研究背景与意义1

1.2波浪能发电研究概况2

1.2.1国外波浪发电研究概况2

1.2.2国内波浪发电研究概况3

1.3典型波浪能发电装置4

1.3.1摆式波浪能发电4

1.3.2振荡水柱式波浪能发电5

1.3.3越浪式波浪能发电5

1.3.4鸭式波浪能发电5

1.3.5筏式波浪能发电5

1.3.6点吸式波浪能发电5

1.4课题主要研究内容6

第2章 系统模型建立7

2.1 系统结构7

2.2永磁直线发电机数学模型7

2.3参考坐标系变换10

2.3.1等功率abc/dq参考坐标系变换10

2.3.2等功率dq/αβ参考坐标系变换11

2.4系统控制策略分析11

2.4.1最大功率提取11

2.4.2发电机侧控制策略12

2.4.3电网侧控制策略14

2.4.4 SVPWM原理16

第3章 直驱式波浪发电系统仿真设计23

3.1直驱式波浪发电系统23

3.2永磁直线发电机仿真模型23

3.3直线发电机侧控制仿真26

3.4电网侧控制仿真26

第4章 仿真结果分析28

4.1永磁直线发电机仿真测试28

4.2电网侧控制策略测试30

4.3总结32

致 谢34

参考文献35

第1章 绪论

1.1 波浪发电的研究背景与意义

日益增长的能源需求、日渐萎缩的传统化石燃料能源以及日益突出的环境问题成为可再生能源发展的强大推动力。

煤、石油和天然气等传统化石能源仍然是目前全球最主要的消耗能源，作为人类生存和发展的重要物质基础，自第一次工业革命之后，煤炭、石油、天然气等化石能源支撑了将近两个世纪来人类社会的进步和世界经济的发展。人类同时也为经济发展带来的物质享受付出了惨重的代价：生物种类快速减少，生态环境不断恶化，极端气候日益频发等等。然而，化石能源是不可再生的，人类为了发展而不断对其消耗，使得化石能源正在日渐面临枯竭，也可以说它们的储量已不足以满足未来的需求。此外，由于存在温室气体排放和其他污染物排放问题，它们并不是环境友好型能源。第二次世界大战末期，投放在日本广岛和长崎的人类至今为止首次也是最后一次的原子弹，促使了二战的结束，同时也打开了人类使用核能的新纪元。二战之后，核能迅速转向和平利用，经过近40年的发展，利用核裂变技术进行发电已经十分成熟，由于其经济高效，绝大部分情况下运行安全可靠，目前核电已经占了全球电力总量可观的一部分。然而，开发应用核能源，安全问题至关重要，人们十分担心发展核能过程中细微的失误可能造成的危害，主要包括核扩散问题、处理核废料问题和安全问题，特别是近几十年来发生的几次核泄漏事故让人们对发展核电充满争议和顾虑。另一方面，水能虽然蕴藏量巨大，但建设水力发电厂初期投资较高，由于地缘政治以及可用水资源季节性不稳定等原因，大多无法利用，水的利用率较低，而且建设水电厂会对生态环境和自然环境产生影响^[1]。

能源需求将会随着科技的发展而持续增长，而传统能源资源将日渐枯竭，同时环境问题也将会获得更多关注。由于当今世界正在经历着一场巨大的能源短缺危机，应该使用替代技术来获取、储存、调节和利用资源。出于对能源安全和气候变化的政治承诺，可再生能源产业正在全球范围内蓬勃发展，可再生能源所做的贡献越来越大。

海洋覆盖着地球表面71%的面积，在广阔无垠的海洋里，蕴藏着极为丰富的自然资源和巨大的可再生能源，据估计，海洋能源约占世界能源总量的70%。海水受到太阳、月亮等星球引力的作用以及由于地球自转、太阳辐射等因素带来的影响，将能量以热能和机械能的形式储存在海洋里^[2]。海洋代表了一种广阔的并且大部分尚未开采的能量的来源，海洋能是一种可再生能源，主要包括潮汐能、波浪能、洋流能、海洋温差能、海水盐差能、海洋渗透能。

海洋能有潜力供应我们未来能源需求中显著的一部分。近几年来，人们利用海洋能发电的兴趣得到增强。目前，世界各国科研人员对开发和利用海洋能源的研究还处于初始阶段，因此海洋能是可再生能源中极具开发利用价值的的一种能源。其中，对潮汐能的开发利用技术比较先进，已经能够建造一些工程来利用；海洋热能的利用处于工程性研究阶段；对洋流能和盐度差能的开发利用，仅仅处于理论研究阶段；目前，很多科研人员将目光投向了波浪能的开发利用，不断地试验研究利用技术^[1]。

合理开发和使用海洋能的目的是建立一个可持续发展的和平社会，满足人类对能源的需求。利用海洋波浪的能量能保持环境清洁，减少有害排放物，还会帮助我们创造新的就业机会。为了得到合适的能源利用结果，我们必须采用一种安全经济的能源利用方式。

对比几种海洋能，波浪能能量密度较高，波浪发电形式更加灵活，既可以用于海洋浮标、灯塔供电，也可以用于大规模的并网发电，不太容易受到地理环境的影响，由于波浪发电装置远离住区，对有人类生活的陆地环境基本不会产生不好的影响^[3]。

利用海洋波浪发电，既不会消耗任何燃料和资源，又不会产生任何污染，并且投资少，见效快，因此合理开发利用波浪能具有极大的实用价值。这种不需要陆地，只要有海洋波浪存在就能发电的方法，特别适合在那些无法铺设电线的海中岛屿应用以及作为航标灯、浮标等的电源使用。

目前，利用波浪能发电的方法大致有三种^[4]：一是利用海洋波浪在垂直方向的运动来产生空气流或水流，带动气（水）轮机转动，从而使得发电机发电；二是利用海洋波浪装置在水平方向的摆动或转动产生空气流或水流，带动气（水）轮机转动，从而使得发电机发电；三是将低压大波浪变为小体积的高压水，然后把水注入到位于高处的水池储蓄起来，利用放出海水时形成水头，再来带动水轮机发电。总的来说，波浪发电的原理主要就是利用波浪运动的位能差、往复力或浮力产生动力。

1.2波浪能发电研究概况

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