小型波浪能发电装置及其电能管理系统的研究

【摘要】：全球经济的快速发展对能源的需求不断增大，导致天然气、石油和煤等资源加剧减少。新型能源的研究、开发和利用势在必行。海洋波浪能是一种没有污染、储能非常丰富的可再生能源，地球上海洋波浪蓄藏的电能可达到5000GW，我国是海洋大国，可利用的波浪能极为丰富。波浪能发电具有无污染、可再生、储量大等优点，对解决当今日益严重的能源缺乏问题有着非常重大的意义。本论文研究是一种新型漂浮式波浪能发电装置，可以向海上浮标灯、沿海居民和守卫海岛的战士提供电力，等技术成熟后还可以实现大规模并网发电，因此具有重要的理论和实际意义。将海洋中的储存的波浪能转换为可以供人类利用的电能，最关键的问题是如何利用波浪能发电。所以在波浪能发电系统中波浪能转换装置和电能变换装置是研究的重点。 论文首先讲述了波浪能发电的发展过程、国内外波浪能发电应用状况，对波浪能发电有了深入的研究。通过分析了目前世界上各种常用的波浪能转换装置，选择了采用永磁直线往复运动式发电机作为波浪能转换装置，将永磁直线发电机应用于波浪发电领域，采用直立的直线往复运动的永磁体动子作为发电机励磁，可以直接与波浪的起伏运动特点相吻合，简化了波浪能的转化过程，省去了各种传动装置。然后研究了永磁直线往复运动式发电机的设计方法，设计了一个特殊四面结构的直线发电机，主要包括发电机的运行参数和结构参数。并应用Ansoft13软件对永磁直线往复式发电机进行建模，对发电机模型进行仿真分析。通过修改电机的参数对永磁直线发电机进行了优化，主要优化参数包括电机的极对数、永磁体的尺寸、定子槽数、绕组匝数等，确定了永磁直线发电机的设计方案。 接着论文讲述了由三相整流桥电路、Buck-Boost变换电路及双向Buck/Boost变换电路组成的电能变换装置。当在起伏的波浪的作用下，永磁直线发电机发出的为变频变幅不稳定的交流电能，电能变换装置将不稳定的交流电转换为稳定的直流电能用于负载和充电到备用蓄电池；当海面风平浪静的时候，永磁直线发电机不发电或发出的电压不足，由蓄电池通过双向Buck/Boost变换电路供电给负载。然后对Buck-Boost变换电路、双向Buck/Boost变换电路进行了建模分析确定了控制方法，并应用Matlab对Buck-Boost变换电路控制系统和蓄电池充放电控制系统进行了仿真。然后完成了电能变换装置的设计，主要包括硬件电路的搭建和软件的编写。 最后论文讲述了在完成永磁直线发电机实物、电能管理系统的的设计的基础上的仿真和实验分析，验证了整个波浪能发电系统的设计方案是正确可行的。 【关键词】：波浪发电 永磁直线发电机 Buck-Boost DC/DC变换电路
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM61;TM73
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 课题背景10-11
• 1.2 波浪能发电装置原理的分析11-12
• 1.2.1 冲箱式波浪能吸收装置11
• 1.2.2 摇摆式波浪能吸收装置11
• 1.2.3 空气式波浪能吸收装置11-12
• 1.2.4 聚波储能式波浪能发电装置12
• 1.2.5 其他12
• 1.3 波浪能发电技术发展应用状况12-14
• 1.4 本课题的研究内容14-16
• 第2章 永磁直线发电机的设计16-30
• 2.1 引言16
• 2.2 直线发电机的基本结构和工作原理16-19
• 2.2.1 直线发电机的基本结构16-18
• 2.2.2 直线发电机的工作原理18
• 2.2.3 直线发电机的边端效应18
• 2.2.4 直线发电机的数学模型18-19
• 2.3 永磁直线往复运动发电机的设计19-26
• 2.3.1 永磁直线发电机材料的选择20-21
• 2.3.2 永磁直线发电机结构参数的设计21-25
• 2.3.3 永磁直线发电机参数的计算25-26
• 2.4 永磁直线发电机电磁场有限元分析26-28
• 2.4.1 电磁场分析软件 Ansoft 13 的概述26-27
• 2.4.2 永磁直线发电机电磁场的具体分析27-28
• 2.5 本章小结28-30
• 第3章 电能变换装置建模及控制参数的设计30-58
• 3.1 引言30
• 3.2 Buck-boost 电路的建模及控制器的设计30-51
• 3.2.1 Buck-Boost 变换电路的原理30-34
• 3.2.2 Buck-Boost 变换电路的平均法建模34-42
• 3.2.3 Buck-Boost 变换电路反馈控制的设计42-50
• 3.2.4 Buck-Boost 变换电路闭环控制的 MATLAB 仿真50-51
• 3.3 蓄电池充放电电路及控制策略的设计51-57
• 3.3.1 Buck 变换电路的原理分析51-54
• 3.3.2 Boost 变换电路的原理分析54-55
• 3.3.3 蓄电池充放电闭环控制的设计55-57
• 3.4 本章小结57-58
• 第4章 波浪能发电装置电能管理系统软硬件的设计58-68
• 4.1 电能管理系统的构成58
• 4.2 硬件电路的设计58-63
• 4.2.1 系统性能指标58-59
• 4.2.2 电能变换电路的设计59
• 4.2.3 检测电路59-60
• 4.2.4 控制电路60-62
• 4.2.5 驱动电路62-63
• 4.3 电能管理系统软件设计与实现63-67
• 4.3.1 主程序软件的设计63
• 4.3.2 基于 Buck-Boost 变换电路稳压控制子程序63-64
• 4.3.3 基于 Buck/Boost 变换电路蓄电池充放电控制子程序64-65
• 4.3.4 数字 PI 控制算法子程序65-67
• 4.4 本章小结67-68
• 第5章 实验结果及分析68-74
• 5.1 永磁直线发电机仿真及分析68-69
• 5.2 Buck-Boost 变换电路实验及分析69
• 5.2.1 Buck-Boost 变换电路实验调试69
• 5.2.2 实验结果分析69
• 5.3 蓄电池充放电控制仿真及分析69-73
• 5.3.1 蓄电池恒流充电控制的仿真及分析70-71
• 5.3.2 蓄电池恒压充电控制的仿真及分析71-72
• 5.3.3 蓄电池供电控制的仿真及分析72-73
• 5.4 波浪能发电系统控制仿真及分析73
• 5.5 本章小结73-74
• 结论74-75
• 参考文献75-78
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果78-79
• 致谢79

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