水平轴海流能发电装备能量管理控制系统的研究

【摘要】：能源危机使得传统能源已经独木难支,新能源开始发挥举足轻重的作用。而占到地球面积71%的海洋蕴含巨大的能量,其中的海流能由于分布广泛、能量密度大、开采成本低且对生态环境影响小等特点在国内外引起广泛关注,各国政府和商业机构竞相投入大量研发资金。海流能的能量控制器是电力电子技术和计算机控制技术在海流能发电装备上的综合应用,也是海流能发电装备的关键技术之一。本文通过数学建模、软硬件设计和试验研究三个方面对水平轴海流能能量控制器展开了深入的研究。 论文首先综述了国内外海流能发电装备的研究发展现状,进而聚焦于水平轴海流能发电装备的控制方法的研究成果,重在分析不同的控制结构和控制算法,以提出高效的控制方法。 其次,从流体的贝兹理论开始数学推导海流能最大功率跟踪的理论基础,用演绎推理的方法分析了爬山法实现最大功率跟踪的原理并提出DC-DC控制结构和蓄电池充放电控制策略。 再次,对能量管理控制器进行总体设计,按照功能的不同将其划分成整流滤波、DC-DC、IGBT驱动、信号采集等功能模块。此后从叶轮和电机的参数入手,根据功能需求完成关键器件的选型并展开功能模块的硬件设计。 接着,对能量管理控制器的应用程序展开设计。在基于嵌入式Linux系统的软件平台上,本文对最大功率捕获、蓄电池分阶段定电压的控制算法展开研究,同时设计系统LCD液晶屏的用户界面。 最后,在实验室环境下搭建海流能能量管理控器的试验系统,本文将叶轮的输入与能量管理控制系统的输出进行分析比较,全面的分析控制系统的性能,对海流能最大功率跟踪算法进行验证。 通过对实验过程中各项数据的分析研究,本文证实了数学理论分析的正确性。同时设计制作出一套水平轴海流能能量控制系统的实物,为下一步现场实验打好了基础。 【关键词】：水平轴海流能发电系统 能量控制 最大功率跟踪 蓄电池充电
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：P743.1;TP273
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-9
• 目录9-11
• 1 课题研究的背景和意义11-25
• 1.1 课题的研究背景11-13
• 1.2 国内外海流能发电装备的发展现状13-20
• 1.2.1 海流能发电装备的分类13-14
• 1.2.2 国外海流能研究现状14-18
• 1.2.3 国内海流能发展现状18-20
• 1.3 海流能发电系统能量管理控制的研究现状20-24
• 1.4 课题的主要研究内容24-25
• 2 海流能发电系统的构成及运行原理25-36
• 2.1 系统基本组成及功能25-26
• 2.2 最大功率跟踪原理26-31
• 2.2.1 贝兹理论26-29
• 2.2.2 叶轮功率特性曲线29-30
• 2.2.3 最大功率跟踪控制目标30-31
• 2.2.4 叶轮的动力学分析31
• 2.3 最大功率跟踪控制理论31-34
• 2.3.1 DC/DC变换器数学模型31-33
• 2.3.2 最大功率跟踪原理33-34
• 2.4 能量存储系统34-36
• 3 海流能发电装备能量管理控制系统的硬件设计36-54
• 3.1 控制系统总体设计36-37
• 3.2 控制系统关键器件选型37-42
• 3.2.1 永磁体发电机选型37-38
• 3.2.2 电流传感器与电压传感器38-40
• 3.2.3 IGBT及驱动芯片40-41
• 3.2.4 蓄电池41-42
• 3.3 控制系统的电路设计42-54
• 3.3.1 S3C2440开发板硬件介绍43-48
• 3.3.2 控制系统硬件模块设计48-54
• 4 海流能发电装备能量管理控制系统的软件设计54-65
• 4.1 软件开发环境54-56
• 4.2 控制系统软件模块设计56-65
• 4.2.1 最大功率跟踪法控制方案56-60
• 4.2.2 蓄电池分阶段定电流充电控制方案60-62
• 4.2.3 液晶屏用户界面设计62-65
• 5 海流能发电装备能量管理控制系统的实验研究65-79
• 5.1 实验系统的组成65-70
• 5.2 最大功率跟踪控制实验70-79
• 5.2.1 Buck结构性能测试70-72
• 5.2.2 恒转速变功率实验72-75
• 5.2.3. 变转速功率跟踪试验75-77
• 5.2.4 实验结论77-79
• 6 总结与展望79-81
• 6.1 课题总结79-80
• 6.2 工作展望80-81
• 参考文献81-87

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