新型水平轴定桨距永磁直驱潮流能发电系统设计及应用

董永军，朱挽强，陈健梅，徐明奇，郭景富

（1.东北师范大学 物理学院，吉林 长春 130024；2.吉林省先进能源开发与应用创新重点实验室，吉林 长春 130024）

新型水平轴定桨距永磁直驱潮流能发电系统设计及应用

董永军1,2，朱挽强1,2，陈健梅1,2，徐明奇1,2，郭景富1,2

（1.东北师范大学 物理学院，吉林 长春 130024；2.吉林省先进能源开发与应用创新重点实验室，吉林 长春 130024）

双向潮流适应性和运行可靠性是水平轴潮流能发电系统需要解决的两个关键问题。文中研究的新型潮流能发电系统由自适应双向流水平轴定桨距潮流能透平、直驱永磁发电机、功率变换器、蓄电池储能系统以及卸荷负载组成。根据我国潮流能特点和直驱永磁发电系统的运行特性，采用翼型尾翼完成透平的双向潮流对流功能。针对离网型潮流能发电系统的功率控制，设计了基于三相不可控整流桥和双管BUCK-BOOST变换器的功率变换电路。基于Matlab/Simulink软件对20 kW潮流能发电系统各部分进行了建模与仿真分析。在实海况环境进行了现场试验。研究表明，设计的离网型水平轴潮流能发电系统能够有效地利用双向潮流能，而且在结构设计方面所采取的措施提高了系统的可靠性。

水平轴潮流能发电系统；双向潮流适应性；功率变换；建模仿真

潮流能作为一种海洋可再生能源，具有稳定、规律、不受天气影响、易于获取且储量巨大等优点。据联合国教科文组织估算，全球可开发利用的潮流能资源约为300 GW；欧盟委员会支持的非核能项目估计，欧洲可利用的潮流能可达12.5 GW[1]。我国是潮流能资源最为丰富的区域之一，据《中国沿海农村海洋能资源区划》对我国沿岸130个水道潮流能资源蕴藏量的统计，我国可利用的潮流能理论平均功率约14 GW[2]。潮流能的利用方式与风能类似，但流速较低，且流速和流向更平稳，其主要利用形式为发电。有效利用潮流能发电，可以为沿海及岛屿、海洋监测仪器、水下声呐等提供电能。潮流能发电技术的推广和应用将对缓解我国能源短缺、改善能源结构、降低环境污染、开发海岛经济及增强海洋国防实力具有重要意义。

由于我国沿海潮流能持续时间最长的流速在0.5～2 m/s之间，其能量密度远小于当今世界潮流能开发较早的英美等国潮流能资源，因此适应我国现状的潮流能发电装置必须具备低流速启动和发电能力，否则很难具有经济价值。水平轴潮流能透平因其能量转换效率高和自启动性能好等特点而成为世界上潮流能发电装置的主要透平形式之一[3-4]，但其双向潮流适应性是需要解决的关键问题之一。结合我国的潮流能特点，永磁发电机因具有阻力矩小、启动流速低和转动惯量大等特点，在潮流能发电系统中有着广泛的应用前景。而且，永磁发电机已广泛应用于风力发电系统，一是其自励磁特性使得系统能够在高功率因数和高效率下运行；二是其额定转速可调范围较大，转速可以较低，与风力机直接耦合连接，取消了齿轮箱，从而提高了风力发电机组的效率和可靠性。但是，传统的永磁发电机应用于潮流能发电系统需要解决其动密封问题。此外，对于定桨距水平轴永磁直驱潮流能发电系统，功率变换器的控制性能对系统的能量转换效率和运行可靠性具有重要的影响。

作者所在课题组长期致力于水平轴潮流能发电系统的研究工作，为提高透平装置的低流速启动能力和运行可靠性，采用定桨距四叶片透平方案。透平依靠翼型尾翼的水动力性能实现双向潮流对流功能。为提高发电机装置的效率和可靠性，采用永磁直驱发电机方案，密封式发电机绕组暴露于海水中，能够避免对密封式发电机结构带来的可靠性隐患。针对上述离网型水平轴定桨距永磁直驱潮流能发电系统的结构和运行特性，本文设计了20 kW潮流能发电系统的功率变换器。基于 Matlab/ Simulink软件建立了系统各部分的模型，并对其进行了仿真研究。在实海况环境下进行了现场试验，根据所采集参数分析了发电装置的性能。

1　系统构成

离网型水平轴永磁直驱潮流能发电系统的典型结构如图1所示，主要包括水平轴定桨距潮流能透平、直驱永磁发电机、功率变换器、蓄电池储能系统以及卸荷负载。水平轴定桨距潮流能透平依靠其水动力性能将水平潮流动能转换为透平的旋转机械能，直驱永磁发电机将刚性传动轴传递的透平旋转机械能转换成电能，功率变换器将发电机输出的不稳定电能变换成符合储能系统要求的直流电，蓄电池储能系统和卸荷负载用于存储和平衡发电机输出的电能。

图1　离网型水平轴永磁直驱潮流能发电系统典型结构

2　结构与模型分析

潮流能发电系统的开发和应用必须基于各组成部分的结构和工作特性，通过准确分析系统各部分的运行特性，才能建立潮流能发电系统各部分的准确模型并进行仿真研究，从而有效地分析和预测潮流能发电系统的性能。

2.1流速模型

由于潮流流速状况对于潮流能发电系统性能具有非常重要的影响，因此潮流流速特性是进行潮流能发电系统性能研究的重要部分。长期的潮流流速呈周期性缓慢变化，可预测性强，但短期的潮流流速受地形、水深、波浪、风等因素的影响[5]，具有一定的波动性。由于波浪对潮流流速波动的影响较大，潮流流速vtc可近似为潮汐现象中的海水水平流速vt和波浪导致的海水水平流速vw的叠加[6]，即：

潮汐现象中的海水水平流速分量vt沿垂向分布是不均匀的[6]，可表示为：

式中：y表示距离水面的深度（负数表示在水面以下）；h为水深；umax为潮汐现象中的海水水平最大流速。显然，受海底摩擦的影响，距离海底越近，潮汐现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可表示为[6]：

式中：t为时间；ηa为波高；ωw为波的频率；k为波数，且有k=2π/波长。

2.2透平装置

传统水平轴潮流能透平多采用风力机两叶片或三叶片结构方案，尤其是三叶片结构可以得到最佳的实度[7]。较高实度的透平结构可提供较大的启动力矩，从而提高潮流能发电系统在低流速下的启动和发电性能。对于离网型潮流能发电系统，铅酸蓄电池储能系统依靠低流速下输出的小功率电能进行连续补偿式充电是较为理想的。因此，本文设计的潮流能透平装置采用大实度四叶片结构方案，通过增大透平实度来提高透平的低流速启动和发电能力。尤其是我国沿海潮流能持续时间最长的流速在0.5～2 m/s之间，流速相对较低，四叶片透平方案比较适合我国的潮流流速状况。此外，透平轮毂采用金属与非金属叠片组合式结构，在减轻重量的同时提高了轮毂的疲劳寿命。

双向潮流适应性是水平轴潮流能透平应具备的特性之一，否则将大大降低双向潮流能利用率。传统水平轴潮流能透平多采用动密封式（液压或电动）大角度变桨距或透平整体偏航方式实现透平的双向潮流调向功能。动密封结构长期在海水环境下运行存在一定的安全隐患，必须定期维护。本文设计的定桨距水平轴透平依靠水动力尾翼在垂直方向上180°往复偏转实现透平的双向对流，采用非金属聚合物轴承系统[8]，完全暴露于海水中，能够避免动密封可能存在的安全隐患。

与水平轴风力机类似，水平轴潮流能透平从潮流能中捕获的能量Ptc可表示为：

式中：ρ为海水密度；R为透平半径；CP为潮流能利用系数。

对于水平轴定桨距潮流能透平，CP为叶尖速比λ的函数，而叶尖速比可表示为：

式中：ω为透平旋转角速度。

潮流能透平输出转矩系数CT(λ)与潮流能利用系数CP(λ)的关系为：

显然，对于定桨距透平，CT(λ)与CP(λ)一样仅为λ的函数。

潮流能透平机械输出转矩为：

2.3传动机构

对于水平轴潮流能直驱永磁同步发电机组，由于发电机转轴与透平直接刚性相连，省去了增速齿轮箱，完全可以忽略传动轴的柔性扭转，其简化的单质量传动系统模型如图2所示。

图2　简化的单质量传动系统模型

该系统的等效模型可表示为：

式中：J为发电机的等效转动惯量；Te为发电机电磁转矩；B为转动粘滞系数。

2.4永磁同步发电机

直驱式永磁同步发电机由于省去了增速机构，具有结构简单、工作可靠、效率高、抗过载能力强等特点。发电机定子采用分数槽结构，以降低发电机内阻、减小启动阻力矩、提高发电效率[9]，从而提高潮流能发电装置的低流速启动和发电能力。传统应用于潮流能发电的永磁同步发电机多采用动密封结构，而动密封结构存在可靠性隐患，必须定期维护以确保发电机的安全性。本文设计的直驱永磁潮流能发电机定子绕组和转子永磁体进行静密封处理，发电机舱内与外界海水连通，轴承部分采用磁推力轴承和非金属聚合物轴承，轴承在海水中具有自润滑功能，可以有效减小发电机的阻力矩。由于发电机暴露于海水中，海水的冷却功能可以有效解决发电机运行过程中存在的散热问题。

根据电机原理，dq轴同步旋转坐标系下的永磁同步发电机电压和转矩方程可表示为：

式中：ud，uq分别为发电机的d轴和q轴电压分量；id，iq分别为发电机的d轴和q轴电流分量；Rs为定子绕组相电阻；Ld，Lq分别为发电机的d轴和q轴电感；p为发电机转子的极对数；ω为发电机转子的机械角速度，且有电角速度ωe＝pω。

根据式（9）可得永磁同步发电机在dq轴同步旋转坐标系下的等效电路，如图3所示。

图3　永磁同步发电机在同步旋转坐标系下的等效电路

发电机输出电功率可表示为：

式中：ua，ub，uc分别为发电机的相电压；ia，ib，ic分别为发电机的相电流。

2.5功率变换器

对于离网型变速潮流能发电系统，通常采用三相二极管整流桥对发电机输出的交流电进行整流变换。而蓄电池组储能系统的电压变化范围较小，需对整流变换后的电能进行DC-DC变换，实现功率变换电路与储能装置的电压匹配。由于变速机组的电压变化范围较大，本文设计了双管BUCK-BOOST变换器实现功率变换电路的升降压变换。图4所示为基于三相二极管整流桥和双管BUCKBOOST变换器的功率变换电路拓扑结构。

图4　基于三相整流桥和双管BUCK-BOOST变换器的功率变换电路

由于三相二极管整流桥具有不可控性，整个功率变换电路的控制核心为双管BUCK-BOOST变换器。该变换器具有结构简单高效、输入输出电压同极性、电压输入范围宽、器件应力低和变换功率大等特点，非常适合独立运行可再生能源发电系统。本文设计的双管BUCK-BOOST变换器采用非同步控制模式组合开关方案，通过独立调节两个开关管，变换器升压时呈现BOOST电路特性，降压时呈现BUCK电路特性，有效降低开关管损耗。双管BUCK-BOOST变换器在非同步控制模式下的通用输入输出电压关系可表示为：

式中：Uin，Uout分别为变换器输入和输出电压；D1，D2分别为开关管T1，T2的占空比。

2.6储能装置与卸荷负载

离网型潮流能发电系统多采用铅酸蓄电池组作为储能装置，同时配备卸荷负载来平衡发电机的输出能量。基于铅酸蓄电池的储能装置可有效平衡潮流能发电的波动性和间歇性以及用户用电的随机性，对于改善离网型潮流能发电系统的输出性能具有非常重要的作用。蓄电池储能系统是一个典型的非线性系统，难以对其充放电状态进行精确描述[10]。本文采用一种简化的等效电路模型，其结构如图5所示。

图5　铅酸蓄电池的等效电路

图5所示铅酸蓄电池等效电路的数学模型可表示为[6]：

式中：Ub为蓄电池端电压；Ib为主反应回路电流；Eb为蓄电池的开路电压；R0为蓄电池欧姆内阻；Rr，Cr分别为极化内阻和电容；Ucr，Ir分别为极化内阻端电压和电流。

3　仿真与实验分析

本文基于Matlab/Simulink软件建立了离网型潮流能发电系统的仿真模型，如图6所示。

图6　离网型潮流能发电系统仿真模型

根据式（1）～式（3）可知，图6中的短期潮流仿真模型为流速平均值与正弦信号的叠加。图7所示为平均潮流流速在1.2 m/s时的潮流能发电系统性能仿真结果。图7（a）所示为潮流流速的仿真波形。图7（b）所示为潮流透平输出功率的变化情况。图7（c）给出了水平轴潮流能透平转速的变化情况，可以看出透平转速随着流速的波动而波动。图7（d）为潮流能利用系数变化情况，显然，潮流能利用系数基本维持在0.3左右，与设计基本吻合。图7（e）所示为基于式（12）和式（13）所给出的铅酸蓄电池组模型的充电电压变化情况，该电压在240 V左右有小幅度波动。

图7　平均潮流流速在1.2 m/s时的水平轴潮流能发电系统性能仿真结果

基于对离网型水平轴潮流能发电系统结构和运行特性的研究，本文作者所在课题组研制了20 kW自适应双向流水平轴定桨距永磁直驱潮流能发电装置，其样机如图8所示。图9所示为该系统的功率控制柜。样机实海况运行结果表明，该透平结构可以通过翼型尾翼完成双向潮流对流功能。由于尾翼结构参数计算误差和装置投放位置不够平坦导致自调向旋转轴承处存在应力等因素影响，透平无法正对潮流，使得潮流能利用效率有所降低，实测潮流能利用效率最大仅为0.18左右（装置投放位置测得持续最大流速为1.3 m/s左右）。从装置投放至发电机被拆解已时隔3 a，所设计的永磁直驱潮流能发电机仍能正常运行，显然该发电机具有较好的海洋环境适应性和较高的可靠性。

图8　20 kW自适应双向流水平轴定桨距永磁直驱潮流能发电装置

4　结论

本文针对水平轴潮流能发电系统的双向潮流适应性和运行可靠性问题，采用一系列措施对传统水平轴潮流能发电装置的结构进行了改进。由于省去了变桨距机构或增速器等动密封结构，所设计的水平轴定桨距永磁直驱潮流能发电系统具有相对较高的结构可靠性。根据水平轴直驱永磁潮流能发电系统的结构特点，分析了系统各部分的运行特性，给出了系统各部分的数学模型。基于Matlab/ Simulink软件建立了离网型潮流能发电系统各部分的仿真模型。通过模型仿真分析和实海况实验研究，结果表明所设计的永磁直驱式水平轴潮流能发电系统能够有效地利用双向潮流能发电。通过进一步优化设计，该透平和发电机设计方案可以有效地解决水平轴潮流能发电系统的双向潮流适应性和运行可靠性问题。

图9　潮流发电功率控制柜

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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

国家海洋可再生能源专项资金资助项目（ZJME2013ZB02）

董永军（1984-），男，博士，讲师，主要研究方向为海洋可再生能源开发利用。E-mail：dongyj591@163.com