新型海流能发电控制系统设计

王世明，杨志乾，杨倩雯，田 卡，李思超

（上海海洋大学 工程学院，上海 201306）

新型海流能发电控制系统设计

王世明，杨志乾，杨倩雯，田 卡，李思超

（上海海洋大学 工程学院，上海 201306）

新型海流能发电装置控制系统是基于MPPT理论，增加了最大功率捕获控制及直流电路稳压控制，通过数学模型模拟海流速度及发电机电磁力矩，并在Matlab/Simulink环境下进行系统的搭建和仿真研究。其结果表明在实际输出功率对最大功率的比值基本相同，该系统实现对最大功率捕获，并在直流母线后端电压基本稳定，验证控制系统设计的有效性。通过搭建试验平台，对该发电系统进行试验研究。记录数据拟合曲线与理论公式曲线一致，且实现电压也在合理的波动范围，试验结果证明该控制系统正确，可进一步示范应用。

海流能；控制系统；稳压控制；最大功率捕获

海流能是指海水流动的动能，主要是指海底水道和海峡中较为稳定的流动以及由于潮汐导致的有规律的海水流动所产生的能量。其特点：往复性强、能量易捕获。水平轴桨叶式海流能发电系统是一个复杂的非线性、多变量、强干扰系统[1]。如何获取更多的往复来流能量是近年来研究的重要问题[2]。

本文以一种新型的双向直驱式发电装置（图1）为研究对象，结合应用于风力发电系统的MPPT控制原理，设计了以DSP28335芯片为主的控制核心，整个系统内主要包括DSP28335控制模块、功率器件模块、转速采集模块、驱动电路、通讯模块、人机交互模块等部分，其最终目的是能够捕获最大功率，实现交直流负载输入稳定电压。

图1 双向直驱式发电装置示意图

1 系统总体设计

整个新型装置发电系统包括叶轮、永磁同步发电机、全控整流单元、Boost型升压单元、DSP控制板、蓄电池充放控制单元、逆变单元、负载。系统结构如图2所示。

图2 发电系统结构

新型装置发电系统的工作原理：

叶轮获取海流能量并直接传递给两台永磁同步发电机，发出交流电经过两个三相全控桥式整流单元及Boost型单向DC/DC变换器升压至所需直流电，并在直流母线上并联，并通过储能单元及配套DC/DC变换器来稳定直流母线。然后通过单相逆变器和DC/DC变换器分别向交流负荷和直流负荷供电，也可并网运行。此过程叶轮与电机之间采用一级传动，其比多级传动减少能量损耗，但发电机输出数据比较波动较大，增加控制难度。

根据上述发电系统的工作原理以及要实现的基本功能，因此在控制系统设计时，采用最大功率Pmax给定法及恒压控制法（CVT）[3]。控制系统内部包括DSP28335控制模块、功率器件模块、转速采集模块、驱动电路、通讯模块、人机交互模块等部分，满足整个控制系统的需要。

最大功率Pmax给定法的机理是根据发电机内部嵌入的霍尔传感器[4]每分钟传出的脉宽数量计算出转速ωopt来推测水轮机的最佳尖速比λopt，又在不同流速的情况下，最大功率Pmax与转速ωopt呈三次方曲线关系。故将最大功率作为给定值，然后与实际输出测算功率比较，根据误差值的大小决定运用PID控制算法进行调节，产生PWM信号调节全控整流单元，进而使实际功率尽可能接近最大功率实现追踪。其控制框图如图3所示。

图3 最大功率给定法控制框图

最大功率Pmax与λopt关系[5]：

式中：ρ为海水密度；Cpmax为最大海流能捕获系数；r为叶轮半径；ωopt为叶轮转速。

该恒压控制法（CVT）的机理与太阳能恒压控制方法不同，该机理是在以锂电池为储能单元的电路中加入全数字DC/DC双向变换器，实现对直流母线两端电压VC控制。当VC低于经验电压设定区间下限，数字PID控制算法进行调节产生PWM信号改变DC/DC变换器方向，储能单元放电；当VC高于经验电压设定区间上限，同理储能单元充电。此控制方法既不造成能量浪费，又实现母线电压稳定。控制图框如图4所示。

图4 CVT控制法控制框图

2 仿真研究

建立以海水流速为仿真系统的输入信号，海流的变化规律较易寻找，且能量变化比较平稳。综合考虑风、波浪、海水深度等海洋环境因素的影响，海水流速的数学模型[6]公式（2）如下：

式中：h为海水深度；y为该点距海平面的距离；υmax为最大海流速度。由波浪引起的流速由式（3）表示：

式中：k为波数；ωw为波浪的循环频率；ηa为波高；t为时间。

叶轮传动主轴仅是一级传动，可忽略主轴摩擦力及叶轮轴系上的粘性阻力系数产生的阻力矩，其简化力矩平衡方程为：

叶轮主轴机械力矩[7]为：

将上述数学模型得到的发电机电磁力矩作为系统发电机输入[8]，按照图5所示的仿真原理图搭载DSP控制模块、逆变模块及调用Simulink内的其他模块搭建仿真系统。设定仿真时间10 s，得到仿真系统内部相应的工作状态。

根据上述仿真系统分析得到图6（a）和图6（b）分别为功率捕获系数CP仿真曲线及直流母线后端电压仿真曲线。从图6(a)中可以看出，功率捕获系数Cp一直在CPmax=0.27附近上下波动，说明实际输出功率与给定的最大功率比值基本不变，则该控制系统实现了对最大功率点的捕获。从图6(b)中看出，直流母线后端电压维持在[210，220]区间内，完成了稳压的设计要求。

图5 仿真原理图

图6 仿真曲线图

3 试验研究

3.1 试验方案

本试验采用3 kW异步电动机、ABB变频器及传动比为12：1的减速器、转速转矩传感器组成发电机动力输入源，代替叶轮。转速可以控制在0～120 r/min之间。配合自行设计的电能控制箱组成整个测试系统。

图7 测试系统与控制电路

3.2 试验结论

试验采用动力源输入代替叶轮的方法并不影响对最大功率的跟踪，只需验证发电机转速与输入发电机功率的数据记录数据满足公式（1）的关系，即表明该控制系统满足对最大功率捕获。表1为试验采集6组数据，拟合数据绘制如图8所示图形，数据与理论公式基本一致，证明该设计合理。

表1 转速与功率数据

图8 拟合试验结果

图9 为人机交互软件内存储的母线端电压数据生成的10 s曲线图，从图中看出，实际数据比仿真数据波动范围略大一些，属于电压合理波动范围内，控制电路基本满足稳压设计初衷。

图9 电压实验数据

4 结束语

本文提出的新型海流能发电装置控制系统是基于MPPT理论，增加了最大功率捕获控制及直流电路稳压控制，通过数学模型模拟海流速度及发电机电磁力矩，并在Matlab/Simulink环境下进行系统的搭建和仿真研究。其结果表明在实际输出功率对最大功率的比值基本相同，该系统实现对最大功率的捕获，并在直流母线后端电压基本稳定，验证控制系统设计的有效性。通过搭建试验平台，对该发电系统进行试验研究。记录数据拟合曲线与理论公式曲线一致，且实现电压也在合理的波动范围，试 验结果证明该控制系统正确，可进一步示范应用。

[1]Myers L,Bahaj AS.Simulated electrical power potential harnessed bymarine current turbine arrays in the AlderneyRace[J].Renewable Energy,2005,30(11):1713-1731.

[2]孙志峰.国内外海洋能利用技术发展现状[C]//海口市人民政府、中国产业海外发展协会、中国海洋石油总公司.2015年深海能源大会论文集,2015:8.

[3]陈亚爱,金雍奥.风光互补发电系统控制技术综述[J].电气传动,2012(01):3-9.

[4]郭清,王元昔.霍尔传感器在直流电机转速测量中的应用研究[J].传感器与微系统,2011(07):54-56.

[5]马舜,李伟,刘宏伟,等.海流能发电系统的最大功率跟踪控制研究[J].太阳能学报,2011(04):577-582.

[6]Payne G S,Kiprakis A E,Ehsan M,et al.Efficiency and dynamic performance of digital displacement TMhydraulic transmission in tidal current energyconverters[J].Proc IMechE,Part A:Journal ofPower and Energy,2007,221(2):207-218.

[7]Lulian Munteanu，Antoneta luliana Bratcu，NicolaosAntonio Cutululis，等(著)，李建林，周京华，等(译)．风力发电系统优化控制［M］.北京:机械工业出版社，2010．

[8]石茂顺,李伟,林勇刚,等.海流能发电系统的负载控制仿真研究[J].太阳能学报,2014(01):119-124.

Design of a Novel Power Control System for Marine Current Energy Exploitation

WANG Shi-ming,YANG Zhi-qian,YANG Qian-wen,TIAN Ka,LI Si-chao
College of Engineering,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China

Based on the MPPT theory for the new control system in the marine current power generation device, this paper has strengthened the maximum power capture control and voltage-stabilizing control in a DC circuit. Using the mathematical model,this paper simulates the current velocity and the electromagnetic torque of the generator,and conducts research and building of the system in the Matlab/Simulink environment.The results show that the ratio between actual output power and maximum power is basically the same,the system has achieved maximum power capture,and the DC bus back-end voltage is basically stable,which verifies the effectiveness of the control system design.Through the construction of the testing platform,the power generation system has gone through experimental research.The data fitting curve is consistent with the theoretical formula curve,and the voltage is also within reasonable fluctuation range.The testing results prove that the control system is correct and can be further applied.

marine current energy;control system;voltage-stabilizing control;maximum power capture

P74

A

1003-2029（2017）04-0053-04

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.04.010

2017-02-09

海洋可再生能源专项基金资助项目(SHME2013JS01);上海市2014年优秀技术带头人计划资助项目（14XD1424300);上海市经济和信息化委员会军民结合专项资助“大型海洋自供电观测浮标产业化示范推广”

王世明(1964-)，男，博士生导师，教授，主要从事海洋可再生能源以及装备智能控制技术研究。E-mail:smwang@shou.edu.cn