水平轴潮流能发电装置控制流程设计

王兵振 ，郭 毅，张 巍，武 贺

（国家海洋技术中心，天津 300112）

水平轴潮流能发电装置控制流程设计

王兵振 ，郭 毅，张 巍，武 贺

（国家海洋技术中心，天津 300112）

以正在研制的水平轴潮流能发电装置为对象，开展了工作流程控制方法的研究工作。建立了基于叶素-动量理论的动力特性仿真模型；利用仿真模型考察了发电装置的启动转矩和转速特性，以及流速大于额定流速条件下的功率限定问题，制定了基于发电机输出电压的启动控制策略和基于发电机输出功率的功率限定控制策略。根据控制策略，设计了装置的控制流程。结合潮流变化情况，对控制流程进行了仿真。仿真结果表明，基于发电机输出电力参数的控制流程能够较好地实现对发电装置的控制。

潮流能；发电；控制流程；仿真

潮流发电技术是近年来国内外海洋能研究领域的一个热点。在国外，英国研制的水平轴潮流发电机组SeaGen具有代表性意义，随后许多研究机构开展了商业级潮流发电装置的研发工作[1]。在国家海洋局的支持下，国内许多科研单位也对潮流发电技术开展了大量的研究，研制了多个海上试验样机，并进行了实海况试验[2-3]。

海洋潮流流速近似按正弦规律变化，样机的工作需要结合潮流变化规律。当流速增大至启动流速后，潮流发电机组开始发电工作，机组输出功率随流速的大小和方向的改变而改变。虽然按潮流流速和方向来控制潮流机组工作是较为理想的选择，但这种方案也存在一定的局限性。目前，精度较高的全深度、多剖面流速测量方法为座底式测量方法，这种方法成本高，且测量设备一般为自容式仪器，与潮流机组控制系统的整合非常复杂，对系统的可靠性不利，难以适用于中小型潮流发电机组。另外，潮流能发电技术采用浮式或桩基固定平台，在固定平台上可安装单点或剖面测流设备，虽然这种方法与机组控制系统的整合较为简单，但测量点流速受到叶轮和平台影响，存在着流速的测量结果难以准确反映叶轮前方来流情况的问题。目前，国内针对水平轴潮流能发电装置的控制方法的研究相对较少，主要集中在变桨机构、电力系统的最大功率跟踪等方面[4-6]，但上述研究未与潮流的变化相结合，与之有关的控制流程的研究还未见报道。

采用发电机输出电力参量来控制机组工作的方法相对较为简单，可以避免实时测量流速所引起的问题。以正在研制的150 kW水平轴潮流发电机组为对象，结合潮流变化特性，开展了基于发电机输出电力参数的控制策略的研究工作。通过研究，设计了控制流程，并对控制流程进行了仿真分析。

1 潮流发电装置

1.1 发电系统

研制的潮流能发电装置为一台2叶片水平轴潮流发电装置，额定工作流速为2.15 m/s，最大工作流速2.5 m/s。发电装置包括机械系统、电力系统和控制系统3部分。装置的机械系统包括叶轮、传动和发电机等部分。叶轮直径为10 m，设计最佳尖速比为6.5，额定转速为24.637 r/min；轮毂直接与传动系统低速轴端部的法兰连接。传动系统采用增速传动技术方案，增速比为60.884；增速器采用行星增速的形式，传动链为2级2K-H行星齿轮传动加一级平行轴斜齿轮传动。发电机采用永磁交流发电机，额定功率为150 kW，额定转速为1 500 r/min，额定电压690 V。发电机与传动系统输出轴之间通过弹性联轴器连接。发电装置组成结构如图1所示。

图1 潮流发电样机机械和电力系统

研制的水平轴潮流发电装置采用变桨控制技术方案,利用改变叶片桨距角的方式来控制装置的启动、输出功率限定和极限工况保护等功能。

发电装置为独立供电装置，为一套日产水500 t的海水淡化装置提供补充性电力能源。电力系统包括控制器、电池组和逆变器等3部分。控制器将发电机输出的交流电转换为直流电，并进行斩波升压处理；充电电路对蓄电池组充电。蓄电池组为蓄能器件，并为逆变器提供直流电。逆变器将直流电转换为交流电，供海水淡化装置使用。

1.2 控制系统构成

样机的控制系统分2个部分：变桨测控系统和主测控系统。其中，变桨测控系统位于轮毂内部，主要用于控制叶片的桨距角位置；主测控系统位于浮式测试平台上，主要用于对整个发电样机进行监测和控制。控制系统的原理组成如图2所示。

变桨控制系统主要由1个可编程控制器（2号PLC）、变桨电机驱动路、桨距角位置传感器等部分组成。当需要进行变桨调整时，主控制器（1号PLC）向变桨控制器发送变桨控制信息，变桨控制器控制变桨电机完成桨距角调整任务。变桨驱动电机为XLE-8145A摆线针轮减速电机，其额定转速为0.29 r/min，电机为直流电机。叶片的桨距角位置通过绝对位置传感器测量，测量结果反馈给变桨控制器，形成一个闭环控制回路。

图2 控制系统组成图

主测控系统负责对样机进行总控制，包括1个控制计算机、1个可编程控制器PLC、3个测量传感器、供电电池和电源电路、2个控制开关等。设置了独立供电电池组和电源电路，与市电一起组成了一个联合供电系统。3个传感器包括发电机输出电压传感器、输出电流传感器、供电系统蓄电池组电压传感器。

2 控制流程设计

2.1 机组工作特性分析

2.1.1 仿真模型 机组的控制参量需要通过机组的动力学特性分析来确定。目前，叶素-动量理论方法是水平轴潮流叶轮动力特性仿真领域中常用的方法[7]，利用该方法建立了机组的动力特性仿真模型。模型的输入参量为来流流速、叶轮桨距角和转速，输出量为发电机输出功率或叶轮输出转矩。主要计算公式为：式中：a，b为诱导系数；φ为入流角；V为流速；F为叶尖和轮毂损失系数；B为叶片的数量；r为叶素半径；c为叶素的弦长；Cx为叶素轴向力系数；Cy为叶素切向力系数；CL为翼型的升力系数；CD为翼型的阻力系数；Cp为叶轮功率系数；λ为尖速比；λr为叶素的尖速比；Po为发电机的输出功率；ρ为海水的密度；S为叶轮的扫略面积；η为整个传动系统的效率，在此η取0.88；T为叶轮的输出转矩；sj为叶素的面积；m为叶素的数量。

2.1.2 模型验证 对仿真模型的合理性进行了小比例模型试验验证。模型叶片按原型机以12.5:1的比例缩小，其叶轮直径为800 mm。试验在天津大学拖曳水池中进行，拖曳的速度为2 m/s，试验装置如图3所示。在发电机和叶轮之间设置了扭矩/转速测量仪；发电机额定功率为800 W，额定转速为400 r/min；扭矩/转速仪的型号为ZH07-50B，转矩的最大测量值50 Nm；发电机的输出端接整流桥，整流桥的直流输出端连接了一个50 Ω的滑动变阻器。

图3 模型试验装置

叶轮功率系数的测试结果如图4所示。图中，横轴为尖速比λ；纵轴为功率系数；compute标示的曲线为计算结果；test标示的散点为试验结果。由图可知：当λ在6～8之间时，模型计算的功率系数与试验结果较为吻合；当尖速比超过8以后，仿真结果与试验结果出现一定的偏差。总体上来说，建立的仿真模型较为合理。

图4 模型试验结果

2.2 变桨机组的动力特性

2.2.1 启动参数分析 启动转矩对机组的启动有着重要的影响，分析了不同初始桨距角叶轮的启动转矩，对机组的启动性能作了进一步的了解。计算过程中，假定叶轮静止。计算结果如图5所示。图中，横轴为叶片的桨距角；纵轴为叶轮的静态启动转矩；曲线标示中的数字表示流速。共计考察了流速分别为0.6，0.8，1.0，1.2 m/s等4种流速条件下的转矩特性。

由图5可知：

（1）叶轮的静态启动转矩随桨距角的增大出现了由小变大，再由大变小的变化趋势。在桨距角达到60°左右时，所有曲线的转矩都达到了最大值，流速越大转矩最大值也越大。

（2）通过变桨控制，在低流速条件下可获得与较高流速时相同的转矩。流速为1.2 m/s、桨距角为0°的静态启动转矩约为1.1 kN·m；根据曲线的变化趋势，对于流速为0.65 m/s的情况，若桨距角达到15°时叶轮的静态转矩能够达到1.2 kN·m，略大于1.2 m/s流速、桨0°距角的转矩。

图5 叶轮启动转矩

（3）当桨距角接近90°时，叶轮的转矩几乎为0 kN·m。因此，当流速超过最大工作流速后，可将叶片的桨距角调整至90°，使叶轮的转矩降低至极低的数值，从而实现停机保护。

参考国内水平轴潮流发电机组的启动流速情况，不变桨机组的启动流速不超过0.9 m/s[8]。因此，将本机组的启动流速设定在0.65 m/s，初始桨距角设定在40°（反向来流时为220°），其静态启动转矩约为 2.5 kN·m。

对于基于发电机输出电力参数进行控制的方法来说，需要确定启动的判断依据。由于在启动前，样机处于不带载的状态，无法依据输出功率进行机组启动。但叶轮启动后发电机会有电压输出，因此制定了依靠发电机电压判断机组是否启动的策略。

利用仿真模型计算了0.65 m/s条件下，0°和40°两种不同桨距角叶轮转矩与转速的对应关系，如图6所示。图中，横轴为转速，单位rpm；纵轴为叶轮转矩，单位kN·m。曲线标示中的数字代表桨距角。由图可知，在初始桨距角为40°的条件下，叶轮的最大可能转速约为2.0 rpm，超过该数值后叶轮的输出转矩就会接近为0 kN·m；0°桨距角的情况则相反，在低转速时转矩很小，一旦启动后则转矩随转速的加大而迅速增大。

图6 启动流速叶轮转速与转矩

2.2.2 功率限定参数分析 当流速超过额定流速后，需要调整桨距角以控制机组的输出功率，即功率限定问题。利用仿真模型对额定流速～最大流速间的桨距角进行了优化，优化变量为桨距角，优化目标为将发电机输出功率限定在额定值。优化的结果如图7所示。图中，横轴为潮流流速，纵轴为发电机输出功率和桨距角的设定值。另外，对于启动流速～额定流速间的发电情况也进行了仿真计算，期间叶轮始终保持最佳尖速比工作状态，不进行变桨控制。

由计算结果可知：当流速超过额定流速2.15 m/s后，在将桨距角调整至适当值的情况下，发电机的

结合图5～图6可知，在启动过程中，当流速达到一定数值后，叶轮会呈现出缓慢转动的状态。为保证机组的启动，当叶轮开始转动后，必须及时启动变桨系统，将叶片的桨距角由40°调整至0°（或由220°调至180°），以尽快提高叶轮的转速。图6中，40°转矩曲线中最大转矩对应的转速约为1.0 rpm，而两条曲线的交点的转速约为1.64 rpm，因此启动电压可选取叶轮转速在1.0～1.64 rpm之间对应的电压。假定在输出端开路的情况下发电机的输出电压与转速成正比，则启动电压的范围约为：输出功率在149.3～150.5 kW之间变化。通过变桨的手段，能够有效调控发电机的输出功率，解决功率限定问题。另外，最佳桨距角的数值随流速的增大而增大，两者间成非线性关系；当达到最大工作流速2.5 m/s时，桨距角也增至最大值7.7°。

图7 发电功率和桨距角

对于流速超过额定流速时的功率限定问题，可以以发电机输出功率作为控制的参考量，即根据发电机输出量与额定功率的差值，再结合桨距角的调整情况，对桨距角进行调整，以控制发电机的输出功率。

2.3 控制流程设计

基于变桨控制手段，设计了水平轴潮流发电机组的控制流程。控制流程以发电机输出电压或功率为控制输入变量，涵盖了机组的低流速待机、启动、功率限定和停机保护等全部工作过程。控制流程如图8所示，图中θ为桨距角；P为发电机输出功率；Pm为额定功率；U为发电机电压。

图8 控制流程图

控制流程分4个部分，分别为初始化、状态测量、调控、状态判断。在初始化阶段，主要对控制系统的一些参数进行设置。状态测量部分主要对样机的各参量进行测量；调控部分主要根据机组的状况对其进行控制；状态分析部分主要是分析判断样机的工作状态是否合理。在运行过程中，程序在状态测量、调控、状态分析等3部分进行循环。

调控阶段主要依据发电机输出电压或功率，分析判断是否需要做出变桨调控，主要分启动、低于额定功率发电、额定功率发电和超出工作极限等情况。

为了避免程序误判和简化流程，增加了样机工作状态、保护停车等状态变量。将的样机工作状态设定为两种：工作状态、待机状态。样机的工作状态对应于发电机有有效输出功率的阶段，桨距角小于最大调整桨距角。

待机状态分两种情况，一是样机停止发电且无故障，处于正常待机状态，叶片处在40°或220°桨距角的位置，发电系统断开全部负载，这个阶段对应于流速过低的情况；二是保护待机状态，将桨距角调整至90°，机组停机，发电机输出端施加全部泻荷保护负载，这个状态对应于流速过大的情况。

机组的启动主要依据发电机输出电压。在断开载荷和初始桨距角为40°或220°的情况下，当发电机输出电压达到启动电压时，启动变桨装置，将桨距角由 40°调整至 0°（或由 220°调至 180°），机组进入工作状态。

进入工作状态后，发电机输出端接通负载，系统开始发电。测控系统实时监测发电机输出功率，根据输出功率和桨距角的情况，判断是否进行调控。在输出功率小于额定功率且桨距角为0°或180°的情况下，保持发电工作状态。当发电机输出功率超过额定功率后，说明流速已超过额定流速；测控系统需要启动变桨系统，逐渐增大桨距角。若桨距角超过7.9°或187.9°后，发电机输出功率仍然大于额定功率，则说明流速已超过最大工作流速，需要转入保护待机状态。如果桨距角在0°～7.9°（或180°～187.9°）范围内，但发电机输出功率小于额定功率，则说明本次潮流周期的最大流速未达到最大工作流速，且流速已经开始降低；此时采取减小桨距角的措施，但桨距角的数值不得低于0°或180°。

在桨距角为0°或180°的情况下，若发电机输出功率持续减小，发电电压低于启动电压，则说明流速已降低至启动流速以下，机组应进入待机状态。这种情况下，机组等待一段时间，然后进行反桨处理，即将桨距角由0°调整至220°（或由180°调至40°），断开全部负载，等待反向潮流。

若机组进入待机保护状态，则将桨距角调整至90°，施加泻荷保护负载，机组停止工作，并设置待机保护标志。然后，机组保持待机保护状态，直至达到预定的时长——待机保护时长。

3 控制过程仿真分析

3.1 潮流计算模型

我国近岸海域的潮汐和潮流大部分为正规半日潮。对于正规半日潮，一个潮汐周期内潮流速度的变化情况可简化表示为[9]：

式中：V为潮流的流速；Tc为潮汐的周期，取12 h 25'14.1''；Vm为本次潮汐周期中的最大流速；t为时间。

正规半日潮在一天内近似有2次变化周期，每半月周期内有一次大潮和一次小潮。对于我国潮流资源较好的地区来说大潮最大流速超过了3 m/s，而小潮最大流速往往会远小于大潮最大流速，其它潮汐周期中的最大流速介于大、小潮最大流速之间。为检验控制流程的合理性，需要对多种潮流流速变化情况下机组发电情况进行分析。

3.2 发电过程仿真

考察了最大流速低于额定流速、最大流速低于最大工作流速和最大流速超过最大工作流速等3种不同流速条件下机组的工作情况。计算过程中，仿真时间步长为1 min，并假定机组在流速0.65 m/s时启动。

3.2.1 最大流速低于额定流速 对于最大流速低于额定流速的工况进行了分析。计算过程中，最大流速为1.8 m/s。仿真结果如图9所示。图中，横轴为时间，单位min；上图纵轴为流速，单位m/s；下图纵轴分别为发电机输出功率和桨距角数值，单位分别为 kW 和(°)。

由图9可知，控制流程效果较好，样机实现了双向流发电，输出功率随流速的增大而增大；当流速达到最大值1.8 m/s时，发电机的输出功率达到了77.5 kW的最大值；当流速低于启动流速后，样机停止发电。

桨距角的变化情况与发电情况相吻合。在启动之前，潮流流向为正向，桨距角初始位置为40°，叶轮未启动工作，样机处于“待机”状态。当流速增大至启动流速后，叶轮带动发电机转动，测控系统启动样机发电，并将桨距角调整至0°。在发电过程中，由于最大输出功率和电压未超过限定值，因此未做变桨调整，桨距角始终保持在0°。而当流速降低到启动流速以下时，测控系统控制样机不再输出电能，并将桨距角调整至220°，为反向来流的启动和发电工作做好准备。在随后的低流速期间，样机保持“待机”状态。

图9 最大流速1.8 m/s时发电情况

当反向流速增大至启动流速后，叶轮带动发电机转动，测控系统启动样机发电，并将桨距角调整至180°。在发电过程中，桨距角始终保持在180°。当流速降低到启动流速以下时，将桨距角调整至40°，为后续正向来流的启动和发电工作做好准备。至此，潮流机组完成了一个流速循环的发电过程。

3.2.2 最大流速超过额定值 对于最大流速超过额定流速、但低于最大工作流速的工况进行了分析。计算过程中，最大流速为2.4 m/s；在输出功率超过额定值时，采用变桨的方法控制输出功率，每次“调控”中调整一次桨距角，桨距角每一次调整的调整量为0.5°；在启动和停止过程中，桨距角在40°，0°，220°，180°间转换时的时间忽略不计。

仿真结果如图10所示。图中，横轴为时间，单位min；上图纵轴为流速，单位m/s；下图纵轴分别为发电机输出功率和桨距角数值，单位分别为kW和（°）。

由图可知，桨距角和的变化情况与发电情况相吻合。另外，在发电过程中，由于最大流速已超过了额定流速，测控系统通过变桨控制的方式限制了最大输出功率。因此，发电曲线的顶部被削平，削平段的输出功率被限制到了额定功率150 kW。与削平段发电功率曲线相对应的桨距角不再保持0°或180°，而是出现了调控角度。

图10 最大流速2.4 m/s时发电情况

3.2.3 最大流速超过最大工作流速 对于最大流速超过最大工作流速的工况进行了分析。计算过程中，最大流速为2.8 m/s；输出功率超过额定值后，每次变桨调控的调整量为0.5°；在启动、保护停车和正常停止过程中，桨距角在 40°，0°，220°，180°，90°间转换时的时间忽略不计。另外，“待机保护时长”是一个重要的参数，考察了待机保护时长分别为100 min，150 min等2种情况。

仿真结果如图11所示。图中，上面的图为流速变化情况，中间的图为“待机保护时长”为100 min时样机发电机输出功率和叶片桨距角变化情况，下面的图为“待机保护时长”为150 min时样机发电机输出功率和叶片桨距角变化情况。图中横轴均为时间。

由图可知，控制流程效果较好，桨距角和的变化情况与发电情况相吻合；在发电过程中，当流速超过额定流速后，测控系统限制了最大输出功率。在流速超过最大工作流速2.5 m/s以后，测控系统作出了停车保护的动作。与之对应的桨距角变为90°，输出功率变为0，发电功率曲线出现了凹形。凹形曲线对应的时长即为“待机保护时长”。

“待机保护时长”是一个重要的参数，对控制效果有着较大的影响。待机保护时长为100 min的发电曲线出现了较大超调量的情况，功率的最大值超过了252 kW，对机组造成潜在的危害。造成这种情况的原因是待机保护时长较短，当流速仍大于额定流速时测控系统将桨距角由90°调回了0°或180°。在这种情况下，虽然可使得让样机再次进入保护状态，但会造成后续长时间机组停止工作的局面，同时存在控制流程产生混乱的风险。

待机保护时长为150 min的发电曲线未出现发电机输出功率超过额定值的情况，但在流速下降段发电时间相对较短，存在潮流资源利用不充分的问题。

图11 最大流速2.8 m/s时发电情况

总之，以发电机输出电力参数为判断依据的控制流程能够较好实现对潮流发电机组的控制，避免了与测流设备整合的问题。这种控制方法中的“待机保护时长”无法仅仅通过电力参数进行合理地确定。针对这个问题，可以依据当地潮流流速变化情况，利用潮流分析模型确定合理的保护时长限制值。

4 结论

针对水平轴潮流能发电机组的控制策略问题开展了研究，制定了基于发电机输出电压和输出功率的控制策略，设计了控制流程，并对控制流程进行了仿真研究。研究结果表明：

（1）基于发电机输出电力参数的控制策略，能够较好地与潮流变化规律相结合，实现对机组发电过程的控制，对于避免测流系统整合或测流不准确等问题，简化控制系统有利。

（2）对于基于发电机输出电力参数的控制流程来说，流速超过最大工作流速情况下的待机保护时长是一个较为关键的参数，若设置不当则会引起机组过载或潮流资源利用不充分的问题，该参数的设定需要结合当地潮流变化规律。

[1]戴庆忠.潮流能发电及潮流能发电装置[J].东方电机,2010(2):51-66.

[2]王波.兆瓦级海洋潮流能发电机组在舟山成功发电[J].能源研究与信息,2016(3):186-186.

[3]张理,李志川,肖钢，等.中低流速潮流能发电系统关键技术研究[J].中国海上油气,2013,25(6):115-118.

[4]王刚,厉文超,王树杰，等.海洋潮流能发电机组控制系统开发[J].电力系统自动化,2010,34(14):23-26.

[5]刘宏伟,李伟,林勇刚，等.水平轴潮流能发电机组液压变桨技术研究与海试[J].海洋技术学报,2016,35(5):66-69.

[6]巩冰,朱丽娟,游江.海洋潮流能发电系统的控制技术研究[J].电测与仪表,2010,47(8):36-40.

[7]王兵振,张巍,夏增艳，等.水平轴潮流能叶轮性能仿真模型研究[J].海洋技术学报,2013,32(3):110-113.

[8]国家海洋技术中心.中国海洋能技术进展(2014)[M].北京：海洋出版社,2014.

[9]郑志南.海洋潮流能的估算[J].海洋通报,1987,04:70-75.

Design of the Control Process of Horizontal Axis Tidal Power Generation Equipment

WANG Bing-zhen,GUO Yi,ZHANG Wei,WU He
National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China

A study is carried out focusing on the flow control of the developing horizontal axis tidal power equipment.Based on the blade element momentum theory,a dynamics simulation model is established in this paper.The starting torque and speed characteristics of power equipment are researched by use of the simulation model,and the power limited problem under the condition of flow velocity exceeding rated velocity is also studied.The control strategy for startup is designed according to generator output voltage,and limit control strategy for output power is designed by use of output power.Taking into account the change rule of tidal currents,the control flow is simulated in this paper.The results show that the control flow based on the output power parameters of the generator can realize the control of the generator.

tidal current energy;power generation;control process;simulation

P743.1

A

1003-2029（2017）05-0104-08

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.05.017

2017-04-05

海洋公益性行业科研专项经费资助项目(201205019-3)

王兵振(1972-)，男，博士，主要从事海洋可再生能源开发利用技术研究。E-mail:wang_bingzhen@163.com