王世明，楊志乾，楊倩雯，田 卡，李思超

（上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院，上海 201306）

新型海流能發(fā)電控制系統(tǒng)設(shè)計

王世明，楊志乾，楊倩雯，田 卡，李思超

（上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院，上海 201306）

新型海流能發(fā)電裝置控制系統(tǒng)是基于MPPT理論，增加了最大功率捕獲控制及直流電路穩(wěn)壓控制，通過數(shù)學(xué)模型模擬海流速度及發(fā)電機(jī)電磁力矩，并在Matlab/Simulink環(huán)境下進(jìn)行系統(tǒng)的搭建和仿真研究。其結(jié)果表明在實(shí)際輸出功率對最大功率的比值基本相同，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對最大功率捕獲，并在直流母線后端電壓基本穩(wěn)定，驗(yàn)證控制系統(tǒng)設(shè)計的有效性。通過搭建試驗(yàn)平臺，對該發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究。記錄數(shù)據(jù)擬合曲線與理論公式曲線一致，且實(shí)現(xiàn)電壓也在合理的波動范圍，試驗(yàn)結(jié)果證明該控制系統(tǒng)正確，可進(jìn)一步示范應(yīng)用。

海流能；控制系統(tǒng)；穩(wěn)壓控制；最大功率捕獲

海流能是指海水流動的動能，主要是指海底水道和海峽中較為穩(wěn)定的流動以及由于潮汐導(dǎo)致的有規(guī)律的海水流動所產(chǎn)生的能量。其特點(diǎn)：往復(fù)性強(qiáng)、能量易捕獲。水平軸槳葉式海流能發(fā)電系統(tǒng)是一個復(fù)雜的非線性、多變量、強(qiáng)干擾系統(tǒng)[1]。如何獲取更多的往復(fù)來流能量是近年來研究的重要問題[2]。

本文以一種新型的雙向直驅(qū)式發(fā)電裝置（圖1）為研究對象，結(jié)合應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的MPPT控制原理，設(shè)計了以DSP28335芯片為主的控制核心，整個系統(tǒng)內(nèi)主要包括DSP28335控制模塊、功率器件模塊、轉(zhuǎn)速采集模塊、驅(qū)動電路、通訊模塊、人機(jī)交互模塊等部分，其最終目的是能夠捕獲最大功率，實(shí)現(xiàn)交直流負(fù)載輸入穩(wěn)定電壓。

圖1 雙向直驅(qū)式發(fā)電裝置示意圖

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

整個新型裝置發(fā)電系統(tǒng)包括葉輪、永磁同步發(fā)電機(jī)、全控整流單元、Boost型升壓單元、DSP控制板、蓄電池充放控制單元、逆變單元、負(fù)載。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

新型裝置發(fā)電系統(tǒng)的工作原理：

葉輪獲取海流能量并直接傳遞給兩臺永磁同步發(fā)電機(jī)，發(fā)出交流電經(jīng)過兩個三相全控橋式整流單元及Boost型單向DC/DC變換器升壓至所需直流電，并在直流母線上并聯(lián)，并通過儲能單元及配套DC/DC變換器來穩(wěn)定直流母線。然后通過單相逆變器和DC/DC變換器分別向交流負(fù)荷和直流負(fù)荷供電，也可并網(wǎng)運(yùn)行。此過程葉輪與電機(jī)之間采用一級傳動，其比多級傳動減少能量損耗，但發(fā)電機(jī)輸出數(shù)據(jù)比較波動較大，增加控制難度。

根據(jù)上述發(fā)電系統(tǒng)的工作原理以及要實(shí)現(xiàn)的基本功能，因此在控制系統(tǒng)設(shè)計時，采用最大功率Pmax給定法及恒壓控制法（CVT）[3]?？刂葡到y(tǒng)內(nèi)部包括DSP28335控制模塊、功率器件模塊、轉(zhuǎn)速采集模塊、驅(qū)動電路、通訊模塊、人機(jī)交互模塊等部分，滿足整個控制系統(tǒng)的需要。

最大功率Pmax給定法的機(jī)理是根據(jù)發(fā)電機(jī)內(nèi)部嵌入的霍爾傳感器[4]每分鐘傳出的脈寬數(shù)量計算出轉(zhuǎn)速ωopt來推測水輪機(jī)的最佳尖速比λopt，又在不同流速的情況下，最大功率Pmax與轉(zhuǎn)速ωopt呈三次方曲線關(guān)系。故將最大功率作為給定值，然后與實(shí)際輸出測算功率比較，根據(jù)誤差值的大小決定運(yùn)用PID控制算法進(jìn)行調(diào)節(jié)，產(chǎn)生PWM信號調(diào)節(jié)全控整流單元，進(jìn)而使實(shí)際功率盡可能接近最大功率實(shí)現(xiàn)追蹤。其控制框圖如圖3所示。

圖3 最大功率給定法控制框圖

最大功率Pmax與λopt關(guān)系[5]：

式中：ρ為海水密度；Cpmax為最大海流能捕獲系數(shù)；r為葉輪半徑；ωopt為葉輪轉(zhuǎn)速。

該恒壓控制法（CVT）的機(jī)理與太陽能恒壓控制方法不同，該機(jī)理是在以鋰電池為儲能單元的電路中加入全數(shù)字DC/DC雙向變換器，實(shí)現(xiàn)對直流母線兩端電壓VC控制。當(dāng)VC低于經(jīng)驗(yàn)電壓設(shè)定區(qū)間下限，數(shù)字PID控制算法進(jìn)行調(diào)節(jié)產(chǎn)生PWM信號改變DC/DC變換器方向，儲能單元放電；當(dāng)VC高于經(jīng)驗(yàn)電壓設(shè)定區(qū)間上限，同理儲能單元充電。此控制方法既不造成能量浪費(fèi)，又實(shí)現(xiàn)母線電壓穩(wěn)定。控制圖框如圖4所示。

圖4 CVT控制法控制框圖

2 仿真研究

建立以海水流速為仿真系統(tǒng)的輸入信號，海流的變化規(guī)律較易尋找，且能量變化比較平穩(wěn)。綜合考慮風(fēng)、波浪、海水深度等海洋環(huán)境因素的影響，海水流速的數(shù)學(xué)模型[6]公式（2）如下：

式中：h為海水深度；y為該點(diǎn)距海平面的距離；υmax為最大海流速度。由波浪引起的流速由式（3）表示：

式中：k為波數(shù)；ωw為波浪的循環(huán)頻率；ηa為波高；t為時間。

葉輪傳動主軸僅是一級傳動，可忽略主軸摩擦力及葉輪軸系上的粘性阻力系數(shù)產(chǎn)生的阻力矩，其簡化力矩平衡方程為：

葉輪主軸機(jī)械力矩[7]為：

將上述數(shù)學(xué)模型得到的發(fā)電機(jī)電磁力矩作為系統(tǒng)發(fā)電機(jī)輸入[8]，按照圖5所示的仿真原理圖搭載DSP控制模塊、逆變模塊及調(diào)用Simulink內(nèi)的其他模塊搭建仿真系統(tǒng)。設(shè)定仿真時間10 s，得到仿真系統(tǒng)內(nèi)部相應(yīng)的工作狀態(tài)。

根據(jù)上述仿真系統(tǒng)分析得到圖6（a）和圖6（b）分別為功率捕獲系數(shù)CP仿真曲線及直流母線后端電壓仿真曲線。從圖6(a)中可以看出，功率捕獲系數(shù)Cp一直在CPmax=0.27附近上下波動，說明實(shí)際輸出功率與給定的最大功率比值基本不變，則該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對最大功率點(diǎn)的捕獲。從圖6(b)中看出，直流母線后端電壓維持在[210，220]區(qū)間內(nèi)，完成了穩(wěn)壓的設(shè)計要求。

圖5 仿真原理圖

圖6 仿真曲線圖

3 試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)采用3 kW異步電動機(jī)、ABB變頻器及傳動比為12：1的減速器、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器組成發(fā)電機(jī)動力輸入源，代替葉輪。轉(zhuǎn)速可以控制在0～120 r/min之間。配合自行設(shè)計的電能控制箱組成整個測試系統(tǒng)。

圖7 測試系統(tǒng)與控制電路

3.2 試驗(yàn)結(jié)論

試驗(yàn)采用動力源輸入代替葉輪的方法并不影響對最大功率的跟蹤，只需驗(yàn)證發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與輸入發(fā)電機(jī)功率的數(shù)據(jù)記錄數(shù)據(jù)滿足公式（1）的關(guān)系，即表明該控制系統(tǒng)滿足對最大功率捕獲。表1為試驗(yàn)采集6組數(shù)據(jù)，擬合數(shù)據(jù)繪制如圖8所示圖形，數(shù)據(jù)與理論公式基本一致，證明該設(shè)計合理。

表1 轉(zhuǎn)速與功率數(shù)據(jù)

圖8 擬合試驗(yàn)結(jié)果

圖9 為人機(jī)交互軟件內(nèi)存儲的母線端電壓數(shù)據(jù)生成的10 s曲線圖，從圖中看出，實(shí)際數(shù)據(jù)比仿真數(shù)據(jù)波動范圍略大一些，屬于電壓合理波動范圍內(nèi)，控制電路基本滿足穩(wěn)壓設(shè)計初衷。

圖9 電壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

本文提出的新型海流能發(fā)電裝置控制系統(tǒng)是基于MPPT理論，增加了最大功率捕獲控制及直流電路穩(wěn)壓控制，通過數(shù)學(xué)模型模擬海流速度及發(fā)電機(jī)電磁力矩，并在Matlab/Simulink環(huán)境下進(jìn)行系統(tǒng)的搭建和仿真研究。其結(jié)果表明在實(shí)際輸出功率對最大功率的比值基本相同，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對最大功率的捕獲，并在直流母線后端電壓基本穩(wěn)定，驗(yàn)證控制系統(tǒng)設(shè)計的有效性。通過搭建試驗(yàn)平臺，對該發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究。記錄數(shù)據(jù)擬合曲線與理論公式曲線一致，且實(shí)現(xiàn)電壓也在合理的波動范圍，試 驗(yàn)結(jié)果證明該控制系統(tǒng)正確，可進(jìn)一步示范應(yīng)用。

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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

海洋可再生能源專項基金資助項目(SHME2013JS01);上海市2014年優(yōu)秀技術(shù)帶頭人計劃資助項目（14XD1424300);上海市經(jīng)濟(jì)和信息化委員會軍民結(jié)合專項資助“大型海洋自供電觀測浮標(biāo)產(chǎn)業(yè)化示范推廣”

王世明(1964-)，男，博士生導(dǎo)師，教授，主要從事海洋可再生能源以及裝備智能控制技術(shù)研究。E-mail:smwang@shou.edu.cn