【摘要】：潮流能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是一種利用流體動(dòng)能發(fā)電的新型的可再生能源利用機(jī)電系統(tǒng)。本文在對(duì)潮流能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的水動(dòng)力學(xué)及能量傳遞過程中的相關(guān)控制問題進(jìn)行較全面的綜述后,采用了理論分析、數(shù)學(xué)建模、數(shù)字預(yù)測(cè)及仿真試驗(yàn)、基于真實(shí)樣機(jī)系統(tǒng)的試驗(yàn)臺(tái)試運(yùn)行試驗(yàn)、廠房試驗(yàn)、及實(shí)際海洋環(huán)境下的海上驗(yàn)證試驗(yàn)等研究方法,重點(diǎn)針對(duì)水平軸式潮流能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的能量捕獲裝置的設(shè)計(jì)方法及水動(dòng)力學(xué)特性、各能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的能量轉(zhuǎn)換效率、潮流能系統(tǒng)的最大功率跟蹤及變速恒頻控制、及適用于潮流能系統(tǒng)的新型變槳距裝置及相應(yīng)的功率控制等關(guān)鍵問題展開研究。論文的各章節(jié)內(nèi)容如下：第一章,概述了潮流能的特點(diǎn)、分布、及開發(fā)意義；分類綜述了潮流能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的特點(diǎn)及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,總結(jié)了潮流能轉(zhuǎn)換技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)；綜述了潮流能系統(tǒng)的水動(dòng)力學(xué)、最大功率跟蹤控制、功率穩(wěn)定輸出控制等方面的研究進(jìn)展；結(jié)合課題的研究意義及來源,提出了論文的主要研究內(nèi)容。第二章,分析了水平軸潮流能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換原理。利用一維動(dòng)量定量及葉素理論分別從宏觀的能量變化角度及微觀的葉片受力角度分析了水平軸潮流能透平裝置的能量捕獲原理,而將兩者相結(jié)合的葉素動(dòng)量理論給出了水平軸透平各項(xiàng)載荷的計(jì)算方法；分別介紹了基于機(jī)械傳動(dòng)及液壓傳動(dòng)方法的系統(tǒng)二次能量轉(zhuǎn)換原理；最后分析了潮流能系統(tǒng)最大功率跟蹤運(yùn)行及功率穩(wěn)定輸出運(yùn)行的控制原理。第三章,采用了基于葉素動(dòng)量理論的變速運(yùn)行最優(yōu)葉片設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了水平軸潮流能捕獲裝置；考慮了必要的模型修正后建立了捕能裝置的水動(dòng)力學(xué)性能預(yù)測(cè)的數(shù)字模型,利用該模型預(yù)測(cè)了不同安裝角下的性能；針對(duì)25 kW試驗(yàn)樣機(jī),設(shè)計(jì)了后續(xù)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng),并開展了樣機(jī)系統(tǒng)的仿真試驗(yàn)、試驗(yàn)臺(tái)試運(yùn)行試驗(yàn)、及海上試驗(yàn),各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果顯示潮流能捕獲裝置的功率特性、機(jī)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率、及整機(jī)系統(tǒng)的工作運(yùn)行情況總體上令人滿意,驗(yàn)證了潮流能捕獲裝置及機(jī)電能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是合理有效的,所建立的水動(dòng)力學(xué)性能預(yù)測(cè)模型是正確有效實(shí)用的,以及檢驗(yàn)了整套潮流能試驗(yàn)樣機(jī)系統(tǒng)的可靠性及魯棒性。第四章,首先對(duì)采用機(jī)械傳動(dòng)方式的潮流能系統(tǒng)的最大功率跟蹤控制開展研究,提出基于負(fù)載調(diào)節(jié)方法的功率控制方案,建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,并開展了仿真對(duì)比試驗(yàn)及靜態(tài)最大功率跟蹤控制試驗(yàn)來驗(yàn)證所提出的調(diào)控方法及實(shí)現(xiàn)方案；然后對(duì)液壓傳動(dòng)式潮流能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)開展了探索性研究,提出了基于泵馬達(dá)蓄能器配置的液壓式潮流能系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案,通過Simulink及Amesim的聯(lián)合仿真初步驗(yàn)證了方案的可行性并對(duì)液壓元件的作用進(jìn)行了評(píng)估；最后對(duì)基于容積調(diào)節(jié)結(jié)合負(fù)載調(diào)節(jié)方法的液壓式潮流能系統(tǒng)的變速恒頻控制開展了研究,建立了液壓式潮流能系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,提出通過調(diào)節(jié)泵的排量來控制透平轉(zhuǎn)速,調(diào)節(jié)負(fù)載大小來控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速,及調(diào)節(jié)馬達(dá)排量來控制系統(tǒng)壓力的變速恒頻恒壓復(fù)合控制的調(diào)控原理,開展了聯(lián)合仿真試驗(yàn),仿真結(jié)果及對(duì)比分析驗(yàn)證了調(diào)控原理的正確性,并對(duì)系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行了討論。第五章,對(duì)液壓式潮流能轉(zhuǎn)換試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究。依次設(shè)計(jì)了樣機(jī)的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng),估算了系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率,并對(duì)樣機(jī)系統(tǒng)開展了拖動(dòng)試運(yùn)行試驗(yàn),獲得了試驗(yàn)樣機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo),檢驗(yàn)了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性,真實(shí)地驗(yàn)證了液壓傳動(dòng)在潮流能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性。第六章,對(duì)潮流能系統(tǒng)的變槳距裝置及控制開展研究,設(shè)計(jì)并測(cè)試了一套新型的液壓式變槳距控制系統(tǒng)。通過基于理論力學(xué)及葉素動(dòng)量理論的槳葉受力分析,提出了潮流能系統(tǒng)變槳載荷的理論計(jì)算方法,根據(jù)水平軸潮流能系統(tǒng)變槳運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了由前置液壓缸、齒輪齒條等組成的新型的潮流能變槳距執(zhí)行機(jī)構(gòu)及相應(yīng)的電液比例控制系統(tǒng),開展了變槳距系統(tǒng)的建模仿真及廠房試驗(yàn),仿真及試驗(yàn)結(jié)果顯示系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍的變槳對(duì)流,節(jié)距角的控制具有較理想的響應(yīng)速度和控制精度。第七章,總結(jié)了論文的主要工作,闡述了研究結(jié)論和創(chuàng)新點(diǎn),并對(duì)后續(xù)的研究工作進(jìn)行了展望。 【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號(hào)】：P743.3;TM612

【圖文】：

由于水平軸潮流能透平的效率高、啟動(dòng)特性好等特點(diǎn)，水平軸式系統(tǒng)取得了更大的發(fā)展，是目前主流的潮流能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。英國的 MarineCurrentTurbines(MCT)公司設(shè)計(jì)的seaflow及seagen系統(tǒng)是目前世界上最著名的潮流能系統(tǒng)(如圖卜2，圖1一3)。seaflow系統(tǒng)具有直徑nm的雙葉片式葉輪，使用行星齒輪箱增速，功率電阻進(jìn)行耗能，具有電氣式全范圍變槳距控制，能夠在雙向潮流中運(yùn)行，其安裝采用單樁式結(jié)構(gòu)，維修時(shí)可將機(jī)組提升至水面以上I22)。該系統(tǒng)于2003年5月在Devon郡北部成功進(jìn)行了海上試驗(yàn)，在理想的水流條件及15:/min的轉(zhuǎn)速下其發(fā)電功率超過額定 300kw曰}。McT公司第二代全尺寸樣機(jī)系統(tǒng)seagen除了繼承seaflow系統(tǒng)的特點(diǎn)外也進(jìn)行了一些改進(jìn)，其水平橫梁上裝有兩個(gè)雙葉片式葉輪，采用了并網(wǎng)型的電氣系統(tǒng)，在支撐結(jié)構(gòu)上采用了套樁盯2月。該系統(tǒng)于2008年在北愛爾蘭的strangford灣成功進(jìn)行了海上試運(yùn)行，其發(fā)電功率達(dá)到額定值1.2MW，目前該系統(tǒng)仍處于試運(yùn)轉(zhuǎn)階段曰]。挪威的 HammerfestStrom公司于2003年底在挪威北部的Kvalsund安裝了一臺(tái)300kw的潮流能發(fā)電樣機(jī)(如圖1一4)

偏航方式實(shí)現(xiàn)雙向并網(wǎng)運(yùn)行。該公司下一階段計(jì)劃在East形ve:的東部水道安裝由30臺(tái)樣機(jī)組成的 1Mw級(jí)潮流能發(fā)電陣列嶺’}。圖I一SOpen一CentreTurbine圖1一6CleanCurrentTurbine圖l一7FreeFlowsystemTurbine除了以上這些規(guī)模較大的示范性系統(tǒng)外，還存在許多處于縮小模型樣機(jī)試驗(yàn)階段的系統(tǒng):如英國 LunarEnergy公司的 RoteehTidalTurbine(圖1一sa)，除了采用導(dǎo)流罩外還采用了液壓傳動(dòng)來驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，目前只進(jìn)行了1/20尺寸的模型試驗(yàn)!一33)。英國sMDHydrovision公司的TidEI裝置(圖1一sb)，雙葉輪結(jié)構(gòu)，采用懸浮式的支撐方法，利用浮力、流體作用力及錨鏈拉力使裝置平衡在水中，能適應(yīng)各種水深條件及自動(dòng)對(duì)流，目前進(jìn)行了1/10尺寸的模型試驗(yàn)以341。美國uEK公司的 3kw雙葉輪帶導(dǎo)流罩樣機(jī)比36}(圖l一se)。英國 OeeanFlowEnergy公司的 EvopodTida1Turbine(圖1一sd)，采用漂浮式支撐結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了1/10模型試驗(yàn){3?l。意大利Fri一 EIGreenPowe:s.p.A.公司的Fri一 EIseaPowe:樣機(jī)(圖1一se)

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2711927