变速波浪发电系统及运行控制研究

The performance features are important for a wave energy conversion system. Due to the low energy density of linear generators and the instability of the energy system efficiency influenced by the various wave, this kind of system still remains in the lab stage. A linear magnetic gear based shifting wave generation system is proposed in this proposal. Low wave speed can be shifted into high speed by non-contacted linear magnetic gear（LMG）to drive a linear electric machine to generate electricity. Then an internal model controller coupled with PID control (IMC-PID) is designed for the wave performance control system which is used to adjust the system parameters for the system natural resonance under sea wave environment in order to get the highest efficient. A comprehensive model including hydrodynamics, electromagnetic field etc. is proposed to design the floaters and analyze the features of linear magnetic gears and linear generators. The quality of electrical energy is finally improved by power electronic technologies. We have undertaken researches on direct-drive wave generations since 2007 and a series of generation systems have been designed, which is a very good basis of the proposed project.

波浪发电系统运行性能是波浪发电应用的重要指标。波浪发电机的低功率密度以及受海洋波浪影响的系统能量转化率的不稳定性，制约着直驱式波浪发电的进一步发展。本项目首先提出一种带直线磁齿轮的变速波浪发电系统，其中磁齿轮将波浪的低速转化为高速，带动高速直线电机发电，使所匹配的直线发电机体积减小、成本大为降低。直线磁齿轮无接触运行，转换效率高。其次设计波浪发电运行的内膜PID控制器，根据海洋波浪的变化快速调节系统参数，使浮子与波浪保持共振，以获得最大效率。本项目还建立波浪发电综合数学模型，对直线磁齿轮变速机构和直线电机进行仿真分析，优化直线发电机电磁和结构参数；根据波浪特点和额定电磁推力等因素设计并优化浮子；采用整流逆变控制技术，改善波浪发电的电能质量。课题组近年来开展了永磁直线电机和波浪发电运行控制研究，研制了多套漂浮式直驱波浪发电装置，并在实际海况下成功发电，为本课题实施打下良好的基础。

我国海洋能资源丰富，岛屿众多，具备规模化开发利用海洋能的条件。在海洋能源众多形式中，波浪能的开发利用相对成熟，但是我国波浪速度低，低速直驱式波浪发电系统存在功率密度小、体积庞大的缺点。本项目主要研究直线磁齿轮(TLMG)传动装置以及直线磁齿轮内永磁发电机(LMGIPMG),磁场调制直线永磁发电机(FMLPMG)，以及波浪发电运行优化控制，提高波浪发电效率。.本项目主要研究成果包括以下几个方面：.1.利用线性波浪理论分析了直驱式波浪发电系统在波浪水槽内的水动力特性。采用自由振荡原理建立分析计算波浪发电系统的主要参数，进而获得浮筒垂直运动位移和速度参数，为优化波浪发电系统提供依据。.2.直线磁齿轮传动装置的研究能够为高功率密度磁场调制永磁电机的研制提供理论基础。本项目提出的一种快速高效混合优化算法有效地减少了采样点数，提高了TLMG推力传输能力，减小了推力波动。.3.由于传统直线永磁发电机在波浪发电系统应用中出现功率密度低、体积庞大的问题，故提出一种直线磁齿轮内永磁发电机，在机械结构和磁路上将直线磁齿轮和永磁直线电机完美耦合从而提高了电机的功率密度及效率。.4.直线磁齿轮内永磁发电机采用多层气隙结构，造成加工工艺复杂，因而限制了其发展和应用，因此设计并制作了一台结构简单、易于加工的磁场调制型直线永磁发电机(FMLPMG)是十分必要的。结果证实将FMLPMG作为能量转换部件应用于直驱式波浪发电系统，能够高效地实现能量转化，解决了直线磁齿轮内永磁发电机面临的功率密度低问题。.5.根据控制系统仿真模型搭建了直驱式波浪发电系统控制实验平台。利用编程语言实现了波浪能跟踪、霍尔电角度计算、波浪运动速度计算和电网相角检测等功能。最后针对各个环节进行了调试，并对控制系统进行了实验测试。.项目承担期间，我们发表了18篇SCI文章，获得了15项国家发明专利。部分成果获得了教育部二等技术发明奖等多次奖励。