浮子式无齿轮永磁同步波浪发电系统优化控制与运行分析

本项目研究一种新型的浮子式波浪发电控制系统，系统采取无齿轮永磁同步发电机，并结合AC-DC-AC变换器和飞轮储能使不稳定波能转化为稳定的电能。在考虑随机波浪的不规则性、以及海水和浮体的特性等条件下，建立浮子式波浪发电系统模型及实验装置，研究能实现系统最大波能捕获的控制策略。对波浪进行预测和时频分析，利用波浪的高度和周期对电机参考电磁转矩进行估计，实现系统的无位置传感器控制。分析系统的稳定性和动力学特性，研究能保证系统在各种工作状态均能稳定运行的切换控制策略。对传动链系统中的电机极对数、飞轮惯性等相关参数进行优化。最后，对无齿轮永磁同步波浪发电机的内外部故障进行理论研究与诊断分析，得出相应的故障规律，并提出适合于波浪发电机故障诊断的非平稳信号分析策略。本项目旨在研究新的浮子式波浪发电系统及其最大波能捕获控制策略，也为非平稳条下永磁同步波浪发电机的故障诊断提供理论指导。

本项目首先探讨分析了现有主要波浪能发电工作原理、特点及其控制技术，然后重点研究了一种新型的浮子式波浪发电控制系统，该系统采取无齿轮永磁同步发电机，并结合棘轮、AC-DC-AC变换器和飞轮储能等使不稳定波能转化为稳定的电能。利用微幅波理论，推导出水质点的运动方程和波浪压强的数学表达式，基于弗汝德—克雷洛夫理论对浮子进行了其受力的解析法分析计算，对不同形状浮子所受波浪压力进行了分析，评价了不同形状浮子的优劣，并应用MATLAB软件对浮子的受力进行仿真验证。传动链系统中的电机极对数、飞轮惯性等相关参数也进行了优化。.所设计的利用重物的升降运动和波浪推力发电的环形WEC装置，解决了目前非环形结构浮子式波浪能转换装置存在的线缆松弛问题。该装置主要构成部件包括：圆柱形浮子，双动棘轮，线缆，驱动轮，齿轮箱，导轮，平衡物和发电机。其中，平衡物重量要比浮子重量小。结果表明，该改进模型可防止线缆松弛现象发生，并增大浮子上升驱动时的最大转矩和平均转矩，从而提高波浪能的利用率。而且，当多台装置按“之”字形分布并联运行时，电机转速基本恒定，输出电压波形质量较好。.同时，为实现系统的直驱化，设计了适用于浮子式波浪发电系统中的低速永磁同步发电机，给出了电磁设计的流程，并用ANSOFT软件对电机电磁场进行了有限元数值计算和仿真验证。分析结果表明，其参数特性均与设计要求相符。.最后，构建了浮子式波浪发电系统的独立运行和并网的模型，并设计了相应的电压频率控制策略和基于比例谐振控制的低电压穿越控制方法。控制时，对波浪进行了基于MPC算法的预测和时频分析，利用波浪的高度和周期对电机参考电磁转矩进行估计，实现了系统的无位置传感器控制。分析了系统的稳定性和动力学特性，研究了能保证系统在独立和并网两种工作状态均能稳定运行的滑模切换控制策略，并提出了一种适用于无齿轮永磁同步波浪发电系统的可重构控制器。.总之，本项目为我国含浮子式波浪发电系统在内的波浪发电系统及其最大波能捕获控制策略研究提供了有益的参考价值，为我国波浪发电系统的技术实现和商业化提供了理论指导和依据。