直驱式波浪发电用横向磁通混合磁场调制直线发电机及其控制系统研究

The conventional linear generator for direct-drive wave energy conversion (DD-WEC) has experienced many drawbacks that are unable to overcome, such as low power density and bulky system volume etc. For overcoming these defects, a transverse flux hybrid field modulated permanent magnet linear tubular generator with high power density, less loss and controllable magnetic field, is introduced to the direct-drive WEC system. Research on the structure of generator and its control system will be carried out. Firstly, the accurate subdomain model of the generator, combined with hydrodynamics, electromagnetic field and temperature field, etc., is derived for the analysis and optimal design. The general methods of the basic principle, optimization design, static electromagnetic parameters calculation, multi-field coupled analysis, and calculation of losses and temperature will be researched. The laws of the influence of structure parameters on the performance of the generator will be grasped. Multi objective optimization design method for power and efficiency will be obtained. Secondly, electromagnetic and mathematical modeling and simulation analysis of the proposed generator will be established. According to the principle of maximum power tracking, an integrated coordinated control strategy control of armature current and exciting current is proposed. A test prototype will be made. The integration test of the system will be completed to verify the correctness of the design and control method. The aim of this proposal is to develop a transverse flux hybrid field modulated permanent magnet linear tubular generator with feasible topology structure and lay a foundation for the further research and practical application.

针对直驱式波浪发电直驱速度低造成的功率密度小、体积大的缺点，提出一种横向磁通混合磁场调制直线发电机以提高功率密度、减少损耗、增大磁场可控性。开展该电机的结构设计、计算分析、优化和控制技术的研究。推导建立子域解析模型，结合三维有限元电磁和温度场模型，研究电机结构与电磁设计、静动态性能参数计算、多场耦合分析、损耗和温升计算等理论和方法。掌握结构参数对电机性能的影响规律，获取以功率和效率为目标的多目标优化设计方法。建立所提出电机的电磁模型和动态数学模型，并根据最优能量捕获理论，探索该类电机构成的波浪发电系统的运行控制策略；提出电枢电流和励磁电流的协调运行控制策略。根据优化参数研制样机，开展横向磁通混合磁场调制直线发电机综合测试实验研究。验证电机设计方法和控制方法的正确性。通过本项目实施为该类电机在直驱波浪发电中的应用提供一个可行方案，为其深入研究及实际应用奠定基础。

直驱式波浪发电系统采用直线发电机实现能量的直接捕获和转换，具有效率高、成本低等优点，成为当今研究波浪发电的热点，可应用于海洋钻采平台、海洋观测仪器网、海岛供电以及海上船舶及海面下航行器的充电供电系统。本课题针对直驱式波浪发电由于直驱式运动速度较低造成的功率密度大，圆筒型电机叠压方式造成的损耗较大的问题，提出开展横向磁通混合磁场调制直线电机的研究。本课题首先分析了直驱式波浪发电的水动力学传递过程，推导了波浪驱动力与直线电机动子受力的精确传递模型。研究波浪直驱下的谐振运行下的能量捕获理论，建立系统能量传递和力学传递数学模型。并采用水动力学分析软件进行了仿真分析验证。提出了应用于直驱式波浪发电的横向磁通混合磁场调制直线发电机结构，分析了横向磁通混合磁场调制直线发电机的基本工作原理和基本性能。结合三维有限元模型研究子域模型和二维等效模型，对电机基本特性进行了仿真分析。获得了电机磁场分布和空载特性。针对电机部分结构参数进行优化，从而获得更高的电磁力/功率密度和磁链和反电动势正弦度更高的电机结构。针对影响调制效应和调制比的极槽配比进行研究，对比分析多种极槽配比对电机性能影响。研究了电机各部分损耗产生机理，推导了并完成了损耗计算分析。在圆筒型电机的基础之上，提出一种倾斜动子平板型横向磁通发电机。对电机的基本性能和动子参数进行了优化设计和仿真分析。结合一级能量捕获装置特点，结合装置的最大能量捕获宽度，提出基于有功功率和能量捕获宽度的优化电机控制策略，对规则波和不规则波驱动进行了仿真分析。在实验室水槽内完成了浮体实验。完成了横向磁通混合磁场调制直线发电机的研制，搭建了模拟波浪的实验平台。针对最优能量捕获策略完成了硬件系统和软件系统的建立，完成了可实现能量的最优捕获和协调储能运行控制的整体运行控制实验。本项目的研究成果可为直驱式波浪发电技术的发展和应用奠定基础。