直驱式波浪发电系统的控制与联网运行

海洋覆盖了地球70％的面积，蕴涵着无穷的能量，海洋能中，波浪能的能量密度最大，是最有可能实现商业化应用的可再生能源之一。国外在波浪能发电方面已经开展了广泛的研究，而国内在这方面的研究还才刚刚起步。波浪发电装置主要有间接驱动和直接驱动两大类。直接驱动波浪发电系统的结构简单，能量转化的效率高。通常直驱式波浪发电系统应用直线发电机发电，其输出的功率是变化的，不能满足并入电网运行的要求。本项目以直接驱动波浪发电系统为研究对象，首先分析直线电机的运行特性，设计最优解耦控制器，从波浪中获取最大的能量；然后根据波浪发电系统的输出功率的特点，选择合适的储能装置及其接入系统方式，平滑波浪发电系统的输出功率，并且协调控制储能装置和"背靠背"变换器，使得波浪发电满足接入电网运行的要求，实现直驱式波浪发电系统的联网运行。

本项目首先研究了直驱式波浪发电系统模型，在此基础上提出了波浪发电系统的最优控制策略，最后构建了直驱式波浪发电系统联网运行的电力电子变换器及其控制器。主要工作如下：. （1）直驱式波浪发电系统建模。直驱式波浪发电系统模型通常由驱动系统模型和发电机模型两部分构成。本项目首先给出了驱动系统的详细模型、简化模型和线性化模型。直接驱动式的波浪发电系统通常采用直线发电机来发电，而之前直线发电机模型都是建立在abc坐标中，与电力系统分析的中其他的建立在的dq坐标中的元件不相兼容。与传统的旋转电机不同，直线发电机的“转子”是来回往复运动的，其速度的大小及方向都是变化的。所以提出一种改进的变速PARK变换，将直线发电机的模型转换到dq坐标中。在dq模型的基础上，进一步忽略定子磁链的动态，推到得出直线发电机的简化模型。最后，对不同的模型进行比较分析，并给出了不同模型的使用场合。. （2）提出直接驱动式波浪发电的最优控制。直驱式波浪发电系统能够获取最大的波浪能，必须满足发电机的阻尼和水的阻尼相等，以及直驱式波浪发电系统与波浪发生共振两个条件。基于dq坐标中的直线电机模型，分析了得出直线发电机的状态变量的dq坐标中是正弦波，其具有幅值和相位两个控制自由度，可以分别用来控制波浪发电系统的自然频率和直线发电机的阻尼力。基于分析了直线电机在波浪浮子上作用力分析，提出了对波浪发电的最优控制，该最优控制策略不仅适用于线性、规则波，同时适用于非线性、不规则波浪。同时该控制策略是通过电力电子设备实现的，这样提高了波浪发电系统控制的灵活性和准确性，提高了波浪发电装置的效率。. （3）构建并网背靠背变换器，并将储能装置应用于平滑输出功率。首先基于VSC构建了用于波浪发电系统并网的背靠背变换器，并且设计了发电机侧和网络侧的控制器。由于直线电机的内电势的幅值和频率都是变化的，所以其发出的功率也是变化的，而电网要求发电装置输出恒定的功率，所以提出采用背靠背变换器中的电容器来平滑输出功率，并设计了相应的附加控制。为了克服该结构中电容器容量过大的缺点，进一步提出采用储能装置来平滑波浪发电的输出功率。分别采用分布式储能和集中储能两种不同的结构，对波浪发电场的输出功率进行平滑，并通过仿真验证了所提出功率平滑策略的有效性，对波浪发电场接入电网运行具有重要指导意义。