直驱式波浪发电系统的功率平滑控制(附件)【字数：8192】
摘 要当今日益增长的能源需求不断地消耗着有限化石燃料，同时产生大量污染环境的垃圾，造成了诸如温室效应等严重后果。因此，应大力开发风能、太阳能以及波浪能等可再生和清洁能源。其中，波浪能的储藏量极大，较太阳能与风能更容易预测，对环境影响较小也更加靠近潜在用户。波浪能作为一种广泛分布和丰富的清洁和可再生能源，引起世界的关注，并逐渐出现一些理论研究和实践应用。本文的主要内容如下（1）基于Matlab/Simulink搭建波浪能发电装置系统模型。波浪能发电方式多种多样，主要可分为间接驱动式和直接驱动式两大类，本文主要讨论直驱式波浪发电装置——阿基米德波浪摆（AWS）的详细模型。（2）针对AWS波浪发电系统出力波动较为剧烈且频繁引发频率波动的问题，提出一种基于虚拟电容技术和定直流电流的逆变器控制策略。利用虚拟RC电路实现对AWS波浪发电系统输出功率的平滑，同时保证了能量损耗的最低；在Matlab/Simulink下搭建了简单的以AWS波浪发电为主要供电方式的仿真模型，验证了本文所提策略的有效性。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题研究背景及意义 1
1.2国内外波浪发电发展历史及现状 1
1.3本文主要工作 2
1.3.1问题的提出 2
1.3.2本文主要内容 2
第二章 波浪能发电装置系统模型 3
2.1AWS机械模型 3
2.2直线式永磁发电机模型 4
2.3换流器模型 5
2.4控制器模型 6
第三章 AWS波浪发电系统输出功率波动控制策略 8
3.1基本思路 8
3.2虚拟电容技术 8
3.3AWS波浪发电系统逆变器定直流电流控制 9
3.4AWS输出功率波动控制策略 10
3.4.1等效电路模型 10
3.4.2AWS输出功率波动控制策略分析 11
3.5算例分析 12
3.5.1AWS输出功率波动抑制效果 12
3.6本章小结 15
第四章 总结与展望 16
4.1研究工作总结 16
4.2后续工作和展望 16 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
结束语 17
致 谢 18
参考文献 19
附录 21
第一章 绪论
1.1课题研究背景及意义
由于全球都在不断地提高经济实力，人口不断地增加，社会发展更快，每一个国家对能源的需求不断增加，导致了目前的石油危机。现在世界上的每个国家都想找到可以替代，更加清洁而且环保的新型能源来解决目前能源不足的问题。因为地球上绝大部分是海洋，世界各国都想发展海洋能，比如以潮汐、波浪、洋流、温度差等形式。当前条件下，已具备商业发展阶段的是潮汐能发电；波浪能、洋流还在技术探索阶段；温差能则刚开始研究，还在小规模实践。通过比较我们可以得知利用洋流能和波浪能能实现能量密度最大，潮汐能由于要建立大坝蓄能，受地理条件的限制最大；波浪能是所有能量中不会受时空限制的海洋能量，并且在海洋中规模最大，发电的形式也非常灵活。不仅可用于海洋发电，大规模发电等，而且不会对人类居住环境产生不好的影响。
波浪能是通过波浪的波动让装置工作并带动发电机发电，从而将水的势能和动能通过装置的机械能转化为电能。通常波浪能转化为电能要经过三级转换，第一级转换是受波体吸收波浪能；第二级转换是通过中间转换装置优化第一级转换，从而产生稳定的能量；第三级转换是通过发电装置将稳定的能量转化成电能。
在波浪能发电装置的控制和并网技术方面，目前的研究主要集中在采用解耦控制技术实现波浪能的最大功率跟踪，设计全功率的“背靠背”电力电子换流器及其控制策略，以满足波浪能发电装置并入电网运行的要求。文献[1][2]提出了适合电力系统仿真计算的阿基米德波浪发电系统（AWS）模型，通过对发电装置机侧变流器的最优控制实现了波浪能的最大功率捕获，并通过对“背靠背”变流器直流电容充放电的控制维持端口电压和输出功率的恒定。文献[3]对用于波浪能发电系统与电网连接的电流源变换器和电压源变换器进行了比较，结果表明采用电压源变换器能够有效提高海洋能发电系统的运行效率。文献[4]在“背靠背”电力电子变换器中间的直流电容侧设计了DC/DC的变换器以保证直流电容电压的恒定，从而提高了对AWS发电系统端口电压和输出功率的控制能力。文献[5]对采用电池储能平滑直驱式波浪能发电装置输出功率波动，并分别对电池在直流侧接入和交流侧接入两种方式进行了对比。
1.2国内外波浪发电发展历史及现状
自从1910年法国的索白拉塞克成功研制出了第一台波浪发电装置，全球多数国家也都开始重视波浪能发电了。从上世纪80年代开始，开发波浪能以向边远沿海海域和海岛供电为主，而且把商业化和实用性作为主要目的，许多国家都建成了波浪能发电站。现在，世界上以振荡浮子式、振荡水柱式、阀式、“点头鸭”式（又称“索尔特波浪能装置”，其捕获能量的效率高达90%）等装置为主。
目前，日本和英国的波浪能发电技术排在全球前列。日本一直都把开发利用波浪能作为重点，其已有一千多个波浪能发电设备。从上世纪80年代中期到现在已建成4座单机容量可以达到40~125kW的防波堤式和岸基固定式波浪能电站，以20年代初建造的总装机容量可达1250kW“海明”号波浪能发电船最为出名。
世界上波浪能资源最丰富的国家是英国。从上世纪70年代开始，英国就非常重视波浪能的发展。80年代，英国成为全球研究波浪能的中心。世界上第一个波浪能发电厂2000年在苏格兰伊斯莱岛附近建成并具备商业化运行的条件。拥有总容量为2GW的波浪能发电设备是英国波浪能发电的目标。
1968年，我国在上海开始研究波浪能。国家高度重视波浪能的发展，并把它作为国家重点项目。通过发展波浪能，更好地利用海洋资源来促进经济的繁荣。但是波浪能相较与其他清洁能源，存在成本高、效率低、工程大等缺点，这些缺点还没有得到较好地解决，所以上述问题是当前学界和业界关注的重点。
作为一种规模巨大、可再生、清洁的新能源的海洋波浪能，有着其他清洁能源无法比拟的优势。但是想要普及波浪能，当前还存在许多困难。我们相信，只要努力地去探索，不怕苦地去钻研，大规模的利用波浪能造福人们，就在不远的明天。
1.3本文主要工作
1.3.1问题的提出
直驱式波浪发电系统模型主要包括单质块的波浪浮子振荡模型，直线电机模型，全功率“背靠背”电力电子变换器模型和控制器模型。对于波浪发电系统而言，其出力时刻变化，当其大量接入电网后会对电网的安全稳定运行产生不利影响。因此，如何对AWS波浪发电系统输出功率进行平滑控制是本文要讨论的问题。
1.3.2本文主要内容
（1）基于Matlab/Simulink搭建波浪发电系统的方针模型。波浪能发电方式多种多样，主要可分为间接驱动式和直接驱动式两大类，本文选用基于阿基米德浮子（AWS）的直驱式波浪发电系统。
（2）针对AWS波浪发电系统出力波动较为剧烈的问题，提出一种基于虚拟电容技术和定直流电流的逆变器控制策略。利用虚拟RC电路实现对AWS波浪发电系统输出功率的平滑，同时保证了能量损耗的最低；在Matlab/Simulink下搭建了简单的以AWS波浪发电为主要供电方式的仿真模型，验证了策略的有效性。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题研究背景及意义 1
1.2国内外波浪发电发展历史及现状 1
1.3本文主要工作 2
1.3.1问题的提出 2
1.3.2本文主要内容 2
第二章 波浪能发电装置系统模型 3
2.1AWS机械模型 3
2.2直线式永磁发电机模型 4
2.3换流器模型 5
2.4控制器模型 6
第三章 AWS波浪发电系统输出功率波动控制策略 8
3.1基本思路 8
3.2虚拟电容技术 8
3.3AWS波浪发电系统逆变器定直流电流控制 9
3.4AWS输出功率波动控制策略 10
3.4.1等效电路模型 10
3.4.2AWS输出功率波动控制策略分析 11
3.5算例分析 12
3.5.1AWS输出功率波动抑制效果 12
3.6本章小结 15
第四章 总结与展望 16
4.1研究工作总结 16
4.2后续工作和展望 16 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
结束语 17
致 谢 18
参考文献 19
附录 21
第一章 绪论
1.1课题研究背景及意义
由于全球都在不断地提高经济实力，人口不断地增加，社会发展更快，每一个国家对能源的需求不断增加，导致了目前的石油危机。现在世界上的每个国家都想找到可以替代，更加清洁而且环保的新型能源来解决目前能源不足的问题。因为地球上绝大部分是海洋，世界各国都想发展海洋能，比如以潮汐、波浪、洋流、温度差等形式。当前条件下，已具备商业发展阶段的是潮汐能发电；波浪能、洋流还在技术探索阶段；温差能则刚开始研究，还在小规模实践。通过比较我们可以得知利用洋流能和波浪能能实现能量密度最大，潮汐能由于要建立大坝蓄能，受地理条件的限制最大；波浪能是所有能量中不会受时空限制的海洋能量，并且在海洋中规模最大，发电的形式也非常灵活。不仅可用于海洋发电，大规模发电等，而且不会对人类居住环境产生不好的影响。
波浪能是通过波浪的波动让装置工作并带动发电机发电，从而将水的势能和动能通过装置的机械能转化为电能。通常波浪能转化为电能要经过三级转换，第一级转换是受波体吸收波浪能；第二级转换是通过中间转换装置优化第一级转换，从而产生稳定的能量；第三级转换是通过发电装置将稳定的能量转化成电能。
在波浪能发电装置的控制和并网技术方面，目前的研究主要集中在采用解耦控制技术实现波浪能的最大功率跟踪，设计全功率的“背靠背”电力电子换流器及其控制策略，以满足波浪能发电装置并入电网运行的要求。文献[1][2]提出了适合电力系统仿真计算的阿基米德波浪发电系统（AWS）模型，通过对发电装置机侧变流器的最优控制实现了波浪能的最大功率捕获，并通过对“背靠背”变流器直流电容充放电的控制维持端口电压和输出功率的恒定。文献[3]对用于波浪能发电系统与电网连接的电流源变换器和电压源变换器进行了比较，结果表明采用电压源变换器能够有效提高海洋能发电系统的运行效率。文献[4]在“背靠背”电力电子变换器中间的直流电容侧设计了DC/DC的变换器以保证直流电容电压的恒定，从而提高了对AWS发电系统端口电压和输出功率的控制能力。文献[5]对采用电池储能平滑直驱式波浪能发电装置输出功率波动，并分别对电池在直流侧接入和交流侧接入两种方式进行了对比。
1.2国内外波浪发电发展历史及现状
自从1910年法国的索白拉塞克成功研制出了第一台波浪发电装置，全球多数国家也都开始重视波浪能发电了。从上世纪80年代开始，开发波浪能以向边远沿海海域和海岛供电为主，而且把商业化和实用性作为主要目的，许多国家都建成了波浪能发电站。现在，世界上以振荡浮子式、振荡水柱式、阀式、“点头鸭”式（又称“索尔特波浪能装置”，其捕获能量的效率高达90%）等装置为主。
目前，日本和英国的波浪能发电技术排在全球前列。日本一直都把开发利用波浪能作为重点，其已有一千多个波浪能发电设备。从上世纪80年代中期到现在已建成4座单机容量可以达到40~125kW的防波堤式和岸基固定式波浪能电站，以20年代初建造的总装机容量可达1250kW“海明”号波浪能发电船最为出名。
世界上波浪能资源最丰富的国家是英国。从上世纪70年代开始，英国就非常重视波浪能的发展。80年代，英国成为全球研究波浪能的中心。世界上第一个波浪能发电厂2000年在苏格兰伊斯莱岛附近建成并具备商业化运行的条件。拥有总容量为2GW的波浪能发电设备是英国波浪能发电的目标。
1968年，我国在上海开始研究波浪能。国家高度重视波浪能的发展，并把它作为国家重点项目。通过发展波浪能，更好地利用海洋资源来促进经济的繁荣。但是波浪能相较与其他清洁能源，存在成本高、效率低、工程大等缺点，这些缺点还没有得到较好地解决，所以上述问题是当前学界和业界关注的重点。
作为一种规模巨大、可再生、清洁的新能源的海洋波浪能，有着其他清洁能源无法比拟的优势。但是想要普及波浪能，当前还存在许多困难。我们相信，只要努力地去探索，不怕苦地去钻研，大规模的利用波浪能造福人们，就在不远的明天。
1.3本文主要工作
1.3.1问题的提出
直驱式波浪发电系统模型主要包括单质块的波浪浮子振荡模型，直线电机模型，全功率“背靠背”电力电子变换器模型和控制器模型。对于波浪发电系统而言，其出力时刻变化，当其大量接入电网后会对电网的安全稳定运行产生不利影响。因此，如何对AWS波浪发电系统输出功率进行平滑控制是本文要讨论的问题。
1.3.2本文主要内容
（1）基于Matlab/Simulink搭建波浪发电系统的方针模型。波浪能发电方式多种多样，主要可分为间接驱动式和直接驱动式两大类，本文选用基于阿基米德浮子（AWS）的直驱式波浪发电系统。
（2）针对AWS波浪发电系统出力波动较为剧烈的问题，提出一种基于虚拟电容技术和定直流电流的逆变器控制策略。利用虚拟RC电路实现对AWS波浪发电系统输出功率的平滑，同时保证了能量损耗的最低；在Matlab/Simulink下搭建了简单的以AWS波浪发电为主要供电方式的仿真模型，验证了策略的有效性。
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