波浪能模拟发电系统

#01

「前言 」

在海洋可再生能源开发领域，波浪能的高效利用面临两大核心挑战：一是波浪能本身具有随机性、间歇性的特点，能量捕获效率低下；二是转换后的电能存在剧烈波动，难以直接并网或供负载使用。瑞途优特波浪能模拟发电系统—采用"原动机模拟+多级电能调控"技术路线，通过永磁同步电机、PWM整流/逆变系统和超级电容动态平衡技术，打造出高响应、高集成的波浪能发电解决方案。该技术方案显著提升了波浪能转换效率，为高校及科研院所的海洋能源前沿研究提供了强有力的技术支撑。

图1 波浪能发电系统平台

#02

「 海洋波浪能发电系统拓扑结构 」

本系统由波浪拖动发电机转动产生电能，经过三相PWM整流器变换成直流电，再经过双向Buck/boost电路输入超级电容或由负载释放。

三相PWM整流器跟踪波浪拖动发电机的转速和力矩，将机械能转化电能，对直流母线充电。

双向Buck/boost电路对超级电容充放电，稳定直流母线电压，利用两个双向Buck/boost电路交错并联，减小低压侧超级电容充放电流纹波，减小IGBT电流尖峰。

利用斩波器无级调节功率负载率，维持功率大致平衡，保持超级电容SOC恒定。如图2所示。

图2 海洋波浪能发电系统拓扑结构展示

#03

「 海洋波浪能发电系统实物展示 」

5KW波浪能模拟系统如图3所示：

图3 海洋波浪能发电系统实物展示

#04

「 模型算法解析 」

完整模型算法如图4所示：

图4 完整模型算法展示

算法模型分模块介绍：

(1)电机参数采集

此部分模块展示电机参数的采集，包括转向、角度、速度、位置等信息。如图5所示。详细介绍。

①电机的参数如转动惯量，极对数，磁通等等。

②相位补偿保证逆变器输出电压和发电机输出电压同相位。

图5 电机参数采集模块

(2)ADC采样设置

此部分模块展示ADC模块采集各个子模块及电流电压传感器的电压电流信息。如图6所示。

采集哪些电气量：

①直流母线电压；

②发电机输出三相电压、电流；

③交错并联buck/boost  2个低压侧电流、超级电容电压；

④负载电流等。

图6 ADC采样设置模块

(3)电机侧变流器控制

此部分模块展示电机侧变流器控制算法。如图7所示。

①电流环控制，电流环是控制的根本，在系统进行速度和位置控制的同时系统也在进行电流/转矩的控制以达到对速度和位置的相应控制。

②本电机经过六级减速传动，最大传动比为1500:1，再六级加速传动变换回来，最终传动比为1:1，因为减速器全部是刚性齿轮链接，所以转动惯量较大，转速变化缓慢，导致PI参数不能太小，进而导致电流跟踪缓慢。

③本系统的UQ补偿通过电流全前馈和电流反馈补偿两种方式进行，最大程度上保证电机系统稳定。

④最后通过SVPWM生成调制波。

图7 电机侧变流器控制模块

(4)Buck/boost算法及控制信号设置

此部分模块展示Buck/boost算法、控制信号设置、负载投放设置。如图8所示。

①采用电压环实现直流母线恒定控制，直流母线目标值在线可调。

②Buck/boost交错并联，PWM脉冲相位交错180°。

③负载率在线可调。

图8 Buck/boost算法及控制信号设置模块

(5)波形观测和触发录波功能设置模块

此部分展示波形观测功能和触发录波功能设置模块，如图9所示。

①波形观测模块wave，可以将过程中的任意变量输出，并通过上位机软件观察。

②触发录波功能模块Wave rec，手动触发或达到触发条件后记录波形并保存，也可再通过上位机软件观察。每条曲线记录20K个点，完整实现故障录波分析。

图9 波形观测和触发录波功能设置模块

(6) 电压电流保护设置

此部分模块展示对三相电流、负载电流、网侧整流电压、buck/boost高压低压侧电压值的保护，以及接触器的控制信号，保证系统持续稳定运行。如图10所示。

当电流电压转速超过保护值时，触发保护，记录保护状态，封锁脉冲，跳开接触器，将功率电路与发电机和超级电容隔离。同时复位积分累计器。

图10 电压电流保护设置模块

本套实验设备是模拟波浪能发电系统，发电机发出的电能均被电容吸收或由负载释放，但实际情况中是被电容吸收或是输送到电网。实验数据及波形展示主要通过以下三类展示，分别为电容恒流充电、电容恒压放电、抑制波浪功率波动。

(1)恒流充电

每次开机前，超级电容电压为0。为了建立稳定的电压，必须对超级电容充电，将发电机发出的三相电通过三相整流模块变换成直流电。再经过buck/boost电路降低电压后输入到超级电容。控制输入电流以达到恒流充电。波形如视频所示。

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(2)恒压放电

当系统停机时候，超级电容上还有很高电压和能量。为了安全运行，必须将超级电容电压放到0。设定直流母线电压，通过负载恒压放电，通过调节负载率调节消耗功率。波形如视频所示。

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(3)抑制波浪功率波动

抑制波浪波动是无论电机转速快慢，发电量大小，经过boost电路升压后的高压侧电压都应该保持稳定，发电机发电量较少时，会通过电容输送一些电能，使得高压侧电压保持稳定。发电机发电量较多时，一部分正常发电，超出的部分会以给电容充电的形式被电容吸收，或是由负载释放。波形如视频所示。

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#06

「 系统验收标准 」

本套系统的验收标准，各项均已达标，如图11、12所示。

图11 系统验收文件一

图12 系统验收文件二