小型波浪能發(fā)電裝置及其電能管理系統(tǒng)的研究

【摘要】：全球經(jīng)濟的快速發(fā)展對能源的需求不斷增大，導致天然氣、石油和煤等資源加劇減少。新型能源的研究、開發(fā)和利用勢在必行。海洋波浪能是一種沒有污染、儲能非常豐富的可再生能源，地球上海洋波浪蓄藏的電能可達到5000GW，我國是海洋大國，可利用的波浪能極為豐富。波浪能發(fā)電具有無污染、可再生、儲量大等優(yōu)點，對解決當今日益嚴重的能源缺乏問題有著非常重大的意義。本論文研究是一種新型漂浮式波浪能發(fā)電裝置，可以向海上浮標燈、沿海居民和守衛(wèi)海島的戰(zhàn)士提供電力，等技術成熟后還可以實現(xiàn)大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電，因此具有重要的理論和實際意義。將海洋中的儲存的波浪能轉換為可以供人類利用的電能，最關鍵的問題是如何利用波浪能發(fā)電。所以在波浪能發(fā)電系統(tǒng)中波浪能轉換裝置和電能變換裝置是研究的重點。 論文首先講述了波浪能發(fā)電的發(fā)展過程、國內(nèi)外波浪能發(fā)電應用狀況，對波浪能發(fā)電有了深入的研究。通過分析了目前世界上各種常用的波浪能轉換裝置，選擇了采用永磁直線往復運動式發(fā)電機作為波浪能轉換裝置，將永磁直線發(fā)電機應用于波浪發(fā)電領域，采用直立的直線往復運動的永磁體動子作為發(fā)電機勵磁，可以直接與波浪的起伏運動特點相吻合，簡化了波浪能的轉化過程，省去了各種傳動裝置。然后研究了永磁直線往復運動式發(fā)電機的設計方法，設計了一個特殊四面結構的直線發(fā)電機，主要包括發(fā)電機的運行參數(shù)和結構參數(shù)。并應用Ansoft13軟件對永磁直線往復式發(fā)電機進行建模，對發(fā)電機模型進行仿真分析。通過修改電機的參數(shù)對永磁直線發(fā)電機進行了優(yōu)化，主要優(yōu)化參數(shù)包括電機的極對數(shù)、永磁體的尺寸、定子槽數(shù)、繞組匝數(shù)等，確定了永磁直線發(fā)電機的設計方案。 接著論文講述了由三相整流橋電路、Buck-Boost變換電路及雙向Buck/Boost變換電路組成的電能變換裝置。當在起伏的波浪的作用下，永磁直線發(fā)電機發(fā)出的為變頻變幅不穩(wěn)定的交流電能，電能變換裝置將不穩(wěn)定的交流電轉換為穩(wěn)定的直流電能用于負載和充電到備用蓄電池；當海面風平浪靜的時候，永磁直線發(fā)電機不發(fā)電或發(fā)出的電壓不足，由蓄電池通過雙向Buck/Boost變換電路供電給負載。然后對Buck-Boost變換電路、雙向Buck/Boost變換電路進行了建模分析確定了控制方法，并應用Matlab對Buck-Boost變換電路控制系統(tǒng)和蓄電池充放電控制系統(tǒng)進行了仿真。然后完成了電能變換裝置的設計，主要包括硬件電路的搭建和軟件的編寫。 最后論文講述了在完成永磁直線發(fā)電機實物、電能管理系統(tǒng)的的設計的基礎上的仿真和實驗分析，驗證了整個波浪能發(fā)電系統(tǒng)的設計方案是正確可行的。 【關鍵詞】：波浪發(fā)電 永磁直線發(fā)電機 Buck-Boost DC/DC變換電路
【學位授予單位】：哈爾濱工程大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：TM61;TM73
【目錄】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 緒論10-16
• 1.1 課題背景10-11
• 1.2 波浪能發(fā)電裝置原理的分析11-12
• 1.2.1 沖箱式波浪能吸收裝置11
• 1.2.2 搖擺式波浪能吸收裝置11
• 1.2.3 空氣式波浪能吸收裝置11-12
• 1.2.4 聚波儲能式波浪能發(fā)電裝置12
• 1.2.5 其他12
• 1.3 波浪能發(fā)電技術發(fā)展應用狀況12-14
• 1.4 本課題的研究內(nèi)容14-16
• 第2章 永磁直線發(fā)電機的設計16-30
• 2.1 引言16
• 2.2 直線發(fā)電機的基本結構和工作原理16-19
• 2.2.1 直線發(fā)電機的基本結構16-18
• 2.2.2 直線發(fā)電機的工作原理18
• 2.2.3 直線發(fā)電機的邊端效應18
• 2.2.4 直線發(fā)電機的數(shù)學模型18-19
• 2.3 永磁直線往復運動發(fā)電機的設計19-26
• 2.3.1 永磁直線發(fā)電機材料的選擇20-21
• 2.3.2 永磁直線發(fā)電機結構參數(shù)的設計21-25
• 2.3.3 永磁直線發(fā)電機參數(shù)的計算25-26
• 2.4 永磁直線發(fā)電機電磁場有限元分析26-28
• 2.4.1 電磁場分析軟件 Ansoft 13 的概述26-27
• 2.4.2 永磁直線發(fā)電機電磁場的具體分析27-28
• 2.5 本章小結28-30
• 第3章 電能變換裝置建模及控制參數(shù)的設計30-58
• 3.1 引言30
• 3.2 Buck-boost 電路的建模及控制器的設計30-51
• 3.2.1 Buck-Boost 變換電路的原理30-34
• 3.2.2 Buck-Boost 變換電路的平均法建模34-42
• 3.2.3 Buck-Boost 變換電路反饋控制的設計42-50
• 3.2.4 Buck-Boost 變換電路閉環(huán)控制的 MATLAB 仿真50-51
• 3.3 蓄電池充放電電路及控制策略的設計51-57
• 3.3.1 Buck 變換電路的原理分析51-54
• 3.3.2 Boost 變換電路的原理分析54-55
• 3.3.3 蓄電池充放電閉環(huán)控制的設計55-57
• 3.4 本章小結57-58
• 第4章 波浪能發(fā)電裝置電能管理系統(tǒng)軟硬件的設計58-68
• 4.1 電能管理系統(tǒng)的構成58
• 4.2 硬件電路的設計58-63
• 4.2.1 系統(tǒng)性能指標58-59
• 4.2.2 電能變換電路的設計59
• 4.2.3 檢測電路59-60
• 4.2.4 控制電路60-62
• 4.2.5 驅(qū)動電路62-63
• 4.3 電能管理系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)63-67
• 4.3.1 主程序軟件的設計63
• 4.3.2 基于 Buck-Boost 變換電路穩(wěn)壓控制子程序63-64
• 4.3.3 基于 Buck/Boost 變換電路蓄電池充放電控制子程序64-65
• 4.3.4 數(shù)字 PI 控制算法子程序65-67
• 4.4 本章小結67-68
• 第5章 實驗結果及分析68-74
• 5.1 永磁直線發(fā)電機仿真及分析68-69
• 5.2 Buck-Boost 變換電路實驗及分析69
• 5.2.1 Buck-Boost 變換電路實驗調(diào)試69
• 5.2.2 實驗結果分析69
• 5.3 蓄電池充放電控制仿真及分析69-73
• 5.3.1 蓄電池恒流充電控制的仿真及分析70-71
• 5.3.2 蓄電池恒壓充電控制的仿真及分析71-72
• 5.3.3 蓄電池供電控制的仿真及分析72-73
• 5.4 波浪能發(fā)電系統(tǒng)控制仿真及分析73
• 5.5 本章小結73-74
• 結論74-75
• 參考文獻75-78
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文和取得的科研成果78-79
• 致謝79

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