【畢業(yè)學(xué)位論文】（Word原稿）波浪風(fēng)光伏聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)仿真研究-流體機(jī)械及工程

分類號 密級 編號 中國科學(xué)院研究生院 碩士學(xué)位論文 波浪 /風(fēng) /光伏聯(lián)合 發(fā)電系統(tǒng) 仿真研究 指導(dǎo)教師 副 研究員 中國科學(xué)院廣州能源研究所 研究員 中國科學(xué)院廣州能源研究所 申請學(xué)位級別 碩士 學(xué)科專業(yè)名稱 流 體機(jī)械及工程 論文提交日期 論文答辯日期 培養(yǎng)單位 中國科學(xué)院 廣州能源研究所 學(xué)位授予單位 中國科學(xué)院研究生院 答辯委員會主席 摘 要 i 摘要 我國海域遼闊，分布了大量島嶼，由于島嶼其自身孤立的環(huán)境， 電力資源缺乏，供電 成為制約海島經(jīng)濟(jì)發(fā)展和影響居民生活質(zhì)量的一個大問題。 海島上 有著豐富的可再生能源 ，但是 利用單一能源，很難滿足海島上的實(shí)際用電需求， 因此，發(fā)展獨(dú)立穩(wěn)定的多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是解決海島電力短缺的重要 途徑。 本文對多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了一些調(diào)研分析，提出了一種 波浪 /風(fēng) /光伏 聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案， 建立了 波浪 /風(fēng) /光伏 聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng) 數(shù)學(xué)模型 ， 這些 模型 包括 ： 波浪能蓄能穩(wěn)壓發(fā)電模型、 風(fēng) 力發(fā)電模型、太陽能光伏陣列發(fā)電模型 ，相應(yīng)的 控制系統(tǒng) 模型有 ：蓄能穩(wěn)壓控制、 光伏發(fā)電最大功率跟蹤控制、獨(dú)立電網(wǎng)頻率穩(wěn)定控制、光伏發(fā)電逆變輸出 控制等，最后利用 上述數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真模型搭建，并根據(jù)該模型進(jìn)行波浪 /風(fēng) /光伏聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)研究。 波 浪 /風(fēng) /光伏聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明： 波浪能蓄能穩(wěn)壓發(fā)電系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和適應(yīng)性， 雖然系統(tǒng) 輸入了不同形式的能量，但能量均能被較平穩(wěn)地輸出，有效地證明了蓄能穩(wěn)壓系統(tǒng)可以 實(shí)現(xiàn) 將不穩(wěn)定的波浪能 轉(zhuǎn)化為 較穩(wěn)定的 能量 輸出 ； 風(fēng)力機(jī)仿真模型 模擬 的 風(fēng)力機(jī) 風(fēng)能利用系數(shù)曲線及功率輸出曲線和實(shí)際風(fēng)力機(jī)性能相符， 可以較好地模擬實(shí)際風(fēng)力機(jī)運(yùn)行 ； 光伏陣列模型可以有效模擬實(shí)際光伏陣列輸出特性， 采用 模糊 /模控制 的 最大功率跟蹤 系統(tǒng)在日照強(qiáng) 度變化較大時(shí)仍然能夠快速、準(zhǔn)確地跟蹤到太陽能電池板的最大功率點(diǎn) ； 波浪 /風(fēng) /光伏聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng) 在波浪能、風(fēng)能能量輸入和 波浪能、風(fēng)能、太陽能都輸入 的情況下，均能較好地將波浪能、風(fēng)能、太陽能三種能量并入獨(dú)立電網(wǎng)，所形成的獨(dú)立電網(wǎng)電壓穩(wěn)定、頻率波動較小，滿足用戶負(fù)載的要求，有 較好的 供電 性能。 關(guān)鍵詞： 波浪 /風(fēng) /光伏；聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)；蓄能穩(wěn)壓；最大功率跟蹤；頻率穩(wěn)定控制； 逆變輸出 控制；仿真 波浪 /風(fēng) /光伏聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)仿真研究 in of a s of As is is of in t to s so is a to a is of a a PV a on as of of V so A is on a is on V of PP in of of of of of 浪 /風(fēng) /光伏聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)仿真研究 錄 I 目錄 第 1 章 緒論 . 1 言 . 1 能、太陽能、波浪能的特點(diǎn) . 1 島能源問題 . 2 內(nèi)外多能互補(bǔ)的可再生能源利用技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 . 3 外現(xiàn)狀 . 3 內(nèi)現(xiàn)狀 . 4 文選題的背景和目的 . 4 文主要工作 . 5 第 2 章 波浪 /風(fēng) /光伏聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的組成及設(shè)計(jì)思路 . 7 統(tǒng)組成 . 7 統(tǒng)設(shè)計(jì)思路 . 8 統(tǒng)主要 模塊簡要介紹 . 8 統(tǒng)中相關(guān)控制系統(tǒng)簡要介紹 . 9 第 3 章 波浪能蓄能穩(wěn)壓發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模 . 11 浪能蓄能穩(wěn)壓 發(fā)電系統(tǒng)工作原理 . 11 浪能蓄能穩(wěn)壓發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模 . 12 壓系統(tǒng) . 13 制系統(tǒng) . 13 型 . 14 真實(shí)驗(yàn)研究 . 15 束語 . 18 第 4 章 風(fēng)力機(jī)數(shù)學(xué)建模 . 19 波浪 /風(fēng) /光伏聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)仿真研究 力機(jī)簡介 . 19 力機(jī)的能量轉(zhuǎn)換 . 20 能計(jì)算 . 20 茲理論 . 20 力機(jī)數(shù)學(xué)模型 . 22 力機(jī) 型 . 23 真分析 . 23 束語 . 25 第 5 章 太陽能光伏陣列數(shù)學(xué)建模 . 27 陽能光伏陣列 . 27 伏電池特性 . 28 伏陣列的數(shù)學(xué)模型 . 28 型的光伏電池特性曲線 . 29 糊 /?？刂圃O(shè)計(jì) . 29 糊控制器的輸入量、輸出量 . 30 定輸入量和輸出量的模糊子集和論域 . 30 屬度函數(shù) . 30 糊決策表 . 30 真實(shí)驗(yàn) . 31 真模型 . 31 真結(jié)果 . 34 束語 . 35 第 6 章 波浪 /風(fēng) /光伏聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模 . 37 步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)建模 . 37 步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)建模 . 39 目 錄 電池?cái)?shù)學(xué)模型 . 41 電池充放電控制 . 42 磁控制 . 43 變輸出控制 . 44 變輸出控制原理 . 44 變輸出控制仿真分析 . 45 浪 /風(fēng) /光伏聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)模型建立 . 48 束語 . 50 第 7 章 波浪 /風(fēng) /光伏聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn) . 51 浪能、風(fēng)能能量輸入 . 51 浪能、風(fēng)能、太陽能均輸入 . 54 束語 . 60 第 8 章 結(jié)論與展望 . 61 論 . 61 望 . 61 參考文獻(xiàn) . 63 致 謝 . 71 碩士期間發(fā)表論文 . 72 作者簡介 . 73 附錄 控制算法介紹 . 74 波浪 /風(fēng) /光伏聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)仿真研究 1 章 緒論 1 第 1章 緒論 能源與環(huán)境問題是當(dāng)今社會普遍關(guān)注的熱點(diǎn)。在 20 世紀(jì)中，人類使用的能源主要有原油、天然氣和煤炭三種，而根據(jù)國際能源機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)，假使按目前的勢頭發(fā)展下去，地球上這三種能源能供人類開采的年限，分別只有 40 年、 50 年和 240 年。 隨著化石能源的逐步消耗，能源危機(jī)已展現(xiàn)在人類面前 ， 世界各國日益重視清潔的可再生能源的開發(fā)利用， 我國于 2005 年 2 月頒布了可再生能源法并于 2006 年 1 月開始實(shí)施，其中 風(fēng)能、太陽能、水能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、海洋能?可再生能源在該法中備受關(guān)注。然而，由于太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮?、海洋能等可再生能?的分散性 、間隙性和 季節(jié)性導(dǎo)致單一的可再生能源很可能難以滿足局部區(qū)域在時(shí)空上的需要（如單一的波浪能和風(fēng)能在無浪和無風(fēng)季節(jié)、單一的太陽能在雨季和晚上是難以滿足實(shí)際需求的） 。多能互補(bǔ)就是根據(jù)當(dāng)?shù)氐?資源條件和 不同的 用能對象，采取多種能源互相補(bǔ)充，以緩解能源供需矛盾 。多能互補(bǔ)系統(tǒng) 的研發(fā) 已成為國內(nèi)外發(fā)展可再生能源利用技術(shù)的關(guān)鍵問題之一 。 能、太陽能、波浪能的特點(diǎn) 太陽每秒鐘放射的能量大約是 0 年內(nèi)到達(dá)地球表面的太陽能總量折合標(biāo)準(zhǔn)煤共約 0 千億噸，是目前世界主要能源探明儲量的一萬倍。相對于常規(guī)能源的有限性，太陽能具有儲量的“無限性”，取之不盡，用之不竭。相對于其它能源來說，太陽能對于地球上絕大多數(shù)地區(qū)具有存在的普遍性，可就地取用。這就為常規(guī)能源缺乏的國家和地區(qū)解決能源問題提供 了美好前景。 風(fēng)能是太陽能在地球表面的另外一種表現(xiàn)形式。由于 太陽的輻射造成地球表面受熱不均 ，在地球表面形成溫差， 從而引起大氣層中壓力分布不均 ，空氣沿水平方向運(yùn)動形成風(fēng) 。 全球風(fēng)能資源極為豐富，而且分布在幾乎所有的地區(qū)和國家。 據(jù)估計(jì)全球的風(fēng)能約為 0 中可利用的風(fēng)能為 72 10 地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大 10 倍。數(shù)千年來，風(fēng)能技術(shù)發(fā)展緩慢，也沒有波浪 /風(fēng) /光伏聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)仿真研究 2 引起人們足夠的重視。但自 1973 年世界石油危機(jī)以來，在常 規(guī)能源告急和全球生態(tài)環(huán)境惡化的雙重壓力下，風(fēng)能作為新能源的一部分才重新有了長足的發(fā)展。風(fēng)能作為一種無污染和可再生的新能源有著巨大的發(fā)展?jié)摿Γ貏e是對沿海島嶼，交通不便的邊遠(yuǎn)山區(qū)，地廣人稀的草原牧場，以及遠(yuǎn)離電網(wǎng)和近期內(nèi)電網(wǎng)還難以達(dá)到的農(nóng)村、邊疆，作為解決生產(chǎn)和生活能源的一種可靠途徑，有著十分重要的意義。 波浪能是一種依附在海水中的可再生能源，是海洋表面波浪所具有的動能和勢能。波浪能來源于風(fēng)，而風(fēng)又是太陽能對大氣的加熱而產(chǎn)生的，因此波浪能是可再生和無窮無盡的，蘊(yùn)藏量豐富。相對與其他“間歇”性能源比如風(fēng)能、太陽 能來說比較均衡，其能量密度遠(yuǎn)大于太陽能和風(fēng)能，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。 雖 說風(fēng)能、太陽能、波浪能都有很多各自的優(yōu)點(diǎn)，但在一些特定的環(huán)境和時(shí)空，單一的能量不能滿足實(shí)際需求，比如： 晚上沒有太陽能、波浪能和風(fēng)能存在無浪和無風(fēng)季節(jié)，然而，在很多環(huán)境下波浪能、風(fēng)能、太陽能卻具有很好的互補(bǔ)性，通過多能互補(bǔ)可以較好地彌補(bǔ)單一能源的不足，因此 多能互補(bǔ) 技術(shù)對于解決上述問題有重要意義， 得到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。 島能源問題 海島有著十分重要的戰(zhàn)略地位，不僅表現(xiàn)在海島是沿海國家領(lǐng)土的一部分，是沿海國家的海防前哨，還表現(xiàn)在海島周圍 200 海里屬于海島控制國家的專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)（聯(lián)合國海洋法公約規(guī)定），那里可能蘊(yùn)藏著豐富的海洋資源。沿海周邊國家常引發(fā)海島之爭，矛盾的焦點(diǎn)主要集中在島嶼 (要地 )歸屬形成的爭端、海域劃界、海洋資源爭奪和海上優(yōu)勢地位的爭奪等方面。 我國有海島 6500 多個，面積 8 萬多平方公里，其中有人居住的海島 400 多個，人口約 2700 萬。廣東省島嶼大小島嶼 1431 個，沿海島嶼 651 個，其中珠江口外大小島嶼近 200 個，海島總面積 1600 平方公里，這些島嶼上大多電力和淡水資源缺乏，供電和供水是 制約 海島經(jīng)濟(jì)發(fā)展和影響居民生活質(zhì)量的一個大問題；此外，海洋開發(fā)平臺上的工作人員和島礁上的守島部隊(duì)的 用電 和 用水 依靠船運(yùn)，其補(bǔ)給周期長、成本高昂。這些特殊場合都是海島可再生能源多能互補(bǔ)技術(shù)利用的巨大市場。此外，利用波浪能、風(fēng)能和太陽能的多能互補(bǔ)技術(shù)也可緩解沿第 1 章 緒論 3 海城市的電力和淡水緊缺問題。 海島上的可再生能源較為豐富，利用當(dāng)?shù)氐暮Ｑ竽苜Y源，如波浪能、風(fēng)能和太陽能，可以為海島提供電力。然而，由于這些能源的不連續(xù)性、不穩(wěn)定性和季節(jié)性，利用單一能源，很難滿足海島上的實(shí)際用電需求 ， 如波浪能在無浪季節(jié)、風(fēng)能在無風(fēng)季節(jié)、太陽能在雨季或者陰云天氣就無法保證為用戶提供充足電 力。然而，海島上的太陽能、風(fēng)能和波浪能卻具有很好的互補(bǔ)性，在我國，夏秋季節(jié)的風(fēng)能和波浪能相對較小，太陽能則較大；而冬春季節(jié)的風(fēng)能和波浪能相對較大，太陽能則較小。此外，夜間沒有太陽能，但可能有波浪能和風(fēng)能。因此，發(fā)展獨(dú)立穩(wěn)定的多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是解決海島電力短缺的最佳途徑。 內(nèi)外多能互補(bǔ)的可再生能源利用技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 國際上開展了大量的多能互補(bǔ)的研究和應(yīng)用示范工作，主要是 風(fēng) /光、風(fēng) /柴及 風(fēng) /光 /柴系統(tǒng)的研究 。 在基礎(chǔ)研究方面，近幾年國際著名期刊 f 、 、 n 上發(fā)表了不少的有關(guān)風(fēng) /光、風(fēng) /柴油機(jī)互補(bǔ)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和最優(yōu)控制方面的研究工作，如文獻(xiàn) 1研制了一個簡單的數(shù)學(xué)模型來優(yōu)化設(shè)計(jì)風(fēng) /光互補(bǔ)系統(tǒng)；在應(yīng)用示范方面，國外已經(jīng)建成了不少大型的風(fēng) /光、風(fēng) /柴油、風(fēng) /光 /柴油機(jī)互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng) 23。如 1995 年，日本在沖繩島建成了 1 座 750能和 300油機(jī)的風(fēng) /柴油機(jī)發(fā)電互補(bǔ)系統(tǒng)； 1998 年澳大利亞在 成了 1 座 100陽能和 550油機(jī)的風(fēng) /柴油機(jī)互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)； 希臘在 1982間，在 建成了 1 座 100陽能和 100能的風(fēng) /光 /柴 互補(bǔ)系統(tǒng)； 目前，在德國的 建成了歐洲最大的太陽能光伏發(fā)電互補(bǔ)系統(tǒng)，其中太陽能 光伏發(fā)電功率為 800大利也正在研建 1 座 600陽能和 900能的風(fēng) /光互補(bǔ)系統(tǒng)；西班牙 也開始研建 1 座 480陽能和 1550能的風(fēng) /光互補(bǔ)系統(tǒng)； 美國于 2003 年 在新墨西哥的 座風(fēng) /光伏 /柴油互補(bǔ) 發(fā)電 系統(tǒng) 4；從發(fā)展趨勢看，國際上的 風(fēng)光或風(fēng)光柴等 互補(bǔ)系統(tǒng)正向大規(guī)?；l(fā)展。 波浪 /風(fēng) /光伏聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)仿真研究 4 國內(nèi)也非常重視 多能互補(bǔ)的 可再生能源 利用技術(shù) 的研發(fā)。我國中央政府和地方政府均以立法的形式或在政策上對多能互補(bǔ)的發(fā)展予以保障和支持。如 中華人民共和國節(jié)約能源法 第三十八條 規(guī)定：“ 各級人民政府應(yīng)當(dāng)按照因地制宜、多能互補(bǔ)、綜合利用、講求效益的方針，加強(qiáng)農(nóng)村能源建設(shè)，開發(fā)、利用沼 氣、太陽能、風(fēng)能、水能、地?zé)岬瓤稍偕茉春托履茉础?” 我國對多能互補(bǔ)系統(tǒng)進(jìn)行了較多的研究，并有一定數(shù)量的示范工程，這些研究和示范工程大多集中在風(fēng) /光、風(fēng) /柴油機(jī)或者風(fēng) /光 /柴油機(jī)互補(bǔ)發(fā)電方面。如1994年在遼寧烏莽島建成 130745； 1997年浙江大陳 島 205802001年浙江北龍島1002067； 2004年我國首個大型風(fēng)力、1008；隨 著各種可再生能源技術(shù)的快速發(fā)展，最近多能互補(bǔ)的研究范圍已經(jīng)擴(kuò)展到生物質(zhì)、地?zé)?、海洋能等其它可再生能源，?2003年，山東即墨大管島的風(fēng)光波浪能的混合發(fā)電系統(tǒng)是我國第一座可再生能源的多能混合試驗(yàn)示范項(xiàng)目 9。 經(jīng)過數(shù)十年的應(yīng)用示范研究，波浪能在海島的利用得到很大的發(fā)展，技術(shù)趨于成熟，因此應(yīng)像風(fēng)能示范一樣開展多能互補(bǔ)和綜合利用的示范工作，建立風(fēng)能、波浪能、太陽能等綜合利用的示范基地，促進(jìn)可再生能源技術(shù)的全面發(fā)展，發(fā)揮綜合效益。 文選題的背景和目的 近幾十年，世界各國對多能互補(bǔ)系統(tǒng)進(jìn)行了一系列有針對性的 研究，在這些研究中，主要是 針對 風(fēng) /光、風(fēng) /光 /柴、光 /柴互補(bǔ)系統(tǒng)的研究， 而 對 波浪 /風(fēng) /光系統(tǒng)的研究 較 少 ， 僅有少量文獻(xiàn)涉及， 如文獻(xiàn) 10中 人 分析了島嶼燈塔 波浪 /風(fēng) /光伏 混合能源 系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性并說明了能源系統(tǒng)的互補(bǔ)性； 文獻(xiàn) 11中 人提出了島嶼能源系統(tǒng)的概念及其組成構(gòu)想； 文獻(xiàn) 12中 出了根據(jù)能量需求來優(yōu)化 波浪 /風(fēng) /光伏 能量系統(tǒng)配置的方法； 文獻(xiàn) 9中介紹了 山東即墨大管島 的混合發(fā)電 示范 系統(tǒng) 的組成結(jié)構(gòu) 。上述文獻(xiàn) 大部分 著重 提出或 分析 波浪 /風(fēng) /光伏 系統(tǒng)的概念或經(jīng)濟(jì)性 ， 而對于 波浪 /第 1 章 緒論 5 風(fēng) /光伏 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析較少涉及 ， 僅 文獻(xiàn) 9介紹了 大管島 波浪 /風(fēng) /光伏 系統(tǒng) 的設(shè)計(jì) 方案 ， 首先把 波浪能和風(fēng)能發(fā)出的交 流電整流 成直流電 ， 然后和光伏陣列輸出直流電一起被輸?shù)脚潆姽瘢?配電過程中 ， 多余的 直流 電能向蓄電池充電， 最后通過 逆變器 實(shí)現(xiàn)對交流負(fù)載的供電 。 本文提出一種新的 波浪 /風(fēng) /光伏 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想 ， 不同于文獻(xiàn) 9設(shè)計(jì)思想 ，目標(biāo)是形成一個穩(wěn)定的獨(dú)立電網(wǎng)對用戶供電。 基于 該設(shè)計(jì)思想 可 有效 地 結(jié)合 波浪能、 風(fēng) 能、太陽能 三種不同形式能量 ，來 滿足用戶負(fù)載的工作要求。 文主要工 作 本文在 “十 一 五” 863 項(xiàng)目 （ 2006 海島可再生獨(dú)立能源系統(tǒng)研建 的資助下，進(jìn)行了 波浪 /風(fēng) /光伏 聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的研究，具體工作如下： 1 對 波浪 /風(fēng) /光伏 聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)組成 進(jìn)行分析，提出一種合理的、有效的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 方案。 2 對 波浪 /風(fēng) /光伏 聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模， 這些模型包括： 波浪能蓄能穩(wěn)壓發(fā)電模型、風(fēng)力發(fā)電模型、太陽能光伏陣列發(fā)電模型 ，相應(yīng)的控制系統(tǒng)模型有：蓄能穩(wěn)壓控制、光伏發(fā)電最大功率跟蹤控制、獨(dú)立電網(wǎng)頻率穩(wěn)定控制、光伏發(fā)電逆變輸出控制等。 3 利用 上述 數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真模型搭建， 并根據(jù)該模型進(jìn)行 波浪 /風(fēng) /光伏 聯(lián)合發(fā)電 系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)研究 ，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析 。 4全文總結(jié)和展望。 波浪 /風(fēng) /光伏聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)仿真研究 6 第 2 章 波浪 /風(fēng) /光伏聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的組成及設(shè)計(jì)思路 7 第 2章 波浪 /風(fēng) /光伏 聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的組成及設(shè)計(jì)思路 本章主要 介紹波浪 /風(fēng) /光伏聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成、 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路 、系統(tǒng)主要模塊簡要介紹及相關(guān)控制系統(tǒng) 簡要 介紹 。 統(tǒng) 組成 波浪 /風(fēng) /光伏 聯(lián)合獨(dú)立發(fā)電 系統(tǒng)由 波浪能蓄能穩(wěn)壓發(fā)電子系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電子系統(tǒng) 、太陽能光伏陣列發(fā)電子系統(tǒng)、 蓄電池、 相關(guān)的控制系統(tǒng)及用戶負(fù)載等 組成。如圖 2示，其中 波浪能蓄能穩(wěn)壓發(fā)電 子系統(tǒng) 由 波浪能采集系 統(tǒng) 、 蓄能穩(wěn)壓器、液壓泵、液壓馬達(dá)、各種閥門管路等組成 ， 風(fēng)力機(jī)為水平軸風(fēng)力機(jī)， 太陽能光伏陣列 為一系列太陽能電池板組成 。相關(guān) 控制系統(tǒng) 保證發(fā)電系統(tǒng)的可靠 運(yùn)行 ， 主要有 波浪能的 蓄能穩(wěn)壓控制、光伏發(fā)電最大功率跟蹤控制、 蓄電池充放電控制 、光伏發(fā)電逆變輸出 控制 、同步發(fā)電機(jī)勵磁控制 等 。 波浪能發(fā)電系統(tǒng)風(fēng)力機(jī)太陽能光伏陣列同步發(fā)電機(jī)勵磁控制器異步發(fā)電機(jī)無功調(diào)節(jié)逆變器M P P T 功 率 跟 蹤逆變輸出控制輸出測量用戶負(fù)載蓄電池逆變器充放電控制電網(wǎng)參數(shù)測量輸出測量圖 2浪 /風(fēng) /光伏 聯(lián)合 發(fā)電 系統(tǒng) 構(gòu)成示意 圖 波浪 /風(fēng) /光伏聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)仿真研究 8 波浪 /風(fēng) /光伏聯(lián)合發(fā)電 系統(tǒng) 的基本設(shè)計(jì)思路為： 通過同步發(fā)電機(jī)、異步發(fā)電機(jī)及逆變器分別把波浪能發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力機(jī)和太陽能光伏陣列產(chǎn)生的三種不同形式的能量 穩(wěn)定地 并入獨(dú)立電網(wǎng)， 為實(shí)現(xiàn)這個 目標(biāo)，設(shè)計(jì)了 相關(guān)控制系統(tǒng)， 這些控制系統(tǒng)主要有波浪能的 蓄能穩(wěn)壓控制、 同步發(fā)電機(jī)勵磁控制、 光伏發(fā)電最大功率跟蹤控制、 光伏發(fā)電逆變輸出控制、 蓄電池充放電控制等， 通過這一系列控制， 最終 目的是 使 波浪 /風(fēng) /光伏聯(lián)合發(fā)電 系統(tǒng) 形成一個 電壓穩(wěn)定、頻率波動小 的獨(dú)立電網(wǎng)。 統(tǒng) 主要 模塊 簡要 介紹 波浪 /風(fēng) /光伏聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中主要的能量環(huán)節(jié)有 波浪能蓄能穩(wěn)壓獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng) 、風(fēng)力機(jī)、太陽能光伏陣列及蓄電池。如何把各能量環(huán)節(jié)產(chǎn)生的能量安全穩(wěn)定地匯集到獨(dú)立電網(wǎng)是 本文的 研究 重點(diǎn)， 下面 分別對各個 部分的組成 及 工作原理作簡要介紹。 1 波浪能蓄 能穩(wěn)壓獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng) 波浪能蓄能穩(wěn)壓獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)主要由能量輸入系統(tǒng)、蓄能穩(wěn)壓 系統(tǒng)、發(fā)電 系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)等組成，能量輸入系統(tǒng)通過 波浪能采集系統(tǒng) 驅(qū)動液壓泵來實(shí)現(xiàn)波浪能輸入， 蓄能穩(wěn)壓 系統(tǒng)起到蓄能和調(diào)節(jié)的作用， 發(fā)電系統(tǒng)把液壓能轉(zhuǎn)換為電能輸出，自動控制系統(tǒng)對整個系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制實(shí)現(xiàn)把不穩(wěn)定的能量輸入轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的能量輸出 ， 詳細(xì)的 介紹 及分析 見 第 3 章 波浪能蓄能穩(wěn)壓發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模 。 2 風(fēng)力機(jī) 風(fēng)力機(jī) 是 將風(fēng)能 轉(zhuǎn)換 為 機(jī)械功 的一種 動力 機(jī)械，其最重要的組成部分是風(fēng)輪，工作原理為：風(fēng)以一定的速度和功角作用在風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的槳葉上，驅(qū)動 槳葉產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，將風(fēng)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，進(jìn)而驅(qū)動發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能 ，詳細(xì)的 介紹 及分析 見第 4 章 風(fēng)力機(jī)數(shù)學(xué)建模 。 3 光伏陣列 光伏陣列是根據(jù)實(shí)際需要，將若干光伏電池組件經(jīng)串、并聯(lián)排列組成光伏陣列，滿足光伏系統(tǒng)實(shí)際電壓和電流的需要。光伏電池組件串聯(lián)，要求所串聯(lián)組件具有相同的電流容量，串聯(lián)后的陣列輸出電壓為各光伏電池輸出電壓之和，相同第 2 章 波浪 /風(fēng) /光伏聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的組成及設(shè)計(jì)思路 9 電流容量光伏電池串聯(lián)后其陣列輸出電流不變。光伏電池組件并聯(lián)，要求其并聯(lián)的所有光伏電池具有相同的輸出電壓等級，并聯(lián)后的陣列輸出的電流為各個光伏電池輸出電流之和，而電壓保持不變 。不同功 率的光伏陣列一般需要若干個 光伏電池組件或模塊串、并聯(lián) ，詳細(xì)的介紹及分析見第 5 章 太陽能 光伏陣列數(shù)學(xué)建模 。 4 蓄電池 波浪 /風(fēng) /光伏聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)采用 的 電化學(xué) 蓄 電池 是一種儲藏電能的裝置，通過把化學(xué)中的氧化還原所釋放出來的能量直接轉(zhuǎn)化為直流電能。蓄電池的主要組成部分有正極活性物質(zhì)、負(fù)極活性物質(zhì)、電解質(zhì)、隔膜及外殼， 蓄電池內(nèi)部發(fā)生反應(yīng)，向外部用電設(shè)備輸出電流的過程為放電，反之，外部向蓄電池輸入電能，形成與放電電流相反的電流使蓄電池內(nèi)部發(fā)生與放電過程相反的反應(yīng)的過程為充電。在波浪 /風(fēng) /光伏聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中， 蓄電池 主要 起 削峰填谷的作用， 穩(wěn)定獨(dú)立電網(wǎng)的電壓及頻率， 在系統(tǒng)輸入能量大于負(fù)載需求時(shí)候，通過充放電控制逆變器將多余能量充入蓄電池，同時(shí)穩(wěn)定獨(dú)立電網(wǎng)頻率；在系統(tǒng)輸入能量不能滿足負(fù)載需求時(shí)，蓄電池放電，向獨(dú)立電網(wǎng)提供能量，穩(wěn)定獨(dú)立電網(wǎng)頻率，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行 ，詳細(xì)介紹見第 6 章中蓄電池?cái)?shù)學(xué)模型及蓄電池充放電控制 。 要 介紹 波浪 /風(fēng) /光伏聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中相關(guān)控制系統(tǒng)是保證發(fā)電系統(tǒng)可靠運(yùn)行的重要組成部分，是本文的一個研究重點(diǎn)，下面將 波浪 /風(fēng) /光伏聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中相關(guān)控制 的 作用 簡單 介紹如下： 1 波浪能蓄能穩(wěn)壓控制 根據(jù) 蓄能穩(wěn)壓器的工 作狀態(tài)，由控制程序計(jì)算得出 控制 量即 液壓馬達(dá)的開關(guān) 及開度，從而穩(wěn)定液壓馬達(dá)的能量輸出，實(shí)現(xiàn) 將不穩(wěn)定的波浪能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的能量輸出 。 2 同步發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng) 根據(jù)發(fā)電機(jī)負(fù)荷的變化相應(yīng)的調(diào)節(jié)勵磁電流，以維持機(jī)端電壓為給定值 ，并可調(diào)節(jié) 各發(fā)電機(jī)間無功功率分配 從而調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)獨(dú)立電網(wǎng)的功率因數(shù)及相位。 3 無功調(diào)節(jié)主要是為了 提高 獨(dú)立 電網(wǎng)及負(fù)載的功率因數(shù)，降低設(shè)備所需容量，減少不必要的損耗 ，同時(shí) 穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，提高電網(wǎng)質(zhì)量。 4 逆變輸出控制是控制系統(tǒng)中一個重要的組成部分，通過控制逆變器門信號波浪 /風(fēng) /光伏聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)仿真研究 10 的輸入脈沖，跟蹤調(diào)節(jié)光伏 陣列輸出的直流電壓，同時(shí)控制調(diào)節(jié)逆變器輸出三相交流電的相位及幅值，使之和獨(dú)立電網(wǎng)的三相交流電同步，實(shí)現(xiàn)安全并入獨(dú)立電網(wǎng)。 5 光伏陣列 率跟蹤器捕捉太陽能光伏陣列的最大功率輸出，提高光伏陣列發(fā)電效率。 第 3 章 波浪能蓄能穩(wěn)壓發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模 11 第 3章 波浪能蓄能穩(wěn)壓發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模 本章 介紹波浪能蓄能穩(wěn)壓發(fā)電系統(tǒng)的工作原理、數(shù)學(xué)建模，并對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真研究。 浪能蓄能穩(wěn)壓發(fā)電系統(tǒng)工作原理 海洋波浪能是以機(jī)械能形式存在于海水中取之不盡的可再生能源。在二十世紀(jì)七十年代以前，波浪能利用研究的活動主要是波能轉(zhuǎn)換 裝置的發(fā)明。八十年代以后，研究進(jìn)入了以實(shí)用化、商品化為目標(biāo)的應(yīng)用示范階段 13。各國建立了大量的波浪能發(fā)電裝置，但較早提出的某些影響很大的裝置，如鴨式、筏式等裝置由于裝置容易損壞，可靠性極差幾乎停止研究，而振蕩水柱（ 波能系統(tǒng)成為現(xiàn)在的主攻方向，如挪威 500 式波能