電動變槳式潮流能水輪機獲能分析與應(yīng)用

譚俊哲，閆家政，王樹杰，陳 震，袁 鵬

(1. 中國海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東 青島 266100；2. 青島市海洋可再生能源重點實驗室，山東 青島 266100)

電動變槳式潮流能水輪機獲能分析與應(yīng)用

譚俊哲1, 2，閆家政1，王樹杰1, 2，陳 震1，袁 鵬1, 2

(1. 中國海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東 青島 266100；2. 青島市海洋可再生能源重點實驗室，山東 青島 266100)

我國具有豐富的潮流能資源，但是存在潮流流速偏低、難以高效利用等問題。潮流能水輪機變槳距技術(shù)的利用，可有效提高潮流能資源利用效率。以提高潮流能水輪機高效獲能為目標，分析了水輪機葉片槳距角對潮流能水輪機獲能的影響規(guī)律，研究了水輪機變槳距技術(shù)原理及控制策略。在20 kW潮流能水輪機中運用了電動變槳距技術(shù)，根據(jù)潮流流速的不同，使用最大功率點追蹤控制算法控制槳距角，并對機組運行過程進行實時測試。機組運行數(shù)據(jù)表明，與非變槳水輪機相比，變槳式潮流能水輪機可有效提高其獲能效率。

潮流能水輪機；變槳距；獲能效率；最大功率點追蹤算法；尖速比

Abstract: China is rich in tidal energy resources, but the problems of low speed and low efficiency of tidal current puzzle the researchers. The efficiency of tidal energy is effectively increased by applying variable-pitch technology to tidal turbine. In order to improve the energy capture efficiency, the relationship between pitch angle of blade and turbine capacity is analyzed, and the principle and control strategy of variable-pitch technology is studied. Variable-pitch technology is applied in 20 kW tidal turbine, pitch angle is adjusted by maximum power point tracking algorithm and the operating condition is tested in real time. Operation data show that the tidal turbine can increase the power capture efficiency by using variable-pitch control technology, compared with the fixed-pitch angle tidal turbine.

Keywords: tidal turbine; variable-pitch; power capture efficiency; maximum power point tracking algorithm; tip speed ratio

近年來，能源以及環(huán)境問題對人類社會的發(fā)展形成了隱形的威脅，常規(guī)化石燃料儲存量的縮減及環(huán)境污染日益嚴重，迫使人類尋找清潔可再生能源作為替代能源[1]。潮流能作為一種清潔能源，具有蘊藏量大、無污染可再生等特點[2-4]，越來越多地受到新能源研究人員的青睞。我國的潮流能資源雖然豐富，但由于所處地理位置等原因，總體來說，我國潮流流速較小、水深較淺。針對這種資源狀況，客觀上需要開發(fā)一種符合我國潮流能資源的獲能裝備。水平軸水輪機槳距角的大小會影響水輪機獲得能量的效率。采用水平軸水輪機變槳距技術(shù)，不僅可以實現(xiàn)在不同流速下獲得更大的功率，而且使用大轉(zhuǎn)角的槳距變換，可以使水輪機適應(yīng)雙向的潮流環(huán)境，從而提高潮流能發(fā)電裝置的綜合利用效率。

潮流能水輪機的變槳距方式多種多樣，比如英國MCT公司研制的水平軸潮流能發(fā)電裝置“SeaGen”，利用柱樁式結(jié)構(gòu)，水輪機轉(zhuǎn)子直徑為16 m，采用了電動變槳方式[5-6]，可以實現(xiàn)180°變槳，以適應(yīng)雙向的海流。英國倫敦大學(xué)學(xué)院垂直軸潮流能發(fā)電裝置采用了液壓形式的變槳機構(gòu)[7]。浙江大學(xué)研制的水平軸潮流能發(fā)電樣機采用了液壓形式的變槳機構(gòu)[8]。中國海洋大學(xué)設(shè)計研發(fā)的“海遠I”和“海遠II”號發(fā)電機組采用半直驅(qū)和變槳距相結(jié)合的形式[9]，總裝機功率為100 kW，實現(xiàn)了水輪機的低流速下高效獲能。

以提高潮流能水輪機高效獲能為目標，分析了葉片槳距角對水輪機獲能的影響，對水輪機轉(zhuǎn)子進行了數(shù)值模擬，得出了不同槳距角下，轉(zhuǎn)矩系數(shù)與尖速比的關(guān)系。研究了水輪機電動變槳機構(gòu)以及控制策略原理。并對20 kW潮流能水輪機進行了運行數(shù)據(jù)測試，根據(jù)實測數(shù)據(jù)分析了變槳機構(gòu)對水輪機轉(zhuǎn)速以及功率獲取的影響，為以后設(shè)計高效獲能的水輪機提供了依據(jù)。

1 葉片槳距角對水輪機獲能的影響

潮流能水輪機的主要作用為將海水往復(fù)運動時的動能轉(zhuǎn)化為機械能，其獲能效率是評價潮流能發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵指標之一。水輪機從潮流中獲取的能量用獲能系數(shù)CP表示，其功率P與獲能系數(shù)CP的關(guān)系：

式中：P為水輪機功率，W；ρ為海水密度，kg/m3；V為潮流流速，m/s；R為轉(zhuǎn)子半徑，m；CP(λ,β)為獲能系數(shù)。

由式(1)可知，在水輪機葉片參數(shù)確定以及潮流速度一定的情況下，水輪機功率只與獲能系數(shù)有關(guān)。同時，獲能系數(shù)CP又可表示為尖速比λ與槳距角β的函數(shù)。其中尖速比λ為葉輪尖端線速度與潮流流速之比。尖速比可表示為：

式中：ω為葉輪旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；R為轉(zhuǎn)子半徑，m；n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min。

由式(2)可知，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的改變以及潮流流速的變化，都會引起獲能系數(shù)的變化，進而改變水輪機輸出功率。

獲能系數(shù)CP(λ,β)可以使用以下公式來計算[10]：

當葉片槳距角為定值時，獲能系數(shù)CP主要由尖速比λ決定。圖1所示為槳距角一定時，獲能系數(shù)隨尖速比變化曲線圖。

圖1 獲能系數(shù)與尖速比關(guān)系曲線Fig. 1 The curve of power coefficient and tip speed ratio

由圖1可知，水輪機由起動到轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，對于任意槳距角的葉片，獲能系數(shù)隨著尖速比的增大而先增大后減小，同時不同槳距角，總存在一最佳的尖速比使其獲能系數(shù)達到最大值Cpmax。

水輪機功率P可表示為葉輪旋轉(zhuǎn)角速度ω與葉輪轉(zhuǎn)矩Ta的關(guān)系：

圖2 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩系數(shù)隨尖速比的變化關(guān)系Fig. 2 Relationship between rotor torque coefficient and tip speed ratio

進而可得葉輪轉(zhuǎn)矩的函數(shù)式為：

為研究槳距角對水輪機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，以20 kW變槳式潮流能水輪機為例進行仿真分析。根據(jù)水輪機轉(zhuǎn)子實測數(shù)據(jù)進行三維建模，分別對槳距角為0°、3°、5°、8°、10°以及15°的水輪機轉(zhuǎn)子進行數(shù)值模擬，得出不同槳距角下，水輪機轉(zhuǎn)子尖速比與其轉(zhuǎn)矩系數(shù)的關(guān)系如圖2所示。

由仿真結(jié)果可知，對于不同槳距角的水輪機轉(zhuǎn)子，隨著尖速比的增大，水輪機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，都存在一個可以使水輪機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩系數(shù)達到最大值的尖速比。由式(5)可知，在水輪機轉(zhuǎn)子角速度一定的情況下，水輪機獲能系數(shù)的變化趨勢與轉(zhuǎn)矩系數(shù)相同。故可通過調(diào)節(jié)葉片槳距角以改變尖速比調(diào)節(jié)水輪機獲能功率。

2 潮流能水輪機變槳距技術(shù)

2.1變槳距技術(shù)

潮流能水輪機變槳距裝置可以根據(jù)潮流的流速以及流向的不同，改變?nèi)~片的槳距角。通過改變槳距角，改變潮流對葉片的攻角，從而改變水輪機轉(zhuǎn)子所受的轉(zhuǎn)矩，進而改變水輪機的轉(zhuǎn)速。根據(jù)不同潮流流速，選擇合適的槳距角，可以使水輪機工作于最大功率處。同時，當潮流流速過高時，通過改變槳距角的大小，改變潮流對水輪機葉片的攻角，從而減小水輪機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩，使功率輸出維持在平穩(wěn)狀態(tài)[11]。變槳控制是提高潮流能機組發(fā)電效率，保證整個系統(tǒng)安全、可靠和穩(wěn)定運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對于中大型潮流能機組，變槳控制系統(tǒng)尤為關(guān)鍵，也是未來潮流能發(fā)電機組商業(yè)化的必備技術(shù)之一。

潮流能水輪機根據(jù)潮流流速來控制啟停以及運行狀態(tài)，其理想運行曲線如圖3所示。水輪機運行范圍分為三個區(qū)域：區(qū)域1為低流速區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)，水輪機轉(zhuǎn)子所受的轉(zhuǎn)矩不足以起動水輪機，水輪機處于停轉(zhuǎn)狀態(tài)；區(qū)域2為中等流速區(qū)域，隨著流速的增大，水輪機得以起動，且水輪機輸出功率隨流速的增大而增大，流速達到V2時，水輪機達到額定功率；區(qū)域3為高流速區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)，通過改變水輪機葉片的槳距角，將水輪機輸出功率維持在額定功率處，以實現(xiàn)功率輸出的最大化，并避免飛車等危險。

圖3 理想潮流能水輪機運行曲線Fig. 3 Ideal running curve of tidal turbines

根據(jù)潮流能水輪機變槳距傳動方式的不同，可以分為電動和液壓變槳距機構(gòu)，電動變槳距機構(gòu)機械部分傳動鏈為變槳電機、減速器、錐齒輪傳動帶動葉片轉(zhuǎn)動。與液壓變槳機構(gòu)相比，電動變槳機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、控制精準、無反饋響應(yīng)滯后、容易實現(xiàn)最大能量追蹤算法等特點。由于20 kW潮流能水輪機的輪轂內(nèi)部空間較小且變槳載荷相對不大，更適合采用電動統(tǒng)一變槳機構(gòu)。潮流能水輪機變槳系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖4所示，系統(tǒng)采用計算機控制，控制變槳電機通過減速器驅(qū)動葉片旋轉(zhuǎn)，改變?nèi)~片的槳距角。系統(tǒng)機構(gòu)緊湊，控制簡單可靠。

圖4 潮流能水輪機變槳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 4 Configuration diagram of tidal turbine pitch system

2.2變槳距控制策略

潮流能水輪機變槳系統(tǒng)控制策略如圖5所示。由于流速是隨時間變化的，據(jù)式(2)及圖1可知，只要調(diào)節(jié)葉輪轉(zhuǎn)速隨流速變化，并保持葉片尖速比為固定值λopt，即可在額定流速之下使水輪機獲得最佳的功率系數(shù)；當流速高于額定流速時，水輪機葉片根據(jù)實際流速進行順槳，使水輪機工作在額定功率處并保持穩(wěn)定。其流程為將海流計所測得潮流的流速流向數(shù)據(jù)與實時檢測的發(fā)電機狀態(tài)參數(shù)傳輸?shù)阶儤嘞到y(tǒng)，通過計算得出此時葉片的實際葉尖速比，然后與最優(yōu)葉尖速比λopt相比較，將所得誤差送入控制器，控制器將槳距角等數(shù)據(jù)指令發(fā)送到變槳距控制器，完成水輪機葉片的槳距角改變。同時水輪機變槳距角之后發(fā)電機狀態(tài)參數(shù)反饋到控制系統(tǒng)，形成閉環(huán)控制，以實現(xiàn)水輪機能量獲取的最大化[12]。

圖5 潮流能水輪機變槳系統(tǒng)控制框圖Fig. 5 Schematic diagram of tidal turbine pitch control system

圖6 流速、系統(tǒng)功率和槳距角的關(guān)系Fig. 6 The relationship of velocity, system power and pitch angle

圖6為潮流流速與水輪機獲能以及葉片槳距角度之間的關(guān)系圖。將潮流流速簡化為正弦波，下面給出了對應(yīng)的機組功率與槳距角的波形。

1) 當潮流流速在點A和點B之間時，水輪機處于起動階段，此時應(yīng)將葉片槳距角度調(diào)整為較大的槳距角，以獲得較大的轉(zhuǎn)矩，使得水輪機在低流速下起動；

2) 當潮流流速處于點B和點C之間時，據(jù)變槳距控制算法，根據(jù)水流流速調(diào)整槳距角，以獲得最大的能量；

3) 當潮流流速處于點C和點D之間時，潮流流速大于額定流速，控制系統(tǒng)控制進行順槳操作以減小機組獲能，以防止發(fā)生飛車等危險；

4) 當潮流流速處于點E和點F之間時，潮流流向反向，控制系統(tǒng)控制葉片反向以適應(yīng)雙向潮流的運行。

3 實測數(shù)據(jù)分析

為進一步驗證變槳式潮流能水輪機對獲能效率的影響，在20 kW潮流能水輪機的研制中采用了變槳距機構(gòu)。潮流能發(fā)電裝置的海試海域水深約為12 m，設(shè)計額定流速為1.7 m/s。機組采用半直驅(qū)的傳動方式，潮流能水輪機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，通過主軸、增速器傳遞至發(fā)電機發(fā)電。通過對20 kW潮流能水輪機進行了數(shù)據(jù)測試，分析變槳距機構(gòu)對獲能效率的影響效果。

3.1潮流能水輪機空轉(zhuǎn)運行實測

為了測試水輪機在實際海域環(huán)境中的發(fā)電功率，研究槳距角與發(fā)電機轉(zhuǎn)數(shù)的關(guān)系，同時保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，首先對空轉(zhuǎn)運行的水輪機的參數(shù)進行測試。以落潮階段對發(fā)電機進行轉(zhuǎn)速測試的數(shù)據(jù)為例進行分析，此階段內(nèi)潮流流速在0.35～0.75 m/s之間時，通過調(diào)整槳距角，得到水輪機轉(zhuǎn)速的變化如圖7所示。

由圖7可知，此次實測測試時間共1 h 20 min，其中槳距角由最初的45°開始緩慢減小到5°，每個角度持續(xù)時間約為5 min。落潮時，潮流的流速在0.35～0.75 m/s之間不穩(wěn)定變化。在最初位置，水輪機槳距角為45°，此時潮流的流速約為0.45 m/s，水輪機即完成了自起動，但由于槳距角過大，轉(zhuǎn)子受到的轉(zhuǎn)矩較小，故此階段水輪機的轉(zhuǎn)速也較低。在流速較穩(wěn)定的階段內(nèi)，隨著槳距角的減小，轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，說明隨著槳距角的減小，水輪機的獲能功率正在增加。

當水輪機槳距角為5°～10°時，水輪機轉(zhuǎn)數(shù)不穩(wěn)定，并且出現(xiàn)了轉(zhuǎn)數(shù)急劇下降的情況，主要原因是當流速較低并且槳距角很小時，水輪機轉(zhuǎn)子受到的扭矩減小、軸向力增加以及水輪機低速旋轉(zhuǎn)時所受的機械摩擦力增大造成的。這說明了在較低流速下，采用較大的槳距角有利于水輪機的自起動和轉(zhuǎn)速運行的穩(wěn)定性。

圖7 水輪機空載時變槳測試實時數(shù)據(jù)Fig. 7 The real time data of turbine without load

圖8 水輪機帶負載運行測試實時數(shù)據(jù)Fig. 8 The real time data of turbine with load

3.2潮流能水輪機負載運行實測

為了較為直觀地分析水輪機變槳距角對水輪機獲能的影響，在海試中為水輪機連接負載，測得潮流能水輪機帶負載時的運行實測曲線如圖8所示。

系統(tǒng)在初始時刻，水輪機不帶負載，系統(tǒng)將水輪機的葉片槳距角調(diào)整到30°等待起動。當流速達到約為0.45 m/s時，水輪機得以自起動，此時潮流流水輪機轉(zhuǎn)速較低并且不穩(wěn)定。由于水輪機不帶負載，輸出功率接近于零。當為水輪機加上負載后，水輪機轉(zhuǎn)速降低。隨著潮流的流速增加，將葉片槳距角自動調(diào)整至大約20°，水輪機轉(zhuǎn)速增加并保持穩(wěn)定，水輪機功率增至2.5 kW后保持穩(wěn)定。在大約20 h 20 min時刻，由于流速的降低，為了維持系統(tǒng)功率的穩(wěn)定性，水輪機槳距角有一個較大的突變。隨后由于流速的增大，系統(tǒng)自動跟蹤最大功率點，水輪機槳距角不斷減小，當槳距角減小至約3°時，水輪機功率達到最大并保持穩(wěn)定，其最大功率約為12.5 kW。此后，由于此時潮流的流速較大，水輪機功率隨流速的變化而變化。

在23 h 30 min時刻，隨著一個潮流周期的結(jié)束，潮流的流速不斷減小，為了盡可能多地獲得潮流資源，水輪機槳距角重新增大至30°，但此時潮流的流速較小，水輪機功率也很小。當一個潮流周期完成之后，水輪機槳距角反轉(zhuǎn)至0°以下適應(yīng)反向潮流進行獲能。

由此可見，低流速時，通過變槳距系統(tǒng)調(diào)整槳距角完成水輪機起動；待到高流速時，系統(tǒng)自動調(diào)整槳距角，以獲得較高的發(fā)電效率。

在相同的槳距角下，水輪機的功率主要與潮流的流速有關(guān)；在相同的流速下，可以通過改變槳距角的大小，來改變水輪機瞬時的發(fā)電功率。

4 結(jié) 語

對潮流能葉片槳距角變化對獲能效率的影響規(guī)律進行研究，并用數(shù)值模擬的方法得出了不同槳距角下尖速比與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩系數(shù)的關(guān)系，介紹了電動變槳距的結(jié)構(gòu)和變槳距控制原理，通過對海試中的變槳式潮流能水輪機進行了實時數(shù)據(jù)測試，得出以下結(jié)論：

1)潮流能水輪機可以通過變槳距技術(shù)來實現(xiàn)低流速起動，并且能夠適應(yīng)雙向潮流的運行。

2)變槳控制系統(tǒng)采用最大功率點追蹤控制算法，根據(jù)潮流流速的變化，優(yōu)化水輪機的葉片槳距角，實現(xiàn)能量獲取的最大化。

3)根據(jù)實測數(shù)據(jù)，得出了槳距角與其水輪機獲能的關(guān)系、潮流的流速與功率的關(guān)系，并對仿真結(jié)果進行驗證，為以后的潮流能水輪機高效獲能技術(shù)研究和潮流能水輪機設(shè)計提供了參考。

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Energy capture analysis and application of tidal turbine with electric pitch control system

TAN Junzhe1, 2, YAN Jiazheng1, WANG Shujie1, 2, CHEN Zhen1, YUAN Peng1, 2

(1. College of Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. Ocean Engineering Key Lab of Qingdao, Qingdao 266100, China)

P754.1; TK73

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.03.009

1005-9865(2017)03-0070-06

2016-07-17

國家863計劃資助項目(2012AA052601);國家自然科學(xué)基金項目(51279191)

譚俊哲(1972-)，男，山東人，副教授，主要從事海洋機電裝備儀器研發(fā)工作。E-mail：tanjunzhe_cn@163.com