我國(guó)潮流能發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀及機(jī)組技術(shù)探究
——定槳距水平軸潮流能發(fā)電機(jī)組的啟機(jī)控制及優(yōu)化

林 東，何立君，田宏悅，林恩勒

（1.杭州林東新能源科技股份有限公司，浙江 杭州310051；2.浙江舟山聯(lián)合動(dòng)能新能源開發(fā)有限公司，浙江 舟山316000；3.杭州林黃丁新能源研究院有限公司，浙江 杭州311700）

引 言

潮汐是一種周期性海水自然漲落現(xiàn)象。在月球和太陽的引力作用下，海水做周期性運(yùn)動(dòng)，它包括海面周期性的垂直升降和海水周期性的水平流動(dòng)。水平流動(dòng)部分為潮汐的動(dòng)能，稱為潮流能[1]。

經(jīng)調(diào)查和估算，我國(guó)海洋潮流能主要分布在沿海92個(gè)水道，可開發(fā)的裝機(jī)容量為0.183×108千瓦，年發(fā)電量約2.70×1010千瓦時(shí)[2]。

近年來，我國(guó)高度重視海洋可再生能源的開發(fā)利用。2019年，潮流能發(fā)電量為160萬千瓦時(shí)。2019年6月，浙江省發(fā)展改革委批復(fù)浙江舟山LHD模塊化大型海洋潮流能發(fā)電機(jī)組臨時(shí)上網(wǎng)電價(jià)，明確LHD模塊化大型海洋潮流能發(fā)電項(xiàng)目自2016年8月機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電之日起執(zhí)行2.58元/千瓦時(shí)（含稅）的優(yōu)惠電價(jià)[3]。

潮流能發(fā)電機(jī)組是一種潮流驅(qū)動(dòng)發(fā)電裝置，可以將海流中蘊(yùn)含的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為人類可以直接利用的電能。英國(guó)MCT公司研發(fā)世界首個(gè)兆瓦級(jí)水平軸潮流發(fā)電系統(tǒng)SeaGen[2]，安裝于北愛爾蘭斯特蘭福特灣。該裝置采用單樁坐底式雙葉輪形式，直徑16米。英國(guó)OpenHydro公司開發(fā)的潮流能發(fā)電裝置Open-Centert裝置坐落在歐洲海洋能研究中心[4]。最初的測(cè)試裝置直徑6米，再早在2006年開始測(cè)試，后來在2011年又發(fā)展到直徑16米，在法國(guó)北部進(jìn)行試驗(yàn)。意大利阿吉米德橋公司研制立垂直軸的潮流能發(fā)電裝置[5]。裝置的上部是大浮體，下部是單臺(tái)垂直軸水輪機(jī)，整機(jī)采用垂直軸潮流能發(fā)電模式。

國(guó)內(nèi)，我國(guó)自主研發(fā)的LHD-L-1000林東模塊化大型海洋潮流能發(fā)電機(jī)組已投入運(yùn)行，采用平臺(tái)+模塊的結(jié)構(gòu)，目前已安裝了兩臺(tái)200千瓦和兩臺(tái)300千瓦機(jī)組[6-7]。

1 原理與控制

潮流能發(fā)電機(jī)組由葉輪系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)以及保護(hù)輔組系統(tǒng)組成。潮流驅(qū)動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)能，并傳遞至發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子。發(fā)電機(jī)將傳動(dòng)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為電能并輸入電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電功能。以LHD-L-1000裝置中的一臺(tái)300千瓦水平軸定槳距機(jī)組為例，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

如圖1所示，潮流給葉輪施加一個(gè)驅(qū)動(dòng)力矩，驅(qū)使其轉(zhuǎn)動(dòng)。葉輪通過傳動(dòng)鏈于發(fā)電機(jī)直接相連，帶動(dòng)永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子線圈通過變流器與電網(wǎng)相連，將所發(fā)電能匯入電網(wǎng)。

圖1 定槳距水平軸直驅(qū)潮流能發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 傳動(dòng)鏈模型

如圖1所示，機(jī)組傳動(dòng)鏈的作用是能量的傳遞，其在葉輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩與發(fā)電機(jī)的負(fù)載電磁轉(zhuǎn)矩的共同作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)方程可以表示為：

式中，J為傳動(dòng)鏈的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，D為阻尼系數(shù)。

1.2 最大功率跟蹤控制

葉輪所能夠捕獲的潮流能為：

式中，ρ為海水密度，R為葉輪半徑，ν為潮流流速，Cp為能量捕獲效率，λ為葉尖速比。葉尖速比是指葉輪尖部的速度與此時(shí)經(jīng)過葉輪的垂直流速的比，即

式中，ω為葉輪轉(zhuǎn)速。能量捕獲效率值的大小與葉尖速比相關(guān)，其關(guān)系曲線如圖2所示。由圖1可知，當(dāng)機(jī)組的葉尖速比達(dá)到λopt時(shí)，能量捕獲效率達(dá)到最大的Cpmax。

圖2 潮流能發(fā)電機(jī)組能量捕獲效率與葉尖速比的關(guān)系曲線

由圖2可知，為了最大可能得提高潮流能發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量，需要使運(yùn)行葉尖速比保持或者靠近最佳值λopt，即最大功率跟蹤（maximum power point tracking，MPPT）。目前工業(yè)上應(yīng)用最為廣泛與成熟的MPPT控制方法為最優(yōu)轉(zhuǎn)矩增益法，即對(duì)發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Tg的控制指令為：

式中，kopt為轉(zhuǎn)矩控制增益系數(shù)，其數(shù)值的計(jì)算公式為：

當(dāng)以式（3）的最優(yōu)轉(zhuǎn)矩增益法進(jìn)行發(fā)電機(jī)組電磁轉(zhuǎn)矩的控制時(shí)，發(fā)電機(jī)的功率可以保持在圖3的黑線上，即實(shí)現(xiàn)最大發(fā)電功率。

圖3 不同流速下機(jī)組捕獲功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線圖

2 啟機(jī)控制策略

啟機(jī)是將機(jī)組從待機(jī)狀態(tài)過渡至發(fā)電狀態(tài)的過程。待機(jī)狀態(tài)下，機(jī)組的轉(zhuǎn)速為零，變流器脫網(wǎng)不運(yùn)行。機(jī)組停機(jī)完成且停機(jī)指令取消或故障消除后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，等待啟機(jī)運(yùn)行。發(fā)電狀態(tài)下，機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)，變流器并網(wǎng)發(fā)電，并進(jìn)行最大功率跟蹤。

2.1 啟機(jī)過程控制

由圖3可知，機(jī)組在待機(jī)靜止時(shí)葉輪的捕獲功率和驅(qū)動(dòng)力矩為零，無法僅依靠葉輪來實(shí)現(xiàn)機(jī)組的啟動(dòng)。因此，需要先依靠變流器以轉(zhuǎn)速模式先將機(jī)組轉(zhuǎn)速提升至一定值，然后再切換至轉(zhuǎn)矩模式，進(jìn)行最大功率跟蹤控制，流程如圖4所示，具體為：

1）判斷是否收到啟機(jī)指令。若有，則進(jìn)入步驟2，否則保持待機(jī)狀態(tài)；

2）判斷啟機(jī)條件是否滿足，若滿足，則進(jìn)入步驟3，否則保持待機(jī)狀態(tài)；

3）啟動(dòng)變流器，以轉(zhuǎn)速控制模式，將機(jī)組的轉(zhuǎn)速提升至發(fā)電機(jī)最低轉(zhuǎn)速；

4）判斷機(jī)組轉(zhuǎn)速是否持續(xù)30秒維持在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。若是，則進(jìn)入步驟5；

5）將變流器的控制模式改為轉(zhuǎn)矩模式，采用最大功率跟蹤控制方法。進(jìn)入正常發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)。

圖4 頂槳距水平軸潮流能發(fā)電機(jī)組啟機(jī)控制流程

2.2 最大功率跟蹤失效

經(jīng)過仿真測(cè)試發(fā)現(xiàn)，本文提出的啟機(jī)控制方法在流速較高的情況下會(huì)出現(xiàn)最大功率跟蹤失效現(xiàn)象[8]。當(dāng)變流器的模式從轉(zhuǎn)速模式切換成轉(zhuǎn)矩模式后，機(jī)組轉(zhuǎn)速并未隨轉(zhuǎn)速的變化進(jìn)行最大功率跟蹤，而是保持在啟機(jī)轉(zhuǎn)速不變。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，其原因是，當(dāng)流速較高時(shí)，葉尖速比較低，可能導(dǎo)致葉輪的驅(qū)動(dòng)力矩小于發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與傳動(dòng)鏈阻尼力矩之和（Th＜Tg+Dω），從而機(jī)組無法進(jìn)行加速。如圖5所示，ωmin為發(fā)電機(jī)最小轉(zhuǎn)速，即啟機(jī)轉(zhuǎn)速；ωopt為當(dāng)前流速下的最優(yōu)轉(zhuǎn)速，即目標(biāo)轉(zhuǎn)速。由圖5可知，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速處于ωmin與ω1之間時(shí)，捕獲功率小于負(fù)載功率，即驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩小于電磁轉(zhuǎn)矩。機(jī)組會(huì)逐漸減速到最低轉(zhuǎn)速ωmin。

圖5 機(jī)組功率與轉(zhuǎn)速變化關(guān)系曲線

3 啟機(jī)控制優(yōu)化

為了防止高流速啟機(jī)時(shí)出現(xiàn)的最大功率跟蹤失效現(xiàn)象，本文對(duì)上述的潮流能發(fā)電機(jī)組的啟機(jī)控制進(jìn)行優(yōu)化。由圖5可以看出，只需要保證啟機(jī)轉(zhuǎn)速高于ω1，則不會(huì)出現(xiàn)最大功率跟蹤失效現(xiàn)象。因此，主要的優(yōu)化思路是制作一個(gè)啟機(jī)轉(zhuǎn)速-平均潮流流速的查表，啟機(jī)時(shí)根據(jù)流速儀所測(cè)量的當(dāng)前30秒平均流速調(diào)整啟機(jī)轉(zhuǎn)速。經(jīng)過優(yōu)化后的啟機(jī)流程改進(jìn)如圖6所示。

圖6 改進(jìn)后的潮流能發(fā)電機(jī)組啟機(jī)流程

4 仿真驗(yàn)證

本文采用的模型時(shí)LHD-L-1000林東模塊化大型海洋潮流能發(fā)電機(jī)組中的一臺(tái)300千瓦定槳距水平軸潮流能發(fā)電機(jī)組，其傳動(dòng)系統(tǒng)采用直驅(qū)+永磁發(fā)電機(jī)的方案，主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。使用經(jīng)過德國(guó)勞埃船級(jí)社（GL）認(rèn)證的專業(yè)潮流能發(fā)電機(jī)組仿真軟件Tidal Bladed[9]進(jìn)行該機(jī)組的建模與仿真，來驗(yàn)證本文啟機(jī)控制方法的正確性和有效性。

表1 LHD 300 kW潮流能機(jī)組主要設(shè)計(jì)參數(shù)

4.1 低流速下的正常啟機(jī)案例

潮流流速為0.6米/秒，機(jī)組的啟機(jī)過程圖7所示。

從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)潮流流速在0.6米/秒左右時(shí)，機(jī)組可以正常啟機(jī)，首先變流器采用轉(zhuǎn)速模式，控制機(jī)組的轉(zhuǎn)速升高并保持在5轉(zhuǎn)/分。經(jīng)過一定的延時(shí)后，切換到轉(zhuǎn)矩模式，采用最大功率跟蹤控制方法，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升到11轉(zhuǎn)/分，使葉尖速比達(dá)到最佳值，從而獲得最大的潮流能捕獲效率。

圖7 低流速下的仿真結(jié)果

4.2 中高流速下的啟機(jī)失敗案例

然后進(jìn)行中高流速下的啟機(jī)測(cè)試，首先采用1.8米/秒左右的中等潮流流速，機(jī)組的啟機(jī)過程圖8所示。

圖8 中等潮流流速下的仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)變流器從轉(zhuǎn)速控制模式切換至轉(zhuǎn)矩控制模式后，轉(zhuǎn)速依然保持在5轉(zhuǎn)每分不改變，并未進(jìn)行最大功率跟蹤，即最大功率跟蹤失效。

然后采用3米/秒左右的高潮流流速再次進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖9所示。從圖9可以看出，高流速下與中流速的結(jié)果一致，機(jī)組未進(jìn)行最大功率跟蹤。

圖9 高潮流流速下的仿真結(jié)果

4.3 優(yōu)化啟機(jī)控制后的啟機(jī)案例

采用本文提出的方法對(duì)機(jī)組的啟機(jī)控制進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)機(jī)組參數(shù)，設(shè)置的啟機(jī)轉(zhuǎn)速-潮流流速查表如圖10所示。

圖10 啟機(jī)轉(zhuǎn)速-潮流流速查表

使用本文提出的優(yōu)化啟機(jī)控制方法再次在中高潮流流速下進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖11、12所示。

由圖11、12的仿真結(jié)果可以看出，變流器從轉(zhuǎn)速模式切換至轉(zhuǎn)矩模式后，轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升，直到達(dá)到最優(yōu)轉(zhuǎn)速，并隨潮流流速變化進(jìn)行跟蹤，說明本文采用啟機(jī)轉(zhuǎn)速查表的優(yōu)化方法能夠有效解決潮流能機(jī)組啟機(jī)時(shí)最大功率跟蹤失效的問題。

5 結(jié) 論

潮流能作為一種可再生能源，具有巨大的開發(fā)前景。目前，我國(guó)潮流能發(fā)電技術(shù)處于關(guān)鍵技術(shù)研究與示范階段，潮流能發(fā)電裝置裝機(jī)規(guī)模、年發(fā)電量、穩(wěn)定性和可靠性等多個(gè)指標(biāo)達(dá)到世界領(lǐng)先水平，中國(guó)已成為亞洲首個(gè)、世界第三個(gè)實(shí)現(xiàn)兆瓦級(jí)潮流能并網(wǎng)發(fā)電的國(guó)家。

本文提出了一種定槳距水平軸潮流能發(fā)電機(jī)組的啟機(jī)控制方法，首先通過變流器的轉(zhuǎn)速模式控制機(jī)組從靜止加速到一定轉(zhuǎn)速，給予機(jī)組一定的初始轉(zhuǎn)速。然后切換至轉(zhuǎn)矩控制模式，使機(jī)組進(jìn)入最大功率跟蹤模式。然而在仿真測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，該啟機(jī)控制方法在高流速時(shí)會(huì)出現(xiàn)最大功率失效的問題，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速保持在最低轉(zhuǎn)速不變。為了解決這個(gè)問題，本文對(duì)啟機(jī)控制方法進(jìn)行了優(yōu)化，采用查表法根據(jù)實(shí)時(shí)流速調(diào)整啟機(jī)轉(zhuǎn)速，從而消除了最大功率跟蹤失效現(xiàn)象的產(chǎn)生。

圖11 中潮流流速下優(yōu)化啟機(jī)控制的仿真結(jié)果

圖12 高潮流流速下優(yōu)化啟機(jī)控制的仿真結(jié)果

最后，經(jīng)過仿真驗(yàn)證了本文的優(yōu)化啟機(jī)控制方法的有效性。