董永軍，朱挽強(qiáng)，陳健梅，徐明奇，郭景富

（1.東北師范大學(xué) 物理學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130024；2.吉林省先進(jìn)能源開發(fā)與應(yīng)用創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130024）

新型水平軸定槳距永磁直驅(qū)潮流能發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

董永軍1,2，朱挽強(qiáng)1,2，陳健梅1,2，徐明奇1,2，郭景富1,2

（1.東北師范大學(xué) 物理學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130024；2.吉林省先進(jìn)能源開發(fā)與應(yīng)用創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130024）

雙向潮流適應(yīng)性和運(yùn)行可靠性是水平軸潮流能發(fā)電系統(tǒng)需要解決的兩個(gè)關(guān)鍵問題。文中研究的新型潮流能發(fā)電系統(tǒng)由自適應(yīng)雙向流水平軸定槳距潮流能透平、直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)、功率變換器、蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)以及卸荷負(fù)載組成。根據(jù)我國(guó)潮流能特點(diǎn)和直驅(qū)永磁發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行特性，采用翼型尾翼完成透平的雙向潮流對(duì)流功能。針對(duì)離網(wǎng)型潮流能發(fā)電系統(tǒng)的功率控制，設(shè)計(jì)了基于三相不可控整流橋和雙管BUCK-BOOST變換器的功率變換電路。基于Matlab/Simulink軟件對(duì)20 kW潮流能發(fā)電系統(tǒng)各部分進(jìn)行了建模與仿真分析。在實(shí)海況環(huán)境進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。研究表明，設(shè)計(jì)的離網(wǎng)型水平軸潮流能發(fā)電系統(tǒng)能夠有效地利用雙向潮流能，而且在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面所采取的措施提高了系統(tǒng)的可靠性。

水平軸潮流能發(fā)電系統(tǒng)；雙向潮流適應(yīng)性；功率變換；建模仿真

潮流能作為一種海洋可再生能源，具有穩(wěn)定、規(guī)律、不受天氣影響、易于獲取且儲(chǔ)量巨大等優(yōu)點(diǎn)。據(jù)聯(lián)合國(guó)教科文組織估算，全球可開發(fā)利用的潮流能資源約為300 GW；歐盟委員會(huì)支持的非核能項(xiàng)目估計(jì)，歐洲可利用的潮流能可達(dá)12.5 GW[1]。我國(guó)是潮流能資源最為豐富的區(qū)域之一，據(jù)《中國(guó)沿海農(nóng)村海洋能資源區(qū)劃》對(duì)我國(guó)沿岸130個(gè)水道潮流能資源蘊(yùn)藏量的統(tǒng)計(jì)，我國(guó)可利用的潮流能理論平均功率約14 GW[2]。潮流能的利用方式與風(fēng)能類似，但流速較低，且流速和流向更平穩(wěn)，其主要利用形式為發(fā)電。有效利用潮流能發(fā)電，可以為沿海及島嶼、海洋監(jiān)測(cè)儀器、水下聲吶等提供電能。潮流能發(fā)電技術(shù)的推廣和應(yīng)用將對(duì)緩解我國(guó)能源短缺、改善能源結(jié)構(gòu)、降低環(huán)境污染、開發(fā)海島經(jīng)濟(jì)及增強(qiáng)海洋國(guó)防實(shí)力具有重要意義。

由于我國(guó)沿海潮流能持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的流速在0.5～2 m/s之間，其能量密度遠(yuǎn)小于當(dāng)今世界潮流能開發(fā)較早的英美等國(guó)潮流能資源，因此適應(yīng)我國(guó)現(xiàn)狀的潮流能發(fā)電裝置必須具備低流速啟動(dòng)和發(fā)電能力，否則很難具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值。水平軸潮流能透平因其能量轉(zhuǎn)換效率高和自啟動(dòng)性能好等特點(diǎn)而成為世界上潮流能發(fā)電裝置的主要透平形式之一[3-4]，但其雙向潮流適應(yīng)性是需要解決的關(guān)鍵問題之一。結(jié)合我國(guó)的潮流能特點(diǎn)，永磁發(fā)電機(jī)因具有阻力矩小、啟動(dòng)流速低和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大等特點(diǎn)，在潮流能發(fā)電系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用前景。而且，永磁發(fā)電機(jī)已廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，一是其自勵(lì)磁特性使得系統(tǒng)能夠在高功率因數(shù)和高效率下運(yùn)行；二是其額定轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍較大，轉(zhuǎn)速可以較低，與風(fēng)力機(jī)直接耦合連接，取消了齒輪箱，從而提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的效率和可靠性。但是，傳統(tǒng)的永磁發(fā)電機(jī)應(yīng)用于潮流能發(fā)電系統(tǒng)需要解決其動(dòng)密封問題。此外，對(duì)于定槳距水平軸永磁直驅(qū)潮流能發(fā)電系統(tǒng)，功率變換器的控制性能對(duì)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率和運(yùn)行可靠性具有重要的影響。

作者所在課題組長(zhǎng)期致力于水平軸潮流能發(fā)電系統(tǒng)的研究工作，為提高透平裝置的低流速啟動(dòng)能力和運(yùn)行可靠性，采用定槳距四葉片透平方案。透平依靠翼型尾翼的水動(dòng)力性能實(shí)現(xiàn)雙向潮流對(duì)流功能。為提高發(fā)電機(jī)裝置的效率和可靠性，采用永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)方案，密封式發(fā)電機(jī)繞組暴露于海水中，能夠避免對(duì)密封式發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)帶來的可靠性隱患。針對(duì)上述離網(wǎng)型水平軸定槳距永磁直驅(qū)潮流能發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特性，本文設(shè)計(jì)了20 kW潮流能發(fā)電系統(tǒng)的功率變換器。基于 Matlab/ Simulink軟件建立了系統(tǒng)各部分的模型，并對(duì)其進(jìn)行了仿真研究。在實(shí)海況環(huán)境下進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，根據(jù)所采集參數(shù)分析了發(fā)電裝置的性能。

1　系統(tǒng)構(gòu)成

離網(wǎng)型水平軸永磁直驅(qū)潮流能發(fā)電系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括水平軸定槳距潮流能透平、直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)、功率變換器、蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)以及卸荷負(fù)載。水平軸定槳距潮流能透平依靠其水動(dòng)力性能將水平潮流動(dòng)能轉(zhuǎn)換為透平的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)將剛性傳動(dòng)軸傳遞的透平旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，功率變換器將發(fā)電機(jī)輸出的不穩(wěn)定電能變換成符合儲(chǔ)能系統(tǒng)要求的直流電，蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)和卸荷負(fù)載用于存儲(chǔ)和平衡發(fā)電機(jī)輸出的電能。

圖1　離網(wǎng)型水平軸永磁直驅(qū)潮流能發(fā)電系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)

2　結(jié)構(gòu)與模型分析

潮流能發(fā)電系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用必須基于各組成部分的結(jié)構(gòu)和工作特性，通過準(zhǔn)確分析系統(tǒng)各部分的運(yùn)行特性，才能建立潮流能發(fā)電系統(tǒng)各部分的準(zhǔn)確模型并進(jìn)行仿真研究，從而有效地分析和預(yù)測(cè)潮流能發(fā)電系統(tǒng)的性能。

2.1流速模型

由于潮流流速狀況對(duì)于潮流能發(fā)電系統(tǒng)性能具有非常重要的影響，因此潮流流速特性是進(jìn)行潮流能發(fā)電系統(tǒng)性能研究的重要部分。長(zhǎng)期的潮流流速呈周期性緩慢變化，可預(yù)測(cè)性強(qiáng)，但短期的潮流流速受地形、水深、波浪、風(fēng)等因素的影響[5]，具有一定的波動(dòng)性。由于波浪對(duì)潮流流速波動(dòng)的影響較大，潮流流速vtc可近似為潮汐現(xiàn)象中的海水水平流速vt和波浪導(dǎo)致的海水水平流速vw的疊加[6]，即：

潮汐現(xiàn)象中的海水水平流速分量vt沿垂向分布是不均勻的[6]，可表示為：

式中：y表示距離水面的深度（負(fù)數(shù)表示在水面以下）；h為水深；umax為潮汐現(xiàn)象中的海水水平最大流速。顯然，受海底摩擦的影響，距離海底越近，潮汐現(xiàn)象中的海水水平流速越小。

海面波浪引起的海水水平流速vw可表示為[6]：

式中：t為時(shí)間；ηa為波高；ωw為波的頻率；k為波數(shù)，且有k=2π/波長(zhǎng)。

2.2透平裝置

傳統(tǒng)水平軸潮流能透平多采用風(fēng)力機(jī)兩葉片或三葉片結(jié)構(gòu)方案，尤其是三葉片結(jié)構(gòu)可以得到最佳的實(shí)度[7]。較高實(shí)度的透平結(jié)構(gòu)可提供較大的啟動(dòng)力矩，從而提高潮流能發(fā)電系統(tǒng)在低流速下的啟動(dòng)和發(fā)電性能。對(duì)于離網(wǎng)型潮流能發(fā)電系統(tǒng)，鉛酸蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)依靠低流速下輸出的小功率電能進(jìn)行連續(xù)補(bǔ)償式充電是較為理想的。因此，本文設(shè)計(jì)的潮流能透平裝置采用大實(shí)度四葉片結(jié)構(gòu)方案，通過增大透平實(shí)度來提高透平的低流速啟動(dòng)和發(fā)電能力。尤其是我國(guó)沿海潮流能持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的流速在0.5～2 m/s之間，流速相對(duì)較低，四葉片透平方案比較適合我國(guó)的潮流流速狀況。此外，透平輪轂采用金屬與非金屬疊片組合式結(jié)構(gòu)，在減輕重量的同時(shí)提高了輪轂的疲勞壽命。

雙向潮流適應(yīng)性是水平軸潮流能透平應(yīng)具備的特性之一，否則將大大降低雙向潮流能利用率。傳統(tǒng)水平軸潮流能透平多采用動(dòng)密封式（液壓或電動(dòng)）大角度變槳距或透平整體偏航方式實(shí)現(xiàn)透平的雙向潮流調(diào)向功能。動(dòng)密封結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期在海水環(huán)境下運(yùn)行存在一定的安全隱患，必須定期維護(hù)。本文設(shè)計(jì)的定槳距水平軸透平依靠水動(dòng)力尾翼在垂直方向上180°往復(fù)偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)透平的雙向?qū)α?，采用非金屬聚合物軸承系統(tǒng)[8]，完全暴露于海水中，能夠避免動(dòng)密封可能存在的安全隱患。

與水平軸風(fēng)力機(jī)類似，水平軸潮流能透平從潮流能中捕獲的能量Ptc可表示為：

式中：ρ為海水密度；R為透平半徑；CP為潮流能利用系數(shù)。

對(duì)于水平軸定槳距潮流能透平，CP為葉尖速比λ的函數(shù)，而葉尖速比可表示為：

式中：ω為透平旋轉(zhuǎn)角速度。

潮流能透平輸出轉(zhuǎn)矩系數(shù)CT(λ)與潮流能利用系數(shù)CP(λ)的關(guān)系為：

顯然，對(duì)于定槳距透平，CT(λ)與CP(λ)一樣僅為λ的函數(shù)。

潮流能透平機(jī)械輸出轉(zhuǎn)矩為：

2.3傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

對(duì)于水平軸潮流能直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)組，由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸與透平直接剛性相連，省去了增速齒輪箱，完全可以忽略傳動(dòng)軸的柔性扭轉(zhuǎn)，其簡(jiǎn)化的單質(zhì)量傳動(dòng)系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖2　簡(jiǎn)化的單質(zhì)量傳動(dòng)系統(tǒng)模型

該系統(tǒng)的等效模型可表示為：

式中：J為發(fā)電機(jī)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Te為發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩；B為轉(zhuǎn)動(dòng)粘滯系數(shù)。

2.4永磁同步發(fā)電機(jī)

直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)由于省去了增速機(jī)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、效率高、抗過載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。發(fā)電機(jī)定子采用分?jǐn)?shù)槽結(jié)構(gòu)，以降低發(fā)電機(jī)內(nèi)阻、減小啟動(dòng)阻力矩、提高發(fā)電效率[9]，從而提高潮流能發(fā)電裝置的低流速啟動(dòng)和發(fā)電能力。傳統(tǒng)應(yīng)用于潮流能發(fā)電的永磁同步發(fā)電機(jī)多采用動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，而動(dòng)密封結(jié)構(gòu)存在可靠性隱患，必須定期維護(hù)以確保發(fā)電機(jī)的安全性。本文設(shè)計(jì)的直驅(qū)永磁潮流能發(fā)電機(jī)定子繞組和轉(zhuǎn)子永磁體進(jìn)行靜密封處理，發(fā)電機(jī)艙內(nèi)與外界海水連通，軸承部分采用磁推力軸承和非金屬聚合物軸承，軸承在海水中具有自潤(rùn)滑功能，可以有效減小發(fā)電機(jī)的阻力矩。由于發(fā)電機(jī)暴露于海水中，海水的冷卻功能可以有效解決發(fā)電機(jī)運(yùn)行過程中存在的散熱問題。

根據(jù)電機(jī)原理，dq軸同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的永磁同步發(fā)電機(jī)電壓和轉(zhuǎn)矩方程可表示為：

式中：ud，uq分別為發(fā)電機(jī)的d軸和q軸電壓分量；id，iq分別為發(fā)電機(jī)的d軸和q軸電流分量；Rs為定子繞組相電阻；Ld，Lq分別為發(fā)電機(jī)的d軸和q軸電感；p為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)；ω為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度，且有電角速度ωe＝pω。

根據(jù)式（9）可得永磁同步發(fā)電機(jī)在dq軸同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的等效電路，如圖3所示。

圖3　永磁同步發(fā)電機(jī)在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的等效電路

發(fā)電機(jī)輸出電功率可表示為：

式中：ua，ub，uc分別為發(fā)電機(jī)的相電壓；ia，ib，ic分別為發(fā)電機(jī)的相電流。

2.5功率變換器

對(duì)于離網(wǎng)型變速潮流能發(fā)電系統(tǒng)，通常采用三相二極管整流橋?qū)Πl(fā)電機(jī)輸出的交流電進(jìn)行整流變換。而蓄電池組儲(chǔ)能系統(tǒng)的電壓變化范圍較小，需對(duì)整流變換后的電能進(jìn)行DC-DC變換，實(shí)現(xiàn)功率變換電路與儲(chǔ)能裝置的電壓匹配。由于變速機(jī)組的電壓變化范圍較大，本文設(shè)計(jì)了雙管BUCK-BOOST變換器實(shí)現(xiàn)功率變換電路的升降壓變換。圖4所示為基于三相二極管整流橋和雙管BUCKBOOST變換器的功率變換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖4　基于三相整流橋和雙管BUCK-BOOST變換器的功率變換電路

由于三相二極管整流橋具有不可控性，整個(gè)功率變換電路的控制核心為雙管BUCK-BOOST變換器。該變換器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單高效、輸入輸出電壓同極性、電壓輸入范圍寬、器件應(yīng)力低和變換功率大等特點(diǎn)，非常適合獨(dú)立運(yùn)行可再生能源發(fā)電系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)的雙管BUCK-BOOST變換器采用非同步控制模式組合開關(guān)方案，通過獨(dú)立調(diào)節(jié)兩個(gè)開關(guān)管，變換器升壓時(shí)呈現(xiàn)BOOST電路特性，降壓時(shí)呈現(xiàn)BUCK電路特性，有效降低開關(guān)管損耗。雙管BUCK-BOOST變換器在非同步控制模式下的通用輸入輸出電壓關(guān)系可表示為：

式中：Uin，Uout分別為變換器輸入和輸出電壓；D1，D2分別為開關(guān)管T1，T2的占空比。

2.6儲(chǔ)能裝置與卸荷負(fù)載

離網(wǎng)型潮流能發(fā)電系統(tǒng)多采用鉛酸蓄電池組作為儲(chǔ)能裝置，同時(shí)配備卸荷負(fù)載來平衡發(fā)電機(jī)的輸出能量?；阢U酸蓄電池的儲(chǔ)能裝置可有效平衡潮流能發(fā)電的波動(dòng)性和間歇性以及用戶用電的隨機(jī)性，對(duì)于改善離網(wǎng)型潮流能發(fā)電系統(tǒng)的輸出性能具有非常重要的作用。蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)是一個(gè)典型的非線性系統(tǒng)，難以對(duì)其充放電狀態(tài)進(jìn)行精確描述[10]。本文采用一種簡(jiǎn)化的等效電路模型，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　鉛酸蓄電池的等效電路

圖5所示鉛酸蓄電池等效電路的數(shù)學(xué)模型可表示為[6]：

式中：Ub為蓄電池端電壓；Ib為主反應(yīng)回路電流；Eb為蓄電池的開路電壓；R0為蓄電池歐姆內(nèi)阻；Rr，Cr分別為極化內(nèi)阻和電容；Ucr，Ir分別為極化內(nèi)阻端電壓和電流。

3　仿真與實(shí)驗(yàn)分析

本文基于Matlab/Simulink軟件建立了離網(wǎng)型潮流能發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，如圖6所示。

圖6　離網(wǎng)型潮流能發(fā)電系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)式（1）～式（3）可知，圖6中的短期潮流仿真模型為流速平均值與正弦信號(hào)的疊加。圖7所示為平均潮流流速在1.2 m/s時(shí)的潮流能發(fā)電系統(tǒng)性能仿真結(jié)果。圖7（a）所示為潮流流速的仿真波形。圖7（b）所示為潮流透平輸出功率的變化情況。圖7（c）給出了水平軸潮流能透平轉(zhuǎn)速的變化情況，可以看出透平轉(zhuǎn)速隨著流速的波動(dòng)而波動(dòng)。圖7（d）為潮流能利用系數(shù)變化情況，顯然，潮流能利用系數(shù)基本維持在0.3左右，與設(shè)計(jì)基本吻合。圖7（e）所示為基于式（12）和式（13）所給出的鉛酸蓄電池組模型的充電電壓變化情況，該電壓在240 V左右有小幅度波動(dòng)。

圖7　平均潮流流速在1.2 m/s時(shí)的水平軸潮流能發(fā)電系統(tǒng)性能仿真結(jié)果

基于對(duì)離網(wǎng)型水平軸潮流能發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特性的研究，本文作者所在課題組研制了20 kW自適應(yīng)雙向流水平軸定槳距永磁直驅(qū)潮流能發(fā)電裝置，其樣機(jī)如圖8所示。圖9所示為該系統(tǒng)的功率控制柜。樣機(jī)實(shí)海況運(yùn)行結(jié)果表明，該透平結(jié)構(gòu)可以通過翼型尾翼完成雙向潮流對(duì)流功能。由于尾翼結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算誤差和裝置投放位置不夠平坦導(dǎo)致自調(diào)向旋轉(zhuǎn)軸承處存在應(yīng)力等因素影響，透平無(wú)法正對(duì)潮流，使得潮流能利用效率有所降低，實(shí)測(cè)潮流能利用效率最大僅為0.18左右（裝置投放位置測(cè)得持續(xù)最大流速為1.3 m/s左右）。從裝置投放至發(fā)電機(jī)被拆解已時(shí)隔3 a，所設(shè)計(jì)的永磁直驅(qū)潮流能發(fā)電機(jī)仍能正常運(yùn)行，顯然該發(fā)電機(jī)具有較好的海洋環(huán)境適應(yīng)性和較高的可靠性。

圖8　20 kW自適應(yīng)雙向流水平軸定槳距永磁直驅(qū)潮流能發(fā)電裝置

4　結(jié)論

本文針對(duì)水平軸潮流能發(fā)電系統(tǒng)的雙向潮流適應(yīng)性和運(yùn)行可靠性問題，采用一系列措施對(duì)傳統(tǒng)水平軸潮流能發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。由于省去了變槳距機(jī)構(gòu)或增速器等動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，所設(shè)計(jì)的水平軸定槳距永磁直驅(qū)潮流能發(fā)電系統(tǒng)具有相對(duì)較高的結(jié)構(gòu)可靠性。根據(jù)水平軸直驅(qū)永磁潮流能發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析了系統(tǒng)各部分的運(yùn)行特性，給出了系統(tǒng)各部分的數(shù)學(xué)模型?；贛atlab/ Simulink軟件建立了離網(wǎng)型潮流能發(fā)電系統(tǒng)各部分的仿真模型。通過模型仿真分析和實(shí)海況實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的永磁直驅(qū)式水平軸潮流能發(fā)電系統(tǒng)能夠有效地利用雙向潮流能發(fā)電。通過進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，該透平和發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)方案可以有效地解決水平軸潮流能發(fā)電系統(tǒng)的雙向潮流適應(yīng)性和運(yùn)行可靠性問題。

圖9　潮流發(fā)電功率控制柜

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Design and Application of a Novel Horizontal Fixed-Pitch Tidal Current System with Direct-Drive Permanent Magnet Generator

DONG Yong-jun1,2,ZHU Wan-qiang1,2,CHEN Jian-mei1,2,XU Ming-qi1,2,GUO Jing-fu1,2
1.School of Physics,Northeast Normal University,Changchun 130024,Jilin Province,China; 2.Key Laboratory of Advanced Energy Development and Application Innovation under Jilin Province,Changchun 130024,Jilin Province,China

Adaptability of bi-directional tidal currents and operational reliability are the two key problems that a horizontal tidal current generation system needs to solve.This paper presents a novel tidal current generation system consisting of a horizontal fixed-pitch tidal current turbine with adaptability of bi-directional currents,a direct-drive permanent magnet generator,a power converter,an energy storage system of lead-acid batteries and a set of damp load.According to the features of China's tidal current energy resources and the operating characteristics of the direct-drive permanent magnet generation system,the symmetrical airfoil blades are adopted for the tidal current turbine to adapt to bi-directional currents.For the power control of the system,this paper develops a power control circuit based on three-phase uncontrolled rectifier bridges and double-switch BUCKBOOST converter.All parts of the 20 kW tidal current generation system are modelled and simulated relying on the software of Matlab/Simulink.The test performance of the 20 kW system under real sea conditions is presented here as well.The investigation shows that this off-grid tidal current generation system could effectively utilize the bi-directional current energy,and by means of the optimization design of its structure,the reliability of the system is improved.

horizontal tidal current generation system;adaptability of bi-directional tidal currents;power conversion;modeling and simulation

P743

A

1003-2029（2016）05-0074-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.05.015

2016-03-14

國(guó)家海洋可再生能源專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（ZJME2013ZB02）

董永軍（1984-），男，博士，講師，主要研究方向?yàn)楹Ｑ罂稍偕茉撮_發(fā)利用。E-mail：dongyj591@163.com