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，海水做周期性運動，它包括海面周期性的垂直升降和海水周期性的水平流動。水平流動部分為潮汐的動能，稱為潮流能[1]。

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

近年來，我國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。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)電機組臨時上網(wǎng)電價，明確LHD模塊化大型海洋潮流能發(fā)電項目自2016年8月機組并網(wǎng)發(fā)電之日起執(zhí)行2.58元/千瓦時（含稅）的優(yōu)惠電價[3]。

潮流能發(fā)電機組是一種潮流驅(qū)動發(fā)電裝置，可以將海流中蘊含的動能轉(zhuǎn)換為人類可以直接利用的電能。英國MCT公司研發(fā)世界首個兆瓦級水平軸潮流發(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]。最初的測試裝置直徑6米，再早在2006年開始測試，后來在2011年又發(fā)展到直徑16米，在法國北部進(jìn)行試驗。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，下部是單臺垂直軸水輪機，整機采用垂直軸潮流能發(fā)電模式。

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

1 原理與控制

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

如圖1所示，潮流給葉輪施加一個驅(qū)動力矩，驅(qū)使其轉(zhuǎn)動。葉輪通過傳動鏈于發(fā)電機直接相連，帶動永磁發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，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)電機組結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 傳動鏈模型

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

式中，J為傳動鏈的總轉(zhuǎn)動慣量，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)機組的葉尖速比達(dá)到λopt時，能量捕獲效率達(dá)到最大的Cpmax。

圖2 潮流能發(fā)電機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)電機組的發(fā)電量，需要使運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，即對發(fā)電機的電磁轉(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)電機組電磁轉(zhuǎn)矩的控制時，發(fā)電機的功率可以保持在圖3的黑線上，即實現(xiàn)最大發(fā)電功率。

圖3 不同流速下機組捕獲功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線圖

2 啟機控制策略

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

2.1 啟機過程控制

由圖3可知，機組在待機靜止時葉輪的捕獲功率和驅(qū)動力矩為零，無法僅依靠葉輪來實現(xiàn)機組的啟動。因此，需要先依靠變流器以轉(zhuǎn)速模式先將機組轉(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）判斷是否收到啟機指令。若有，則進(jìn)入步驟2，否則保持待機狀態(tài)；

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

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

4）判斷機組轉(zhuǎn)速是否持續(xù)30秒維持在發(fā)電機轉(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)電運行狀態(tài)。

圖4 頂槳距水平軸潮流能發(fā)電機組啟機控制流程

2.2 最大功率跟蹤失效

經(jīng)過仿真測試發(fā)現(xiàn)，本文提出的啟機控制方法在流速較高的情況下會出現(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，而是保持在啟機轉(zhuǎn)速不變。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，其原因是，當(dāng)流速較高時，葉尖速比較低，可能導(dǎo)致葉輪的驅(qū)動力矩小于發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩與傳動鏈阻尼力矩之和（Th＜Tg+Dω），從而機組無法進(jìn)行加速。如圖5所示，ωmin為發(fā)電機最小轉(zhuǎn)速，即啟機轉(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)機組轉(zhuǎn)速處于ωmin與ω1之間時，捕獲功率小于負(fù)載功率，即驅(qū)動轉(zhuǎn)矩小于電磁轉(zhuǎn)矩。機組會逐漸減速到最低轉(zhuǎn)速ωmin。

圖5 機組功率與轉(zhuǎn)速變化關(guān)系曲線

3 啟機控制優(yōu)化

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

圖6 改進(jìn)后的潮流能發(fā)電機組啟機流程

4 仿真驗證

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

表1 LHD 300 kW潮流能機組主要設(shè)計參數(shù)

4.1 低流速下的正常啟機案例

潮流流速為0.6米/秒，機組的啟機過程圖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，機組可以正常啟機，首先變流器采用轉(zhuǎn)速模式，控制機組的轉(zhuǎn)速升高并保持在5轉(zhuǎn)/分。經(jīng)過一定的延時后，切換到轉(zhuǎn)矩模式，采用最大功率跟蹤控制方法，機組轉(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 中高流速下的啟機失敗案例

然后進(jìn)行中高流速下的啟機測試，首先采用1.8米/秒左右的中等潮流流速，機組的啟機過程圖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)化啟機控制后的啟機案例

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

圖10 啟機轉(zhuǎn)速-潮流流速查表

使用本文提出的優(yōu)化啟機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，說明本文采用啟機轉(zhuǎn)速查表的優(yōu)化方法能夠有效解決潮流能機組啟機時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)電裝置裝機規(guī)模、年發(fā)電量、穩(wěn)定性和可靠性等多個指標(biāo)達(dá)到世界領(lǐng)先水平，中國已成為亞洲首個、世界第三個實現(xiàn)兆瓦級潮流能并網(wǎng)發(fā)電的國家。

本文提出了一種定槳距水平軸潮流能發(fā)電機組的啟機控制方法，首先通過變流器的轉(zhuǎn)速模式控制機組從靜止加速到一定轉(zhuǎn)速，給予機組一定的初始轉(zhuǎn)速。然后切換至轉(zhuǎn)矩控制模式，使機組進(jìn)入最大功率跟蹤模式。然而在仿真測試中發(fā)現(xiàn)，該啟機控制方法在高流速時會出現(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。為了解決這個問題，本文對啟機控制方法進(jìn)行了優(yōu)化，采用查表法根據(jù)實時流速調(diào)整啟機轉(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)化啟機控制的仿真結(jié)果

圖12 高潮流流速下優(yōu)化啟機控制的仿真結(jié)果

最后，經(jīng)過仿真驗證了本文的優(yōu)化啟機控制方法的有效性。