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《武汉科技大学》 2016年
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主动共振波能发电控制系统关键技术的研究

李俊  
【摘要】:在当前世界能源危机的背景下,对海洋能有效地开发和利用成为焦点。虽然各类波浪能利用装置层出不穷,但是大多数都存在转换效率低下的问题。本文基于可控共振式波浪能发电技术的项目平台,分别从波浪的频率和波高两个角度,应用了主动共振和最大功率点跟踪的控制策略,在一定程度上提高了波浪能发电装置的转换效率。主要工作如下:首先,介绍了课题的研究背景和意义,阐述了国内外波浪能利用研究技术的现状,并提出了本文的研究内容。其次,介绍了波浪能的一些基本理论,以及主动共振波浪能发电系统的物理结构和工作原理,并分析出实时获取海浪的特征参数是提高发电效率的关键。再次,根据发电系统的对于实时监测海浪特征参数的需求,基于STM32微控制器和MEMS传感器,设计一套低成本的海浪浮标系统。根据海浪的特征,应用互补滤波、四元数、短时傅里叶算法计算出海浪的频率、波高和方向等特征参数,并通过实验验证了浮标方案的可行性。最后,根据发电装置的特点,应用了主动共振和最大功率点的控制策略,并设计一套基于STM32F4微控制器的硬件电路方案。基于共振能够实现最大能量俘获的思想,利用变刚器可以调整摆锤固有频率的特性,设计了基于PID控制器的闭环控制系统实现了共振控制。受到光伏发电以及风力发电系统启发,采用了基于梯度下降算法的最大功率点跟踪的控制策略,使得发电系统在波高变化的情况下工作在最大功率点。两种控制策略的应用在一定程度上提高了波浪能发电装置的转换效率。
【关键词】:波浪能发电 海浪参数识别 主动共振 最大功率捕获 控制系统
【学位授予单位】:武汉科技大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:P743;TP273
【目录】:
  • 摘要4-5
  • Abstract5-9
  • 第1章 绪论9-15
  • 1.1 研究背景9-10
  • 1.2 国内外波浪能利用技术现状10-13
  • 1.2.1 国外波浪能利用技术发展历史10-11
  • 1.2.2 国内波浪能利用技术发展历史11
  • 1.2.3 几种典型的波浪能转换装置11-13
  • 1.3 本课题的主要研究内容13-15
  • 第2章 波浪能发电装置基本原理15-28
  • 2.1 波浪能理论15-20
  • 2.1.1 波浪能分析15-17
  • 2.1.2 海浪谱介绍17-20
  • 2.2 波浪能发电装置工作原理20-25
  • 2.2.1 海浪能转换装置总体结构20-21
  • 2.2.2 机械提能部分21-22
  • 2.2.3 PTO系统22-24
  • 2.2.4 电气部分24-25
  • 2.3 波浪能的计算25-27
  • 2.4 本章小结27-28
  • 第3章 海况识别及波浪浮标设计28-42
  • 3.1 浮标硬件平台搭建28-31
  • 3.2 基本算法依据31-32
  • 3.3 MEMS传感器数据处理过程32-37
  • 3.3.1 加速度计与陀螺仪传感器数据的基本处理32-35
  • 3.3.2 磁强计数据处理35-37
  • 3.4 时频域分析37-39
  • 3.5 实验验证39-41
  • 3.5.1 数据采集及处理39-40
  • 3.5.2 FFT分析40
  • 3.5.3 短时傅里叶变换40-41
  • 3.6 本章小结41-42
  • 第4章 主动共振发电控制系统42-59
  • 4.1 主动共振原理42-48
  • 4.1.1 变刚器原理42-44
  • 4.1.2 变刚器的工作过程44-45
  • 4.1.3 主动共振闭环控制45-47
  • 4.1.4 变刚器调刚仿真47-48
  • 4.2 最大功率点跟踪控制48-52
  • 4.2.1 MPPT原理48-49
  • 4.2.2 闭环MPPT49-51
  • 4.2.3 梯度下降法51-52
  • 4.3 控制系统构建52-58
  • 4.3.1 控制要求分析52-53
  • 4.3.2 初步方案53-55
  • 4.3.3 部分硬件电路设计55-58
  • 4.4 本章小结58-59
  • 第5章 总结与展望59-61
  • 致谢61-62
  • 参考文献62-65
  • 附录1 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文65-66
  • 附录2 攻读硕士学位期间参加的科研项目66

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