基于模块组合多电平变换器的阵列式波浪发电控制

海洋能是一种重要的可再生能源,我国是一个海洋大国,可以利用的海洋能非常丰富。海洋中波浪运动所蕴含的能量密度非常高,且波浪能转换装置(Wave Energy Converter,WEC)的理想产能时间可高达90%。虽然与风力发电、太阳能发电等可再生能源发电相比,波浪能发电起步较晚,然而对于实现我国长期的可再生能源发展目标具有重要意义。随着波浪发电技术的日趋成熟,为了实现波浪发电的商业化和规模化,阵列式波浪发电场的建立被提上了研究日程,其优势是能大大节省系统系泊、电力传输和设备维护的成本,具有重要的理论和实际意义。对波浪发电场中的WEC单元进行合理的位置排布可以提高波浪发电场的发电能力。同时,还需对波浪发电阵列的电气协调控制进行研究,使得波浪发电场能稳定平滑地输出电能。本文针对阵列式波浪发电系统进行了深入研究,主要从以下几方面展开工作:(1)介绍了国内外波浪能发电的发展情况及研究成果,典型波浪能发电装置和多自由度波浪能发电装置的原理特点,以及阵列式波浪发电的研究情况。(2)研究阵列中波浪发电单元布局对阵列系统发电能力的影响。对阵列式波浪发电系统进行水动力建模,使用线性波浪理论推导WEC单元之间的水动力相互作用关系。应用MATLAB软件对阵列系统的水动力进行分析和计算。采用抛物线交点法和差分进化算法对阵列系统中WEC单元位置进行优化布局。(3)采用模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)作为阵列式波浪发电系统的并网逆变器,以提高系统的输出电能质量和适应阵列系统容量的扩展。分别在abc坐标系和dq坐标系下建立MMC数学模型,研究其脉冲调制技术,分析MMC环流和子模块电容电压脉动的成分和产生机理。(4)构建了阵列式波浪发电系统并网仿真模型,并设计了相应并网和直流电容电压平衡控制器,采用直接环流抑制控制和基于PR(Proportional Resonance,PR)控制器对MMC内部的环流进行抑制,仿真结果验证了所提出控制策略的有效性。