CN102182635B - 近海可再生能源综合发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种近海可再生能源综合发电系统，属于可再生能源发电技术领域。该综合发电系统包括单桩结构（1）和三种发电装置及电气连接电路，三种发电装置包括风力发电装置、波浪能发电装置、潮流能发电装置，它们分别通过三个直驱永磁发电机（3-1、3-2、3-3）和三个整流器（16-1、16-2、16-3）并联至综合发电系统内部直流母线（19），通过海底电缆（20）连接至岸上的逆变器（21），最后经升压变压器（22）并入电网。本发明将近海风能发电、波浪能发电、潮流能发电融合成一有机结合体，通过电气连接系统，实现了各种发电装置之间的相互兼容以及与电网的可靠连接。

Description

近海可再生能源综合发电系统
技术领域
本发明涉及一种近海可再生能源综合发电系统，属于可再生能源发电技术领域。
背景技术
海洋覆盖着地球的百分之七十的表面，蕴涵着无穷的能量，据估算其能量总和大大超过了目前全球能源的需求。由于深海通常远离大陆，在现有的技术条件下深海能源难以利用，因此可利用的海洋能主要分布在近海。近海能源是清洁的可再生能源，科学地开发和利用对缓解能源危机和环境污染问题，具有重要的意义。
目前可利用的近海可再生能源主要包括近海风能、波浪能和潮流能。近年来在近海可再生能源发电系统方面已经开展了大量的研究工作，其中，近海风力发电技术比较成熟，已经进入了商业化运营阶段。波浪能和潮流能发电技术近年来取得了长足的进步，各国科技工作者开发了多种发电装置，部分已经建成了试验电站。但目前大部分的研究工作都是以单一的近海可再生能源为研究对象。而且由于海洋环境的恶劣，波浪能和潮流能发电装置在海洋中运行，如果没有稳固的平台对其进行承载，当风暴潮来临，漂浮的发电装置很容易被损坏，造成巨大的经济损失和安全隐患。
从三种近海可再生能源发电装置的垂直空间分布考虑，海上风电位于海面之上，波浪能发电作用于海面，潮流能发电作用于海面以下，如果能够利用技术成熟的近海风电基础平台，融合近海风力发电、波浪能发电和潮流能发电于一体，构建近海可再生能源综合发电系统，能够大大提高近海可再生能源发电系统的可靠性以及能源的转换效率，实现近海可再生能源的优化利用。
发明内容
本发明提供了一种近海可再生能源综合发电系统，融合近海风力发电、波浪能发电和潮流能发电于一体，主要包括系统的平台结构和电气连接系统两个方面。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
一种近海可再生能源综合发电系统，包括单桩结构和三种发电装置及电气连接电路，单桩结构底部固定在海底，所述三种发电装置包括风力发电装置、波浪能发电装置、潮流能发电装置，其中，所述的风力发电装置安装于单桩结构的顶部，由水平轴式风机和第一直驱永磁发电机构成，水平轴式风机的主轴直接与第一直驱永磁发电机的转子相连；所述的波浪能发电装置包括波浪能发电液压系统、第二直驱永磁发电机、铰链、前浮筒、中间浮筒、后浮筒、阻尼器，前浮筒和中间浮筒之间通过第一铰链连接，中间浮筒和后浮筒之间通过第二铰链连接，中间浮筒嵌套于单桩结构之上，并通过阻尼器与单桩结构相连接，所述波浪能发电液压系统包括液压泵、油箱、蓄能器、液压马达, 油箱分别通过油路连接液压泵和液压马达，液压泵的输出通过油路连接蓄能器，蓄能器通过油路经油路开关连接液压马达，由液压马达驱动第二直驱永磁发电机；所述的潮流能发电装置由第三直驱永磁发电机和水平轴式潮流能机组构成，水平轴式潮流能机组的主轴直接与第三直驱永磁发电机的转子相连，安装于单桩结构的底部；所述电气连接电路的组成是：三种发电装置分别通过三个直驱永磁发电机和三个整流器并联至综合发电系统内部直流母线，综合发电系统内部直流母线通过海底电缆连接至岸上的逆变器,最后经升压变压器并入电网，蓄电池储能连接到DC/DC变换器的输入端，DC/DC变换器的输出端并联至综合发电系统内部直流母线。
本发明的有益效果如下：
1、         本发明不再以某一种近海可再生能源发电装置为设计目标，而是将近海风能发电、波浪能发电、潮流能发电融合成一有机结合体，构建了近海可再生能源综合发电系统。
2、         综合发电系统内部各发电装置的能量捕获/转换方式相对独立，而又通过内部电气系统互相连接成为一整体，实现了近海可再生能源的综合优化利用。
3、         利用单桩结构承载综合发电系统内部各发电装置，减弱了海洋恶劣环境对装置的不利影响，提高了近海可再生能源发电系统的安全性和可靠性。
4、         设计了综合发电系统的电气系统，实现了各种发电装置之间的相互兼容及与电网的可靠连接。
5、         本发明可以单体存在于海洋中，也可以将多个装置互联，形成近海可再生能源发电场，实现近海可再生能源的大规模开发。
附图说明
图1是近海可再生能源综合发电系统结构示意图。
图2是波浪能发电装置液压驱动示意图。
图3是近海可再生能源综合发电系统电气连接示意图。
附图标记说明：1.单桩结构，2.水平轴式风机，3.直驱式永磁发电机，4.波浪能发电液压系统，5.液压泵，6.铰链，7.前浮筒，8.中间浮筒，9.后浮筒，10.阻尼器，11.水平轴式潮流能机组，12.蓄能器，13.油路开关，14.液压马达，15.油箱，16.整流器，17.蓄电池储能18.DC/DC变换器，19.综合发电系统内部直流母线20. 海底电缆，21. 逆变器，22.升压变压器，23.发电机侧整流控制器，24.蓄电池储能控制器，25.电网侧逆变控制器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。
近海可再生能源综合发电系统的结构示意图如图1所示，单桩结构1固定于海底，顶部安装有水平轴式风机2和第一直驱永磁发电机3-1。水平轴式风机2的主轴直接与第一直驱永磁发电机3-1的转子相连，风机叶片捕捉风能转动，直接驱动发电机发电。靠近海面的部分，安装有与波浪的运动方向平行摆放的波浪能发电装置，其由三个浮筒（前浮筒7，中间浮筒8，后浮筒9）和波浪能发电液压系统4组成，浮筒随波浪运动，将波浪能转换为浮筒运动的机械能。前浮筒7和中间浮筒8之间通过第一铰链6-1连接，中间浮筒8和后浮筒9之间通过第二铰链6-2连接，中间浮筒8相对前后两个浮筒7、9而言体积较小，嵌套于单桩结构1之上，并通过阻尼器10与单桩结构1相连接，从而可以沿着单桩结构1上下滑动。浮筒跟随波浪运动时，对阻尼器10设定合适的阻尼系数，可以保持中间浮筒8的相对静止，从而尽可能的增大前后两端浮筒7,9相对中间浮筒8的角位移，提高能量转换效率。在发电装置机械能转换成电能的过程中，主要利用波浪能发电液压系统4来传递能量。
如图2所示，浮筒之间的相对运动驱动液压泵5，液压泵5通过油路将液压油泵压到蓄能器12，经过蓄能器12蓄能、稳压过后的液压油冲击液压马达14，由液压马达14驱动第二直驱永磁发电机3-2发电。海面以下安装有水平轴式潮流能机组11以及第三直驱永磁发电机3-3。水平轴式潮流能机组11的主轴直接与第三直驱永磁发电机3-3的转子相连，机组叶片捕获潮流能转动，直接驱动发电机发电。
三种发电装置均采用直驱永磁发电机，输出的交流电幅值及频率不断变化，不能满足直接并网的要求，因此必须通过全功率“背靠背”电力电子变换器，先将交流电转换成直流电，在将直流电转换成符合并网要求的交流电。
近海可再生能源综合发电系统的电气连接图如图3所示，三种发电装置的输出端分别连接三个整流器16-1、16-2、16-3的输入端，发电机侧整流控制器23采用解耦控制策略，实时检测发电机转子的机械转速以及整流器的输出功率，实现近海风能、波浪能、潮流能的最大功率捕获。蓄电池储能17连接DC/DC变换器18的输入端，整流器16和DC/DC变换器17的输出端并联至综合发电系统内部的综合发电系统内部直流母线19，蓄电池储能控制器24实时检测直流母线电压，控制蓄电池的充放电过程，维持综合发电系统内部直流母线19电压的恒定，从而平滑近海可再生能源发电系统输出功率的短期波动。综合发电系统内部直流母线19通过海底电缆20连接至岸上的全功率逆变器21,最后经升压变压器22并入电网。电网侧逆变控制器25采用解耦控制策略，分别独立控制逆变器的交流侧的端电压及输出的有功功率，维持端电压及输出功率的平稳。

Claims (1)

1.一种近海可再生能源综合发电系统，其特征在于包括单桩结构（1）和三种电气发电装置及连接电路，单桩结构（1）底部固定在海底，所述三种发电装置包括风力发电装置、波浪能发电装置、潮流能发电装置，其中，所述的风力发电装置安装于单桩结构（1）的顶部，由水平轴式风机（2）和第一直驱永磁发电机（3-1）构成，水平轴式风机（2）的主轴直接与第一直驱永磁发电机（3-1）的转子相连；所述的波浪能发电装置包括波浪能发电液压系统（4）、第二直驱永磁发电机（3-2）、铰链（6）、前浮筒（7）、中间浮筒（8）、后浮筒（9）、阻尼器（10），前浮筒（7）和中间浮筒（8）之间通过第一铰链（6-1）连接，中间浮筒（8）和后浮筒（9）之间通过第二铰链（6-2）连接，中间浮筒（8)嵌套于单桩结构（1）之上，并通过阻尼器（10）与单桩结构（1）相连接，所述波浪能发电液压系统（4）包括液压泵（5）、油箱（15）、蓄能器（12）、液压马达(14）, 油箱（15）分别通过油路连接液压泵（5）和液压马达(14），液压泵（5）的输出通过油路连接蓄能器（12），蓄能器（12）通过油路经油路开关（13)连接液压马达(14），由液压马达(14）驱动第二直驱永磁发电机（3-2）；所述的潮流能发电装置由第三直驱永磁发电机（3-3）和水平轴式潮流能机组（11）构成，水平轴式潮流能机组（11）的主轴直接与第三直驱永磁发电机（3-3）的转子相连，安装于单桩结构（1）的底部；所述连接电路的组成是：三种发电装置分别通过三个直驱永磁发电机（3-1、3-2、3-3）和三个整流器（16-1、16-2、16-3）并联至综合发电系统内部直流母线（19），综合发电系统内部直流母线（19）通过海底电缆（20）连接至岸上的逆变器（21）,最后经升压变压器（22）并入电网，蓄电池储能（17）连接到DC/DC变换器（18）的输入端，DC/DC变换器（18）的输出端并联至综合发电系统内部直流母线(19)。
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