偏远海域岛礁和大型海上仪器如智能深远海养殖平台等孤立用户,地理位置特殊,难以充分发展利用太阳能等其他可再生利用能源,波浪能可以作为解决海上能源问题的优选方案。波浪能高效转化及直流并网输电技术研究对解决海上孤立用户供电不便问题十分有利。相比于发达国家,我国的技术研究进展与推广应用相对较为滞后,且目前我国海域内的波浪能流密度较低,这也将大大增高海域波浪能的发电利用成本。本文以实现液压驱动式波浪能发电装置稳压输出、提高转化效率及实现波能装置群的汇流输电并网为目标,结合波浪能的快速性、波动性等特点,围绕装置离网运行和并网运行两种情况,重点在系统建模、控制策略制定及仿真分析等方面展开工作,提出了较为完善的系统建模、高效转化控制方法及并网输电系统。主要内容如下:首先,简述了波浪能的研究背景、国内外产业应用现状及课题研究现状,提出了研究内容。其次,利用双参数Bretschneider海浪谱建立了作为系统输入的波浪数学模型。对液压PTO（Power take-off）装置各元件进行了数学建模,建立了包括考虑了摩擦及惯性效应的液压缸数学模型、液压阀数学模型、蓄能器数学模型和考虑各损失和效率的液压马达精确数学模型。在d-q坐标系中建立了永磁同步电机（PMSG,Permanent magnet synchronous generator）数学模型和 AC/DC 转换器模型,完成了电能转换稳压输出系统的建模过程。然后,结合装置电能转换稳压系统提出一种PMSG复合控制策略,实现了对PMSG的弱磁调速;在装置液压PTO的研究基础上,建立了波能装置的W2W Simulink仿真模型,在小波况下,对有无弱磁控制两种情况分别模拟,获得了对应波况的模拟结果,通过对PMSG电流、转速及系统各功率的分析计算,验证了控制效果。再者,提出了一种适用于波浪能装置并网的交直流混合输电系统。基于模块化多电平转换器（MMC,Multi-level modular converter）进行了波能装置群柔性直流输电（HVDC,High voltage direct current）系统开发,确定了系统内部拓扑结构,建立了 MMC数学模型,提出了一种孤岛运行模式下的系统复合控制策略,完成了各控制器的设计。最后,基于MMC的波能装置群柔性直流输电（MMC-HVDC）系统开发,结合工程进行了输电系统参数计算,建立了 MATLAB/Simulink仿真模型,模拟了两种电网骤降故障,运行结果表明,系统可以有效补偿瞬态电压骤降,具有低谐波失真、无功功率补偿及循环电流抑制等电能质量调节能力。

世界范围内能源危机、生态环境恶化以及气候变暖等问题日益严峻,各国家和地区在发展可再生能源问题上达成普遍共识,覆盖地球表面积71%的海洋中蕴含着丰富的可再生能源,是解决上述问题的重要途径。近年来,波浪能转换装置的研究发展迅速,振荡浮子式波浪能发电装置的技术相对成熟,但在产业化应用过程中,同时面临提高效率、降低制造成本等问题。本论文结合我国可再生能源发展战略以及中国近海的典型海况,以振荡浮子式波浪能发电装置为基础,研究了各设计参数对浮子捕能功率、捕能效率的影响规律,建立了功率输出预测模型,结合浮子制造成本,建立了多目标优化目标函数,以共振频域为约束,给出了中国近海典型海域不同功率等级的设计参考。本论文首先阐述研究背景与意义,介绍波浪能发电装置主要分类,对国内外提高捕能功率的主要途径进行了归纳,对比研究现状,阐述振荡浮子式波浪能发电装置的工作原理,结合研究现状并提出本论文的研究内容。然后,介绍势流理论的理论基础。通过给出控制方程及边界条件,得到规则波激励下速度势与水动力系数的求解结果,以此为基础建立浮子垂荡运动的动力学与运动学模型,得到捕能功率频域模型。基于P-M谱建立中国近海6个典型海域模型。其次,介绍基于边界元法的水动力求解软件AQWA工作原理,对其计算结果有效性进行验证,从浮子几何形状、外形尺寸、PTO阻尼的角度入手研究其对浮子捕能功率频域影响以及不规则波激励下捕能功率时域影响。再次,介绍几种主流的代理模型建立方法,采用拉丁超立方设计的样本库建立方法,阐述人工神经网络建立代理模型的工作原理,采用基于L-M算法的ANN建立了以WEC设计参数为输入捕能功率为输出的预测模型,得到中国近海海域预测功率,并对预测模型精度进行评价。最后,介绍NSGA算法的原理,以捕能功率最大化、浮子排水量及表面积最小化为目标函数,以浮子共振频率为约束建立了多目标优化模型,得到中国近海典型海域优化结果,给出不同功率等级的浮子设计参考值并进行了验证。

随着人类社会的不断发展,能源需求日益增加。化石能源的固定储量促进人类去开发其他类型的能源。海洋温差能是一种重要的绿色能源,利用海水表面与深层的温度差,形成透平两端工质的压力差,工质在通过透平时势能通过膨胀释放推动透平转动,转化为动能。实现这一能量转化的装置就是温差能发电装置。温差能发电装置采用的热力循环的性能,决定了温差能发电装置的能量俘获效率和造价,因此如何提高一个循环的循环效率,或者找出一个具有更高的循环效率的循环,是开发使用海洋温差能的关键技术。针对海洋温差发电工作条件,综合先前研究对热力循环的改进和结论,提出一种新的热力循环,使用氨水溶液减小吸放热过程中的熵损失,并通过回热过程和引射过程回收蒸发过程后液态工质中的能量,以提高循环的能量利用率。在循环构建完成后,基于热力学第一定律和热力学第二定律对构建出的双引射器循环进行理论分析,并对循环中各设备热力分析建立数学模型,编制循环热效率、净输出功计算程序,得到了热效率、净输出功随透平进口压力、透平进口气体温度、冷凝温度、抽气比例、基液氨浓度、引射压降等参数的变化关系。并比较了一二级透平和一二号引射器对于循环性能的影响能力。针对得到热效率、净输出功随透平进口压力、透平进口气体温度、冷凝温度、抽气比例、基液氨浓度、引射压降等参数的变化关系,得到提出的新循环在蒸发温度为303.15K,冷凝温度为279.15K,蒸发压力为650kPa,基液氨浓度为0.78,抽气比例为0.2,一二号引射器的压降都为10kPa的情况下,循环效率相对较高,可以达到4.076%,且透平输出功率在热力循环的工况变化时相对稳定,因工作环境变化产生的输出功率波动较小。最后依据确定的该热力循环的最佳工作状态时热力循环内各个状态点的状态参数,设计了验证试验台,并设计和选型了试验台所需的各个元件。

在化石资源有限、能源消耗加剧、环境污染日益严重的今天,发展清洁的可再生能源势在必行。海洋中蕴藏着大量的海洋能资源,其中海洋温差能的储量非常可观,倘若能够将海洋温差能转化为电能等可供人类使用的能源,必然能够有效缓解面临的各种能源问题以及环境问题。海洋温差能发电（Ocean Thermal Energy Conversion,简称OTEC）是利用海洋中海水温差条件进行发电的技术,已成为开发海洋可再生能源的途径之一。目前,日、美等国家已经对海洋温差发电进行了规模化的试验,验证其发电的可行性、稳定性。在我国,海洋温差发电技术的研究还集中在基础理论研究和原理样机验证的阶段。本文将针对海洋温差发电系统中的热力循环展开研究。海洋温差发电循环的工质,按组成可分为纯工质和混合工质。相比较而言,混合工质中的非共沸工质具有明显的优势和特性而得到广泛应用。本文将对非共沸工质海洋温差发电热力循环中压力能的利用展开研究。本文具体的研究内容如下:第1章,介绍海洋温差发电的原理、基本的循环系统分类以及海洋温差能的其他利用途径。综述近年海洋温差发电循环的研究现状,进行不同形式循环工作原理的介绍与性能分析。第2章,介绍非共沸工质的性质,详细说明氨水溶液的特点及其参数计算。第3章,提出分别应用压力交换器、液力透平以及引射器的三种不同海洋温差发电循环,分析各循环的工作原理以及关键设备的模型,以热力学第一定律为基础构建出不同循环的数学模型和计算流程。第4章,对各循环系统性能进行了具体的计算,分析讨论在海水温度、工质浓度、循环压力等条件变化时,对循环的净输出功率、热效率等造成的影响。比较分析三种循环在相同工况下,系统参数变化上的差异。第5章,确定引射器循环试验系统的设计参数,进行关键设备的设计或选型,完成系统的布局设计等内容。第6章,对全文研究内容进行归纳总结,为本文的研究不足之处以及后续工作提出建议。

波浪砰击现象在所有海洋工程结构物的工作过程中普遍存在,在船舶等海洋结构物的强度设计过程中,必须要考虑波浪砰击现象。波浪能发电装置通过浮体捕获波浪能,同时也受到波浪的砰击作用。波浪砰击产生的载荷可能会对波浪能发电装置造成损伤,考虑波浪砰击现象对于波浪能发电装置,尤其是浮体的设计过程尤为重要。本研究对于进一步给出波浪能浮体波浪砰击载荷计算方法具有一定的参考价值,可为波浪能浮体的结构设计提供依据,对于合理评估波浪能浮体所受的波浪砰击载荷,避免造成疲劳破坏,提高浮体工作可靠性具有工程应用价值和理论指导意义。本文首先进行了基于CFD软件Fluent的入水砰击数值方法的验证,使用与已有研究中相同的几何模型,将试验结果与数值方法计算的二维楔形体砰击载荷大小与速度变化规律进行比较,证实了数值方法可以较为精准的计算入水砰击压力等数据。然后模拟不同形状浮体的入水砰击,探究浮体的形状、底升角等因素对砰击压强和速度变化的影响,讨论浮体入水砰击时水面变形以及压力、速度发生的变化,研究砰击载荷的时空分布特性,根据浮体垂向入水的计算结果,对比分析得到在入水砰击过程中浮体不同形状参数的影响规律,同时总结流场变化规律,为浮体的外形和结构设计提供依据。在数值模拟的基础上,本文以圆台形的浮体模型为试验对象,在不同的波浪参数下进行砰击试验,通过在浮体模型迎浪侧不同高度的位置布置压力传感器,研究浮体受到的底部砰击、侧面拍击以及上浪砰击的砰击压力特性以及随波浪参数的变化规律。最后进行了波浪砰击载荷下浮体结构动态耦合响应的数值分析建模,针对上一章中波浪能浮体在波流试验水池中的波浪砰击试验进行数值模拟研究。通过建立相同的三维浮体模型,选取相同的波浪工况,模拟浮体的结构动态响应以及流场的物理量及形态变化,与试验结果对比,分析浮体的结构响应特性。

世界范围内能源和环境问题日益严重,大力发展可再生能源已经成为世界各国的共识,也是人类社会实现可持续发展的必要条件。海洋约占地球表面的71%,蕴藏着储量巨大的可再生能源。波浪能因其能量密度大、分布集中、理论能量俘获效率高等特点,成为可再生能源利用的研究热点。波浪能利用技术经过数十年的发展,已经相对成熟,但其存在能量转换效率低、可靠性差、成本高等问题,这制约着波浪能发电技术的应用与发展。类比太阳能、风能等可再生能源技术,建立波浪能发电场、利用阵列式波浪能发电装置汇集分散的波浪能量,对降低波浪能发电成本、提高波浪能发电效率和稳定性具有重要作用。本文以阵列振荡浮子式波浪能发电装置为研究对象,建立了其数学模型,提出了采用遗传模拟退火优化算法优化其阵列布局,并分析了其水动力性能和液压系统输出特性。本文首先阐述了课题的研究背景与意义,简述了波浪能发电装置的分类和典型装置,重点介绍了阵列波浪能发电装置布局优化及其液压系统的研究进展,并结合研究进展提出了本课题的研究内容。然后,基于线性波理论推导了阵列波浪能发电装置的数学模型,并在MATLAB中建立了数学模型,通过与AQWA仿真软件的计算结果进行对比,验证了建立的数学模型的准确性。其次,基于建立的数学模型,分析了浮子半径、浮子吃水、阻尼系数对单个波浪能发电装置水动力性能以及阻尼控制和复共轭控制、浮子间距、波浪入射方向、浮子个数及阵列布局形式对阵列波浪能发电装置水动力性能的影响规律。再次,提出采用遗传模拟退火算法优化阵列布局,并探究了阻尼控制和复共轭控制、浮子个数、浮子半径和浮子吃水对阵列波浪能发电装置布局优化的影响规律,同时与遗传算法优化效果进行了对比,结果表明,遗传模拟退火算法的优化效果优于遗传算法。另外,基于阵列波浪能发电装置的应用要求,设计了多浮子共用一套液压能量转换（Power Take-off,PTO）系统和每个浮子单独使用一套液压PTO系统两种液压系统形式,并在Simulink中搭建了仿真模型,对比了两种系统的输出特性,同时探究了阵列布局、浮子间距、波浪入射方向及有义波高和谱峰周期对系统输出特性的影响规律。最后,总结了本文的结论,提出了未来研究的展望。

海洋结构物与波浪相互作用的机理与方法研究为波浪能发电、船舶工程、海水水产养殖、海洋通信以及海岸保护等海上结构物的设计、布放、应用提供了理论依据,常见的解析方法求解精度较高,求解速度快,但求解条件苛刻,仅能适用于规则形状结构物的求解。数值方法可用于求解不规则形状结构物与波浪的相互作用,具有普适性,但常见的数值方法如有限元法在求解时大多采用对整个求解域进行离散,计算量大,然而边界元法在求解同样问题时可实现降维度求解,计算量小,求解精度高,因此本文提出了一种参数化单元边界元法用于求解该类问题。这种方法对于分析解决海洋结构物与波浪的相互作用具有理论指导意义和工程应用价值,本文主要研究内容如下:首先,在介绍势流理论方程的基础上,根据积分方程,采用参数化单元边界元法对势流问题进行求解,得出流场速度势。对经典算例进行数值计算,与数学解析解比较,并进行误差分析。在求解二维问题时,分别采用非连续参数化单元和参数化单元边界元法求解势流速度场;在求解三维问题时,通过坐标变换,采用参数化常数单元求解圆柱绕流问题。然后,提出一种采用参数化单元的边界元法用于求解波浪与单个矩形浮体相互作用的势流场问题。在无穷远处辐射条件的处理上采用的是将辐射条件设立在距离浮体尽可能远的位置,取辐射面位置距离浮体端为3-5倍水深,并进行方法的正确性验证,分析模型不同几何参数对垂荡水动力系数的影响。再次,鉴于参数化单元边界元法求解波浪与单个矩形浮体相互作用的势流场问题的局限性,提出一种特征函数展开法（EEM）与参数化常数单元边界元法耦合的方法,该方法不但保留了特征函数展开法求解速度快的优点,而且兼具参数化单元边界元法易于实现和求解不规则形状浮体与波浪相互作用问题的优点。并研究了浮体不同几何参数对垂荡、纵荡、纵摇水动力系数的影响。最后,将改进的方法拓展于求解双浮体与波浪相互作用问题,分析求解了双浮体的水动力系数,并与特征函数展开法的结果对比,吻合情况良好,进一步;验证了该方法的准确性和可靠性。

认识海洋、经略海洋是我国海洋强国建设的重要基石,海洋信息化是其中的核心问题。发展海洋仪器是提高我国海洋信息化程度的重要方法。海洋仪器可以搭载在锚泊浮台上,但是受海上条件和技术限制,能源供应已成为制约海洋仪器大范围推广和长期稳定运行的瓶颈问题。开发利用海洋能,实现海能海用、因地制宜,是解决这个问题的主要路径。本文结合可再生能源发展战略,以经典振荡浮子式波浪能发电装置为基础,研制了一种可以集成在锚泊浮台上的改进型振荡浮子式波浪能供电装置,并进行仿真分析与优化,证明了该方案的可行性。本文内容包括五章。第一章是绪论。首先阐述课题背景和研究意义,然后从发展历史和装置种类两方面介绍了波浪能发电技术的研究进展,并对振荡浮子式波浪能发电装置的研究现状进行了详细描述。第二章是锚泊浮台波浪能供电装置的结构设计。首先,介绍了锚泊浮台对于波浪能供电装置的改型要求;然后,根据浮体尺寸和安装空间确定波浪能装置的结构组成和形式,对浮体、导向柱、连接法兰等分别进行结构设计和图纸绘制,并进行主要结构有限元校核,保证了装置的可靠性。第三章介绍了数值波浪水槽的理论模型,包括波浪运动的控制方程、湍流模型、边界条件和初始条件的设置、跟踪自由表面的VOF方法、控制方程的离散和求解等。第四章研究锚泊浮台的三个立柱对波浪能浮体的水动力性能影响。首先建立数值水槽和立柱与浮体的简化模型,然后设置边界条件和初始条件、划分网格等,对有无立柱以及不同来浪角度的情况分别进行仿真分析。结果表明,立柱的存在对浮体周围流场形态扰动较大,但是不会削弱浮体的垂荡运动,进而,不会影响波浪能装置的发电性能。第五章对波浪能浮体自身参数及其水动力性能进行分析。首先,利用ANSYS-Aqua对典型圆柱浮体进行频域和时域计算,分析幅值响应算子、附加质量和附加阻尼、波浪力等与波浪频率之间的关系及浮体位移随时间的变化情况;其次,研究浮体直径、吃水深度、半顶角、底面形状、高径比等参数对浮体水动力性能的影响规律,为浮体形状优化提供参考依据。最后对全文进行总结,并对今后的研究提出展望。本文对锚泊浮台波浪能供电装置进行了研制和优化,通过仿真分析验证了该装置对浮台供电的可行性,并对浮体形状参数与水动力性能进行了研究,为波浪能在锚泊浮台上的推广应用提供了一定的理论基础。

锚泊浮台是能够同时实现海洋观测、监测、监视、通讯等功能的锚系漂浮式海上仪器设备搭载基础设施,可解决我国缺少高效、远程、可靠、安全海上通信手段的问题。受海上条件和供能技术限制,当前采用的风能、太阳能、蓄电池等方式不能为浮台提供稳定持续的电力,能源瓶颈限制着浮台的大范围推广和长期稳定运行。波浪能是一种清洁、可靠的可再生能源,在我国海域储量丰富,海能海用、因地制宜开发波浪能应用在海洋仪器上,是解决浮台用电难题的主要路径。本文研制的波浪能供电装置集成于浮台主体中,参照技术成熟的独立式振荡浮子波浪能发电装置,对本装置的俘能结构、功率特性、液压系统及控制过程进行了研究与适应性改进,通过理论分析、数值仿真、系统实验对技术方案进行了优化。首先,阐述课题背景和研究意义,对波浪能发电技术进行了概述,重点描述了振荡浮子式WEC的特点与适用性,并对其研究进展及存在的技术难题进行了详细分析。针对浮台主体结构,开展波浪能供电装置的结构设计与适应性改造,对装置结构进行有限元分析以保证强度、刚度满足集成要求;分析波浪运动与能量理论,推导入射波速度势、动压强,建立规则波与非规则波的能量方程,考虑绕射与辐射问题,解析浮体所受波浪力。分析浮体受力情况,确定浮体主体构型;建立浮体垂荡振动模型,研究浮体俘能机理,确定浮体运动与俘能特性的影响因素;研究PTO系统输出特性,确定最佳输出条件,理论分析与数值研究系统参数对PTO系统输出特性的影响规律;数值研究波浪参数、浮体结构及形状参数、PTO系统参数对浮体运动以及俘能特性的影响规律;为合理选择装置布放海域、优化浮体结构形状、设置PTO系统最佳阻尼、刚度条件提供理论依据。分析波浪能液压系统的功能与实现过程,制定系统传动方案;分析系统工作与控制过程,制定系统逻辑控制方案;设计陆地实验电控系统用于系统调试与测试;制定发电管控系统与工作模式控制系统方案,实现对装置实际工作的监测与控制;开展蓄能发电工作实验,验证间断蓄能发电方案的可行性。建立液压发电系统的AMESIM仿真模型,以提升马达转速、输出功率的稳定性为优化目标,确定蓄能器和节流阀的最佳设定;仿真分析蓄能发电过程,论证可行性;分别仿真研究液压泵和蓄能器供能下浮体下潜过程,确定系统的最佳压力与流量。最后对全文进行总结,并提出研究展望。本文对适用于锚泊浮台的波浪能供电装置的机械结构、液压控制系统进行了研制与优化,并研究了波浪、浮体及PTO系统等参数对系统功率特性的影响规律,论证了波浪能装置为浮台供能的可行性,为波浪能在锚泊浮台上的推广应用提供了一定的理论基础。

为了缓解能源供需矛盾,解决CO2过量排放造成的环境问题,全球发展中国家和发达国家在发展海洋能源、减少碳排放和促进能源消费结构转型上达成共识,其中波浪能因其功率密度高的特点是国内外政府和科学界的研究热点。本文的研究对象为采用液压传动（液压缸—蓄能器—液压马达）的振荡浮子型波浪能发电装置,针对其在不同波况下普遍存在系统受冲击大、输出转速波动大、输出电能不稳定的问题,采用软件建模仿真的方法模拟其能量转化过程,探索不同波况下保持发电系统输出稳定的控制策略。首先,介绍了波浪能发展的现状和不同类型国内外典型的波浪能装置,然后针对液压PTO（Power Take-Off）系统和AC-DC稳定性提出了课题的主要研究内容。其次,以振荡浮子型波浪发电装置的原理为基础,建立了波浪能发电AMESim仿真模型,以规则波为输入,模拟出实际发电装置的能量传递过程。通过仿真分析了蓄能器等关键参数对波浪能发电能量传递的过程的影响,并针对不同波况条件提出了一套变阻尼控制策略,经仿真分析验证了其具有良好的控制效果,使波浪能发电装置在能量转化过程中内部冲击更小,输出电能更加稳定。然后,针对液压PTO系统输出的交流电质量差、不能直接利用的特点,设计了波浪能发电装置PMSG-PWM整流调压系统,建立了AC-DC电路的数学模型,在此基础上介绍了本系统采用的稳压控制策略,电压外环能够抑制电压扰动带来的影响,电流内环解耦算法能够消除交、直轴之间的耦合关系,并对电流控制起关键作用的SVPWM算法进行了搭建、封装。最后,在SIMULINK中建立了波浪能发电装置PMSG-PWM整流调压仿真模型,并对其重要仿真参数进行了计算和整定,然后根据不同波况下液压系统的输出特点设置了变电阻负载、变直流母线电压和变输入转速三种不同条件进行仿真,验证了基于电流前馈解耦的双闭环控制器能够稳定直流母线电压,并保持交流侧内功率因数为1，改善了电能输出质量。本文通过原理计算及仿真分析的手段研究了波浪能发电装置的能量转换规律,总结了不同模拟波况下的调节规律,对实际装置设计具有一定的指导意义。