CN103511169A - 一种适用于湖泊的波浪发电装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于湖泊的波浪发电装置及其控制方法，所述装置包括支架、垂直浮筒、永磁圆筒直线发电机和蓄电池，永磁圆筒直线发电机的电能输出端接入蓄电池的充电端；所述支架上设置有动机安装平台，在动机安装平台的上方固定有密封罩；所述永磁圆筒直线发电机包括定子和动子，所述定子竖直固定在动机安装平台上方、并位于密封罩内，所述动子安装在定子内，且动子穿过动机安装平台伸入到动机安装平台下方，与动机安装平台下方的垂直浮筒的中心轴固定。本发明将垂直浮筒和永磁圆筒直线发电机有机结合，可以有效地提高波浪发电装置的动态响应能力、抗干扰性和稳定性；整个装置结构简单、易于搭建、维护成本低，可用于垂直波速较小的情况。

Description

一种适用于湖泊的波浪发电装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种适用于湖泊的波浪发电装置及其控制方法，具体说是一种带有PID-内模优化控制算法的自适应波浪发电装置。

背景技术

近年来，随着社会的进步和科学技术的飞跃式发展，世界上的煤炭、石油和天然气能源已被人类大量消耗。面对能源稀缺，许多国家和地区之间经常发生摩擦矛盾，甚至不惜动用战争手段进行能源争夺。于是人类开始思考寻求可再生的、清洁的能源，用以解决世界的能源危机。波浪能、潮汐能属于太阳能的范畴，海洋、湖泊中蕴藏着异常丰富的波浪能。波浪能是一种可再生的、清洁的能源。真正地利用波浪进行发电技术的规模开发和研究，始于上世纪70年代末。虽然波浪能发电技术成本较高、规模较小，但其在特殊情况下的应用不容忽视。其中，湖泊中的小功率用电设备，譬如航标灯等使用电网供电比较困难，成本也非常高，若能通过波浪发电完成对航标灯的供电将十分实用。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种适用于湖泊的波浪发电装置及其控制方法；能够实现湖泊波浪能的利用，同时将PID-内模优化控制和波浪发电装置有机地结合起来，有效地消除波浪发电装置运行过程中的各种干扰影响，提高波浪发电装置运行的稳定性、鲁棒性和快速动态响应能力，进而提高波浪能转换成电能的效率；可适用于譬如航标灯的供电等。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种适用于湖泊的波浪发电装置，包括支架、垂直浮筒、永磁圆筒直线发电机和蓄电池，永磁圆筒直线发电机的电能输出端接入蓄电池的充电端；所述支架上设置有动机安装平台，在动机安装平台上设置有通孔，在动机安装平台的上方固定有密封罩；所述永磁圆筒直线发电机包括定子和动子，所述定子竖直固定在动机安装平台上方、并位于密封罩内，所述动子安装在定子内，且动子穿过动机安装平台上的通孔伸入到动机安装平台下方，与动机安装平台下方的垂直浮筒的中心轴固定。

优选的，还包括灯器，所述灯器安装在密封罩的外部顶端，所述蓄电池为灯器提供电源。

优选的，所述定子和动子之间采用超高分子材质的轴套进行连接。

一种适用于湖泊的波浪发电装置的控制方法，该方法基于PID-内模控制模型，通过对波前垂直波速的检测模块、垂直速度控制环、反馈信号和干扰信号对垂直浮筒进行控制，具体包括如下步骤：

（1）所述波前垂直波速的检测模块对波前垂直波速R(s)进行检测，并将波前垂直波速R(s)与垂直浮筒（4）运动速度的反馈信号

进行实时比较，将产生的误差

通过反馈信号模块送入垂直速度控制模块G_IMC(s)中，其中Y(s)为输出量，

为发电装置的理论运动模型，G(s)为发电装置的实际运动模型；

（2）垂直速度控制模块G_IMC(s)采用调节PID参数的自适应控制方法，先通过调节误差输入量的比例、积分和微分参数，经推理计算求解得到垂直速度控制模块G_IMC(s)的输出量；

（3）采用PID-内模算法进行补偿，消除干扰信号D(s)的影响。

所述垂直速度控制模块G_IMC(s)内包含有发电装置的理论运动模型

和PID-内模控制模型的内环反馈控制器C(s)，其中C(s)的输入信号为的输出信号作为

的输入信号；同时C(s)的输出信号作为发电装置的实际运动模型G(s)的输入信号，Y(s)=G(s)+D(s)。

优选的，所述波前垂直波速的检测模块采用点对点的速度检测方法对波前垂直波速进行检测。

优选的，该方法还包括如下步骤：

a.根据光亮强度，点亮或关闭灯器；

b.根据蓄电池充电是否完成，控制永磁圆筒直线发电机向蓄电池充电；

c.在蓄电池充电完成、且波浪波高达到预设值情况下，控制永磁圆筒直线发电机直接为灯器供电。

有益效果：本发明提供的适用于湖泊的波浪发电装置及其控制方法，将垂直浮筒和永磁圆筒直线发电机有机结合，可以有效地提高波浪发电装置的动态响应能力、抗干扰性和稳定性；整个装置结构简单、易于搭建、维护成本低，可用于垂直波速较小的情况；将波浪能直接转换为电能，减少了中间的诸如液压驱动等环节，提高了波浪能转化为电能的效率；能够不受波浪方向的限制，对蓄电池进行储电；采用超高分子做成的轴套，能够使定子和动子之间的摩擦系数降到很低的水平；采用PID-内模控制方法，可以有效地提高波浪发电装置的动态响应能力，可以有效抑制各种内外干扰和不确定性因素对波浪发电装置正常运行的影响，提高波浪发电装置运行的稳定性和鲁棒性，可以在较低垂直波速的情况下，实现波浪发电装置的有效发电；

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为垂直速度控制模块G_IMC(s)的结构框图；

图3为PID-内模控制模型的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种适用于湖泊的波浪发电装置，包括支架1、垂直浮筒4、永磁圆筒直线发电机3、蓄电池5、灯器7和控制器6，永磁圆筒直线发电机3的电能输出端接入蓄电池5的充电端；所述支架1上设置有动机安装平台2，在动机安装平台2上设置有通孔，在动机安装平台2的上方固定有密封罩；所述永磁圆筒直线发电机3包括定子8和动子9，所述定子8竖直固定在动机安装平台2上方、并位于密封罩内，所述动子9安装在定子8内，且动子9穿过动机安装平台2上的通孔伸入到动机安装平台2下方，与动机安装平台2下方的垂直浮筒4的中心轴固定；所述定子8和动子9之间采用超高分子材质的轴套进行连接；所述灯器7安装在密封罩的外部顶端，所述蓄电池5为灯器7提供电源。

本装置的运行过程为：首先垂直浮筒4漂浮于水中，且具有一定的吃水深度，支架1是固定的，永磁圆筒直线发电机3的定子8、蓄电池5、控制系统6和灯器7固定在支架1的动力机安装平台式2上；当波浪10的一个周期波经过垂直浮筒4时，在浮力的作用下，垂直浮筒4会进行一次往复的垂直运动，由于永磁圆筒直线发电机3的动子9与垂直浮筒4是固定连接关系，因此动子9也会做一次垂直往复运动，进而永磁圆筒直线发电机3的定子14与动子9有了相对运动，由于动子9和定子14上分别等距离地安装了环形永磁体和绕组，所以定子14上的绕组会切割动子9的磁场，从而产生电动势。

本装置通过波浪10和垂直浮筒4的运动，直接驱动永磁圆筒直线发电机3运行，其中间没有液压或气压等转换环节，既减少了成本投入和简化了整体系统结构，也提高了波浪能的利用效率。可以集合多个此种波浪发电装置，进行规模性地提取波浪能。本波浪发电装置结构比较简单，成本投入较少，方便管理，可以向湖泊上的用电设备提供电能。规模化地布设该波浪发电装置，在特定的湖域或偏远湖岛上，具有很高的商业价值和实用价值。

上述装置的控制方法，一种适用于湖泊的波浪发电装置的控制方法，该方法基于PID-内模控制模型，通过对波前垂直波速的检测模块、垂直速度控制环、反馈信号和干扰信号对垂直浮筒进行控制，具体包括如下步骤：

（1）所述波前垂直波速的检测模块对波前垂直波速R(s)进行检测，并将波前垂直波速R(s)与垂直浮筒（4）运动速度的反馈信号

进行实时比较，将产生的误差

通过反馈信号模块送入垂直速度控制模块G_IMC(s)中，其中Y(s)为输出量，

为发电装置的理论运动模型，G(s)为发电装置的实际运动模型；所述波前垂直波速的检测模块采用点对点的速度检测方法对波前垂直波速进行检测；

（2）垂直速度控制模块G_IMC(s)采用调节PID参数的自适应控制方法，先通过调节误差输入量的比例、积分和微分参数，经推理计算求解得到垂直速度控制模块G_IMC(s)的输出量；

（3）采用PID-内模算法进行补偿，消除干扰信号D(s)的影响。

所述垂直速度控制模块G_IMC(s)内包含有发电装置的理论运动模型和PID-内模控制模型的内环反馈控制器C(s)，其中C(s)的输入信号为

的输出信号作为

的输入信号；同时C(s)的输出信号作为发电装置的实际运动模型G(s)的输入信号，Y(s)=G(s)+D(s)。

该方法还包括如下步骤：

a.根据光亮强度，点亮或关闭灯器（7）；

b.根据蓄电池（5）充电是否完成，控制永磁圆筒直线发电机（3）向蓄电池（5）充电；

c.在蓄电池（5）充电完成、且波浪波高达到预设值情况下，控制永磁圆筒直线发电机（3）直接为灯器（7）供电。

如图2所示，垂直速度控制模块G_IMC(s)具体为：

$G_{\mathrm{IMS}}\left(s\right)=\frac{C\left(s\right)}{1+C\left(s\right)\hat{G}\left(s\right)}$

其中，C(s)为PID-内模控制模型的内环反馈控制器，

为发电装置的理论运动模型。

结合图2、图3所示，PID-内模控制分为如下两个步骤：

1）波浪发电装置的理论运动模型

的分解：

图3所示，G(s)是波浪发电装置的实际运动模型，波浪发电装置的理论运动模型可以分解为

和

，即：

$\hat{G}\left(s\right)={\hat{G}}_{+}\left(s\right){\hat{G}}_{-}\left(s\right)$

其中，是一个全通滤波器传递函数，也就是对于所有的波浪频率ω，

是一个具有最小相位的特征传递函数，即

是稳定的，并且不包含预测项。

1）垂直速度控制模块G_IMC(s)的设计：

设计垂直速度控制模块G_IMC(s)时，需要在特征传递函数

上加一个滤波器，目的是为了保证整个被控对象的稳定性和鲁棒性。定义的垂直速度控制模块G_IMC(s)可以是：

$G_{\mathrm{IMC}}\left(s\right)={\hat{G}}_{-}^{-1}\left(s\right)F\left(s\right)$

其中，

是

的逆变换，

是低通滤波器，n是图2、图3中对象模型G(s)的阶次，ε是低通滤波器F(s)的设计参数。

如图3所示，在完成垂直速度控制模块G_IMC(s)的设计之后，整个PID-内模控制系统的输出Y(s)和误差e(s)分别为：

$Y\left(s\right)=\frac{{\hat{G}}_{+}\left(s\right)F\left(s\right)[1+e_m\left(s\right)]}{1+{\hat{G}}_{+}\left(s\right)F\left(s\right)e_m\left(s\right)}[R\left(s\right)-D\left(s\right)]+D\left(s\right)$

$e\left(s\right)=R\left(s\right)-Y\left(s\right)=\frac{1-{\hat{G}}_{+}\left(s\right)F\left(s\right)}{1+{\hat{G}}_{+}\left(s\right)F\left(s\right)e_m\left(s\right)}[R\left(s\right)-D\left(s\right)]$

其中， $e_m\left(s\right)=[G\left(s\right)-\hat{G}\left(s\right)]/\hat{G}\left(s\right).$

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种适用于湖泊的波浪发电装置，其特征在于：包括支架（1）、垂直浮筒（4）、永磁圆筒直线发电机（3）和蓄电池（5），永磁圆筒直线发电机（3）的电能输出端接入蓄电池（5）的充电端；所述支架（1）上设置有动机安装平台（2），在动机安装平台（2）上设置有通孔，在动机安装平台（2）的上方固定有密封罩；所述永磁圆筒直线发电机（3）包括定子（8）和动子（9），所述定子（8）竖直固定在动机安装平台（2）上方、并位于密封罩内，所述动子（9）安装在定子（8）内，且动子（9）穿过动机安装平台（2）上的通孔伸入到动机安装平台（2）下方，与动机安装平台（2）下方的垂直浮筒（4）的中心轴固定。

2.根据权利要求1所述的适用于湖泊的波浪发电装置，其特征在于：还包括灯器（7），所述灯器（7）安装在密封罩的外部顶端，所述蓄电池（5）为灯器（7）提供电源。

3.根据权利要求1所述的适用于湖泊的波浪发电装置，其特征在于：所述定子（8）和动子（9）之间采用超高分子材质的轴套进行连接。

4.一种适用于湖泊的波浪发电装置的控制方法，其特征在于：该方法基于PID-内模控制模型，通过对波前垂直波速的检测模块、垂直速度控制环、反馈信号和干扰信号对垂直浮筒进行控制，具体包括如下步骤：

（1）所述波前垂直波速的检测模块对波前垂直波速R(s)进行检测，并将波前垂直波速R(s)与垂直浮筒（4）运动速度的反馈信号

进行实时比较，将产生的误差

通过反馈信号模块送入垂直速度控制模块G_IMC(s)中，其中Y(s)为输出量，

为发电装置的理论运动模型，G(s)为发电装置的实际运动模型；

（2）垂直速度控制模块G_IMC(s)采用调节PID参数的自适应控制方法，先通过调节误差输入量的比例、积分和微分参数，经推理计算求解得到垂直速度控制模块G_IMC(s)的输出量；

（3）采用PID-内模算法进行补偿，消除干扰信号D(s)的影响。

5.根据权利要求4所述的适用于湖泊的波浪发电装置的控制方法，其特征在于：所述垂直速度控制模块G_IMC(s)内包含有发电装置的理论运动模型和PID-内模控制模型的内环反馈控制器C(s)，其中C(s)的输入信号为

C(s)的输出信号作为

的输入信号；同时C(s)的输出信号作为发电装置的实际运动模型G(s)的输入信号，Y(s)=G(s)+D(s)。

6.根据权利要求4所述的适用于湖泊的波浪发电装置的控制方法，其特征在于：所述波前垂直波速的检测模块采用点对点的速度检测方法对波前垂直波速进行检测。

7.根据权利要求4所述的适用于湖泊的波浪发电装置的控制方法，其特征在于：该方法还包括如下步骤：

a.根据光亮强度，点亮或关闭灯器（7）；

b.根据蓄电池（5）充电是否完成，控制永磁圆筒直线发电机（3）向蓄电池（5）充电；

c.在蓄电池（5）充电完成、且波浪波高达到预设值情况下，控制永磁圆筒直线发电机（3）直接为灯器（7）供电。

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