CN103513135B - 一种直驱海浪发电系统的模拟测试装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直驱海浪发电系统的模拟测试装置及其使用方法，它包括机械、电控部分；机械部分包括一机械限位座，机械限位座上固设有两导轨，导轨上设置有永磁直线电动机和发电机，光栅尺设置在任一导轨上；电控部分包括一上位机，电动机控制指令、永磁直线电动机的位置信息和DC-AC变换器的电压、电流信号均传输至电动机控制器，电动机控制器控制DC-AC变换器对其直流母线电流逆变后输入永磁直线电动机，使之输出推力，推动永磁直线发电机产生电能，输出的三相交变电流传输至AC-DC变换器；发电机控制策略、永磁直线发电机的位置信息以及AC-DC变换器的电压、电流信号均传输至发电机控制器，发电机控制器通过AC-DC变换器控制三相交变电流输出直流电，为负载供电。

Description

一种直驱海浪发电系统的模拟测试装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种模拟测试装置及其使用方法，特别是关于一种直驱海浪发电系统的模拟测试装置及其使用方法。

背景技术

风与海面作用产生海浪，海浪能是以动能形式表现的水能资源之一。1977年，有人对世界各大洋的海浪进行推算，认为全球海浪能功率约为700亿千瓦，其中可开发利用的约为25亿千瓦，与潮汐能相近。海浪中蕴藏有如此丰富的能量，将海浪的动能转化为电能，是人们多年来梦寐以求的理想。为了迎接能源安全的挑战，各国都在想方设法开源节流。自20世纪70年代开始，许多国家，如英国、日本、美国、加拿大等都在研究和试验海浪发电，并相继提出了数百种方案。随着研究和开发的深入，海浪发电正在从小型化走向中、大型化，由试验阶段进入商业化运营阶段。但是，由于各种技术问题，直到今天，在能源开发方面，海浪能的利用仍然落后于风能和潮汐能的利用。因而，研究如何使海浪发电能够被更广泛地应用，成为新能源研究的一个重要方向。

近年来，海浪发电技术不断受到重视并不断取得进步。与齿轮箱式、汽轮式、涡轮式海浪发电类型相比，直驱式海浪发电装置的动力输出装置与电机直接相连，取消了二级能量转换机构，具有能量转换率高、可靠性高和维护方便的特点，受到越来越多的关注。进行海浪发电相关技术的研究，理想方案是在实际海洋中进行现场试验。然而，海浪发电厂一般设在海上，其受自然因素的影响复杂，不利于对海浪发电设备进行前期开发调试。同时，海浪发电设备的体积较大，容易受环境、天气等影响，这些都会给现场测试带来诸多困难。并且海浪发电特性与海浪特性息息相关，海浪变化对海浪发电的影响也需要作深入的研究。经检索申请号为201210131490.X的中国专利申请文件中公开了一种直线发电机实验装置，介绍了旋转电机通过滑轮拖动直线电机运动，但其并未采用推力控制，并且旋转-直线的拖动模式也较为复杂。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种真实、灵活地模拟海浪对直驱海浪发电机进行驱动的直驱海浪发电系统的模拟测试装置及其使用方法，从而为研究如何处理海浪发电产生的电能、如何稳定地维持海浪发电产生的电能以及对海浪发电实现最大功率跟踪等控制奠定实验基础。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种直驱海浪发电系统的模拟测试装置，其特征在于：它包括机械部分和电控部分；所述机械部分包括一机械限位座、两导轨、一永磁直线电动机、一永磁直线发电机和一光栅尺；所述机械限位座上平行固设有两所述导轨，所述永磁直线电动机和永磁直线发电机均设置在所述导轨上，所述光栅尺设置在任一所述导轨上；所述电控部分包括上位机、电动机控制器、DC-AC变换器、AC-DC变换器、发电机控制器和负载；所述上位机将电动机控制指令、所述光栅尺将检测到的所述永磁直线电动机的位置信息以及所述DC-AC变换器将其直流母线上和交流侧的电压、电流信号均传输至所述电动机控制器，所述电动机控制器将PWM信号输出至所述DC-AC变换器，控制所述DC-AC变换器对直流母线电流进行逆变后输入所述永磁直线电动机，所述永磁直线电动机输出推力，推动所述永磁直线发电机在所述导轨上运动产生电能，并将输出的三相交变电流传输至所述AC-DC变换器；所述上位机将发电机控制策略、所述光栅尺将检测到的所述永磁直线发电机的位置信息以及所述AC-DC变换器将其直流母线上和交流侧的电压、电流信号均传输至所述发电机控制器，所述发电机控制器将PWM信号传输至所述AC-DC变换器，控制所述AC-DC变换器对所述永磁直线发电机输出的三相交变电流进行整流和控制后输出直流电，为所述负载供电。

所述上位机采用计算机和可编程逻辑控制器中的一种。

所述电动机控制器与发电机控制器均包括QEP模块、处理器、AD采样模块、PWM模块和IO模块；所述QEP模块将计算得到的速度和加速度信息传输至所述处理器；所述AD采样模块将采样结果传输至所述处理器；所述处理器计算当前时刻的PWM信号并传输至所述PWM模块，所述PWM模块将PWM信号传输至所述DC-AC变换器或AC-DC变换器，控制所述永磁直线电动机或永磁直线发电机动作；所述处理器通过所述IO模块与所述上位机进行信息交互，所述处理器将处理后的数据信息传输至所述上位机进行显示，所述上位机将控制指令发送至所述处理器。

所述处理器采用解耦控制方式对所述永磁直线电动机或永磁直线发电机进行控制。

所述处理器采用DSP、单片机和嵌入式处理器中的一种。

所述负载采用由电阻、电感和电容组成的电路负载或储能装置。

一种所述直驱海浪发电系统的模拟测试装置的使用方法，其包括以下步骤：1）运行直驱海浪发电系统的模拟测试装置；2）用户通过上位机输入电动机控制指令和发电机控制策略，并设置实验参数，实验参数包括海浪激励力F_d、海浪对直驱海浪发电系统产生的附加质量A、海浪对直驱海浪发电系统产生的阻尼系数B、海水对直驱海浪发电系统的浮力系数K以及永磁直线电动机和永磁直线发电机在导轨上运动产生的阻力f；3）根据电动机控制指令，电动机控制器输出PWM信号并传输至DC-AC变换器，由DC-AC变换器将直流母线上的电流逆变为三相交变电流，三相交变电流控制并驱动永磁直线电动机工作；4）永磁直线电动机在三相交变电流的控制下，根据步骤2）输入的实验参数输出的推力F_ref为：

式中，y表示永磁直线电动机的位移，表示永磁直线电动机的速度，表示永磁直线电动机的加速度；5）永磁直线发电机在推力F_ref的作用下做往复运动，模拟海浪发电过程，输出三相交变电流并传输至AC-DC变换器；6）根据步骤2）输入的发电机控制策略，发电机控制器输出PWM信号并传输至AC-DC变换器，根据接收到的PWM信号，AC-DC变换器对永磁直线发电机输出的三相交变电流进行整流和控制后输出直流电，直流电为负载供电；7）观测永磁直线发电机的实验结果，包括观测永磁直线发电机的运动状态和发电特性；8）关闭直驱海浪发电系统的模拟测试装置。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用包括上位机、电动机控制器、DC-AC变换器、AC-DC变换器、发电机控制器和负载的电控部分对永磁直线电动机进行精确控制，使永磁直线电动机输出的推力能够模拟实际直驱海浪发电系统中浮子在海浪的推动下运动所受的外力，推动永磁直线发电机在导轨上往复运动并产生电能，因此本发明能够真实、灵活地模拟永磁直线发电机在海浪中的运行情况，更好地反应海浪发电的动态性能。2、本发明由于电控部分中的上位机采用计算机或可编程逻辑控制器，因此采用本发明的模拟测试装置能够通过设定各种参数来模拟不同海况下永磁直线发电机的受力情况。3、本发明由于包括机械部分和电控部分，所述机械部分包括机械限位座、导轨、永磁直线电动机、永磁直线发电机和光栅尺；所述电控部分包括上位机、电动机控制器、DC-AC变换器、AC-DC变换器、发电机控制器和负载；通过电控部分控制机械部分中的永磁直线电动机和永磁直线发电机运动来模拟实际直驱海浪发电系统的动态性能，因此本发明的结构简单、控制方便且工作效率高。基于以上优点，本发明可以广泛应用于直驱海浪发电系统的模拟测试过程中。

附图说明

图1为本发明直驱海浪发电系统的模拟测试装置的机械结构示意图

图2为本发明直驱海浪发电系统的模拟测试装置的拓扑结构示意图

图3为图2中电动机控制器或发电机控制器的拓扑结构示意图

图4为本发明的直驱海浪发电模拟测试装置的运行流程图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1、图2所示，本发明的直驱海浪发电系统的模拟测试装置包括机械部分1和电控部分2。其中，机械部分1包括一机械限位座11、两导轨12、一永磁直线电动机13、一永磁直线发电机14和一光栅尺15；机械限位座11上平行固设有两导轨12；永磁直线电动机13和永磁直线发电机14均设置在导轨12上，并通过导轨12机械连接；光栅尺15设置在任一导轨12上，用于将检测到的永磁直线电动机13和永磁直线发电机14的位置信息传输至电控部分2。

电控部分2包括上位机21、电动机控制器22、DC-AC变换器23、AC-DC变换器24、发电机控制器25和负载26。用户通过上位机21将电动机控制指令传输至电动机控制器22，光栅尺15将检测到的永磁直线电动机13的位置信息以及DC-AC变换器23将其直流母线上的电压、电流信号和交流侧的三相电压、电流信号均传输至电动机控制器22。电动机控制器22根据接收到的电动机控制指令、位置信息以及电压、电流信号，输出PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）信号并传输至DC-AC变换器23。DC-AC变换器23根据接收到的PWM信号，将直流母线上的电流逆变为三相交变电流，控制永磁直线电动机13输出推力。永磁直线电动机13输出的推力模拟永磁直线发电机14在海浪中受到的外力，推动永磁直线发电机14在导轨12上运动产生电能，并输出三相交变电流，三相交变电流传输至AC-DC变换器24。用户通过上位机21将完成最大功率跟踪、并网控制等发电机控制策略传输至发电机控制器25，光栅尺15将检测到的永磁直线发电机14的位置信息以及AC-DC变换器24将其直流母线上的电压、电流信号和交流侧的三相电压、电流信号均传输至发电机控制器25。根据接收到的发电机控制策略、位置信息以及电压、电流信号，发电机控制器25输出PWM信号并传输至AC-DC变换器24，AC-DC变换器24根据接收到的PWM信号，对永磁直线发电机14输出的三相交变电流进行整流和控制后输出直流电，直流电为负载26供电。

上述实施例中，上位机21采用计算机或PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）。

上述实施例中，电动机控制器22与发电机控制器25电路结构相同，其均包括QEP（Quadrature Encoder Pulse，正交编码脉冲）模块221、处理器222、AD采样模块223、PWM模块224和IO模块225。QEP模块221根据接收到的永磁直线电动机13或永磁直线发电机14的位置信息以及采样频率计算出永磁直线电动机13或永磁直线发电机14的速度和加速度等信息，并将计算得到的速度和加速度等信息传输至处理器222；AD采样模块223对DC-AC变换器23或AC-DC变换器24直流母线上的电压和电流以及交流侧的三相电压、电流信号进行采样，并将采样结果传输至处理器222；处理器222根据速度和加速度等信息以及电压和电流信号计算当前时刻的PWM信号并传输至PWM模块224，由PWM模块224将计算得到的PWM信号传输至DC-AC变换器23或AC-DC变换器24，从而实现对永磁直线电动机13或永磁直线发电机14的控制。处理器222通过IO模块225与上位机21进行信息交互，处理器222接收上位机21发送的控制指令并将处理后的电压、电流、功率和电机机械运动情况等数据信息传输至上位机21进行显示。

上述实施例中，处理器222采用解耦控制方式对永磁直线电动机13或永磁直线发电机14进行控制，其控制过程为：根据永磁直线电动机13或永磁直线发电机14的dq轴数学模型，在d轴电流为零的条件下，永磁直线电动机13或永磁直线发电机14的推力与q轴电流成正比关系，通过控制永磁直线电动机13或永磁直线发电机14的q轴电流即可以实现对电动机13或永磁直线发电机14输出推力的精准控制。由于处理器222内采用的控制策略为已有技术，在此不再赘述。

上述实施例中，负载26采用RLC（由电阻、电感和电容组成的电路）负载或储能装置等。

上述实施例中，处理器222采用DSP（数字信号处理器）、单片机或嵌入式处理器等。

基于波浪理论，本发明的直驱海浪发电系统的模拟测试装置控制永磁直线电动机13输出推力，从而推动永磁直线发电机14发电，由永磁直线发电机13模拟真实的直驱海浪发电的运行状态。如图4所示，本发明直驱海浪发电系统的模拟测试装置的使用方法包括以下步骤：

1）运行本发明的直驱海浪发电系统的模拟测试装置。

2）用户通过上位机21设置海浪激励力F_d、海浪对直驱海浪发电系统产生的附加质量A、海浪对直驱海浪发电系统产生的阻尼系数B、海水对直驱海浪发电系统的浮力系数K以及永磁直线电动机13和永磁直线发电机14在导轨12上运动产生的阻力f等实验参数，并输入电动机控制指令和发电机控制策略，分别控制电动机控制器22和发电机控制器25。

3）根据电动机控制指令，电动机控制器22输出PWM信号并传输至DC-AC变换器23，由DC-AC变换器23将直流母线上的电流逆变为三相交变电流，三相交变电流控制并驱动永磁直线电动机13工作。

4）永磁直线电动机13在三相交变电流的控制下，根据步骤2）输入的实验参数输出推力Fref，用于模拟实际直驱海浪发电系统中浮子在海浪的推动下运动所受的外力F。

基于实际直驱海浪发电系统中浮子在海浪的推动下运动所受的外力F为：

以及永磁直线电动机13和永磁直线发电机14在导轨12上运行时存在阻力的情况，永磁直线电动机13输出的推力F_ref为：

式（1）中，x表示浮子位移，表示浮子速度，表示浮子加速度；式（2）中，y表示永磁直线电动机13的位移，表示永磁直线电动机13的速度，表示永磁直线电动机13的加速度。

5）永磁直线发电机14在推力F_ref的作用下做往复运动，模拟海浪发电过程，输出三相交变电流并传输至AC-DC变换器24。

6）根据步骤2）输入的发电机控制策略，发电机控制器24输出PWM信号并传输至AC-DC变换器24，根据接收到的PWM信号，AC-DC变换器24对永磁直线发电机14输出的三相交变电流进行整流和控制后输出直流电，直流电为负载26供电。

7）观测永磁直线发电机14的运动状态和发电特性等实验结果。

8）关闭本发明的直驱海浪发电系统的模拟测试装置。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部分的结构、连接方式和方法步骤等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (8)

1.一种直驱海浪发电系统的模拟测试装置，其特征在于：它包括机械部分和电控部分；所述机械部分包括一机械限位座、两导轨、一永磁直线电动机、一永磁直线发电机和一光栅尺；所述机械限位座上平行固设有两所述导轨，所述永磁直线电动机和永磁直线发电机均设置在所述导轨上，所述光栅尺设置在任一所述导轨上；所述电控部分包括上位机、电动机控制器、DC-AC变换器、AC-DC变换器、发电机控制器和负载；所述上位机将电动机控制指令、所述光栅尺将检测到的所述永磁直线电动机的位置信息以及所述DC-AC变换器将其直流母线上和交流侧的电压、电流信号均传输至所述电动机控制器，所述电动机控制器将PWM信号输出至所述DC-AC变换器，控制所述DC-AC变换器对直流母线电流进行逆变后输入所述永磁直线电动机，所述永磁直线电动机输出推力，所述永磁直线电动机输出的推力模拟所述永磁直线发电机在海浪中受到的外力，推动所述永磁直线发电机在所述导轨上运动产生电能，并将输出的三相交变电流传输至所述AC-DC变换器；所述上位机将发电机控制策略、所述光栅尺将检测到的所述永磁直线发电机的位置信息以及所述AC-DC变换器将其直流母线上和交流侧的电压、电流信号均传输至所述发电机控制器，所述发电机控制器将PWM信号传输至所述AC-DC变换器，控制所述AC-DC变换器对所述永磁直线发电机输出的三相交变电流进行整流和控制后输出直流电，为所述负载供电。

2.如权利要求1所述的一种直驱海浪发电系统的模拟测试装置，其特征在于：所述上位机采用计算机和可编程逻辑控制器中的一种。

3.如权利要求1或2所述的一种直驱海浪发电系统的模拟测试装置，其特征在于：所述电动机控制器与发电机控制器均包括QEP模块、处理器、AD采样模块、PWM模块和IO模块；所述QEP模块将计算得到的速度和加速度信息传输至所述处理器；所述AD采样模块将采样结果传输至所述处理器；所述处理器计算当前时刻的PWM信号并传输至所述PWM模块，所述PWM模块将PWM信号传输至所述DC-AC变换器或AC-DC变换器，控制所述永磁直线电动机或永磁直线发电机动作；所述处理器通过所述IO模块与所述上位机进行信息交互，所述处理器将处理后的数据信息传输至所述上位机进行显示，所述上位机将控制指令发送至所述处理器。

4.如权利要求3所述的一种直驱海浪发电系统的模拟测试装置，其特征在于：所述处理器采用解耦控制方式对所述永磁直线电动机或永磁直线发电机进行控制。

5.如权利要求3所述的一种直驱海浪发电系统的模拟测试装置，其特征在于：所述处理器采用DSP、单片机和嵌入式处理器中的一种。

6.如权利要求1或2或4或5所述的一种直驱海浪发电系统的模拟测试装置，其特征在于：所述负载采用由电阻、电感和电容组成的电路负载或储能装置。

7.如权利要求3所述的一种直驱海浪发电系统的模拟测试装置，其特征在于：所述负载采用由电阻、电感和电容组成的电路负载或储能装置。

8.一种如权利要求1～7任意一项所述直驱海浪发电系统的模拟测试装置的使用方法，其包括以下步骤：

1)运行直驱海浪发电系统的模拟测试装置；

2)用户通过上位机输入电动机控制指令和发电机控制策略，并设置实验参数，实验参数包括海浪激励力F_d、海浪对直驱海浪发电系统产生的附加质量A、海浪对直驱海浪发电系统产生的阻尼系数B、海水对直驱海浪发电系统的浮力系数K以及永磁直线电动机和永磁直线发电机在导轨上运动产生的阻力f；

3)根据电动机控制指令，电动机控制器输出PWM信号并传输至DC-AC变换器，由DC-AC变换器将直流母线上的电流逆变为三相交变电流，三相交变电流控制并驱动永磁直线电动机工作；

4)永磁直线电动机在三相交变电流的控制下，根据步骤2)输入的实验参数输出的推力F_ref为：

式中，y表示永磁直线电动机的位移，表示永磁直线电动机的速度，表示永磁直线电动机的加速度；

5)永磁直线发电机在推力F_ref的作用下做往复运动，模拟海浪发电过程，输出三相交变电流并传输至AC-DC变换器；

6)根据步骤2)输入的发电机控制策略，发电机控制器输出PWM信号并传输至AC-DC变换器，根据接收到的PWM信号，AC-DC变换器对永磁直线发电机输出的三相交变电流进行整流和控制后输出直流电，直流电为负载供电；

7)观测永磁直线发电机的实验结果，包括观测永磁直线发电机的运动状态和发电特性；

8)关闭直驱海浪发电系统的模拟测试装置。