CN104215849B - 一种潮流能发电装置模拟测试平台及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种潮流能发电装置模拟测试平台及测试方法，所述的测试平台包括潮流能发电水动力模拟系统、潮流能发电机组原型机、数据采集分析与监控系统，潮流能发电水动力模拟装置主要用于模拟作用于透平机构上的水动力距；潮流能发电机组原型机用于快速实现各种类型配置的潮流能发电机组；数据采集与监控系统主要用于对测试的工况进行设定、对测试过程进行监控、对测试结果进行存储显示处理。所述的方法包括以下步骤：制定方案、设定参数、改装原型机、组装测试平台、采集数据、生成报告。本方案可以对潮流能发电机组设计方案、部件性能、控制算法、通讯接口等进行系统全面的测试，能够大大减少潮流能发电机组的开发周期和研发成本。

Description

一种潮流能发电装置模拟测试平台及测试方法

技术领域

本发明涉及海洋能发电领域，尤其涉及一种潮流能发电装置模拟测试平台及测试方法。

背景技术

我国海洋能资源丰富，近些年来国家对海洋能开发利用的力度越来越大。海洋能的形式包括潮汐能、温差能、盐差能、潮流能和波浪能等。潮流是与潮汐相伴而产生的周期性海水水平流动，潮流运动时所产生的动能即为潮流能，目前，潮流能的开发利用形式已从人工存储海水势能的发电方式转变为开放的机械结构，潮流能转换的原理可分为透平类和非透平类两大系统。采用透平作为潮流能捕获装置是目前被广泛认可的方案，其中根据透平转轴和潮流方向及水平面的空间位置关系有可分为水平轴式和垂直轴式两类。水平轴系统较垂直轴系统能量转换率搞，自启动性好，控制较为灵活，受到大多数研究者的关注，发展速度和规模远远超过垂直轴。

目前国际上已经完成并进行过水下测试的水平轴潮流能发电机组主要有，英国MCT公司设计的Seaflow和Seagen，挪威Hammerfest Strom公司制造的300kW样机，爱尔兰OpenHydro公司的Open-Certre Turbine样机，加拿大Clean Current Power System公司的Clean Current Turbine，美国VerdantPower公司的Free Flow System Turbine等。国内的潮流能发电研究还仅限于大学和科研院所，主要包括：哈尔滨工程大对垂直轴叶片式潮流能水轮机进行了研究，并开发了40kW的固定沉箱式载体结构发电机组；中国海洋大学柔性垂直轴叶片式潮流能水轮机进行了研究，开发了5kW样机；东北师范大学设计制造了2kW水平轴潮流能发电机组；浙江大学在水平轴潮流能发电装置领域研究较多，开发了5kW、20kW和25kW样机，并已进行下水试验。

目前水平轴潮流能发电装置的总体结构形式已经确定，但很多机组在进行下水实验之前没有经过系统全面的测试，各种机组的开发过程缺少必要的研发测试环节和测试方法，研发和测试成本较高。

发明内容

为解决以上技术上的不足，本发明提出一种潮流能发电装置模拟测试平台及测试方法，能够模拟多种形式的潮流能发电装置。

本发明是通过以下措施实现的：一种潮流能发电装置模拟测试平台，包括潮流能发电水动力模拟系统、潮流能发电机组原型机、数据采集分析与监控系统，所述的潮流能发电水动力模拟系统包括潮流能仿真机、驱动器、拖动电机，所述驱动器的输入端通过数据线与潮流仿真机的输出端连接，所述驱动器的输出端连接拖动电机的输入端；所述的潮流能发电机组原型机包括机组控制器、发电机、变流器、变压器、负载，所述机组控制器分别通过数据线连接潮流能仿真机输入端和变流器，所述变流器的输出端连接变压器的输入端，所述变压器的输出端连接负载，所述电流器的输入端连接发电机的输出端，所述发电机的输入端依次通过传动链和联接装置与拖动电机的输出端连接；所述的数据采集分析与监控系统包括上位机、数据服务器和各种传感器，所述的数据服务器和传感器分别与上位机连接，实现数据的分析、处理和存储，所述的上位机通过通讯接口分别实现与潮流能仿真机和机组控制器的数据通信。

进一步的，传感器至少包括以下类型：位移角度传感器、转速传感器、力矩传感器、电流电压传感器、压力传感器等。

进一步的，所述的潮流能仿真机可以采用工控机、仿真器、PLC或者配置较高的PC机。

一种潮流能发电装置模拟测试方法，用于模拟各种不同的潮流能发电形式，所述的方法包括：

步骤一：根据测试对象和测试内容，制定测试大纲和测试流程，确定仿真模型的参数类型，确定潮流能发电机组原型机的配置；

步骤二：根据测试对象详细参数，更改潮流能仿真模型的参数和模块，实现对待测潮流能机组水动力和测试环境的仿真模拟；

步骤三：按照被测对象的特点配置潮流能发电机组原型机，更改整体结构、更改传动形式、更改发电机、更改控制算法；

步骤四：连接潮流能发电水动力模拟装置和潮流能发电机组原型机，安装相应的传感器并接入数据采集监控系统，调试机械和电气系统，确保系统工作正常；

步骤五：根据测试内容，在上位机中设定待测试的工况，启动系统进行测试，并记录测试数据；

步骤六：对测试数据进行分析处理，根据分析结果对测试对象进行评估，完成测试报告。

本发明的有益效果是：利用硬件在环的方式实现潮流能发电机组的仿真测试，能够较为真实的模拟潮流能发电机组及其工作环境，可以对潮流能发电机组设计方案、部件性能、控制算法、通讯接口等进行系统全面的测试，能够大大减少潮流能发电机组的开发周期和研发成本，该平台能够复现包括故障和极端工况在内的现场工况，减少后期的升级维护成本。

附图说明

图1 为本发明测试平台的结构原理框图。

具体实施方式

下面结合附图做进一步的说明。

如图1所示，潮流能发电装置模拟测试平台包括水动力模拟装置系统、潮流能发电机组原型机、数据采集与监控系统，所述的潮流能发电水动力模拟系统包括潮流能仿真机、驱动器、拖动电机，所述驱动器的输入端通过数据线与潮流仿真机的输出端连接，所述驱动器的输出端连接拖动电机的输入端；所述的潮流能发电机组原型机包括机组控制器、发电机、变流器、变压器、负载，所述机组控制器分别通过数据线连接潮流能仿真机输入端和变流器，所述变流器的输出端连接变压器的输入端，所述变压器的输出端连接负载，所述电流器的输入端连接发电机的输出端，所述发电机的输入端依次通过传动链和联接装置与拖动电机的输出端连接；所述的数据采集分析与监控系统包括上位机、数据服务器和各种传感器，所述的数据服务器和传感器分别与上位机连接，所述的上位机通过通讯接口分别实现与潮流能仿真机和机组控制器的数据通信。其中，传感器至少包括以下类型：位移角度传感器、转速传感器、力矩传感器、电流电压传感器、压力传感器；所述的潮流能仿真机可以采用工控机、仿真器、PLC或者配置较高的PC机。

测试平台中各个部件的功能如下：

电机的驱动器接收仿真机中计算得到的水动力数据，驱动拖动电机产生相应的力矩模拟水动力距，带动潮流能发电机转动。

联接装置用于联接拖动电机和潮流能发电机，可以根据原型机中的发电机输入轴直径灵活的进行配置装配。

潮流能发电机组原型机主要用于快速实现被测对象，根据被测对象的特点，对原型机的部件进行调整替换，实现被测对象的快速成型。控制器中运行机组的控制算法，包括逻辑控制和策略控制，能够根据水流方向、机组的转速、功率、振动信息计算出变桨的角度、偏航的方向、运行状态的跳转等；变流变压装置等用于将发电机的电能接入负载，同时负责接收控制器指令控制发电机。

上位机中运行人机界面、数据分析处理程序，能够根据测试内容设定仿真机中的模型参数，设定控制器中的控制参数，采集测试过程的实时状态数据，存储显示并分析处理试验数据。

数据服务器对整个测试平台运行过程中的信息进行采集记录，主要包括各类传感器的实时信号、仿真机中的状态数据、控制器中的状态信息等。后处理程序用于的实验的数据进行分析处理，对试验的结果进行判断评估。

一种潮流能发电装置模拟测试方法的具体步骤如下：

步骤一：根据测试对象和测试内容，制定测试大纲和测试流程，确定仿真模型的参数类型，确定潮流能发电机组原型机的配置；

步骤二：根据测试对象详细参数，更改潮流能仿真模型的参数和模块，实现对待测潮流能机组水动力和测试环境的仿真模拟；

步骤三：按照被测对象的特点配置潮流能发电机组原型机，更改整体结构、更改传动形式、更改发电机、更改控制算法等；

步骤四：连接潮流能发电水动力模拟装置和潮流能发电机组原型机，安装相应的传感器并接入数据采集监控系统，调试机械和电气系统，确保系统工作正常；

步骤五：根据测试内容，在上位机中设定待测试的工况，启动系统进行测试，并记录测试数据。

步骤六：对测试数据进行分析处理，根据分析结果对测试对象进行评估，完成测试报告。

下面以3kW水平轴变速变桨并网型海流能发电装置为例，对测试步骤进行说明，其他机型的测试步骤与之类似。测试步骤如下：

首先根据本次测试的目的和待测3kW水平轴机组的参数编制测试大纲，测试大纲包含测试目标、测试内容、测试工况、测试流程等。针对3kW水平轴机组的测试要求对水动力模拟系统和潮流能发电原型机进行调整，仿真系统的仿真模型按照3kW机组的参数进行调整和配置，模型中需包含海流波浪、风轮装置、变桨系统、偏航系统；潮流能发电原型机按照3kW机组的结构进行调整，传动链、发电机、变流器、变压器等采用与实际3kW机组同样的配置，控制器中算法修改为3kW机组的控制算法，或者直接用3kW的控制器进行替换；将模拟系统和原型机部分的传感器信号、通讯信号接入数据采集监控系统。根据测试大纲对3kW水平轴变速变桨并网海流能发电装置进行测试，记录测试数据，利用时域和频域分析工具对测试数据进行分析，根据测试分析结果进行该3kW机组进行评估，编写测试报告。

海流能发电装置模拟测试平台及测试方法能够对水平轴和垂直轴海流能发电装置进行模拟和测试，发电装置的具体形式较为多样，按照能否变速变桨可以分为：定速定桨距型、定速变桨型、变速变桨型、定桨变速型等；按照负载形式可以分为：离网型、并网型；按照发电机和传动的形式可以分为：永磁直驱型、电励磁直驱型、双馈绕线型、鼠笼异步型、半直驱型、高速永磁型等，该测试平台的测试对象能够涵盖但不仅限于以上列出的海流能发电装置。

以上所述仅是本专利的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本专利的保护范围。

Claims (4)

1.一种潮流能发电装置模拟测试平台，包括潮流能发电水动力模拟系统、潮流能发电机组原型机、数据采集分析与监控系统，所述的潮流能发电水动力模拟系统包括潮流能仿真机、驱动器、拖动电机，所述驱动器的输入端通过数据线与潮流能仿真机的输出端连接，所述驱动器的输出端连接拖动电机的输入端；所述的潮流能发电机组原型机包括机组控制器、发电机、变流器、变压器、负载，所述机组控制器分别通过数据线连接潮流能仿真机输入端和变流器，所述变流器的输出端连接变压器的输入端，所述变压器的输出端连接负载，所述变流器的输入端连接发电机的输出端，所述发电机的输入端依次通过传动链和联接装置与拖动电机的输出端连接；所述的数据采集分析与监控系统包括上位机、数据服务器和各种传感器，所述的数据服务器和传感器分别与上位机连接，实现数据的分析、处理和存储，所述的上位机通过通讯接口分别实现与潮流能仿真机和机组控制器的数据通信。

2.根据权利要求1所述的一种潮流能发电装置模拟测试平台，其特征在于，传感器至少包括以下类型：位移角度传感器、转速传感器、力矩传感器、电流电压传感器、压力传感器。

3.根据权利要求1或2所述的一种潮流能发电装置模拟测试平台，其特征在于，所述的潮流能仿真机采用工控机、仿真器、PLC或者配置较高的PC机。

4.基于权利要求1-3任意一项所述的潮流能发电装置模拟测试平台的一种潮流能发电装置模拟测试方法，用于模拟各种不同的潮流能发电形式，所述的方法包括：

步骤一：根据测试对象和测试内容，制定测试大纲和测试流程，确定潮流能仿真机的参数类型，确定潮流能发电机组原型机的配置；

步骤二：根据测试对象详细参数，更改潮流能仿真机的参数和模块，实现对待测潮流能机组水动力和测试环境的仿真模拟；

步骤三：按照测试对象的特点配置潮流能发电机组原型机，更改整体结构、更改传动形式、更改发电机、更改控制算法；

步骤四：连接潮流能发电水动力模拟系统和潮流能发电机组原型机，安装相应的传感器并接入数据采集分析与监控系统，调试机械和电气系统，确保系统工作正常；

步骤五：根据测试内容，在上位机中设定待测试的工况，启动系统进行测试，并记录测试数据；

步骤六：对测试数据进行分析处理，根据分析结果对测试对象进行评估，完成测试报告。