CN104583584B - 波力发电机及生成电力的方法 - Google Patents

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Abstract

一种波力发电机包括意图在水体中漂浮的有浮力的外部壳体(500)。位于壳体内的电机(103)具有电枢和场源，该电机具有运动部件和耦接至壳体的固定部件。对重组件(104)在壳体内是可运动的，该对重组件包括电机的运动部件，并且其中对重组件和电机的固定部件的相对运动生成电力。电力储存装置(400)对由电机生成的电力进行储存，以及控制系统(200)确定电力储存装置与电枢之间的能量流，其中能量被返回至电机，以驱动对重组件的、与壳体的运动反对称的方式的运动。

Description

波力发电机及生成电力的方法
技术领域
本公开内容涉及海上波力发电装置，更具体地涉及能够被部署为主动优化其自身运动以增大从海洋波浪中提取的电力的密闭密封浮标的装置。
背景技术
在一个多世纪里已经提出了多种通过海洋波浪的运动来发电的装置。这种装置通常试图将海洋波浪转换成可以用于驱动涡轮机或直线电动机来发电的运动，大多数装置属于前一类。一些装置不直接发电而是将海洋波浪的机械能转换成可用来作功的另一形式的机械能。
对来自海洋波浪的电力进行成功的商业开发面临着许多问题。
海洋是一个复杂的环境。海洋往往损坏任何暴露的物体，从外部简单(如船体)的那些物体到运动的螺旋桨。暴露的运动部件最容易受到损坏。这是导致例如需要持续且昂贵维护的海蛇(Pelamis)波浪能转换器的早期商业上失败的原因之一。缺乏鲁棒性使得不可能实际发电。
海洋波浪是不规则的并且不提供恒定的运动。基于运动的发电机依赖于一段时间内在一个方向上的恒定运动。海洋波浪随着每个单个的波浪的起伏而改变“方向”。这通常通过将波浪中的机械势能转换成另一种类型的能量(例如抽水或转动旋转涡轮)来克服。能量的转换导致效率低下。
系泊往往是一个问题。许多装置使用固定的系泊或重物作为“机械地面”。能够承受被如此使用的系泊是昂贵且难以安装的，并且在深水域中是不实用的。对单独的“机械地面”进行运输是昂贵的并且通过限制装置的移动性和可达性使装置服务更加昂贵。
海洋波浪的周期和幅度是随机的，这可能会导致低的发电效率。通常以与前述问题相同的方式来解决这个问题，这会导致相同的效率低下，或通过对特定的海洋波浪参数组进行优化来解决这个问题，这会导致次优效率。
在说明书中所提及的任何现有技术不是且不应被看作是承认或以任 何形式暗示这个现有技术形成了澳大利亚或任何其他管辖范围的公知常识的一部分，也不是且不应被看作是这个现有技术是由本领域技术人员可以合理地预期确定、理解以及认为是相关技术。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种波力发电机，包括：
意图在水体中漂浮的有浮力的壳体；
位于壳体内的电机，该电机包括电枢和场源，该电机具有运动部件和耦接至壳体的固定部件；
在壳体内能够运动的对重组件，该对重组件包括电机的运动部件，并且其中，对重组件和电机的固定部件的相对运动生成电力；
对由电机生成的电力进行储存的电力储存装置；
对电力储存装置与电枢之间的双向能量流进行确定的控制系统，其中能量被返回至电机，以驱动对重组件的、与壳体的运动反对称的方式的运动。
根据本发明的第二方面，提供了一种波力发电机，包括：
意图在水体中漂浮的有浮力的壳体；
位于壳体内的电机，该电机包括电枢和场源，该电机具有运动部件和耦接至壳体的固定部件；
在壳体内能够运动的对重组件，该对重组件包括电机的运动部件，并且其中，对重组件和电机的固定部件的相对运动生成电力；
对由电机生成的电力进行储存的电力储存装置；
对电力储存装置与电枢之间的双向能量流进行确定的控制系统，其中，能量被返回至电机以将壳体的运动驱动为水体中的波浪的周期的倍数。
根据本发明的第三方面，提供了一种生成电力的方法，包括：
a)在水体中部署波力发电机，发电机包括：
i)有浮力的壳体；
ii)位于壳体内的电机，该电机包括电枢和场源，该电机具有运 动部件和耦接至壳体的固定部件；
iii)在壳体内能够运动的对重组件，该对重组件包括电机的运动部件，并且其中，对重组件和电机的固定部件的相对运动生成电力；以及
iv)对由电机生成的电力进行储存的电力储存装置；
b)确定电力储存装置与电枢之间的双向能量流，以及
c)基于所确定的能量流将能量返回至电机，以驱动对重组件的、与壳体的运动反对称的方式的运动。
如文中所使用的，除非上下文另有要求，术语“包括”及该术语的变体例如“包含”、“包括”以及“所包括的”并不意图排除其他附加物、部件、整体或步骤。
参照附图和以示例的方式给出的下述说明使本发明的其他方面和在前面的段落中所描述的方面的其他实施方式变得显而易见。
附图说明
图1示出了波力发电机的框图。
图2A至图2C示出了与替代性布置的性能进行比较的图1中的波力发电机的理想化性能的曲线图。
图3A至图3F示出了用于图1中的发电机的力恢复部件的示意图。
图4A示出了图1中的发电机的理想化版本的仿真运动的曲线图。
图4B示出了用于图4A中的运动的控制信号的示例。
图4C示出了在波力发电机中生成的电力的示例。
图5示出了波力发电机的不同壳体以及与壳体结合的部件的示意图。
图6示出了用在波力发电机中的锁相环路控制器的框图。
图7示出了波力发电机的实施方式的示意图。
图8示出了包含电气系统并且在仿真海洋条件下操作的波力发电机的仿真运动的曲线图。
图9A和图9B示出了波力发电机的电气系统的实施方式。
图10A和图10B示出了说明用于装置的实施方式中的不同的控制信 号的有效性的波特(bode)图。
图11是示出了力和信号在波力发电机的部件之间如何交换的示意性框图。
具体实施方式
图1示出了具有电机103的发电装置100，电机103操作作为安装到在水体(如海洋)中漂浮的浮标的密闭密封外部壳体500内的直线电动机或发电机。直线电动机/发电机(电机103)的场源与在使用中沿浮标的竖直轴线运动的对重装置104耦接。如下面更详细描述的，对重装置104位于响应于对重装置的运动提供恢复力的恢复力装置300的上面。这种配置消除了对机械地面的需求，从而使对重装置104和外部壳体500两者在操作期间能够自由运动。
装置100的部件包含在密闭密封外部壳体500内，虽然电力输出装置105需要穿透这个壳体但也不破坏该密封。这种配置增大了装置100对环境损坏的抵抗力，减小了维护需求并且提高了操作寿命。这可以通过使用气密密封件509例如直通式液压密封件来实现。用于电力输出装置105的线缆可以是具有针对水下传输优化的包层的传输线，例如西门子的HDVCPlus。可以选择线缆作为装置100的系链。另外，可以将线缆并入到附接至外部壳体500的系链线缆中。外部壳体500可以具有防污涂层。
装置100包括限制直线电动机的场源和对重装置104在波涛汹涌的大海中遭受严重冲击以及可能损坏外部壳体500的顶部的减振器101。减振器101可以是弹性体衬套、空气弹簧或类似的缓冲装置。
直线电动机(电机103)可以是同步电动机或感应电动机。例如，电机103可以具有磁场源和线圈电枢，三相线圈沿着电枢的长度重复。针对连续、高效、低速的操作对这个电机103进行优化。例如，这可以包括使所使用的绕组最大化并且使用其中定子不含铁的感应电动机(因为高感应的磁场可以吸引直线电动机的部件，从而导致扭损电动机的机械部件)。
对于最优发电机，针对给定装置配置预期要经受的波浪周期的预期范围选择对重装置104的块。在一种布置中，对重装置104是重金属圆筒。替代性布置以具有其密度影响布置的大小和装置的尺寸的不同材料为特征。例如，钢筋混凝土可以提供针对装置的投影竖直尺寸的合适的密度，或者在特别需要时采用更致密的金属以减小竖直尺寸。对重装置优选地不 是磁性的，因为这会干扰对重装置上方的直线电动机。
控制系统200与直线电动机(电机103)进行通信并且还和电力储存装置400(例如容置在外部壳体500内的一堆电容器)进行通信。控制系统200对给电力储存装置400和电机103的电力的传递进行调节，并且对来自电力储存装置400和电机103的电力的传递进行调节。电力输出装置105经由气密密封件509输出来自电力储存装置400的电力。在电力储存装置通过柔性线缆连接至逆变器的情况下，电力储存装置400可以与对重装置104结合。
传感器102对直线电动机/发电机(电机103)的场源相对于外部壳体500的位置和其他参数(例如装置在海洋波浪上方的高度)进行测量。组合的能量管理和控制系统使用这个信息以将能量返回至系统，从而使场源和对重装置的运动与壳体反对称共振。考虑这一点是为了使由装置100产生的能量最大化。
装置100还可以具有用来将关于装置100的信息传输至接收器(未示出)的通信装置106，通信装置106可以是无线通信单元、短距离无线电发射机或类似的装置。通信装置106使装置100能够接收例如可以用来使装置将对重装置104锁定到便于运输的位置的信号或用于更新控制系统的可编程元件的信号。还可以通过作为电力输出装置105或系链的一部分的线(如光纤)对通信装置进行操作。
在替代性配置中，电机103的电枢可以耦接至对重装置104并且在壳体内自由运动，而场源相对于壳体是固定的。在这种情况下，柔性线缆可以将运动的电枢联接至电气系统。
装置100可以具有用于将对重组件固定到适当位置的系统(类似于电梯制动器)。这是用来在装置需要维护或对于正常操作海洋条件太汹涌的情况下来减小装置的运动的幅度的。可以使用附加的微控制器，微控制器可以连接至一个或多个通信装置106或通过使用来自传感器102的信号作为输入(例如，以确定大海何时变得特别汹涌)的单独的算法来操纵。因此，例如，在对装置进行维护之前，可以将信号发送至通信装置106以固定或约束对重装置104。
图2A至图2C示出了与采用其他方法操作进行比较的装置100的性能的仿真结果。
图2A示出了以与周期性海洋波浪210共振的方式运动的有浮力的壳 体的运动211(为了说明的目的建模为归一化的正弦曲线)。可以在传统的装置中使用这个壳体与固定机械地面212之间的相对速度来采用直线电动机发电。壳体的平均速度与壳体的运动211的幅度成比例，壳体的运动211的幅度略大于海洋波浪210的幅度(壳体的运动的幅度通过其共振运动而增强)。
图2B示出了具有通过弹簧耦接至壳体的自由块的自由漂浮的有浮力的壳体的运动221。自由块的运动如曲线222所示并且如以前一样将海洋波浪建模为归一化的正弦曲线220。壳体的运动221的相位相对于海洋220偏移90度；自由块的运动222的相位又相对于壳体的运动221偏移90度。壳体与块之间的相对速度与壳体的运动的幅度成比例，在理想的条件下壳体的运动的幅度约等于海洋波浪的幅度。这相对于图2C中的驱动、共振系统生成更少的电力。
图2C示出了装置100的操作，假设输入归一化的正弦曲线海洋波浪230。图2C示出了自由漂浮的有浮力的壳体(例如外部壳体500)的运动231以及被驱动以与壳体的运动反对称共振的方式运动的自由块的运动232。在此布置中，壳体与块之间的相对速度与壳体的运动的幅度的两倍成比例，在理想的条件下壳体的运动的幅度约等于海洋波浪的幅度。这种布置相对于图2A和图2B中所示的系统中的任一系统生成更多的电力。在本示例中的自由块与包括对重装置104和直线电动机(电机103)的场源的系统对应。
实际上，通过文中所描述的控制系统增大了外部壳体500的运动的幅度，从而进一步增大了装置100的电力输出。
恢复力装置
直线电动机(电机103)的场源附接至对重装置104并且这个组件通过恢复力装置300作用。图3A示出了其中恢复力装置为膜式空气弹簧301(例如膜式空气弹簧)的布置。这个膜式空气弹簧301联接至外部壳体的基部上的安装件510和对重装置104的基部。对重装置使用具有移动部件513和固定部件512的直线轴承在壳体内运动。
图3B示出了其中对重装置104搁置在空气弹簧303上，空气弹簧303相应地搁置在弹性体衬套302上的布置。衬套位于安装件510上。
图3C示出了其中对重装置104通过给对重装置104施加恢复力的弹簧304耦接至壳体的布置。图3D示出了其中对重装置搁置在位于安装件 510上的弹性体衬套305上的布置。另外，如图3F所示，对重装置可以由通过安装件510耦接至壳体的气动活塞307来支撑。
恢复力装置300可以包括上述元件的组合。例如，图3E示出了具有通过联动装置306耦接的弹簧304和弹性体衬套305的恢复力装置。
膜式空气弹簧具有许多有用的特征，包括：
1.长冲程；
2.在长冲程上的恒定响应；以及
3.小阻尼率。
这些特征有助于维持系统对海洋周期的适当响应，海洋周期是秒量级的并且大于大多数空气弹簧应用的周期。还可以设置抵消对重组件的向上运动的恢复力装置。
仿真装置操作
控制系统将来自电力储存装置400的电力返回至直线电动机(电机103)以使场源和对重装置104与壳体反对称共振。这在图4A至图4C中的仿真结果中示出。图4A示出了时间在x轴上的曲线图，其中该装置工作在建模为归一化的正弦波410的海洋中。由于控制系统改变电力输出和返回，所以壳体和块进行反对称共振。曲线412示出了块(即对重装置和直线电动机例如电机103的场源)的运动以及曲线411示出了外部壳体500的运动。
图4B示出了覆盖在图4A的曲线图上的控制信号420的示例性曲线图。控制信号420是确定电力何时被撤回或返回至直线电动机以驱动自由块的运动的一系列二进制脉冲。通过由传感器102测量出的、作用在自由块上的恢复力的倍数，将这些脉冲标准化。这确保返回或撤回的能量与系统的当前运动成比例。可以直接测量恢复力或基于其他测量结果(例如已知块的加速度)来估算恢复力。
图4C示出了系统100在通过正弦波驱动的80秒的仿真运行上生成的电力402。电力的下降与返回至系统以使其反对称共振并且维持这个反对称共振的电力对应。
壳体设计和部件
装置100的大多数部件封闭在密闭密封外部壳体500内。壳体由适合海洋应用的耐用材料制成。如图5所示，为了耐用性该装置采用钢壳体507， 以及该装置采用涂层508以对抗污垢。也可以采用许多其他的材料组合，无论选择何种材料，都要充分考虑到耐用性以及防垢。防垢涂层的设计考虑的是其寿命长，从而减少了出水维护的需要。
壳体507的内部衬有具有移动部件513和相对于壳体固定的部件512的圆筒型直线轴承，例如SKF的轮廓导轨。对轴承进行选择以给场源/对重装置系统的运动提供小的阻力同时防止自由块水平地运动。针对低摩擦和对重装置的质量对直线轴承512、直线轴承513进行优化。
安装件510位于壳体507的基部以支撑恢复力装置300。另一安装件510位于壳体的内部的顶部以支撑减振器101。壳体的其他特征包括将电力输出装置105连接至装置的内部部件的直通式液压密封件509，以及用于直线电动机(电机103)的电枢和电力储存装置400的安装件511。
图5示出了一系列不同形状的壳体。壳体501是具有圆形的顶部和底部的总体上的圆筒形。壳体502是圆筒形的并且具有较宽的上部分以容置直线电动机电枢和能量储存装置。替代的实施方式可以以不同的形状为特征，例如：
-壳体503是具有较宽的下部分以及相应地较短的对重装置(作为对重装置场源系统的一部分)的圆筒形。
-壳体504是锥体，锥的窄端在壳体的下端。壳体505是锥体，锥的窄端在壳体的上端。非圆筒形形状可以影响浮标对波浪的共振响应。在由海洋驱动的情况下可以使用双锥形浮标506以对浮标的自然共振频率进行加倍。浮标506具有大的上部，其向腰部变窄然后扩大到更宽的下部。
通过对效率和耐久性的考虑来选择壳体的形状。
控制系统200
图6示出了基于锁相环路(PLL)配置的控制系统的框图。锁定系统600包括相位检测器601，在本实施方式中相位检测器601实施为各种控制信号(例如第一输入信号608和第二输入信号609)的过零比较器。在一种布置中，第一输入信号608是装置壳体与海洋之间的相对位置差，以及第二输入信号609是壳体和内部自由块的相对速度。在下面进一步描述这些信号的使用。将相位检测器601的输出信号馈送到比例积分微分(PID)控制器602(具有抗饱和机制)。PID控制器的输出穿过低通滤波器603以确保仅检测到具有近似于海洋波浪相位的信号。归一化装置604通过所测量的(或推断)的、由附接至自由块的恢复力装置供给的恢复力 对经滤波的信号进行归一化。将作为归一化装置的输出的信号903馈送至本地振荡器605的控制器611，本地振荡器605在本实现方式中为直线电动机(电机103)。在一种布置中控制器611使用脉宽调制(PWM)以将来自装置的电气系统的电力增加回到直线电动机，或增大电动机的阻尼以将来自电动机的电力移动到电气系统。采用如别处所讨论的全桥控制器管理双向电力流。
测量第一输入信号608和第二输入信号609或计算指示波力发电机的运动的信号。如下面所讨论的，存在可以用于锁相控制器的各种输入信号。
在另一布置中，锁定系统610包含用于对输入信号进行修改的移相器606。在图6的示例中，在相位检测器601接收到第一输入信号之前，移相器606对第一输入信号608进行移相。在将信号锁定成偏移特定参数的给定相位的情况下使用移相器606。根据传统的PLL电路，这种相移是已知的。锁定系统610还可以包含作用于一个或更多个输入信号的除法器607，该一个或更多个输入信号可以被移相以影响锁定的速率。在图6的示例锁定系统610中，在相位检测器601接收到第二输入信号之前通过除法器607来处理第二输入信号。
作为控制系统的输出的信号903用于通过脉宽调制或类似的方法对图9A和图9B中所示的电气系统的元件进行控制。
使用集成电路(IC)或微控制器来实现控制系统。控制系统与传感器102进行数据通信以提供控制信号。如文中所描述的，电力储存装置400连接在直线电动机(电机103)的全桥控制器与电力输出装置105之间。
可以用于控制器中的锁相环路(PLL)的示例是ON Semiconductor的MC14046B。PLL集成电路(IC)通常设置有相位比较器、源极跟随器以及电压控制振荡器。可以提供外部低通滤波器(如Linear Technology的LTC 1062CJ8-ND)，以及可以在锁定系统610的操作中使用模拟或数字除法器/乘法器IC，例如Analog Device公司的AD632AHZ-ND。
虽然替代的实施方式可以使用微计算机、数字信号处理器(例如TexasInstrument的C6713)或其他类似功能的装置，但是装置100可以利用存在于微控制器(例如Arduino或Microchip的控制器)上的软件来实现锁相环路。用软件实现锁相环路的情况下，锁定系统600、锁定系统610的所有部件表示互相之间传递数据输入和输出的软件模块。
替代的实施方式可以使用不同的控制系统以达到相同的功能效果。例 如，可以使用下述微处理器：采用来自传感器102的信号实施最优控制，返回由控制器使用的项以返回力或增大直线电动机的阻尼进而维持壳体与块之间的反对称共振。这可以通过改变属性(例如电气系统(其包括直线电动机和电力电子装置，参见图9A和图9B)的各个相电压)来实现。在这种控制系统中，例如控制器可以用来使对反对称共振进行量化的代价函数最大化。代价函数可以取决于系统的总动能，并且因此使代价函数最大化的行为可以使总动能最大化。代价函数可以取决于系统可用的总电力，并且因此使代价函数最大化的行为可以使系统中可用的总电力最大化。
可以在物理上不存在于装置的主体中的硬件上实现最优控制(或另一控制系统)，以使得信号从物理上独立的处理站传输至实施这个控制的装置。这个控制器仍然被认为是形成装置的系统的一部分。
传感器
传感器102可以包括加速计(例如Analog Devices的ADXL330)和位置传感器。对于后者，装置100可以使用正交位置编码器(例如BEI Sensor的工业编码器)，正交位置编码器与许多直线电动机一起使用来测量位置。还可以使用电位计、感应位置传感器、霍尔效应传感器或类似的装置。
速度和相对位置是用于锁定系统600、610的控制回路的主要测量值。其他传感器(例如压力传感器、湿度传感器、温度传感器、电压表以及电流表)可以包括在装置100中以方便其操作。这些附加的传感器可以用来确定装置100是否需要维护，并且通常使用低功耗传感器。这种附加的传感器增大了操作弹性。
还可以设置传感器以对壳体的加速度或对重组件的加速度进行测量。进一步的测量可以包括电机的一个或多个相电流；电机的一个或多个相电压；流经电机的电力分配部件的电流；流经电力控制电子装置的电气部件的电流；电机的电力分配部件两端的电压；电力控制电子装置的电气部件两端的电压；以及电机的一个或多个相电流的相位。
电气系统
图9A和图9B示出了装置的电气系统的元件的示例。图9A示出了与直线电动机(电机103)的单个相关联的电平移位器902和全桥控制器901。对于其他两相的每个相设置有类似的桥控制器和电平移位器。从控制系统200输入信号903(信号903可以是二进制的，即信号Q1和“非Q1”)。 为了与第一相的全桥控制器901兼容，经由电平移位器902对信号903进行处理。该信号确定是否将电力从相输出到主电力母线905或者是否将电力从主电力母线返回至直线电动机的相。低通LC滤波器904安装在主电力母线905上。主电力母线可以是铜条。
图9B示出了能量储存装置和电力输出装置系统的示例。能量储存装置系统400可以是连接至主电力母线905的一堆电容器(例如Cl，C2和C3)。这个系统连接至逆变器906和电力输出装置105，经由气密密封件509连接至壳体的外部。这可以与系链组合。在控制系统的能量储存装置与壳体的外部之间还可以有直接连接，而没有中间逆变器。逆变器取得来自控制系统的信号903以调节从主电力母线汲取的电力。
锁相环路的控制信号
如图6所示，波力发电机的控制系统将电力返回至直线电动机以匹配特定输入信号的相位。在一种布置中，控制系统基于PLL控制器的调节在低频(如那些海洋波浪中出现的频率)下进行操作。由对相位检测器601中的系统的分析而确定的(从装置的壳体上或壳体中的传感器102获得的)两个信号的比较给出了由PLL使用的信号，以确定何时将能量返回至系统。通过由连接壳体和自由块的弹簧(恢复力装置300)施加的力将这个信号标准化以确保适当量的能量返回至系统。
其频移/相移函数在壳体与自由块之间的相对速度的大小为最大时具有拐点的任何信号适用于锁定。这是因为拐点对应于为零的“相位加速度”(相位对频率的二阶导数)，即锁定信号。锁定系统600、610趋向于将相位加速度驱动至具有零相位加速度的锁定状态；选择这个以与壳体与块之间的最大相对速度对应，因为这个最大相对速度与壳体与块之间的反对称共振对应。
可以用于PLL锁定系统600、610中的信号的示例：
a)壳体的位置与海洋的位置之间的差(可以通过位于壳体上的电容传感器或类似的传感器来测量)；
b)壳体的速度与自由块的速度之间的差(由壳体中的电容传感器、霍尔效应传感器或电位计传感器给出)；以及
c)壳体的加速度与对重组件的加速度之间的差。
使用过零检测器，用于对系统进行锁定的是这些信号之间的差。
为了简单，可以通过采用简单的传感器对信号进行检测来选择信号，以使得在装置的操作期间的设备故障或出错的可能性最小。由传感器产生的一些信号可以适于直接使用，而其他信号可能需要通过中间处理器(例如，移相器)馈送以使用。
对简单驱动的、阻尼的、双弹簧、双块系统的线性分析用来确定与控制系统使用的信号。在这个分析中，弹簧与壳体的浮力以及壳体与自由块之间的恢复力装置对应，并且块表示壳体和自由块。根据对将特定信号的频率响应与壳体和块的相对速度的大小的叠加图进行比较的线性分析生成波特相位/频率图。图10A和图10B示出了这种波特图的两个示例。图10A是证明所评估的信号不合适的示例，以及图10B是示出了用于控制系统中的合适的锁定信号的分析的示例。在图10A、图10B的每个中，曲线1012表示壳体和块的相对速度的大小。壳体和块的相对速度的大小的最大值1014与如上所述的块与壳体之间的反对称运动对应。这个最大值用来标识锁定到适当点的信号。
图10A中的波特图10A示出了不合适的锁定信号：壳体与块之间的相对速度的相位以及这些部分的相对位置的相位之间的差如曲线1011所示。在这个信号1011中观察不到相位响应。
图10B中的波特图10B示出了合适的锁定信号1013：壳体与海洋之间的相对高度的相位以及壳体与自由块之间的相对速度的相位之间的差。波特图10B表明这个锁定信号优于图10A的信号，因为图10B具有对应于幅度峰值1014的拐点1015。这表明基于这个信号的锁定系统在壳体与自由块之间产生了所需的反对称共振。
可以直接感测或从系统中得到大量潜在的有用信号并且如果发现这些信号是有效的，则这些信号中的任意信号可以用于文中所描述的波力发电机中。例如，具有适当锁定点的其他信号是：
壳体和块的相对位置；
壳体和海洋的相对位置与壳体和块的相对位置之间的差；
壳体和海洋的相对位置与块的相对速度之间的差；以及
壳体和块的相对位置与壳体和块的相对速度之间的差。
应理解，由于难以限定壳体与海洋之间的相对位置，所以更可取的是系统的部件固有的变量而不是与从海洋确定的坐标直接相关的变量。
如上所述，还可以使用不一定需要这个特定的相位关系的其他形式的控制器，例如最优控制。例如，最优控制器可以将壳体和块的相对位置以及目前施加在壳体和块上的力(采用加速度计测量的)作为输入。这种信号足以用作下述代价函数：该代价函数能够返回用于控制施加于系统的力的参数。
示例
图7是波力发电机装置700的示例。如图所示，浮标的竖直轴线远长于其水平轴线，但是这一点可以根据海洋条件和对装置的性能的优化而变化。装置700具有容置位于壳体507的基部的安装件510a上的膜式空气弹簧301的长圆筒形下部。包括对重装置104和直线电动机的场源的自由块沿着直线轴承512、513在装置700的竖直轴线上向上和向下运动。
装置700的上圆柱部容置直线电动机(电机103)的电枢。直线电动机(电机103)的三个相206连接至合并的能量管理和控制系统。这个系统经由三个全桥控制器使在直线电动机相中生成的AC转换成DC。这些控制器使能量能够直接返回至电动机的相。
这个系统包含附接至直线电动机的每个相的全桥控制器。这些相又连接至能量储存机构和电力输出装置105。通过控制系统对这些全桥控制器和能量储存机构进行控制。
设置安装件511以将直线电动机(电机103)保留在上圆柱部。减振器101安装在装置700的顶部以限制壳体507上的自由块的撞击。若干个传感器102位于装置中，与控制系统200进行数据通信，控制系统200还与直线电动机(电机103)进行数据通信。
针对高功率低精度操作的效率对装置700中的直线电动机(电机103)进行优化。这种类型的电动机用于在低温应用中使用的超低温冷却装置中的压缩机中(例如Q DriveSTAR电动机系列)；或用于过山车(例如Intamin的LSM过山车)中。该装置可以是永磁电动机(例如具有激励场源的双馈装置或这些装置)。该装置可以具有三相定子和三相转子。电动机连接至标准的全桥控制器，并且电动机的输出和控制机构连接至控制系统。
装置700可以具有几米(例如4米)的直径和为直径的约3倍至5倍的高度(例如12米)。不同的大小可以适用于不同的应用。
图8示出了包含全仿真电气系统的装置的仿真结果800，该全仿真电 气系统在类似于真正的海洋的波浪轮廓的仿真海洋波浪810上工作。曲线811示出了壳的仿真运动，曲线812示出了块的仿真运动。图8将同一仿真示出两次。下方的图涵盖了较长的一段时间。在下方的图的中心部分，湍流的海洋波浪破坏了装置的锁定。然而，控制被重新建立。
由于装置700是通过海洋驱动进行操作的，所以直线电动机(电机103)的场源和电枢以不同的速度运动。这在三相直线电动机中生成AC电力，该AC电力转换成DC并且储存在电力储存装置400中。
储存的能量返回至直线电动机，采用由控制系统200确定的方向和强度给块/场源和电枢/壳体施加力。以这种方式给系统添加能量改变部件的运动，以使得场源/块系统呈现出相对于电枢/壳体偏移180°的运动(即，在两者之间反对称共振)。
对装置的操作的仿真表明在现实的海洋条件下能实现近乎完美的共振。例如由于摩擦，在缺乏主动控制的情况下，这个系统存在由于在任何实际系统中的能量损耗而移出共振的自然趋势。这通过在控制系统200确定的时刻返回至系统的能量来抵消。
控制系统使用来自传感器的输入以对装置的整个电气系统的电力的运动进行优化。电力输出装置可以连接至浮标内部或外部的逆变器。装置不需要机械地面，并且可以利用组合的电力输出装置和系链线缆，以在装置连接至海洋中的物体(如船、码头、海上钻井平台或离岸风力涡轮机)或固定的系泊(如附接至海底或单极地基的板)的情况下防止其飘向大海。
图4A到图4C示出了由控制系统产生的“控制信号”420的示例。由于膜式空气弹簧弹簧301在给定点处连接壳体和块，所以通过与力的乘积对这个控制信号进行标准化。通过系统中的另一传感器对这个力进行检测。这个布置确保返回至系统的能量与主导的波浪运动的幅度成比例。返回比这个更多的能量是无效的，因为这将增大添加到所提取的能量的能量的相对比例。返回更少的能量将不足以维持使能量提取最大化的充分紧密的锁定。
在受控情况对比不受控的情况下，对不采用电气部件的建模的理想化装置的仿真表明电力输出显著增加。在这两种情况下，对系统的部件的位置的分析还示出了控制系统发生作用、将壳体和块的运动保持在几乎反对称共振下。因为将壳体-块系统保持在反对称共振下使时间上的速度的平均差最大化(这就是电力是如何产生的(壳体和块分别连接至直线电动机的电枢和场源))，所以整体上产生更多的能量。
尽管有附加的阻尼(建模为直线电动机的原生电感和电阻)，但是包含电气系统的仿真表明相同的效果。这证实相比于在壳体相对于机械地面或锚运动的装置中提取的电力，控制系统可以成功地在壳体和块以反对称共振方式运动的装置中提取更多的电力。
图11是示出了波力发电机的部件是如何互相施加力的以及电流和数据信号是如何在发电机内交换的框图。
海洋波浪201和漂浮的外部壳体500互相施加机械力。壳体机械地耦接至电机103的电枢207并且还耦接至膜式空气弹簧301。包括对重装置104和电机103的场源的对重组件208在重力202的影响下在壳体内运动。在电机作为发电机或电动机工作的情况下，电枢207和场源进行磁耦合。
AC在电枢207与各相的全桥控制器203之间传递。DC经由DC/DC转换器204在全桥控制器203与电力储存装置400之间交换。
根据来自锁相环路锁定系统600的控制信号所确定的那样，来自全桥控制器203的DC流至逆变器205。逆变器205的AC输出提供给系统网络206。来自传感器102的数据信号提供给锁定系统600，从锁定系统600将控制信号提供给全桥控制器203和逆变器205。
可以仅在AC方案下对装置进行操作，从而不再需要DC转换器，其中直线电动机的场源具有在电动机的定子线圈中生成三相AC电力的三个激励相位。控制器用来管理流经系统的电流。
高频操作–关于海洋波浪的PLL锁定装置
在替代的实施方式中，PLL替代地将波力发电机锁定到海洋波浪，以使得壳体以对称共振的方式在海洋波浪的周期的倍数下运动。这可以通过锁定成随着海洋周期的倍数而变化的信号来实现(例如，海洋波浪的高度的平方的解析导数，或仅是海洋波浪的幅度)。
在海洋波浪频率的倍数下的运动不是固有共振，并且需要增大来自能量储存装置的能量输入。对于所设想的规模的装置，在操作期间还减小了壳体和块的相对速度，从而降低了电力输出。然而，这种布置能够减小部件的质量，同时提供了类似的工作参数，这可以用在特定的沿海和近海环境中。本实施方式在场源需要横贯的距离较大的实现方式中更有用。这意味着虽然仿真表明电力输出仍不能匹配主实施方式的电力输出，但是场源和电枢的平均相对速度明显变得更大。
应注意，这个替代的控制系统可以被大量的PLL所代替，或被采用 不同的信号作为其输入的单个PLL所代替。例如，各种信号和信号的相移对应信号可以用来合成输入到PLL的频率检测器的倍频信号。例如，在另一替代的实施方式中，PLL被两个PLL代替以使壳体-块系统继续反对称共振同时以与海洋参数共振的方式运动，即在“驱动”海浪的频率的倍数下运动。
因此，通过改变用于PLL中的控制信号以及如果所选的控制信号需要则增加附加的相位检测器，可以使该装置在驱动海洋波浪的周期的整数倍下运行。装置可以继续在块和壳体反对称共振的情况下工作、或将壳体的运动简单地锁定成海洋波浪的周期的倍数。
这使得能够采用比例较轻的自由块来构造装置。可以通过改变外部壳体的形状来增强这个控制系统变化的影响。例如，一个实现方式的特征是使壳体成型为像在靠近其顶端处联接的两个圆锥(例如壳体506)。这会导致波浪的入射周期对浮标的运动的影响加倍，从而使得波浪的固有共振是给定入射波的周期的两倍。对于其他倍数可以是其他形状，一般包含分布在外部壳体上的凸起。
水平共振
在装置700中，将波力发电机锁定成波浪的竖直周期，并且具有对波浪的水平分量的内置补偿(其可以是额外的电力源)。某些应用(例如海岸附近)可以要求装置不进行水平共振和竖直共振；这需要场源的运动不受相对于浮标的竖直轴线的任何水平漂移或倾斜的影响。这可以采用宽的锥形体来实现，例如壳体504、505，其中装置的功能性部件悬挂在第二内部壳体内，其本身采用旋转轴承在两个轴线上悬挂在外部壳体上。文中外部壳体的内部衬有力吸收材料或装置，以防止由于内部壳体因为特别剧烈的波浪运动或对轴的磨损而撞入到外部壳体中而导致的对功能性部件的意外损坏。
应理解，在本说明书中公开和限定的本发明扩展至文本或附图中提及或显而易见的两个或更多个独立特征的所有可选的组合。所有的这些不同的组合构成本发明的各种可选的方面。

Claims (24)

1.一种波力发电机，包括：
意图在水体中漂浮的有浮力的壳体；
位于所述壳体内的电机，所述电机包括电枢和场源，所述电机具有运动部件和耦接至所述壳体的固定部件；
在所述壳体内能够运动的对重组件，所述对重组件包括所述电机的所述运动部件，并且其中，所述对重组件和所述电机的所述固定部件的相对运动生成电力；
对由所述电机生成的电力进行储存的电力储存装置；
对所述电力储存装置与所述电枢之间的双向能量流进行确定的控制系统，其中，能量被返回至所述电机以驱动所述对重组件的、与所述壳体的运动反对称的运动。
2.根据权利要求1所述的波力发电机，包括位于所述壳体与所述对重组件之间的恢复力装置，如果所述组件在所述壳体内运动，则所述恢复力装置对所述对重组件施加恢复力。
3.根据权利要求2所述的波力发电机，其中，所述恢复力装置包括下列中的至少一个：空气弹簧、膜式空气弹簧、弹性体衬套、弹簧以及气动活塞。
4.根据权利要求1所述的波力发电机，包括与所述控制系统进行数据通信的多个传感器，所述传感器提供指示下列中的至少一个的数据信号：
所述壳体的位置；
所述对重组件的位置；
所述壳体的速度；
所述对重组件的速度；
所述壳体的加速度；
所述对重组件的加速度；
所述电机的一个或多个相电流；
所述电机的一个或多个相电压；
流经所述电机的电力分配部件的电流；
流经所述控制系统的电气部件的电流；
所述电机的所述电力分配部件两端的电压；
所述控制系统的所述电气部件两端的电压；以及
所述电机的一个或多个相电流的相位。
5.根据权利要求4所述的波力发电机，其中，所述控制系统包括锁相环路(PLL)，所述锁相环路用来将第一信号的相位锁定为第二信号的相位。
6.根据权利要求5所述的波力发电机，其中，输入至所述PLL的信号选自：
所述壳体的位置与海洋的表面之间的差；
所述壳体的速度与所述对重组件的速度之间的差；以及
所述壳体的加速度与所述对重组件的加速度之间的差。
7.根据权利要求4所述的波力发电机，其中，所述控制系统包括最优控制算法，所述最优控制算法用来返回以及输出来自所述电机的电力，以使得所述对重组件和所述壳体以反对称共振方式运动。
8.根据权利要求1所述的波力发电机，其中，所述电枢包括所述电机的三个相。
9.根据权利要求8所述的波力发电机，其中，每个相与全桥控制器关联，所述全桥控制器允许所述相与所述电力储存装置之间的双向流。
10.根据权利要求1所述的波力发电机，包括电力输出电路，所述电力输出电路输出从所述波力发电机生成的电力。
11.根据权利要求10所述的波力发电机，其中，所述电力输出电路包括用作所述波力发电机的系链的线缆。
12.根据权利要求1所述的波力发电机，包括与所述壳体的竖直轴对齐的直线轴承，所述对重组件沿着所述壳体内的所述直线轴承运动。
13.根据权利要求1所述的波力发电机，其中，所述壳体包括长形圆筒。
14.根据权利要求13所述的波力发电机，其中，所述长形圆筒包括容纳所述对重组件的下部以及容纳所述电机的所述固定部件的上部，其中，所述上部的直径大于所述下部的直径。
15.根据权利要求1所述的波力发电机，其中，所述壳体是圆锥形。
16.根据权利要求15所述的波力发电机，其中，所述壳体包括向中间颈部渐缩的上圆锥部和离开所述中间颈部扩大的下圆锥部。
17.根据权利要求1所述的波力发电机，其中，所述控制系统根据所述水体中的波浪的周期的整数倍来确定双向能量流。
18.根据权利要求1所述的波力发电机，其中，所述电机的至少所述固定部件和所述对重组件位于第二壳部中，所述第二壳部定位在所述有浮力的壳体内并且相对于所述有浮力的壳体能够旋转，以维持所述第二壳部的基本竖直的取向。
19.根据权利要求1所述的波力发电机，包括对所述对重组件相对于所述壳体的运动进行约束的制动装置。
20.根据权利要求19所述的波力发电机，包括用于如果所述发电机的运动超过特定的阈值或基于来自外部源的信号，启动所述制动装置的装置。
21.根据权利要求1所述的波力发电机，其中，所述电机的所述固定部件包括所述电枢，以及所述运动部件包括所述场源。
22.根据权利要求1所述的波力发电机，其中，所述电机的所述固定部件包括所述场源，以及所述运动部件包括所述电枢。
23.一种波力发电机，包括：
意图在水体中漂浮的有浮力的壳体；
位于所述壳体内的电机，所述电机包括电枢和场源，所述电机具有运动部件和耦接至所述壳体的固定部件；
在所述壳体内能够运动的对重组件，所述对重组件包括所述电机的所述运动部件，并且其中，所述对重组件和所述电机的所述固定部件的相对运动生成电力；
对由所述电机生成的电力进行储存的电力储存装置；
对所述电力储存装置与所述电枢之间的双向能量流进行确定的控制系统，其中，能量被返回至所述电机以将所述壳体的运动驱动为所述水体中的波浪的周期的倍数。
24.一种生成电力的方法，包括：
a)在水体中部署波力发电机，所述发电机包括：
i)有浮力的壳体；
ii)位于所述壳体内的电机，所述电机包括电枢和场源，所述电机具有运动部件和耦接至所述壳体的固定部件；
iii)在所述壳体内能够运动的对重组件，所述对重组件包括所述电机的所述运动部件，并且其中，所述对重组件和所述电机的所述固定部件的相对运动生成电力；以及
iv)对由所述电机生成的电力进行储存的电力储存装置；
b)确定所述电力储存装置与所述电枢之间的双向能量流，以及
c)基于所确定的能量流将能量返回至所述电机，以驱动所述对重组件的、与所述壳体的运动反对称的运动。
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