CN105114238B - 一种摆板式波浪能发电系统及其控制方法 - Google Patents

一种摆板式波浪能发电系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及可再生能源发电技术和海洋装备领域，公开了一种摆板式波浪能发电系统及其控制方法，装置主要包括发电舱、摆杆、摆板、立柱、弹簧、传动杆、T型杆、控制电路；所述传动杆包括传动杆a、传动杆b、传动杆c，传动杆d，T型杆包括T型杆a、T型杆b；所述控制电路包括舵机、速度传感器、第一水位传感器、第二水位传感器、电压传感器、电流传感器、整流器、MCU、DC‑DC变换器、驱动模块、第一电容、第二电容、负载；方法主要包括采集摆板式波浪能发电系统所在水域的波浪速度、波浪高度和摆板高度，根据波浪高度和波浪速度和当前时刻的摆板高度计算速度生成控制舵机转动的指令，在利用采用扰动观察法，发电系统寻找最大功率点，本发明能有效提高摆板式波浪能发电系统效率。

Description

一种摆板式波浪能发电系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及可再生能源发电技术和海洋装备领域，具体涉及一种摆板式波浪能发电系统及其控制方法。
背景技术
随着世界经济不断地高速发展，世界各国对能源的需求量急剧增长。当前的环境污染越来越严重，人类的清洁能源的研究不断深入。波浪能以其清洁无污染、能量潜在性巨大为各国研究者们所亲睐。但是，直到目前，波浪能发电的比重占世界各国的总发电量比重还是特别低。波浪能发电普遍存在效率低、成本高等问题。众所周知，波浪能捕获装置与摆板的高度、大小有着紧密联系；目前的波浪能发电装置的机械机构固定，波浪随着时间变化会出现潮涨潮落现象，当摆板高度与潮水高度相差太大时，摆板式波浪能发电系统就捕获不了波浪能，但是即使捕获了波浪能也存在效率低的问题。
发明内容
本发明所要解决的就是背景技术所提出的问题，提供一种摆板式波浪能发电系统及其控制方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种摆板式波浪能发电系统，包括发电舱、摆板、立柱、弹簧、传动杆、T型杆、控制电路；所述传动杆包括传动杆a、传动杆b、传动杆c，传动杆d，T型杆包括T型杆a、T型杆b；所述控制电路包括舵机、速度传感器、第一水位传感器、第二水位传感器、电压传感器、电流传感器、整流器、MCU、DC-DC变换器、驱动模块、第一电容、第二电容、负载；
所述系统整体通过立柱安放在海底基础上；立柱上方安装发电舱，发电舱内安装永磁同步发电机和变速箱；摆板的一端通过弹簧固定于发电舱侧壁，摆板的中部通过与T型杆a的一端相连，T型杆a的另一端与发电舱底部连接；
所述摆板通过传动杆a、传动杆b、传动杆c，传动杆d与变速箱输入连接，变速箱输出与永磁同步发电机连接，传动杆a与传动杆b的一端与摆板的中间部位相连，传动杆a与传动杆b的另一端与传动杆c相连，传动杆c的中部与T型杆b的一端相连，T型杆b的另一端与发电舱底部连接，传动杆c的另一端与传动杆d的一端相连；
所述整流器的三相输入端与永磁同步发电机的三相输出端连接，整流器的单相输出正端与第一电容的正极连接，整流器的单相输出负端接地，第一电容负极接地；所述电压传感器的待测电压输入端与第一电容正极连接，电压传感器待测电压输出端接地，电压传感器的测量信号输出端与MCU连接；所述电流传感器的待测电流输入端与电压传感器正极连接，电流传感器的待测电流输出端与DC-DC变换器的输入端连接，电流传感器的测量信号输出端与MCU连接；所述DC-DC变换器的脉宽调制信号输入端与驱动模块一端连接、驱动模块另外一端与MCU连接；DC-DC变换器的输出端与第二电容正极连接；第二电容负极接地；所述第一水位传感器的测量信号输出端与MCU连接；所述第二水位传感器的测量信号输出端与MCU连接；所述速度传感器的测量信号输出端与MCU连接；所述舵机信号输入端与MCU连接；所述负载一端与第二电容正极连接，负载另外一端接地；
：所述第一水位传感器和第二水位传感器均采用LC-SW1；
所述速度传感器采用ZLS-PX；
一种摆板式波浪能发电系统控制方法，其特征在于，所述方法具体包括步骤：
步骤1：采集摆板式波浪能发电系统所在水域的波浪速度Sw、波浪高度Hw和摆板高度Hb；
步骤2：根据由当前时刻的波浪速度和波浪高度产生的检测信号和由摆板高度产生的反馈信号判定启动条件，当主控制器接收到检测信号并且检测信号满足：
A)检测信号的值在检测信号设定区间内；
B)检测信号的值在检测信号设定区间内持续第一设定时长；同时主控制器接收到反馈信号且反馈信号满足；
C)反馈信号的值在反馈信号设定区间内；
D)反馈信号的值在反馈信号设定区间内持续第一设定时长；
则判定满足启动条件，继续执行步骤3；否则，判定不满足启动条件，返回步骤1；
步骤3：根据波浪高度和波浪速度和当前时刻的摆板高度计算速度生成控制舵机转动的指令；
步骤4：采用扰动观察法，设定一定步长改变DC-DC变换器的升压倍数，寻找最大功率点；
步骤5：当扰动观察法求得的扰动前后的功率差值大于等于设定阈值Tr时，说明波浪能量发生变化，重复步骤1至步骤4。
所述根据波浪高度和波浪速度和当前时刻的摆板高度计算速度生成控制舵机转动的指令包括：
步骤A：根据摆板的高度和当前时刻的波浪高度计算速度设定值；
其中，速度设定值的计算公式为u(k)＝Δu(k)+u(k-1)；u(k)为第k次采样时刻的速度设定值；
Δu(k)为第k次采样时刻的速度设定值增量且Δu(k)＝Kp1Δe(k)+Ki1e(k)；
Kp1为第一比例系数；
Ki1为第一积分系数；
e(k)为当前时刻的波浪高度和第k次采样时刻摆板高度的偏差值且e(k)＝Aref+A(k)；
Aref为当前时刻的波浪高度；
A(k)为第k次采样时刻的摆板高度；
Δe(k)为当前时刻的波浪高度和第k次采样时刻的摆板高度的偏差值的增量且Δe(k)＝e(k)-e(k-1)；
步骤B：根据速度设定值、舵机的速度和整定比例系数生成控制舵机转动的指令；
其中，生成控制电机转动的指令采用公式
vk为第k次采样时刻的控制电机转动的指令；
Kp2为第k次采样时刻的整定比例系数；
Ki2为第二积分系数；
ee(j)为第j次采样时刻的速度设定值和舵机的速度的偏差值且ee(j)＝u(j)-v(j)；
u(j)为第j次采样时刻的速度设定值；
v(j)为第j次采样时刻的舵机的速度；
步骤C：根据速度设定值和舵机速度计算整定比例系数；
其中，整定比例系数的计算公式为u3(k)＝Kp3eee(k)；
u3(k)为第k次采样时刻的整定比例系数；
Kp3为第二比例系数；
eee(k)为第k次采样时刻角度控制死区值和速度设定值的偏差值且eee(k)＝edeadzone-ee(k)；
edeadzone为角度控制死区值；
ee(k)为第k次采样时刻的速度设定值和舵机速度的偏差值且ee(k)＝u(k)-v(k)；
u(k)为第k次采样时刻的速度设定值；
v(k)为第k次采样时刻的舵机的速度。
与现有技术相比，本发明所产生的有益效果是：提高了摆板高度控制的响应速度和精度，进而有效提高摆板式波浪能发电系统效率。
附图说明
图1为本发明的控制电路图；
图2为本发明的整体结构示意图；
图3为本发明提供的一种摆板式波浪能发电系统控制方法的流程图；
图中：1-第一水位传感器、2-第二水位传感器、3-速度传感器、4-整流器、5-第一电容、6-电压传感器、7-电流传感器、8-第二电容、9-弹簧、10-摆板、11-立柱、12-传动杆a、13-传动杆b、14-传动杆c、15-传动杆d、16-T型杆a、17-T型杆b、18-发电舱、19-波浪。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1和图2，一种摆板式波浪能发电系统，包括发电舱、摆板、立柱、弹簧、传动杆、T型杆、控制电路；
所述系统整体通过立柱安放在海底基础上；立柱上方安装发电舱，发电舱内安装永磁同步发电机和变速箱；摆板的一端通过弹簧固定于发电舱侧壁，摆板的中部通过与T型杆a的一端相连，T型杆a的另一端与发电舱底部连接；
所述传动杆包括传动杆a、传动杆b、传动杆c，传动杆d，T型杆包括T型杆a、T型杆b；所述控制电路包括舵机、速度传感器、第一水位传感器、第二水位传感器、电压传感器、电流传感器、整流器、MCU、DC-DC变换器、驱动模块、第一电容、第二电容、负载；
所述摆板通过传动杆a、传动杆b、传动杆c，传动杆d与变速箱输入连接，变速箱输出与永磁同步发电机连接，传动杆a与传动杆b的一端与摆板的中间部位相连，传动杆a与传动杆b的另一端与传动杆c相连，传动杆c的中部与T型杆b的一端相连，T型杆b的另一端与发电舱底部连接，传动杆c的另一端与传动杆d的一端相连；
所述整流器的三相输入端与永磁同步发电机的三相输出端连接，整流器的单相输出正端与第一电容的正极连接，整流器的单相输出负端接地，第一电容负极接地；所述电压传感器的待测电压输入端与第一电容正极连接，电压传感器待测电压输出端接地，电压传感器的测量信号输出端与MCU连接；所述电流传感器的待测电流输入端与电压传感器正极连接，电流传感器的待测电流输出端与DC-DC变换器的输入端连接，电流传感器的测量信号输出端与MCU连接；所述DC-DC变换器的脉宽调制信号输入端与驱动模块一端连接、驱动模块另外一端与MCU连接；DC-DC变换器的输出端与第二电容正极连接；第二电容负极接地；所述第一水位传感器的测量信号输出端与MCU连接；所述第二水位传感器的测量信号输出端与MCU连接；所述速度传感器的测量信号输出端与MCU连接；所述舵机信号输入端与MCU连接；所述负载一端与第二电容正极连接，负载另外一端接地；
所述第一水位传感器和第二水位传感器均采用LC-SW1；
所述速度传感器采用ZLS-PX；
所述MCU采用dsPIC33FJ16GS504单片机，DC-DC变换器采用Boost电路，驱动模块选用MCP14E3，电压传感器6选用LV28-P，电流传感器7选用LA25-NP，速度传感器3采用ZLS-PX，第一电容C1＝10uF，第二电容C2＝100uF。
请参阅图3
一种摆板式波浪能发电系统控制方法，其特征在于，所述方法具体包括步骤：
步骤1：采集摆板式波浪能发电系统所在水域的波浪速度Sw、波浪高度Hw和摆板高度Hb；
步骤2：根据由当前时刻的波浪速度和波浪高度产生的检测信号和由摆板高度产生的反馈信号判定启动条件，当主控制器接收到检测信号并且检测信号满足：
A)检测信号的值在检测信号设定区间内；
B)检测信号的值在检测信号设定区间内持续第一设定时长；同时主控制器接收到反馈信号且反馈信号满足；
C)反馈信号的值在反馈信号设定区间内；
D)反馈信号的值在反馈信号设定区间内持续第一设定时长；
则判定满足启动条件，继续执行步骤3；否则，判定不满足启动条件，返回步骤1；
步骤3：根据波浪高度和波浪速度和当前时刻的摆板高度计算速度生成控制舵机转动的指令；
步骤4：采用扰动观察法，设定一定步长改变DC-DC变换器的升压倍数，寻找最大功率点；
步骤5：当扰动观察法求得的扰动前后的功率差值大于等于设定阈值Tr时，说明波浪能量发生变化，重复步骤1至步骤4。
所述根据波浪高度和波浪速度和当前时刻的摆板高度计算速度生成控制舵机转动的指令包括：
步骤A：根据摆板的高度和当前时刻的波浪高度计算速度设定值；
其中，速度设定值的计算公式为u(k)＝Δu(k)+u(k-1)；u(k)为第k次采样时刻的速度设定值；
Δu(k)为第k次采样时刻的速度设定值增量且Δu(k)＝Kp1Δe(k)+Ki1e(k)；
Kp1为第一比例系数；
Ki1为第一积分系数；
e(k)为当前时刻的波浪高度和第k次采样时刻摆板高度的偏差值且e(k)＝Aref+A(k)；
Aref为当前时刻的波浪高度；
A(k)为第k次采样时刻的摆板高度；
Δe(k)为当前时刻的波浪高度和第k次采样时刻的摆板高度的偏差值的增量且Δe(k)＝e(k)-e(k-1)；
步骤B：根据速度设定值、舵机的速度和整定比例系数生成控制舵机转动的指令；
其中，生成控制电机转动的指令采用公式
vk为第k次采样时刻的控制电机转动的指令；
Kp2为第k次采样时刻的整定比例系数；
Ki2为第二积分系数；
ee(j)为第j次采样时刻的速度设定值和舵机的速度的偏差值且ee(j)＝u(j)-v(j)；
u(j)为第j次采样时刻的速度设定值；
v(j)为第j次采样时刻的舵机的速度；
步骤C：根据速度设定值和舵机速度计算整定比例系数；
其中，整定比例系数的计算公式为u3(k)＝Kp3eee(k)；
u3(k)为第k次采样时刻的整定比例系数；
Kp3为第二比例系数；
eee(k)为第k次采样时刻角度控制死区值和速度设定值的偏差值且eee(k)＝edeadzone-ee(k)；
edeadzone为角度控制死区值；
ee(k)为第k次采样时刻的速度设定值和舵机速度的偏差值且ee(k)＝u(k)-v(k)；
u(k)为第k次采样时刻的速度设定值；
v(k)为第k次采样时刻的舵机的速度。
为了验证所提方法的正确性，在本发明所述的硬件平台上进行了加控制方法与不加控制方法比较。本例中Tr取10W，本发明的方法能够提升15.2％的发电效率。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种摆板式波浪能发电系统，包括发电舱、摆板、立柱、弹簧、传动杆、T型杆、控制电路；
所述传动杆包括传动杆a、传动杆b、传动杆c，传动杆d，T型杆包括T型杆a、T型杆b；
所述控制电路包括舵机、速度传感器、第一水位传感器、第二水位传感器、电压传感器、电流传感器、整流器、MCU、DC-DC变换器、驱动模块、第一电容、第二电容、负载；
所述系统整体通过立柱安放在海底基础上；立柱上方安装发电舱，发电舱内安装永磁同步发电机和变速箱；摆板的一端通过弹簧固定于发电舱侧壁，摆板的中部通过与T型杆a的一端相连，T型杆a的另一端与发电舱底部连接；所述摆板通过传动杆a、传动杆b、传动杆c，传动杆d与变速箱输入连接，变速箱输出与永磁同步发电机连接，传动杆a与传动杆b的一端与摆板的中间部位相连，传动杆a与传动杆b的另一端与传动杆c相连，传动杆c的中部与T型杆b的一端相连，T型杆b的另一端与发电舱底部连接，传动杆c的另一端与传动杆d的一端相连；
所述整流器的三相输入端与永磁同步发电机的三相输出端连接，整流器的单相输出正端与第一电容的正极连接，整流器的单相输出负端接地，第一电容负极接地；所述电压传感器的待测电压输入端与第一电容正极连接，电压传感器待测电压输出端接地，电压传感器的测量信号输出端与MCU连接；所述电流传感器的待测电流输入端与电压传感器正极连接，电流传感器的待测电流输出端与DC-DC变换器的输入端连接，电流传感器的测量信号输出端与MCU连接；所述DC-DC变换器的脉宽调制信号输入端与驱动模块一端连接、驱动模块另外一端与MCU连接；DC-DC变换器的输出端与第二电容正极连接；第二电容负极接地；所述第一水位传感器的测量信号输出端与MCU连接；所述第二水位传感器的测量信号输出端与MCU连接；所述速度传感器的测量信号输出端与MCU连接；所述舵机信号输入端与MCU连接；所述负载一端与第二电容正极连接，负载另外一端接地。
2.根据权利要求1所述的一种摆板式波浪能发电系统，其特征是，所述第一水位传感器和第二水位传感器均采用LC-SW1。
3.根据权利要求1所述的一种摆板式波浪能发电系统，其特征是，所述速度传感器采用ZLS-PX。
4.一种如权利要求1所述的摆板式波浪能发电系统控制方法，其特征在于，所述方法具体包括步骤：
步骤1：采集摆板式波浪能发电系统所在水域的波浪速度Sw、波浪高度Hw和摆板高度Hb；
步骤2：根据由当前时刻的波浪速度和波浪高度产生的检测信号和由摆板高度产生的反馈信号判定启动条件，当主控制器接收到检测信号并且检测信号满足：
A)检测信号的值在检测信号设定区间内；
B)检测信号的值在检测信号设定区间内持续第一设定时长；同时主控制器接收到反馈信号且反馈信号满足；
C)反馈信号的值在反馈信号设定区间内；
D)反馈信号的值在反馈信号设定区间内持续第一设定时长；
则判定满足启动条件，继续执行步骤3；否则，判定不满足启动条件，返回步骤1；
步骤3：根据波浪高度和波浪速度和当前时刻的摆板高度计算速度生成控制舵机转动的指令；
步骤4：采用扰动观察法，设定一定步长改变DC-DC变换器的升压倍数，寻找最大功率点；
步骤5：当扰动观察法求得的扰动前后的功率差值大于等于设定阈值Tr时，说明波浪能量发生变化，重复步骤1至步骤4；
所述根据波浪高度和波浪速度和当前时刻的摆板高度计算速度生成控制舵机转动的指令包括：
步骤A：根据摆板的高度和当前时刻的波浪高度计算速度设定值；
其中，速度设定值的计算公式为u(k)＝Δu(k)+u(k-1)；u(k)为第k次采样时刻的速度设定值；
Δu(k)为第k次采样时刻的速度设定值增量且Δu(k)＝Kp1Δe(k)+Ki1e(k)；
Kp1为第一比例系数；
Ki1为第一积分系数；
e(k)为当前时刻的波浪高度和第k次采样时刻摆板高度的偏差值且e(k)＝Aref+A(k)；
Aref为当前时刻的波浪高度；
A(k)为第k次采样时刻的摆板高度；
Δe(k)为当前时刻的波浪高度和第k次采样时刻的摆板高度的偏差值的增量且Δe(k)＝e(k)-e(k-1)；
步骤B：根据速度设定值、舵机的速度和整定比例系数生成控制舵机转动的指令；
其中，生成控制电机转动的指令采用公式
vk为第k次采样时刻的控制电机转动的指令；
Kp2为第k次采样时刻的整定比例系数；
Ki2为第二积分系数；
ee(j)为第j次采样时刻的速度设定值和舵机的速度的偏差值且ee(j)＝u(j)-v(j)；
u(j)为第j次采样时刻的速度设定值；
v(j)为第j次采样时刻的舵机的速度；
步骤C：根据速度设定值和舵机速度计算整定比例系数；
其中，整定比例系数的计算公式为u3(k)＝Kp3eee(k)；
u3(k)为第k次采样时刻的整定比例系数；
Kp3为第二比例系数；
eee(k)为第k次采样时刻角度控制死区值和速度设定值的偏差值且eee(k)＝edeadzone-ee(k)；
edeadzone为角度控制死区值；
ee(k)为第k次采样时刻的速度设定值和舵机速度的偏差值且ee(k)＝u(k)-v(k)；
u(k)为第k次采样时刻的速度设定值；
v(k)为第k次采样时刻的舵机的速度。
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