CN105182104B - 一种波浪能‑潮流能综合测试平台及工况模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种波浪能‑潮流能综合测试平台及工况模拟方法，其特征在于：它包括波浪能‑潮流能工况模拟系统和波浪能‑潮流能试验控制系统；波浪能‑潮流能工况模拟系统中拖动电机侧变流器与永磁同步拖动电机、紧急制动、惯性轮、永磁同步发电机依次连接后，通过切换开关与发电机侧变流器和网侧变流器构成的发电系统连接；永磁直线发电机通过切换开关与发电系统连接；供电变压器的高压侧与电网连接，低压侧和网侧变流器与拖动电机侧变流器连接；波浪能‑潮流能试验控制系统中上位机系统发送相关控制信号到波浪能‑潮流能工况模拟系统对潮流能工况和波浪能工况进行模拟；并对模拟信号采集与输入处理系统和功率分析仪采集的数据进行分析。本发明可以广泛应用于波浪能‑潮流能工况模拟及性能测试领域。

Description

一种波浪能-潮流能综合测试平台及工况模拟方法

技术领域

本发明涉及海洋潮流能、波浪能发电及工况测试技术领域，特别是关于一种波浪能-潮流能综合测试平台及工况模拟方法。

背景技术

波浪能、潮流能是一种新型的清洁能源，涉及波浪能、潮流能发电的相关技术、测试平台及方法直接关系到波浪能、潮流能是否能大规模利用与开发。波浪能-潮流能综合测试平台可用于波浪能、潮流能发电特性的模拟及性能测试，为波浪能、潮流能发电提供必要的测试手段及实验平台，判断其性能满足需求。然而，目前波浪能、潮流能测试平台均为单一功能的测试平台，仅能满足波浪能发电或潮流能发电的测试，无法同时满足波浪能与潮流能的测试，这使得测试平台的应用受到了一定的限制。另外，潮流能工况模拟通过拖动电机的控制实现，而波浪能发电的特点决定了现有的工况模拟方法尚无法适用。因此，很有必要研究出同时适用于满足波浪能、潮流能发电测试综合测试平台及其工况模拟的方法，以检验波浪能、潮流能发电技术与装备的可行性与可靠性，同时降低装置成本，提高测试效率，满足实际工程应用。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种波浪能-潮流能综合测试平台及工况模拟方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种波浪能-潮流能综合测试平台，其特征在于：它包括波浪能-潮流能工况模拟系统和波浪能-潮流能试验控制系统，所述波浪能-潮流能试验控制系统对所述波浪能-潮流能工况模拟系统进行控制；所述波浪能-潮流能工况模拟系统包括拖动电机侧变流器、永磁同步拖动电机、紧急制动、惯性轮、永磁同步发电机、永磁直线发电机、切换开关、发电机侧变流器、网侧变流器和供电变压器；所述拖动电机侧变流器与所述永磁同步拖动电机、紧急制动、惯性轮、永磁同步发电机依次连接构成潮流能工况模拟系统，并通过所述切换开关与所述发电机侧变流器和网侧变流器构成的发电系统连接；所述永磁直线发电机作为波浪能工况模拟系统，其也通过所述切换开关与所述发电系统连接；所述供电变压器的高压侧与电网连接，所述供电变压器的低压侧以及所述发电系统中的网侧变流器与所述拖动电机侧变流器连接，共同为整个波浪能-潮流能工况模拟系统供电。

所述波浪能-潮流能试验控制系统包括模拟信号采集与输入处理系统、功率分析仪和上位机系统；所述上位机系统根据仿真海况数据或实际海测数据生成相关控制信号，并通过CAN通讯总线发送到所述波浪能-潮流能工况模拟系统中的相关电气单元；所述波浪能-潮流能工况模拟系统中的相关电气单元根据接收到的控制信号分别对潮流能工况和波浪能工况进行工况模拟；所述模拟信号采集与输入处理系统采集所述波浪能-潮流能工况模拟系统中相关电气单元的模拟信号，经所述功率分析仪处理后发送到所述上位机系统；所述上位机系统根据接收到的模拟信号对所述波浪能-潮流能工况模拟系统进行性能分析。

所述上位机系统包括一转矩特性模块、一摩擦前馈模块、一保护系统、一拖动机控制单元、一液压模拟控制系统、一发电机控制单元、一网侧控制单元、一拖动电机保护系统、一永磁同步发电机保护系统和一永磁直线发电机保护系统；所述转矩特性模块根据由仿真海况数据或实测海况数据得到的潮流能-转矩特性曲线输出初始转矩值信号并发送到所述保护系统，所述摩擦前馈模块根据所述模拟信号采集与输入处理系统采集的系统当前运行状态引入轴系摩擦的前馈控制，输出附加转矩值信号并发送到所述保护系统；所述保护系统根据所述模拟信号采集与输入处理系统采集的整个系统当前运行状态对所述转矩特性模块和摩擦前馈模块的转矩输出值进行限幅后，生成相应控制信号发送到所述拖动机控制单元对潮流能工况进行模拟；所述液压模拟控制系统根据波浪能-转矩特性曲线输出相应控制信号到所述永磁直线发电机对波浪能工况进行模拟；所述发电机控制单元用于对所述发电机侧变流器进行发电特性控制，所述网侧控制单元用于对所述网侧变流器中的电能进行并网功率控制；所述拖动电机保护系统、永磁同步发电机保护系统和永磁直线发电机保护系统分别根据系统当前运行状态对所述永磁同步拖动电机、永磁同步发电机和永磁直线发电机进行异常前保护。

所述模拟信号采集与输入处理系统包括若干电流传感器、若干电压传感器、若干温度传感器、若干振动传感器和一转矩/转速仪；所述电流传感器和电压传感器分别设置在所述发电机侧变流器和网侧变流器的输入端和输出端；所述温度传感器和振动传感器分别设置在所述永磁同步拖动电机、紧急制动、惯性轮和永磁同步发电机上；所述转矩/转速仪设置在所述永磁同步发电机上，用于检测所述永磁同步发电机的转矩和转速；各传感器所采集的模拟信号经所述功率分析仪处理后发送到所述上位机系统。

所述转矩/转速仪采用应力传感器和速度传感器。

一种波浪能-潮流能综合测试平台工况模拟方法，包括以下步骤：1)波浪能-潮流能试验控制系统中的上位机系统根据仿真数据或海测数据得到各种潮流-转矩特性以及波浪能位置-速度特性；2)根据实际需要，手动或自动控制切换开关在两种工况模拟方式下进行切换，即进行潮流能工况模拟时，将切换开关与永磁同步发电机相连；进行波浪能工况模拟时，将切换开关与永磁直线发电机相连；3)当对潮流能工况进行模拟时，上位机系统中的保护系统对转矩特性模块和摩擦前馈模块输出的转矩值进行限幅后，生成相应控制信号并发送到拖动机控制单元；4)拖动电机控制单元发送相应转矩控制信号到拖动电机侧变流器进行转速闭环控制；拖动电机侧变流器根据拖动机控制单元的转矩控制信号对永磁同步拖动电机进行转矩闭环控制；拖动电机保护系统根据模拟信号采集与输入处理系统采集的系统当前运行状态，对永磁同步拖动电机进行异常前保护；5)永磁同步拖动电机的输出转矩依次经紧急制动、惯性轮传递至永磁同步发电机进行发电，永磁同步发电机所发电能通过切换开关输送到发电机侧变流器；6)发电机控制单元控制发电机侧变流器对接收到的电能进行处理；发电机侧变流器处理后的电能发送到网侧变流器，由网侧控制单元对网侧变流器进行并网功率控制；7)模拟信号采集与输入处理系统中的各传感器实时采集潮流能工况发电过程中潮流能工况模拟系统中各相关单元的模拟信号，经功率分析仪处理后发送到上位机系统；8)上位机系统对接收到的各种模拟信号数据进行实时处理、显示和存储，并对潮流能工况模拟系统的性能进行评估；9)当对潮流能工况进行模拟时，液压模拟控制系统根据波浪能位置-速度特性按位置对永磁直线发电机的运行状态进行闭环控制，永磁直线发电机所发电能通过切换开关输送到发电机侧变流器；10)重复步骤6)到步骤8)，上位机系统根据模拟信号采集与输入处理系统采集的各模拟数据对波浪能工况模拟系统的性能进行评估。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于设置的波浪能-潮流能工况模拟系统能够同时对波浪能和潮流能工况进行模拟，可以同时满足波浪能、潮流能发电的性能测试与实验，测试效率高。2、本发明由于发电机侧变流器和网侧变流器构成的发电系统将所发电能输送至拖动电机侧变流器，与供电变压器一起共同为整个波浪能-潮流能工况模拟系统供电，提高了电能利用效率。3、本发明由于设置有保护系统，根据系统当前运行状态对输出转矩进行限幅，保证整个系统的安全运行，提高了可靠性。4、本发明还设置有拖动电机保护系统、永磁同步发电机保护系统和永磁直线发电机保护系统，可以根据系统当前运行状态对永磁同步拖动电机、永磁同步发电机和永磁直线发电机进行异常前保护，进一步提高了整个系统的安全可靠性。本发明结构简单，成本低，测试效率高，可以广泛应用于波浪能-潮流能工况模拟及性能测试领域。

附图说明

图1是本发明波浪能-潮流能综合测试平台结构示意图

图2是本发明波浪能-潮流能综合测试平台工况模拟方法流程图

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所示，本发明波浪能-潮流能综合测试平台包括波浪能-潮流能工况模拟系统和波浪能-潮流能试验控制系统，波浪能-潮流能试验控制系统对波浪能-潮流能工况模拟系统进行控制。

波浪能-潮流能工况模拟系统包括拖动电机侧变流器1、永磁同步拖动电机2、紧急制动3、惯性轮4、永磁同步发电机5、永磁直线发电机6、切换开关7、发电机侧变流器8、网侧变流器9和供电变压器10。拖动电机侧变流器1与永磁同步拖动电机2、紧急制动3、惯性轮4、永磁同步发电机5依次连接构成潮流能工况模拟系统，并通过切换开关7与发电机侧变流器8和网侧变流器9构成的发电系统连接。永磁直线发电机6作为波浪能工况模拟系统，其也通过切换开关7与发电系统连接。供电变压器10的高压侧与电网连接，供电变压器10的低压侧以及发电系统中的网侧变流器9与拖动电机侧变流器1连接，共同为整个波浪能-潮流能工况模拟系统供电。

波浪能-潮流能试验控制系统包括上位机系统11、模拟信号采集与输入处理系统(图中未显示)和功率分析仪(图中未显示)。上位机系统11根据仿真海况数据或实际海测数据生成相关控制信号，并通过CAN通讯总线发送到波浪能-潮流能工况模拟系统中的相关电气单元。波浪能-潮流能工况模拟系统中的相关电气单元根据接收到的控制信号分别对潮流能工况和波浪能工况进行工况模拟。模拟信号采集与输入处理系统采集波浪能-潮流能工况模拟系统中相关电气单元的模拟信号，经功率分析仪处理后发送到上位机系统11。上位机系统11根据接收到的模拟信号对波浪能-潮流能工况模拟系统进行性能分析。

其中，上位机系统11包括一转矩特性模块110、一摩擦前馈模块111、一保护系统112、一拖动机控制单元113、一液压模拟控制系统114、一发电机控制单元115、一网侧控制单元116、一拖动电机保护系统117、一永磁同步发电机保护系统118和一永磁直线发电机保护系统119。转矩特性模块110根据由仿真海况数据或实测海况数据得到的潮流能-转矩特性曲线输出初始转矩值信号并发送到保护系统112，摩擦前馈模块111根据模拟信号采集与输入处理系统采集的系统当前运行状态引入轴系摩擦的前馈控制，输出附加转矩值信号并发送到保护系统112。保护系统112根据模拟信号采集与输入处理系统采集的整个系统当前运行状态对转矩特性模块110和摩擦前馈模块111的转矩输出值进行限幅后，生成相应控制信号发送到拖动机控制单元113对潮流能工况进行模拟。液压模拟控制系统114根据波浪能-转矩特性曲线输出相应控制信号到永磁直线发电机6对波浪能工况进行模拟。发电机控制单元115用于对发电机侧变流器8进行发电特性控制，网侧控制单元116用于对网侧变流器9中的电能进行并网功率控制。拖动电机保护系统117、永磁同步发电机保护系统118和永磁直线发电机保护系统119分别根据系统当前运行状态对永磁同步拖动电机2、永磁同步发电机5和永磁直线发电机6进行异常前保护。

模拟信号采集与输入处理系统包括若干电流传感器、若干电压传感器、若干温度传感器、若干振动传感器和一T/n(转矩/转速仪)。其中，电流传感器和电压传感器分别设置在发电机侧变流器和网侧变流器的输入端和输出端。温度传感器和振动传感器分别设置在永磁同步拖动电机、紧急制动、惯性轮和永磁同步发电机上。T/n设置在永磁同步发电机上，用于检测永磁同步发电机的转矩和转速。各传感器所采集的模拟信号经功率分析仪处理后发送到上位机系统，用于进行实时显示、存储、评估与控制。

上述实施例中，T/n可以采用应力传感器和速度传感器代替。

如图2所示，基于上述波浪能-潮流能综合测试平台，本发明还提供一种波浪能-潮流能综合测试平台工况模拟方法，包括以下步骤：

1)波浪能-潮流能试验控制系统中的上位机系统11根据仿真数据或海测数据得到各种潮流-转矩特性以及波浪能位置-速度特性。

2)根据实际需要，手动或自动控制切换开关7在两种工况模拟方式下进行切换，即进行潮流能工况模拟时，将切换开关7与永磁同步发电机5相连；进行波浪能工况模拟时，将切换开关7与永磁直线发电机6相连。

3)当对潮流能工况进行模拟时，上位机系统中11的保护系统112对转矩特性模块110和摩擦前馈模块111输出的转矩值进行限幅后，生成相应控制信号并发送到拖动机控制单元113。

转矩特性模块110根据仿真海况或实测海况数据得到的潮流能-转矩特性，输出初始转矩值信号发送到保护系统112。其中，仿真海况数据由上位机系统11按不同类型潮流模型仿真得到，实测海况数据由实际海测数据通过表格形式获得。摩擦前馈模块111根据模拟信号采集与输入处理系统采集的系统当前的运行状态，引入轴系摩擦的前馈控制，输出附加转矩值信号并发送到保护系统112。保护系统112根据模拟信号采集与输入处理系统采集的系统当前运行状态对转矩特性模块110和摩擦前馈模块111的转矩输出值进行限幅后，生成相应控制信号发送到拖动机控制单元113对拖动电机侧变流器1进行转速闭环控制。

4)拖动电机控制单元113发送相应转矩控制信号到拖动电机侧变流器1进行转速闭环控制。拖动电机侧变流器1根据拖动机控制单元113的转矩控制信号对永磁同步拖动电机2进行转矩闭环控制。拖动电机保护系统117根据模拟信号采集与输入处理系统采集的系统当前运行状态，对永磁同步拖动电机2进行异常前保护。

5)永磁同步拖动电机2的输出转矩依次经紧急制动3、惯性轮4传递至永磁同步发电机5进行发电，永磁同步发电机5所发电能通过切换开关7输送到发电机侧变流器8。

其中，紧急制动3用于故障及紧急状况下的制动。惯性轮4用于潮流发电水轮机组的惯性模拟，其输出的机械能通过联轴器输送到永磁同步发电机5，由永磁同步发电机5将机械能转换为电能。永磁同步发电机保护系统118根据模拟信号采集与输入处理系统采集的系统当前运行状态，对永磁同步发电机5进行异常前保护。

6)发电机控制单元115控制发电机侧变流器8对接收到的电能进行处理。发电机侧变流器8处理后的电能发送到网侧变流器9，由网侧控制单元116对网侧变流器9进行并网功率控制。

7)此时，模拟信号采集与输入处理系统中的各传感器实时采集潮流能工况发电过程中潮流能工况模拟系统中各相关单元的模拟信号，经功率分析仪处理后发送到上位机系统11。

8)上位机系统11对接收到的各种模拟信号数据进行实时处理、显示和存储，并对潮流能工况模拟系统的性能进行评估。

9)当对潮流能工况进行模拟时，液压模拟控制系统114根据波浪能位置-速度特性按位置对永磁直线发电机6的运行状态进行闭环控制，永磁直线发电机6所发电能通过切换开关7输送到发电机侧变流器8。

10)重复步骤6)到步骤8)，上位机系统11根据模拟信号采集与输入处理系统采集的各模拟数据对波浪能工况模拟系统的性能进行评估。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺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 (6)

1.一种波浪能-潮流能综合测试平台，其特征在于：它包括波浪能-潮流能工况模拟系统和波浪能-潮流能试验控制系统，所述波浪能-潮流能试验控制系统对所述波浪能-潮流能工况模拟系统进行控制；

所述波浪能-潮流能工况模拟系统包括拖动电机侧变流器、永磁同步拖动电机、紧急制动、惯性轮、永磁同步发电机、永磁直线发电机、切换开关、发电机侧变流器、网侧变流器和供电变压器；所述拖动电机侧变流器与所述永磁同步拖动电机、紧急制动、惯性轮、永磁同步发电机依次连接构成潮流能工况模拟系统，并通过所述切换开关与所述发电机侧变流器和网侧变流器构成的发电系统连接；所述永磁直线发电机作为波浪能工况模拟系统，其也通过所述切换开关与所述发电系统连接；所述供电变压器的高压侧与电网连接，所述供电变压器的低压侧以及所述发电系统中的网侧变流器与所述拖动电机侧变流器连接，共同为整个波浪能-潮流能工况模拟系统供电。

2.如权利要求1所述的一种波浪能-潮流能综合测试平台，其特征在于：所述波浪能-潮流能试验控制系统包括模拟信号采集与输入处理系统、功率分析仪和上位机系统；所述上位机系统根据仿真海况数据或实际海测数据生成相关控制信号，并通过CAN通讯总线发送到所述波浪能-潮流能工况模拟系统中的相关电气单元；所述波浪能-潮流能工况模拟系统中的相关电气单元根据接收到的控制信号分别对潮流能工况和波浪能工况进行工况模拟；所述模拟信号采集与输入处理系统采集所述波浪能-潮流能工况模拟系统中相关电气单元的模拟信号，经所述功率分析仪处理后发送到所述上位机系统；所述上位机系统根据接收到的模拟信号对所述波浪能-潮流能工况模拟系统进行性能分析。

3.如权利要求2所述的一种波浪能-潮流能综合测试平台，其特征在于：所述上位机系统包括一转矩特性模块、一摩擦前馈模块、一保护系统、一拖动电机控制单元、一液压模拟控制系统、一发电机控制单元、一网侧控制单元、一拖动电机保护系统、一永磁同步发电机保护系统和一永磁直线发电机保护系统；

所述转矩特性模块根据由仿真海况数据或实测海况数据得到的潮流能-转矩特性曲线输出初始转矩值信号并发送到所述保护系统，所述摩擦前馈模块根据所述模拟信号采集与输入处理系统采集的系统当前运行状态引入轴系摩擦的前馈控制，输出附加转矩值信号并发送到所述保护系统；所述保护系统根据所述模拟信号采集与输入处理系统采集的整个系统当前运行状态对所述转矩特性模块和摩擦前馈模块的转矩输出值进行限幅后，生成相应控制信号发送到所述拖动电机控制单元对潮流能工况进行模拟；所述液压模拟控制系统根据波浪能-转矩特性曲线输出相应控制信号到所述永磁直线发电机对波浪能工况进行模拟；所述发电机控制单元用于对所述发电机侧变流器进行发电特性控制，所述网侧控制单元用于对所述网侧变流器中的电能进行并网功率控制；所述拖动电机保护系统、永磁同步发电机保护系统和永磁直线发电机保护系统分别根据系统当前运行状态对所述永磁同步拖动电机、永磁同步发电机和永磁直线发电机进行异常前保护。

4.如权利要求2或3所述的一种波浪能-潮流能综合测试平台，其特征在于：所述模拟信号采集与输入处理系统包括若干电流传感器、若干电压传感器、若干温度传感器、若干振动传感器和一转矩/转速仪；

所述电流传感器和电压传感器分别设置在所述发电机侧变流器和网侧变流器的输入端和输出端；所述温度传感器和振动传感器分别设置在所述永磁同步拖动电机、紧急制动、惯性轮和永磁同步发电机上；所述转矩/转速仪设置在所述永磁同步发电机上，用于检测所述永磁同步发电机的转矩和转速；各传感器所采集的模拟信号经所述功率分析仪处理后发送到所述上位机系统。

5.如权利要求4所述的一种波浪能-潮流能综合测试平台，其特征在于：所述转矩/转速仪采用应力传感器和速度传感器。

6.一种基于如权利要求1-5任一项所述综合测试平台的波浪能-潮流能综合测试平台工况模拟方法，包括以下步骤：

1)波浪能-潮流能试验控制系统中的上位机系统根据仿真数据或海测数据得到各种潮流能-转矩特性以及波浪能位置-速度特性；

2)根据实际需要，手动或自动控制切换开关在两种工况模拟方式下进行切换，即进行潮流能工况模拟时，将切换开关与永磁同步发电机相连；进行波浪能工况模拟时，将切换开关与永磁直线发电机相连；

3)当对潮流能工况进行模拟时，上位机系统中的保护系统对转矩特性模块和摩擦前馈模块输出的转矩值进行限幅后，生成相应控制信号并发送到拖动电机控制单元；

4)拖动电机控制单元发送相应转矩控制信号到拖动电机侧变流器进行转速闭环控制；拖动电机侧变流器根据拖动电机控制单元的转矩控制信号对永磁同步拖动电机进行转矩闭环控制；拖动电机保护系统根据模拟信号采集与输入处理系统采集的系统当前运行状态，对永磁同步拖动电机进行异常前保护；

5)永磁同步拖动电机的输出转矩依次经紧急制动、惯性轮传递至永磁同步发电机进行发电，永磁同步发电机所发电能通过切换开关输送到发电机侧变流器；

6)发电机控制单元控制发电机侧变流器对接收到的电能进行处理；发电机侧变流器处理后的电能发送到网侧变流器，由网侧控制单元对网侧变流器进行并网功率控制；

7)模拟信号采集与输入处理系统中的各传感器实时采集潮流能工况发电过程中潮流能工况模拟系统中各相关单元的模拟信号，经功率分析仪处理后发送到上位机系统；

8)上位机系统对接收到的各种模拟信号数据进行实时处理、显示和存储，并对潮流能工况模拟系统的性能进行评估；

9)当对波浪能工况进行模拟时，液压模拟控制系统根据波浪能位置-速度特性按位置对永磁直线发电机的运行状态进行闭环控制，永磁直线发电机所发电能通过切换开关输送到发电机侧变流器；

10)重复步骤6)到步骤8)，上位机系统根据模拟信号采集与输入处理系统采集的各模拟数据对波浪能工况模拟系统的性能进行评估。