CN105626366A - 一种适用于液压波浪能发电装置的能量平稳输出控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于液压波浪能发电装置的能量平稳输出控制系统。采用电压和速度双环PID控制来调整调速阀开度，确保第一级液压能输出流量稳定，避免了由于第一级液压能输出流量的不稳定而导致整个波浪发电装置电能的输出不稳定；同时使得发电机电压和转速稳定在目标值附近；第二：根据波浪发电装置已吸收的能量来预分配整流设备能输出的功率和负载装置的带载能力(即负载功率)，保证已吸收能量充分利用，同时实现输出能量和负载的平衡；第三：根据实际负载功率来调节排量阀开度，进一步调整波浪发电装置的带载能力，实现已吸收能量、输出能量和负载最佳匹配。

Description

一种适用于液压波浪能发电装置的能量平稳输出控制系统
技术领域
本发明涉及海洋波浪能开发领域，具体涉及一种适用于液压波浪能发电装置的能量平稳输出控制系统。
背景技术
波浪能是海洋能的重要组成部分，其储量十分巨大，开发利用前景广阔。我国是海洋大国，可利用的波浪能资源极为丰富，这些波浪能资源的开发利用是我国海洋可再生能源开发利用的重要内容之一。
波浪能开发的主要手段是波浪发电，波浪发电装置建造于海上，通过海底复合缆将电能输送上岸。由于波长、波高以及波浪周期都在变化，波浪的能量是不稳定、不连续的，因此波浪能发电装置需要将不稳定、不连续的波浪输入转化成稳定的电能输出。目前，国内波浪发电装置的形式多种多样，部分波浪发电装置采用了蓄能稳压技术，在捕获、储存能量的同时，吸收波浪能的瞬时冲击以及短暂补充能量，但仍无法保障波浪能发电装置输出电压的稳定以及波浪能发电装置输出能量与负载的匹配。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种适用于液压波浪能发电装置的能量平稳输出控制系统，能够解决波浪发电装置电能输出稳定以及负载随系统功率变化的自适应跟踪。
一种适用于液压波浪能发电装置的能量平稳输出控制系统，包括依次连接的第一减法器、PI控制模块、电压控制器、第二减法器、第三减法器、PID控制模块、转速控制器、调速阀、排量阀、马达、发电机、整流设备和负载装置；所述马达的输出转速通过转速传感器与第三减法器的输入端相连；所述发电机的输出电压通过电压传感器与第一减法器的输入端相连；所述负载装置输出负载大小通过排量控制器作用于排量阀的开度控制端；输出功率分配器作用在整流设备的输出端；负载功率分配器作用在负载装置的输入端；
所述电压传感器，用于采集当前发电机输出的电压值u，并发送至第一减法器的输入端；
所述第一减法器，用于将从电压传感器中获得的电压值u和设定的期望电压U进行差值运算，获得差值电压Δu，并将差值电压Δu发送至PI控制模块；
所述PI控制模块，对获得的差值电压Δu进行PI控制，获得电压调节量Δu′；并发送至电压控制器；
所述电压控制器，用于将电压调节量Δu′进行转换，获得转速变化值Δr'；并将获得的转速变化值Δr'发送至第二减法器；
所述第二减法器，用于将获得的转速变化值Δr'与发电机的额定转速进行差值运算，获得目标转速R；并发送至第三减法器的输入端；
所述转速传感器，用于采集当前马达的转速，并将获得的转速发送至第三减法器的输入端；
所述第三减法器，用于将获得的目标转速R和当前马达的转速进行差值运算，获得差值转速Δr；并将获得的差值转速Δr发送至PID控制模块；
所述PID控制模块，用于对获得的差值转速Δr进行PID控制，获得转速调节量Δr″；并发送至转速控制器；
所述转速控制器，用于将获得的转速调节量Δr″进行转换，获得控制调速阀开度的控制电压V；
所述调速阀，用于根据转速控制器获得的控制电压V，调整当前调速阀的开度，确保马达能够达到目标转速R；
所述排量阀，用于在确保马达能够达到目标转速R的前提下，根据排量控制器检测到的负载装置实际功率，调整排量阀开度大小，进而保证发电装置的带载能力；
所述马达，用于带动发电机转动；
所述整流设备，用于将发电机输出的交流电整流为直流电；
所述输出功率分配器，用于根据液压波浪能发电装置已经收集的总功率、波浪能发电装置功率转换效率和输出功率的比例系数，获得整流设备允许输出的最大功率，并作用于整流设备的输出端；
所述负载功率分配器，用于根据负载装置的负载功率，对整流设备输出的直流电压进行功率分配；
所述排量控制器，用于根据实时检测的负载装置的功率，调整排量阀的开度。
较佳地，还包括升压设备和降压逆变设备；
所述升压设备，用于对从整流设备输出的电压升压至千伏以上，通过线缆传送到降压逆变设备降压后作用在负载装置上；
所述降压逆变设备，用于对由升压设备输出的高压进行降压至负载可用电压，并作用于负载装置。
有益效果：
本发明通过：第一：采用电压和速度双环PID控制来调整调速阀开度，确保第一级液压能输出流量稳定，避免了由于第一级液压能输出流量的不稳定而导致整个波浪发电装置电能的输出不稳定；使得发电机电压和转速稳定在目标值附近；第二：根据波浪发电装置已吸收的能量来预分配整流设备能输出的功率和负载装置的带载能力(即负载功率)，保证已吸收能量充分利用，同时实现输出能量和负载的平衡；第三：根据实际负载功率来调节排量阀开度，进一步调整波浪发电装置的带载能力，实现已吸收能量、输出能量和负载最佳匹配。三者的共同控制，实现了波浪发电装置电能输出稳定；而且，本发明还根据负载装置的实际带载能力，实时调节排量阀开度，具有良好的适应能力。
附图说明
图1为本发明的控制模型图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种适用于液压波浪能发电装置的能量平稳输出控制系统：本发明的主要思想在于：如图1所示：
第一、简要介绍液压波浪能发电装置的能量输出流为：液压波浪能发电装置布放在海上，海洋波浪带动波浪能发电装置上下起伏运动以及左右摆动，运动过程中波浪能发电装置将机械运动能转换成液压能，通过对调速阀和排量阀的控制，使得液压能转换为液压马达转动的机械能，驱动发电机发电，实现液压能到电能的转换；电能经整流设备、升压设备以及降压逆变设备后，最终作用于负载装置。
第二、在上述的能量输出流中，为了能够保证液压波浪能发电装置的能力输出稳定，本发明采取了三个步骤，首先采用电压和速度双环PID控制来调整调速阀开度，确保第一级液压能输出流量稳定且充足，保证发电机电压和转速稳定在目标值附近；然后，根据波浪发电装置已吸收的能量来预分配整流设备能输出的功率和负载装置的带载能力(即负载功率)，保证已吸收能量充分利用，同时实现输出能量和负载的平衡；最后，根据实际负载功率来调节排量阀开度，进一步调整波浪发电装置的带载能力，实现已吸收能量、输出能量和负载最佳匹配。
基于上述理论，本发明的具体实现的系统，如图1所示：包括依次连接的第一减法器、PI控制模块、电压控制器、第二减法器、第三减法器、PID控制模块、转速控制器、调速阀、排量阀、马达、发电机、整流设备和负载装置；所述马达的输出转速通过转速传感器与第三减法器的输入端相连；所述发电机的输出电压通过电压传感器与第一减法器的输入端相连；所述负载装置输出负载大小通过排量控制器作用于排量阀的开度控制端；输出功率分配器作用在整流设备的输出端；负载功率分配器作用在负载装置上；
所述电压传感器，用于采集当前发电机输出的电压值u，并发送至第一减法器的输入端；
所述第一减法器，用于将从电压传感器中获得的电压值u和设定的期望电压U进行差值运算，获得差值电压Δu，并将差值电压Δu发送至PI控制模块；
所述PI控制模块，对获得的差值电压Δu进行PI控制，获得电压调节量Δu′；并发送至电压控制器；
由于PI控制是较为常规的控制手段，本实施例中进行简要描述：即根据公式(1)，获得电压调节量Δu′；
Δu′＝Kp(Δu-Δu_1)+KiΔu(1)
式中，Δu和Δu_1分别为当前差值电压和上一次差值电压；Kp为比例系数，Ki为积分系数。
所述电压控制器，用于将电压调节量Δu′进行转换，根据公式(2)，获得转速变化值Δr'；并将获得的转速变化值Δr'发送至第二减法器；
Δr'＝-k1×Δu′(2)
k1为比例系数，与发电机的特性有关，本发明取发电机空载时转速与电压的近似线性比值，取k1为3.75
所述第二减法器，用于将获得的转速变化值Δr'与发电机的额定转速进行差值运算，获得目标转速R；并发送至第三减法器的输入端；其中，本实施例中的额定转速为1500r/min。
所述转速传感器，用于采集当前马达的转速，并将获得的转速发送至第三减法器的输入端；
所述第三减法器，用于将获得的目标转速R和当前马达的转速进行差值运算，获得差值转速Δr；并将获得的差值转速Δr发送至PID控制模块；
所述PID控制模块，用于对获得的差值转速Δr进行PID控制，获得转速调节量Δr″；并发送至转速控制器；由于PID控制是较为常规的控制手段，本实施例中进行简要描述：即根据公式(3)，获得转速调节量Δr″；
Δr″＝K'p(Δr-Δr_1)+K′iΔr+K'd(Δr-2Δr_1+Δr_2)(3)
式中，Δr，Δr_1和Δr_2分别为当前差值转速、上一次差值转速和上上次差值转速；K'p为比例系数，K′i为积分系数，K'd为微分系数。
所述转速控制器，用于将获得的转速调节量Δr″进行转换，根据公式(4)，获得用于控制调速阀开度的控制电压V；
V＝k2×Δr″(4)
k2为比例系数，与调速阀开度和控制电压的特性曲线有关。本发明根据该特性曲线、调速阀最大开度对应的流量以及系统工作时排量阀最大排量，可得到转速与控制电压的比例系数，取为0.005。
所述调速阀，用于根据控制电压V，实现对调速阀的开度控制，保证发电机电压和转速工作在目标值，确保马达能够达到目标转速R；
所述排量阀，用于在确保马达能够达到目标转速R的前提下，根据排量控制器检测到的负载装置实际功率，调整排量阀开度大小，进而保证发电装置的带载能力；
通常情况下，初始状态的负载值已知，但随着波浪能发电装置所用系统的启动，负载会随时变化，为变值。初始状态下，负载装置为零，排量阀为最小开度。随着波浪能发电装置所用系统的启动，负载装置的负载功率会逐步变化，系统会根据实际负载功率来调整排量阀开度，保证系统的带载能力；
所述马达，用于带动电机转动；
所述整流设备，用于将发电机输出的交流电整流为直流电；
所述输出功率分配器，用于根据液压波浪能发电装置已经收集的总功率、波浪能发电装置功率转换效率和输出功率的比例系数，获得整流设备允许输出的最大功率，并作用于整流设备输出端；
为保证波浪能发电装置所收集到的能量与整流设备能输出的功率匹配，故利用输出功率分配器对整流设备能输出的功率进行分配，根据设定的比例参数、系统已收集功率和波浪能发电装置功率转换效率，根据公式(5)，
W输出功率＝W功率×η效率×λ比例(5)
对当前直流电压所对应的功率进行分配，获得整流设备允许输出的最大功率，并利用升压设备进行升压，以避免在传输到负载装置的过程中出现损耗；式中，W输出功率为系统的预计输出功率；W功率为液压波浪能发电装置已经收集的总功率；η效率为系统功率转换为电功率的效率；λ比例为输出功率的比例系数，用于微调输出功率；取值0.5～1.5。
其中，液压波浪能发电装置已经收集的总功率和电功率的效率的具体获得方法为：
系统根据波浪能发电装置中安装的压力传感器和流量传感器，获得一定时间t内，按一定采集频率采集到的液压波浪能发电装置所在系统的所有压力P和所有流出调速阀的流量Q，并计算时间t内的滑动平均压力和滑动平均流量本实施例中，每100ms取一个的当前系统压力值和流出调速阀的流量值，时间窗口为20s；
利用滑动平均压力值与滑动平均流量值相乘计算获得液压波浪能发电装置已经收集的总功率W功率；即根据公式(6)，
式中，W功率为系统已收集的总功率，单位为kW；发送给输出功率分配器。
并根据公式(7)，获得波浪能发电装置功率转换效率；
式中，为系统压力滑动平均值，单位MPa。发送给输出功率分配器。其中，本实施例中公式(7)获得方法为：
由于波浪能发电装置控制原则为高压低流量，本实施例中，其启动压力为10MPa，最高工作压力为45MPa。功率转换效率是系统压力的函数，通过实验室获得大量的试验数据拟合得到。由于功率转换效率为现有技术，现只进行简要概括；该方法为：取一个压力值、流量和发电机电压值、电流值，计算该时刻的系统功率和发电机输出电功率，输出电功率与系统功率之比作为该压力点对应的转换效率值。将该压力点和对应的转换效率值组成一个数据点，采用分段方式和最小二乘算法将数据点进行数值拟合，获得压力值与转换效率的曲线函数。
所述升压设备，用于对从整流设备输出的电压进行升压工作，一般升至上千伏，通过线缆传送到降压逆变设备降压后作用在负载装置上；液压波浪能发电装置距离负载装置越远，其升压高度越高。由于波浪能发电装置适用于海洋中，为了减小传输损耗，本发明需将发电机输出的电压进行变压处理。
所述降压逆变设备，用于对由升压设备输出的电压进行降压；
所述负载功率分配器，用于根据负载装置的负载功率，对从升压设备输出的电压进行功率分配；
当电能经传输作用于负载装置时，需先对当前电压进行降压逆变处理，又为保证负载功率与整流设备能输出的功率匹配，故需要利用负载功率分配器，进行负载功率的分配；根据设定的比例参数、固有损耗功率和步骤一中获得的系统已收集功率、波浪能发电装置功率转换效率，根据公式(8)，
W负载功率＝W×η效率×λ'比例-P0(8)
获得负载装置的带载能力即负载功率；式中，W负载功率为预计的负载功率；W为系统已收集功率；η效率为系统功率转换为电功率的效率；λ'比例为系统总负载功率的比例系数，用于微调负载功率；P0为系统电能传输等环节损耗的功率。
本实施例中，两个比例系数的设定具体为：初始分配时，输出功率比例系数取值为1，系统总负载功率比例系数取0.75，等待系统输出稳定后，逐渐增加系统总负载功率比例系数，直至比例系数为1。当调节系统总负载功率比例系数未到达1，系统已不能稳定工作，减小系统总负载功率比例系数直至系统稳定。
当总负载功率比例系数为1系统仍稳定工作时，可先增加输出功率比例系数，再增加总负载功率比例系数，直至系统稳定，比例系数不超过1.5。如不能稳定工作，返回到前一稳定状态。
所述排量控制器，用于根据实时检测的负载装置的功率，调整排量阀的开度。
本实施例中，排量控制器采用排量开度分段控制方式，依据系统负载功率划分功率区间，每区间对应一个排量开度值。通过查表法，检索排量开度值。由于波浪能发电装置的控制原则为高压低流量，其最大排量为80％，最小排量为25％。其波浪能发电装置的最大功率为75kW；在试验过程中发现，当起始负载功率较小时，随着功率增加排量开度调节步进较大，功率达到某值时排量开度调节步进较小，故将负载功率划分为0～40kW和40～75kW两个大功率区间，在区间0～40kW内，功率小于等于10kW，其排量为25％；功率小于等于20kW且大于10KW的，排量为35％；功率小于等于30kW且大于20KW的，排量为40％；功率小于等于40kW且大于30KW的，排量为50％。在区间40kW～75kW内，当功率大于40kW时，功率每增加5kW，排量增加5％，最大排量为80％。
根据划分的区间查询对应的排量开度，按照排量阀的开度特性曲线计算开度对应的控制信号值并输出。排量控制调整周期为5s～60s，默认周期为20s，可以根据实际情况调整。当排量值处于某个区间端点附近来回波动时，延长调整周期为60s，同时取小排量值。
较佳地，当波浪能发电装置安装多套发电系统同时使用时，将所述的多套发电系统已收集能量独立分配至各套发电系统的输出功率，同时根据所述的多套发电系统已收集能量的总和得到波浪能发电装置总负载功率。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种适用于液压波浪能发电装置的能量平稳输出控制系统，其特征在于，包括依次连接的第一减法器、PI控制模块、电压控制器、第二减法器、第三减法器、PID控制模块、转速控制器、调速阀、排量阀、马达、发电机、整流设备和负载装置；所述马达的输出转速通过转速传感器与第三减法器的输入端相连；所述发电机的输出电压通过电压传感器与第一减法器的输入端相连；所述负载装置输出负载大小通过排量控制器作用于排量阀的开度控制端；输出功率分配器作用在整流设备的输出端；负载功率分配器作用在负载装置的输入端；
所述电压传感器，用于采集当前发电机输出的电压值u，并发送至第一减法器的输入端；
所述第一减法器，用于将从电压传感器中获得的电压值u和设定的期望电压U进行差值运算，获得差值电压Δu，并将差值电压Δu发送至PI控制模块；
所述PI控制模块，对获得的差值电压Δu进行PI控制，获得电压调节量Δu′；并发送至电压控制器；
所述电压控制器，用于将电压调节量Δu′进行转换，获得转速变化值Δr′；并将获得的转速变化值Δr′发送至第二减法器；
所述第二减法器，用于将获得的转速变化值Δr′与发电机的额定转速进行差值运算，获得目标转速R；并发送至第三减法器的输入端；
所述转速传感器，用于采集当前马达的转速，并将获得的转速发送至第三减法器的输入端；
所述第三减法器，用于将获得的目标转速R和当前马达的转速进行差值运算，获得差值转速Δr；并将获得的差值转速Δr发送至PID控制模块；
所述PID控制模块，用于对获得的差值转速Δr进行PID控制，获得转速调节量Δr″；并发送至转速控制器；
所述转速控制器，用于将获得的转速调节量Δr″进行转换，获得控制调速阀开度的控制电压V；
所述调速阀，用于根据转速控制器获得的控制电压V，调整当前调速阀的开度，确保马达能够达到目标转速R；
所述排量阀，用于在确保马达能够达到目标转速R的前提下，根据排量控制器检测到的负载装置实际功率，调整排量阀开度大小，进而保证发电装置的带载能力；
所述马达，用于带动发电机转动；
所述整流设备，用于将发电机输出的交流电整流为直流电；
所述输出功率分配器，用于根据液压波浪能发电装置已经收集的总功率、波浪能发电装置功率转换效率和输出功率的比例系数，获得整流设备允许输出的最大功率，并作用于整流设备的输出端；
所述负载功率分配器，用于根据负载装置的负载功率，对整流设备输出的直流电压进行功率分配；
所述排量控制器，用于根据实时检测的负载装置的功率，调整排量阀的开度。
2.如权利要求1所述的适用于液压波浪能发电装置的能量平稳输出控制系统，其特征在于，还包括升压设备和降压逆变设备；
所述升压设备，用于对从整流设备输出的电压升压至千伏以上，通过线缆传送到降压逆变设备降压后作用在负载装置上；
所述降压逆变设备，用于对由升压设备输出的高压进行降压至负载可用电压，并作用于负载装置。
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