CN106972527A - 直线电机动子运动方向检测方法和直驱式波浪发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直线电机动子运动方向检测方法和直驱式波浪发电系统，该系统包括波浪发电模拟模块，用于模拟实际海况中波浪发电的过程；无位置动子运动方向检测模块，用于检测永磁直线电机动子的运动；信息采集模块，用于采集电机侧和网侧的电流、电压信号；电能处理整流模块、电能处理逆变并网模块，用于波浪发电模拟模块三相输出的整流，并且按照并网条件进行逆变并入到大电网中去。本发明的直驱式波浪发电系统不仅可以有效检测永磁直线动子的运动方向，同时可以准确有效地模拟实际海况中波浪发电电能输出通过整流逆变并入到大电网中的全过程，对波浪能发电的发展具有很高的研究价值和意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种直线电机动子运动方向检测方法和直驱式波浪发电系统，属于新能源发电领域。
背景技术
近年来随着社会和经济的不断发展，能源危机和环境污染的问题日益凸显，因此，可再生能源吸引了越来越多研究学者的关注。波浪能作为一种清洁可再生能源，具有功率密度高、无污染、可预测性好、蕴藏量丰富等特点，通过合理研究开发可以有效取代传统化石能源，进一步缓减能源危机和环境污染等问题。为了将波浪能转换为电能，国内外学者研发了很多波浪发电转换装置，主要有振荡水柱式、点吸收式、阀式波浪发电系统等。
早期的波浪发电系统通常使用的是传统的永磁同步电机，将波浪能转换为电能。然而，传统的永磁同步电机不能将波浪能直接转换为电能，需要通过中间装置来完成这一过程，即多级能量转换，结构复杂，同时势必会导致能量损耗，从而降低波浪能的转换效率。考虑到实际海况中波浪的上下振荡的运动特性，因此，目前永磁直线电机被广泛应用于波浪发电领域。永磁直线电机的动子可以随着波浪的运动而做上下往复运动，从而完成波浪能到电能的转换，简化了波浪能的提取过程，可以实现一级能量转换，有效的提高了波浪能的转换效率。因此，采用直驱式波浪发电不仅结构简单，同时还可以有效提高发电效率。
直驱式波浪发电系统中，永磁直线电机的动子是随着波浪的运动而做上下往复运动的，当动子往下运动时，定子端输出电压相序为ABC；而当动子往上运动时，定子端输出电压相序为CBA。即动子运动方向的变化，会导致永磁直线电机输出电压的相序发生改变，从而三相电压的电角度超前和滞后也会发生相应的变化。因此在波浪能提取过程中，需要准确判断永磁直线电机动子运动方向，从而得到定子输出电压的正确相序，才能对电能处理进行有效控制。若不能有效判断永磁直线电机动子的运动方向，不仅会造成永磁直线电机输出能量的不可控，同时，还有可能对永磁直线电机内部结构以及驱动结构造成损坏。通常判断永磁直线电机位置需要安装位置传感器或者光栅尺等设备，结构复杂，成本高，且稳定性不高。
因此，发明一种可以有效、正确判断动子运动方向的直驱式波浪发电系统是具有重大意义的研究课题。
发明内容
技术问题：本发明提供一种能准确判断出动子运动方向，提高直驱式波浪发电系统的稳定性和电能转换效率的直线电机动子运动方向检测方法和直驱式波浪发电系统。
技术方案：本发明的直驱式波浪发电系统，包括圆筒型永磁直线电机、一端与所述圆筒型永磁直线电机动子连接的曲轴连杆、与所述曲轴连杆另一端连接的飞轮、通过皮带与所述飞轮相连的异步电机、设置在所述圆筒型永磁直线电机定子端的无位置动子运动方向检测器、与所述圆筒型永磁直线电机输出端三相连接的整流器、与所述整流器连接的逆变器，所述无位置动子运动方向检测器包括三个贴覆在圆筒型永磁直线电机定子端的线性霍尔传感器，任意两个线性霍尔传感器的间距为圆筒型永磁直线电机极距λ的1/3。
进一步的，本发明系统中，所述线性霍尔传感器与圆筒型永磁直线电机动子相平行，三个线性霍尔传感器分别与圆筒型永磁直线电机定子的ABC三相相对应。
进一步的，本发明系统中，所述逆变器在直流侧通过直流线路与整流器连接，逆变器交流侧与电网或者三相负载相连接。
本发明的直线电机动子运动方向检测方法，包括以下步骤：
1)启动异步电机，带动直线电机动子运动，同时给无位置动子运动方向检测器上电；
2)以T为单位采样时间，实时采集无位置动子运动方向检测器中三个霍尔传感器感应输出的电压信号，发送至数字信号处理器中，其中单位采样时间T小于直线电机动子在两端停顿时长△t；
3)数字信号处理器中，基于三个线性霍尔传感器在第k个采样时段tk时输出的电压幅值HA(tk)、HB(tk)、HC(tk)，在第k个采样时段tk+1时输出的电压幅值HA(tk+1)、HB(tk+1)、HC(tk+1)，按照以下规则判断直线电机动子的运动方向：
若HA(tk)＝HA(tk+1)，HB(tk)＝HB(tk+1)，HC(tk)＝HC(tk+1)，HB(tk)>HA(tk)，HA(tk)> HC(tk)，HB(tk+1)>HA(tk+1)，HA(tk+1)>HC(tk+1)，则此时直线电机动子运动到顶端，下一周期直线电机动子向下运动；
若HA(tk)＝HA(tk+1)，HB(tk)＝HB(tk+1)，HC(tk)＝HC(tk+1)，HA(tk)>HB(tk)，HA(tk)>HC(tk)，HA(tk+1)>HB(tk+1)，HA(tk+1)>HC(tk+1)，则此时直线电机动子运动到底端，下一周期直线电机动子向上运动。
本发明在永磁直线电机定子上安装线性霍尔传感器，同时，结合能量跟踪控制策略对电能进行处理，具体为：
(1)波浪发电模拟系统：波浪驱动模拟模块由变频器、驱动电机、飞轮、曲轴连杆、直线电机等组成，提出了一种模拟实际海况中的波浪发电模拟系统。该模拟系统的主要工作原理为：首先结合实际海况中波浪运动的频率以及驱动电机转子和直线电机动子运动频率的转换关系，并通过变频器设置好驱动电机的运动频率；驱动电机选用异步电机，驱动电机工作在变频器设定好的频率，通过皮带与飞轮连接，带动飞轮转动；进而飞轮与直线的动子通过曲轴连杆装置相连接，飞轮的旋转运动通过曲轴连杆装置转换为直线电机动子的直线运动，从而实现了动子做上下往复运动的状态，模拟了实际海况中波浪的运动过程。
(2)无位置动子运动方向检测模块：该模块由三个线性霍尔传感器构成，根据永磁直线电机设计时的极距，将三个线性霍尔传感器焊接在设计好的电路板上，然后将电路板固定安装在永磁直线电机内部定子上。从线性霍尔传感器输出信号上，可以根据动子运动到两端时的特征准确判断出动子的运动方向。
(3)信息采集模块：该模块分为机侧和网侧两部分，主要由电流、电压互感器组成。考虑到永磁直线电机输出电压频率和幅值的时变性，因此必须对电机输出三相都进行采样。
(4)电能处理整流模块：该模块主要由AD采样芯片、DSP、IGBT驱动和全控整流桥IGBT等组成。AD采样芯片将从机侧采集到的模拟量转换为数字量送到DSP中进行处理；在DSP进行算法程序的编写，实现控制策略；DSP处理得到控制全控整流桥IGBT开通与关断的PWM信号再经过IGBT驱动送入到全控整流桥中，从而可以实现波浪发电能量输出的可控。
(5)电能处理逆变并网模块：该模块主要由AD采样芯片、DSP、IGBT驱动和全控整流桥IGBT等组成。AD采样芯片将从网侧采集到的模拟量转换为数字量送到DSP中进行处理；在DSP进行算法程序的编写，根据逆变得到的电压幅值和频率满足并网条件设计控制策略；DSP处理得到控制全控整流桥IGBT开通与关断的PWM信号再经过IGBT驱动送入到IGBT逆变电路中，实现逆变并网，从而实现了直驱式波浪发电能量输出整流逆变的全过程。
本发明系统包括波浪发电模拟模块，用于模拟实际海况中波浪发电的过程；无位置动子运动方向检测模块，用于检测永磁直线电机动子的运动；信息采集模块，用于采集电机侧和网侧的电流、电压信号；电能处理整流模块、电能处理逆变并网模块，用于波浪发电模拟模块三相输出的整流，并且按照并网条件进行逆变并入到大电网中去。本发明的直驱式波浪发电系统不仅可以有效检测永磁直线动子的运动方向，同时可以准确有效地模拟实际海况中波浪发电电能输出通过整流逆变并入到大电网中的全过程，对波浪能发电的发展具有很高的研究价值和意义。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、本发明设计了异步电机、飞轮、曲轴连杆、圆筒型永磁直线电机的直驱式波浪发电系统模拟平台，现有的波浪发电模拟平台通常采用平板直线电机来模拟波浪发电过程，通过异步电机带动直线电机动子做直线方向上的往复运动，并不能够真是模拟实际海况中波浪上下运动发出电能的过程，而本发明的波浪模拟系统，异步电机通过飞轮配重结合曲轴连杆带动直线电机动子运动，具有结构清晰、发电效率高等优点，可以使动子运动符合实际海况中的运动状态，从而的真实模拟直驱式波浪发电的工作过程。
2、本发明采用线性霍尔传感器来检测动子运动方向的方法，可以实现无位置检测动子的运动的方向，传统的位置传感器和光栅尺等检测位置的传感器安装复杂，且检测过程中运算较为复杂，精度较低，而采用本方法根据比较线性霍尔传感器输出信号的特征，通过简单的算法即可得出动子的运动方向，可以大大的简化动子运动方向的检测，具有经济性高、可靠性高、响应快等优点。
3、采用能量跟踪控制策略，机侧整流控制器中q轴参考电流与直线电机动子运动速度相对应，q轴参考电流为正弦变化的，传统的机侧整流控制器中q轴参考电流为恒定值，但考虑到直线电机动子运动速度为正弦波动的，因此，q轴参考电流设为正弦波动的值，可以有效实现直线发电机输出能量的跟踪控制。
附图说明
图1为直驱式波浪发电系统的整体图；
图2为波浪发电模拟系统图；
图3为无位置动子运动方向检测模块图；
图4信息采集模块图；
图5为电能处理整流逆变模块图；
图6为直线电机动子运动时三个线性霍尔传感器输出电压示意图。
图中有：1、波浪发电模拟模块；2、电流互感器模块；3、电压互感器模块；4、整流模块；5、逆变模块。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作更进一步的说明。
本发明的直驱式波浪发电系统，其结构图如图1所示，包括：波浪发电模拟系统、无位置动子运动方向检测模块、信息采集模块、电能处理整流模块、电能处理逆变并网模块，具体为：
(1)直驱式波浪发电系统：图1为直驱式波浪发电系统的整体图，主要由波浪发电模拟系统、无位置动子运动方向检测模块、信息采集模块和电能处理的整流逆变模块所组成。
(2)波浪发电模拟模块：图2所示为波浪发电模拟系统。波浪驱动模拟模块由变频器、驱动电机、飞轮、曲轴连杆、直线电机等组成，模拟了一种模拟实际海况中的波浪发电模拟系统。该模拟系统的主要工作原理为：首先结合实际海况中波浪运动的频率以及驱动电机转子和直线电机动子运动频率的转换关系，并通过变频器设置好驱动电机的运动频率；驱动电机选用异步电机，驱动电机工作在变频器设定好的频率，通过皮带与飞轮连接，带动飞轮转动；进而飞轮与直线的动子通过曲轴连杆装置相连接，飞轮的旋转运动通过曲轴连杆装置转换为直线电机动子的直线运动，从而实现了动子做上下往复运动的状态，模拟了实际海况中波浪的运动过程。
(3)无位置动子运动方向检测模块：图3所示为无位置动子运动方向检测模块。该模块由三个线性霍尔传感器构成，将三个线性霍尔传感器焊接在设计好的电路板上，然后将电路板固定安装在永磁直线电机内部定子上，当动子做上下往复运动时，与定子产生相对运动，从而会在线性霍尔传感器上感应出电压输出，从线性霍尔传感器输出信号上，可以根据动子运动到两端时的特征准确判断出动子的运动方向。
线性霍尔传感器采集信号过程中，直线电机动子运动两端时，由于永磁直线电机动子运动到两端时因为电机的定位力和机械结构，会造成动子和定子在△t时间内相对静止，电机动子会在两端停顿△t时间，此时，三个线性霍尔传感器输出电压幅值在△t时间内恒定不变，且动子运动到两端时，三个线性霍尔传感器输出电压幅值大小一定如图6所示；
基于三个线性霍尔传感器在第k个采样时段tk时输出的电压幅值HA(tk)、HB(tk)、HC(tk)，在第k个采样时段tk+1时输出的电压幅值HA(tk+1)、HB(tk+1)、HC(tk+1)，按照以下规则判断直线电机动子的运动方向：
若HA(tk)＝HA(tk+1)，HB(tk)＝HB(tk+1)，HC(tk)＝HC(tk+1)，HB(tk)>HA(tk)，HA(tk)>HC(tk)，HB(tk+1)>HA(tk+1)，HA(tk+1)>HC(tk+1)，则此时直线电机动子运动到顶端，下一周期直线电机动子向下运动；
若HA(tk)＝HA(tk+1)，HB(tk)＝HB(tk+1)，HC(tk)＝HC(tk+1)，HA(tk)>HB(tk)，HA(tk)>HC(tk)，HA(tk+1)>HB(tk+1)，HA(tk+1)>HC(tk+1)，则此时直线电机动子运动到底端，下一周期直线电机动子向上运动。
因此可以有效判断出永磁直线电机动子的运动方向，从而得到正确的超前或滞后的电角度，从而在控制环节中便可以选择正确的派克坐标变换公式。
当动子向下运动时，电压相序为ABC，此时abc/dq坐标变换公式为：
当动子向上运动时，电压相序为CBA，此时abc/dq坐标变换公式为：
相对应地，在控制过程中，通过编写算法来实现动子上下运动时选择相应的坐标变换进行控制，因此可以实现对电能处理中电角度超前和滞后的准确控制。
(4)信息采集模块：该模块分为机侧和网侧两部分，主要由电流(LA)、电压互感器(LV)组成。考虑到永磁直线电机输出电压频率和幅值的时变性，因此必须对电机输出三相都进行采样。在选取电流、电压互感器时需要分析机侧和网侧的测量范围，从而选取合适型号的电流、电压互感器，提高信息采集精度。
(5)电能处理整流模块：该模块主要由AD采样芯片、DSP、IGBT驱动和全控整流桥IGBT等组成。AD采样芯片将从机侧采集到的模拟量转换为数字量送到DSP中进行处理；在DSP进行算法程序的编写，实现控制策略，考虑到直线电机动子速度为正弦波动的运动特性，本发明整流模块采用的控制策略为d轴电流id＝0，q轴电流iq为与动子运动速度相匹配的正弦波动值的控制策略，区别于传统的iq为恒定值控制策略，采用q轴电流iq为正弦波动值可以有效跟踪控制直线电机的能量输出，提高波浪发电系统的发电效率；最后，DSP处理得到的控制全控整流桥IGBT开通与关断的PWM信号再经过IGBT驱动送入到全控整流桥中，控制全控整流桥中6个IGBT开关管的导通与关断，从而可以实现波浪发电能量输出的可控整流。
(6)电能处理逆变并网模块：该模块主要由AD采样芯片、DSP、IGBT驱动和全控整流桥IGBT等组成。AD采样芯片将从网侧采集到的模拟量转换为数字量送到DSP中进行处理；在DSP进行算法程序的编写，根据逆变得到的电压幅值和频率满足并网条件设计控制策略，采用直流侧定电压的控制策略；DSP处理得到控制全控整流桥IGBT开通与关断的PWM信号再经过IGBT驱动送入到IGBT逆变电路中，控制全控逆变桥中6个IGBT开关管的导通与关断，实现逆变并网，从而实现了直驱式波浪发电能量输出整流逆变的全过程。
本发明的无位置检测动子运动方向的直驱式波浪发电系统，可以有效模拟直驱式波浪发电整流、逆变并网的全过程，同时可以有效基于无位置检测出永磁直线电机动子的运动方向。本发明的基于无位置检测动子运动方向的直驱式波浪发电系统，包括波浪发电模拟模块、无位置动子运动方向检测模块、信息采集模块、电能处理整流模块、电能处理逆变并网模块。首先安装好波浪发电模拟模块的各个部分，通过驱动电机和中间机构带动永磁直线电机运动，从而模拟波浪发电的工作过程。将无位置动子运动方向检测模块即线性霍尔传感器电路板固定安装在永磁直线电机定子上，根据动子和定子相对运动时的输出电压信号特征准确有效的判断出动子的运动方向。信息采集模块中的电流、电压互感器分别采用串、并联的形式安装在电路中，实时检测系统电路中的电流和电压值，采集到的数据送入到控制电路中进行处理。电能处理的整流、逆变模块的主电路是分别由6个IGBT组成的全控整流桥，全控整流桥的开通与关断信号由DSP送入，DSP将信息采集模块和无位置检测动子运动方向模块采集到的信号在内部进行处理，从而得到全控整流桥所需的PWM信号，从而实现全控整流桥中IGBT的开通与关断，最终实现直驱式波浪发电的可控整流、逆变并网的全过程。
上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种直驱式波浪发电系统，其特征在于，该系统包括圆筒型永磁直线电机、一端与所述圆筒型永磁直线电机动子连接的曲轴连杆、与所述曲轴连杆另一端连接的飞轮、通过皮带与所述飞轮相连的异步电机、设置在所述圆筒型永磁直线电机定子端的无位置动子运动方向检测器、与所述圆筒型永磁直线电机输出端三相连接的整流器、与所述整流器连接的逆变器，所述无位置动子运动方向检测器包括三个贴覆在圆筒型永磁直线电机定子端的线性霍尔传感器，任意两个线性霍尔传感器的间距为圆筒型永磁直线电机极距λ的1/3。
2.如权利要求1所述的直驱式波浪发电系统，其特征在于，所述线性霍尔传感器与圆筒型永磁直线电机动子相平行，三个线性霍尔传感器分别与圆筒型永磁直线电机定子的ABC三相相对应。
3.如权利要求1或2所述的直驱式波浪发电系统，其特征在于，所述逆变器在直流侧通过直流线路与整流器连接，逆变器交流侧与电网或者三相负载相连接。
4.一种直线电机动子运动方向检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)启动异步电机，带动直线电机动子运动，同时给无位置动子运动方向检测器上电；
2)以T为单位采样时间，实时采集无位置动子运动方向检测器中三个霍尔传感器感应输出的电压信号，发送至数字信号处理器中，其中单位采样时间T小于直线电机动子在两端停顿时长△t；
3)数字信号处理器中，基于三个线性霍尔传感器在第k个采样时段tk时输出的电压幅值HA(tk)、HB(tk)、HC(tk)，在第k个采样时段tk+1时输出的电压幅值HA(tk+1)、HB(tk+1)、HC(tk+1)，按照以下规则判断直线电机动子的运动方向：
若HA(tk)＝HA(tk+1)，HB(tk)＝HB(tk+1)，HC(tk)＝HC(tk+1)，HB(tk)>HA(tk)，HA(tk)>HC(tk)，HB(tk+1)>HA(tk+1)，HA(tk+1)>HC(tk+1)，则此时直线电机动子运动到顶端，下一周期直线电机动子向下运动；
若HA(tk)＝HA(tk+1)，HB(tk)＝HB(tk+1)，HC(tk)＝HC(tk+1)，HA(tk)>HB(tk)，HA(tk)>HC(tk)，HA(tk+1)>HB(tk+1)，HA(tk+1)>HC(tk+1)，则此时直线电机动子运动到底端，下一周期直线电机动子向上运动。
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| Vukajlovic et al. | Active control of induction generator in ocean wave energy conversion system | |
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| Farrok et al. | Advanced electrical machines for oceanic wave energy conversion | |
| Rasool et al. | Advanced modelling and performance analysis of permanent magnet linear generators | |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |