CN107035607B - 一种曲柄滑块式波浪能发电装置及其相位控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种曲柄滑块式波浪能发电装置，包括离岸平台、箱体和曲柄滑块机构，所述曲柄滑块机构与箱体安装在离岸平台上，所述曲柄滑块机构的曲柄轴上一端装有飞轮，所述曲柄轴的另一端连接交流发电机，所述曲柄滑块机构的滑块与所述离岸平台间安装有导轨，所述滑块的底端固定置于海面上的浮体。以及一种曲柄滑块式波浪能发电装置的相位控制方法，通过控制浮标运动的相位来使发电机与波浪激励力共振。本发明提供了一种结构紧凑、易于规模化生产、传动效率较高的曲柄滑块式波浪能发电装置及其相位控制方法。

Description

一种曲柄滑块式波浪能发电装置及其相位控制方法
技术领域
本发明涉及一种发电装置，尤其是一种波浪能发电装置及其相位控制方法。
背景技术
海洋波能量是可再生能源研究的一个新兴领域。海洋能量以各种形式存在于海洋中，而海浪是最大的也是最广泛的海洋资源之一。与风能相比，海浪能量具有更高的功率密度。然而，波浪能技术仍处于发展的早期阶段，不如其他成熟的可再生能源，如太阳能和风能。
目前，现有的波浪能发电装置整体上可以归类为振荡水柱式、溢流式以及震荡浮子式等。此类装置一般利用波浪的垂向运动，俯仰运动以及冲击运动等发电，并主要采用机械能/液压能到电能或者直驱电机的形式实现发电。但是，现有的液压发电装置的效率偏低，直线电机成本昂贵，且所产生的电能质量较差。现有的波浪发电装置也采用齿轮齿条形式实现电能转换，但是，齿轮齿条的齿隙误差通常较大，容易导致所发电质量的降低。
同时，现有的波浪发电的控制方法整体上可以分为被动控制与复杂共轭控制两类。被动控制方法主要控制浮体的位移；复杂共轭控制则是不仅控制浮体的位移，且控制其相位。相比于被动控制而言，复杂共轭控制是一种最佳的控制方法，但是很难在实际的发电控制过程中实现，很难做到实时运行，且成本高昂，难以有效地达到预期的效果。
发明内容
为了克服已有波浪能发电装置的结构复杂、不易于规模化生产、传动效率较低的不足，本发明提供了一种结构紧凑、易于规模化生产、传动效率较高的曲柄滑块式波浪能发电装置及其相位控制方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种曲柄滑块式波浪能发电装置，包括离岸平台、箱体和曲柄滑块机构，所述曲柄滑块机构与箱体安装在离岸平台上，所述曲柄滑块机构的曲柄轴上一端装有飞轮，所述曲柄轴的另一端连接交流发电机，所述曲柄滑块机构的滑块与所述离岸平台间安装有导轨，所述滑块的底端固定置于海面上的浮体。
一种曲柄滑块式波浪能发电装置的相位控制方法，所述相位控制方法通过控制浮标运动的相位来使发电机与波浪激励力共振，预测波浪激励力以保持海浪与发电机间的谐振，通过检测并记录波浪激励力频率的零交点，当检测到零交点时采用针对下一半周期预测的周期值，然后通过线性插值产生角度值参考：
Figure BDA0001278839930000021
其中，θold是电机在最后一个周期结束时的角度值，T是波预测的半周期，t是过零点后经过的时间；
同时检测发电机的轴角度并将其与参考值进行比较，再用基于规则的角度控制算法确定电机驱动系统的参考速度，其规则如下：
Figure BDA0001278839930000022
Figure BDA0001278839930000023
其中，ωref是参考速度，gr是滑块与电机间的齿数比，
Figure BDA0001278839930000024
是预测的下一半周期间电机平均角速度，θ是电机实际角度，δ是增量常数，ωmax和ωmin分别是参考速度的最大值和最小值。
进一步，所述参考速度再通过一阶无限脉冲响应的低通滤波器。
本发明的有益效果主要表现在：
1、利用了曲柄滑块装置的线性运动到旋转运动的机械转换，具有固定的旋转幅度，无需采用相应的锁定控制方法，即可实现波浪能捕获，并能在极端波浪状况下，限制最大的输出功率。
2、采用所提出的基于规则的相位控制方法，仅需控制浮标运动的相位，通过检测波浪的周期，实时预测发电机的速度。同时，该方法是非参数性质的，无需经常调整曲柄滑块的机械参数。
3、该装置中的曲柄滑块海浪能量转换器解决了线性海浪能量转换器的大规模部署时存在的间隙和线性引导问题。
4、该发电装置的结构简洁，紧凑，易于规模化生产，有较高的传动效率。
附图说明
图1为曲柄滑块式波浪能发电装置的结构图；
图2为曲柄滑块式波浪能发电装置的相位控制方法的流程图。
其中，1.交流发电机，2.曲柄，3.飞轮，4.箱体，5.离岸平台，6.滑块，7.浮体，8.导轨，9.波浪。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1和图2，一种曲柄滑块式波浪能发电装置，包括离岸平台、箱体、曲柄滑块机构，曲柄滑块机构与箱体安装在离岸平台上，曲柄轴上一端装有飞轮，另一端连接交流发电机，滑块与平台间安装有导轨，滑块底端固定一浮体，浮体置于海面上。通常，浮体的位移设计成为曲柄半径的两倍。鉴于波浪周期通常主要介于6到10秒之间，如果发电机转速与波浪运动速度相等，则电能输出将大幅度降低。发电机的额定转速可以设计为1100转/分，以产生较多的能量，而当波浪频率较低时，为使得发电机工作在额定转速附近，可以在发电机之前安装一个齿轮箱。
一种曲柄滑块式波浪能发电装置的相位控制方法，控制浮标运动的相位来使发电机与波浪激励力共振，预测波浪激励力以保持海浪与发电机间的谐振，通过检测并记录波浪激励力频率的零交点，当检测到零交点时采用针对下一半周期预测的周期值，然后通过线性插值产生角度值参考：
Figure BDA0001278839930000041
其中θold是电机在最后一个周期结束时的角度值，T是波预测的半周期，t是过零点后经过的时间。
同时检测发电机的轴角度并将其与参考值进行比较，随之用基于规则的角度控制算法确定电机驱动系统的参考速度。其规则如下：
Figure BDA0001278839930000042
Figure BDA0001278839930000043
其中ωref是参考速度，gr是滑块与电机间的齿数比，
Figure BDA0001278839930000044
是预测的下一半周期间电机平均角速度，θ是电机实际角度，δ是增量常数，ωmax和ωmin分别是参考速度的最大值和最小值。参考速度再通过一阶无限脉冲响应的低通滤波器，以提高抗干扰能力。参考速度保证了浮标的速度与激励力同步和电机连续旋转。
本实施例中，浮体7在波浪9的推动下随着波浪9上下直线运动，驱动滑块6上下移动，通过曲柄滑块机构把滑块6的直线运动转换为曲柄2的旋转运动，驱动交流发电机1的旋转，交流发电机1产生电能输出。同时安装在曲柄2轴上的飞轮3可存储旋转的动能，实现削峰填谷的作用，稳定交流发电机1的转速来提高输出电能的质量。
发电装置基于规则的相位控制方法，如图2，仅需控制浮标运动的相位来使发电机与波浪激励力共振。算法需要预测波浪激励力以保持海浪与发电机间的谐振，通过检测并记录波浪激励力频率的零交点，当检测到零交点时采用针对下一半周期预测的周期值，然后通过线性插值产生角度值参考。同时检测发电机的轴角度并将其与参考值进行比较，随之用基于规则的角度控制方法确定电机驱动系统的参考速度。参考速度再通过一阶无限脉冲响应的低通滤波器，以提高抗干扰能力。参考速度保证了浮标的速度与波浪激励力同步和电机连续旋转。

Claims (2)

1.一种曲柄滑块式波浪能发电装置的相位控制方法，其特征在于：所述发电装置包括离岸平台、箱体和曲柄滑块机构，所述曲柄滑块机构与箱体安装在离岸平台上，所述曲柄滑块机构的曲柄轴上一端装有飞轮，所述曲柄轴的另一端连接交流发电机，所述曲柄滑块机构的滑块与所述离岸平台间安装有导轨，所述滑块的底端固定置于海面上的浮标，所述相位控制方法通过控制浮标运动的相位来使发电机与波浪激励力共振，预测波浪激励力以保持海浪与发电机间的谐振，通过检测并记录波浪激励力频率的零交点，当检测到零交点时采用针对下一半周期预测的周期值，然后通过线性插值产生角度值参考：
Figure FDA0004058996260000011
其中，θold是电机在最后一个周期结束时的角度值，T是波预测的半周期，t是过零点后经过的时间；
同时检测发电机的轴角度并将其与参考值进行比较，再用基于规则的角度控制算法确定电机驱动系统的参考速度，其规则如下：
Figure FDA0004058996260000012
Figure FDA0004058996260000013
其中，ωref是参考速度，gr是滑块与电机间的齿数比，
Figure FDA0004058996260000014
是预测的下一半周期间电机平均角速度，θ是电机实际角度，δ是增量常数，ωmax和ωmin分别是参考速度的最大值和最小值。
2.如权利要求1所述的相位控制方法，其特征在于：所述参考速度再通过一阶无限脉冲响应的低通滤波器。
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