CN107882676A - 倒挂式波浪能发电装置及其最优捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种倒挂式波浪能发电装置及其最优捕获方法，采用圆柱体浮子捕获波浪能，由曲柄联杆和变速轮升速驱动直线电机动子发电，借助非可控整流和BOOST变流器，调整波浪能捕获功率；采用捕获控制稳定优化和捕获控制扰动寻优的协同最优捕获方法，提升波浪能捕获；波浪能特征提取基于16个内含加速度计、陀螺仪的浮标全方位采集获取，捕获控制稳定优化基于圆柱体浮子动态模型和直线发电机有效输出功率协同优化获得，捕获控制扰动寻优是在稳态优化控制器的基础上，扰动调整控制器参数，结合实测发电机输出功率在线优化获取，本发明的倒挂式安装和最优捕获方法，极大降低了设备密封和防腐要求，大幅提升了波浪能捕获功率。

Description

倒挂式波浪能发电装置及其最优捕获方法

技术领域

本发明公开了一种倒挂式波浪能发电装置及其最优捕获方法，是一种应用 于广阔海洋，有效调控海上风电输出功率波动，为偏远海岛、沿海区域以及过 往轮船提供可靠电能的新型发电装置及其最优捕获方法。

背景技术

随着世界能源危机和环境污染的日益严重，风力发电、波浪能等新能源普遍 受到世界各国青睐，我国明确提出加快海洋资源开发，推动能源结构升级。波 浪能作为清洁能源，海上蕴含量大，已成为各国科研人员的重要研究方向，目 前波浪能发电设备的研发和试制已取得了较快发展，特别是英国的海蛇波能装 置以及美国的Power-Buoy都已下海成功应用，但波浪能转化的关键设备均潜入 海水，海水高盐度以及高压环境，极易导致设备腐蚀和扭曲，使得波浪能捕获 设备的密封性、材料刚度以及抗腐蚀性等方面的要求较高，极大地增大了设备 生产、安装和维护成本，降低了波浪能捕获设备使用寿命；由于波浪能捕获设 备完全潜入水中，波浪能捕获设备的捕获基点随波浪波动而变化，同时因其采 用液压或者压缩空气等储能设备对波浪能捕获装置的阻尼力和弹簧力实施调 控，具有严重滞后性，制约了波浪能的高效捕获和波浪能发电装置的真正使用 化。

发明内容

本发明的技术任务是针对上述技术的不足，提出的一种新型倒挂式波浪能 发电装置及其最优捕获方法。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：倒挂式波浪能发电装置，其 特征在于倒挂式安装在海上风力发电塔架平台上，变速及发电设备全部设置在 海平面上端，包括圆柱体浮子、曲柄联杆Ⅰ、变速内轮、变速外轮、曲柄联杆 Ⅱ、直线发电机、浮子缆绳、波浪能机舱舱壁、制动器、功率调控单元、16个 浮标传感器、以及DSP28035主控单元；所述圆柱体浮子在海浪浮力和激振力作 用下，垂直上下运动捕获波浪能；所述曲柄联杆Ⅰ、变速内轮、变速外轮以及 曲柄联杆Ⅱ构成变速机构，将圆柱体浮子的低速运动提升为直线电机动子的高 速运动；所述直线发电机包括永磁体动子和绕线式定子，动子在定子内腔中高 速运动；所述浮子缆绳将圆柱体浮子弹性固定，抑制圆柱体浮子水平位移；所 述波浪能机舱舱壁是波浪能子系统保护隔离设备，确保内部设备的密封性和抗 腐蚀性；所述制动器是波浪能子系统的制动安全保护装置，制动锁存圆柱体浮 子位置和浸润体积；所述功率调控单元包括三相非可控整流器、波浪能捕获 BOOST变流器、BOOST升压变流器以及电压电流传感器，所述三相非可控整 流器将直线发电机定子三相交流整流，所述波浪能捕获BOOST变流器在线调整 直线发电机反电磁力，最大捕获波浪能，所述BOOST升压变压器将波浪能捕获BOOST变流器输出升压，并与海上风力发电系统的直流母线耦合，所述电压电 流传感器放置在波浪能捕获BOOST变流器后侧，用于在线计算直线发电机实际 捕获功率；所述16个浮标传感器为内含加速度计、陀螺仪以及GSM无线模块 的波浪特征参数提取设备，以间隔22.5度均匀放置在以海上风力塔架平台为中 心的外圆周上，全方位检测提取波浪特征参数；所述DSP28035主控单元全方位 汇总波浪高度、波浪频率、输出直流电压和电流信号，并根据最优捕获方法完 成波浪能最大捕获以及升压，完成波浪能发电装置和海上风电直流母线的耦合 和汇流。

倒挂式波浪能发电装置最优捕获方法，其特征在于包括捕获控制稳定优化、 捕获控制扰动寻优两部分，所述捕获控制稳定优化为根据波浪能发电装置动态 模型、浮标传感器测量的波浪波高和频率，以直线发电机输出功率最大化为目 标，在线优化计算控制器参数；所述捕获控制扰动优化是在捕获控制稳定优化 的基础上，小范围调整优化的控制器参数，并根据BOOST变流器输出电压和电 流，在线计算调整后的发电机输出功率，直至达到最大波浪能捕获，共包括以 下6个步骤：

步骤1，构建以波浪能捕获BOOST变流器占空比d为控制输入，包含圆柱 体浮子自重G、圆柱体浮子所受浮力F_f以及直线电机电磁力F_d的波浪能发电 装置的动态模型

步骤2，采用状态反馈法设计波浪能发电装置控制器输入

步骤3，将步骤2控制输入代入步骤1动态模型中得对上式进行s域转化可得圆柱体浮子8 速度

步骤4，根据直线发电机有效输出功率，可得直线发电机最大功率捕获的条 件为：k₁＝nNB²L²/R_s，k₂＝mω²-ρgs；

步骤5，将波浪高度A、波浪频率ω、直线电机内阻R_s、非可控整流系数k_dc代入至步骤4中的k₁和k₂中，可得优化的捕获控制器，DSP28035主控单元根据 优化的捕获控制器，调整波浪能捕获BOOST变流器占空比，测量此时波浪能捕 获BOOST变流器后侧的电压传感器和电流传感器，计算直线发电机输出功率 P(k)；

步骤6，在优化控制参数k₁和k₂基础上，以步长Δk₁和Δk₂动态调整k₁和k₂， 并基于波浪能捕获BOOST变流器后侧的电压传感器和电流传感器，实时计算调 整后发电机输出功率P(k+1)，当P(k+1)>P(k),控制参数同方向调整；当 P(k+1)<P(k),则控制器参数反方向调整，直至P(k+1)＝P(k)，从而获得波 浪能最优捕获控制参数。

本发明带来的有益效果是：

1)将波浪发电装置倒挂安装在海上风电塔架平台下端，综合应用波浪能发 电装置功率调控动态速度快的特点，平抑海上风电输出功率的波动，极大提升 了海上风电输出电能的可靠性和供电质量。

2)将波浪能发电装置倒挂式安装在风力发电塔架平台下端，稳定了波浪子 系统捕获基点，提高了波浪能捕获效率，同时发电设备远离海水，极大降低了 设备对密封性和材料刚度的要求，提高了设备使用寿命，降低了设备的安装与 维护成本。

3)采用了BOOST变流器动态调控捕获设备阻尼力和弹簧力，提高了波浪 能捕获控制实时性，同时基于捕获控制稳定优化、捕获控制扰动寻优的综合最 优捕获方法，极大地消除了因测量误差以及模型参数改变对波浪能最优捕获功 率的影响，极大地提高了波浪能捕获效率。

附图说明

图1倒挂式波浪能发电装置安装及内部结构图。

图2倒挂式波浪能发电装置功率控制结构图。

图3倒挂式波浪能发电装置最优捕获方法原理图。

图中标号说明：1.风机桨叶，2.塔架，3.风机机舱，4.固定螺栓，5.塔架平台， 6.鼠笼式支撑架，7.浮子缆绳，8.圆柱体浮子，9.功率调控单元，10.电缆通孔， 11.直线发电机定子，12.直线发电机动子，13.曲柄联杆Ⅱ，14.变速外轮，15. 变速内轮，16.曲柄联杆Ⅰ，17.制动器，18.风能PWM整流器，19.三相不可控 整流器，20.波浪能捕获BOOST变流器，21.BOOST升压变流器，22.电压传感 器，23.电流传感器，24.风浪汇流直流母线，25.送端站变流器,26.DSP28035 主控单元，27.浮标传感器。

变量说明：m圆柱体浮子质量，n直线电机定子绕组匝数，N直线电机槽内 总导体数，B平均磁场强度，L定子槽内导体有效长度，R_s直线电机内阻， ρ海水密度，g重力加速度，s圆柱体浮子底面积，U_dc波浪能捕获BOOST 变流器输出电压，k_dc非可控整流系数，F_W激振力，A波浪高度，ω波浪 频率，x圆柱体浮子位移，圆柱体浮子速度，圆柱体浮子加速度，d波浪能捕获BOOST变流器占空比，k₁优化阻尼参数，k₂优化弹簧参数，P(k)k 时刻波浪能发电功率，P(k+1)k+1时刻波浪能发电功率，Δk₁阻尼参数调整 步长，Δk₂弹簧参数调整步长，G圆柱体浮子自重，F_f圆柱体浮子所受浮 力，F_d直线电机反电磁力。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进一步说明。

本发明所公布的倒挂式波浪能发电装置包括圆柱体浮子8、曲柄联杆Ⅰ16、 变速内轮15、变速外轮14、曲柄联杆Ⅱ13、直线电机动子12、直线电机定子 11、浮子缆绳7、制动器17、功率调控单元9(包括三相非可控整流器19、波 浪能捕获BOOST变流器20以及BOOST升压变流器21)、电压传感器22、电 流传感器23、风波汇流直流母线24、送端站变流器25、DSP28035主控单元26、 16个浮标传感器27。

16个浮标传感器27实时全方位采集波浪高度A和波浪频率ω信号，输送 至DSP28035主控单元26；DSP28035主控单元26根据最优捕获方法，实时调 控优化捕获参数，改变直线电机反电磁力；圆柱体浮子8在波浪力和直线发电 机反电磁力的作用下，以最优速度上下垂直运动，经曲柄联杆Ⅰ16、变速内轮 15、变速外轮14和曲柄联杆Ⅱ13驱动直线电机动子12高速运动，直线电机定 子11切割磁力线输出交流电，输出交流电经三相非可控整流器19整流为直流 电，输送至波浪能捕获BOOST变流器20进行占空比调制，调制后直流电经 BOOST升压变流器21升压，输送至风波汇流直流母线24；风波汇流直流母线 24汇流风浪发电的总电能，经送端站变流器25升压后，输送至柔性直流电网。

DSP28035主控单元26调控直线发电机反电磁力，实施最优捕获方法的具 体步骤为：

步骤1，构建以波浪能捕获BOOST变流器20占空比d为控制输入，包含 圆柱体浮子自重G、圆柱体浮子所受浮力F_f以及直线发电机电磁力F_d的波浪 能发电装置的动态模型

步骤2，采用状态反馈法设计波浪能发电装置控制器输入

步骤3，将步骤2控制输入代入步骤1动态模型中得对上式进行s域转化可得圆柱体浮子8 速度

步骤4，根据直线发电机最大有效输出功率，可得直线发电机最大功率捕获 的条件为：k₁＝nNB²L²/R_s，k₂＝mω²-ρgs；

步骤5，将波浪高度A、波浪频率ω、直线电机内阻R_s、非可控整流系数k_dc代入至步骤4中的k₁和k₂中，可得优化的捕获控制器，DSP28035主控单元26 根据优化的捕获控制器，调整波浪能捕获BOOST变流器20占空比，测量此时 波浪能捕获BOOST变流器后侧的电压传感器22和电流传感器23，计算直线发 电机输出功率P(k)；

步骤6，在优化控制参数k₁和k₂基础上，以步长Δk₁和Δk₂动态调整k₁和k₂， 并基于波浪能捕获BOOST变流器20后侧的电压传感器22和电流传感器23， 实时计算调整后发电机输出功率P(k+1)，当P(k+1)>P(k),控制参数同方向 调整；当P(k+1)<P(k),则控制器参数反方向调整，直至P(k+1)＝P(k)，从 而获得波浪能最优捕获控制参数。

Claims (2)

1.一种倒挂式波浪能发电装置，其特征在于，倒挂式地安装在海上风力发电塔架平台上，变速及发电设备全部设置在海平面上端，包括圆柱体浮子、曲柄联杆Ⅰ、变速内轮、变速外轮、曲柄联杆Ⅱ、直线发电机、浮子缆绳、波浪能机舱舱壁、制动器、功率调控单元、16个浮标传感器、以及DSP28035主控单元；所述圆柱体浮子在海浪浮力和激振力作用下，垂直上下运动捕获波浪能；所述曲柄联杆Ⅰ、变速内轮、变速外轮以及曲柄联杆Ⅱ构成变速机构，将圆柱体浮子的低速运动提升为直线电机动子的高速运动；所述直线发电机包括永磁体动子和绕线式定子，动子在定子内腔中高速运动；所述浮子缆绳将圆柱体浮子弹性固定，抑制圆柱体浮子水平位移；所述波浪能机舱舱壁是波浪能子系统保护隔离设备，确保内部设备的密封性和抗腐蚀性；所述制动器是波浪能子系统的制动安全保护装置，制动锁存圆柱体浮子位置和浸润体积；所述功率调控单元包括三相非可控整流器、波浪能捕获BOOST变流器、BOOST升压变流器以及电压电流传感器，所述三相非可控整流器将直线发电机定子三相交流整流，所述波浪能捕获BOOST变流器在线调整直线发电机反电磁力，最大捕获波浪能，所述BOOST升压变压器将波浪能捕获BOOST变流器输出升压，并与海上风力发电系统的直流母线耦合，所述电压电流传感器放置在波浪能捕获BOOST变流器后侧，用于在线计算直线发电机实际捕获功率；所述16个浮标传感器为内含加速度计、陀螺仪以及GSM无线模块的波浪特征参数提取设备，以间隔22.5度均匀放置在以海上风力塔架平台为中心的外圆周上，全方位检测提取波浪特征参数；所述DSP28035主控单元全方位汇总波浪高度、波浪频率、输出直流电压和电流信号，并根据最优捕获方法完成波浪能最大捕获以及升压，完成波浪能发电装置和海上风电直流母线的耦合和汇流。

2.一种如权利要求1所述的倒挂式波浪能发电装置的最优捕获方法，其特征在于，包括捕获控制稳定优化、捕获控制扰动寻优两部分，所述捕获控制稳定优化为根据波浪能发电装置动态模型、浮标传感器测量的波浪波高和频率，以直线发电机输出功率最大化为目标，在线优化计算控制器参数；所述捕获控制扰动优化是在捕获控制稳定优化的基础上，小范围调整优化的控制器参数，并根据BOOST变流器输出电压和电流，在线计算调整后的发电机输出功率，直至达到最大波浪能捕获，共包括以下6个步骤：

步骤1，构建以波浪能捕获BOOST变流器占空比d为控制输入，包含圆柱体浮子自重G、圆柱体浮子所受浮力F_f以及直线电机电磁力F_d的波浪能发电装置的动态模型

步骤2，采用状态反馈法设计波浪能发电装置控制器输入

步骤3，将步骤2控制输入代入步骤1动态模型中得对上式进行s域转化可得圆柱体浮子8速度

步骤4，根据直线发电机有效输出功率，可得直线发电机最大功率捕获的条件为：k₁＝nNB²L²/R_s，k₂＝mω²-ρgs；

步骤5，将波浪高度A、波浪频率ω、直线电机内阻R_s、非可控整流系数k_dc代入至步骤4中的k₁和k₂中，可得优化的捕获控制器，DSP28035主控单元根据优化的捕获控制器，调整波浪能捕获BOOST变流器占空比，测量此时波浪能捕获BOOST变流器后侧的电压传感器和电流传感器，计算直线发电机输出功率P(k)；

步骤6，在优化控制参数k₁和k₂基础上，以步长Δk₁和Δk₂动态调整k₁和k₂，并基于波浪能捕获BOOST变流器后侧的电压传感器和电流传感器，实时计算调整后发电机输出功率P(k+1)，当P(k+1)>P(k),控制参数同方向调整；当P(k+1)<P(k),则控制器参数反方向调整，直至P(k+1)＝P(k)，从而获得波浪能最优捕获控制参数。