CN110067701B - 海上风力气动悬浮垂直轴海水淡化系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种海上风力气动悬浮垂直轴海水淡化系统及其控制方法，包括垂直轴风力机、压缩空气储能、气浮阻尼装置以及海水淡化，采用四点气动悬浮，调控风机和塔架的摩擦阻尼，根据捕获功率、淡水需求、压缩功率以及高压泵功率，投切高压泵、压缩机以及反渗透膜组件，基于转子磁链定向和永磁发电机电磁转矩调控，粗细调控压缩空气储能和高压海水储存；采用压缩气体、高压水罐以及蓄电池的混合储能，实现风机气动悬浮、气浮捕获、气浮蓄水储气以及阻尼调控等多工作模式海水淡化，协同提升风能利用、海水淡化效率以及膜淡化寿命。本发明的有效实施，将极大推动海上风电及海水淡化的真正实用化。

Description

海上风力气动悬浮垂直轴海水淡化系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种风力海水淡化系统，尤其是一种应用于解决淡水资源匮乏的海上风力气动悬浮垂直轴海水淡化系统，属于风电磁悬浮领域。
背景技术
随着水资源短缺和能源危机的日益恶化，以新能源为电能供给的海水淡化系统日益受到世界各国关注。风力资源蕴含容量大，严格无污染，特别适合于解决无电网触及的偏远海岛的电能和淡水资源严重影响海岛住户生活质量，但风资源以及海水资源丰富，发展基于风能的海水淡化是解决水资源匮乏，提升海岛住户生活质量的有效手段。但传统风力发电多为水平轴风力发电系统，其和海水淡化装置的能量交互采用风-机-电的耦合能量供给结构，能量转化环节多，风能利用以及海水淡化效率普遍较低，风速的随机性和波动性严重制约海水淡化效率，特别对于反渗透膜海水淡化法，不适合工况的频繁变动，风能频繁波动严重影响海水淡化效率和膜组件寿命老化。目前风力海水淡化系统中的风力机大多采用水平轴风力机，风力机发电功率波动大，且水平轴偏航迎风装置的故障率高，无疑增大海水淡化成本，且海水淡化膜组件淡化压力的调控多采用简单的关停结构，虽然也采用了蓄电池储能平抑风能波动，但频繁的充放电极易导致蓄电池寿命降低，提升淡化成本，为此必须研究一种可降低风能转化环节、多种储能方式并存的风力海水淡化系统，真正推动风力海水淡化系统的真正实用化。
发明内容
本发明目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种海上风力气动悬浮垂直轴海水淡化系统，其特征是，包括支撑平台、垂直轴风力机、压缩空气储能、泵传动装置、悬浮阻尼装置、压缩耦合装置、高压泵、高压水罐、反渗透膜组件、淡水罐、蓄电池变流器；所述支撑平台为垂直轴风力机、高压泵、高压水罐、淡水罐、反渗透膜组件提供支撑；所述垂直轴风力机包括风机桨叶、风机旋转体、塔架及永磁同步发电机，所述风机桨叶采用三层梯形结构，包括1个轴向桨叶，6个径向桨叶，全方位捕获风能；所述风机旋转体为流线型结合的上下两圆柱体结构，上圆柱体为小直径顶端封闭、内部中空的结构，顶端由塔架支撑，下圆柱体结构为大直径中空盘式结构，底端设置外齿泵太阳轮；所述永磁同步发电机包括固定在塔架上的三相定子绕组和铁芯和固定在风机旋转体上的转子两部分，所述定子绕组和变流器部分相联，调控风机最大风能捕获和功率控制；所述泵传动装置包括托盘支撑体、变速齿轮及泵离合器，所述托盘支撑体根据等分原则设置4组内嵌轴承的变速齿轮，所述变速齿轮与风机旋转体的外齿泵太阳轮啮合，变速齿轮输出中轴设置泵离合器，所述泵离合器输出轴和高压泵驱动轴相联，泵离合器吸合控制高压泵投切台数；所述塔架上端外侧为圆环型滚珠轴承，内侧为盘式支撑体，内部设置压缩耦合装置，将风机旋转体捕获转矩传递至压缩空气储能，塔架内设置压缩空气储能、悬浮阻尼装置以及变流器部分；所述压缩耦合装置将风机旋转体的低转速进行升速，驱动压缩机，包括与风机旋转体刚性联结的齿圈、固定在盘式支撑体的行星架以及压缩太阳轮三部分；所述蓄电池储存永磁同步发电机定子绕组转化的高频波动风速的功率，所述高压水罐储存高压泵提升的海水，内有水压传感器，立式放置制造自然高度差和海水淡化压力；所述反渗透膜组件前端设置进水阀和压力传感器，下侧设置浓盐水排出阀，两阀协同调控反渗透膜淡化压力；所述变流器部分包括捕获变流器、蓄电池变流器，所述捕获变流器为三相PWM变流器，所述蓄电池变流器为BUCK变流器，两变流器协同控制永磁同步发电机的电磁转矩，实施风能捕获，对蓄电池充电；所述压缩空气储能包括三个压缩机、三个压缩离合器、七个双向气动阀，以及高压气罐，所述压缩机轴向放置在塔架内部，彼此间通过压缩离合器级联，上端压缩机经压缩离合器与压缩耦合装置的压缩太阳轮耦合，所述高压气罐存储压缩所致高压气体，上端设置压力传感器和泄气阀，给悬浮阻尼装置提供高压气体；所述悬浮阻尼装置包括两个轴向放置气动支撑和四个三通气动阀，控制风机旋转体气浮和摩擦阻尼，所述气动支撑固定在塔架上，两气动支撑之间为风机旋转体底座，上下气动支撑对应设置四对膨胀孔，两膨胀孔共用一个三通气动阀，所述三通气动阀输入经气路与高压气罐相联；所述膨胀孔气压由三通气动阀开度控制，摩擦阻尼增大是由上膨胀孔气压增加实现，下膨胀孔排出气压增加，弱化甚至消除摩擦阻尼。
海上风力气动悬浮垂直轴海水淡化系统的泵膜确定算法为：反渗透膜组件高效工作对应的高压罐压力范围为[Hmin,Hmax]，当压力传感器实测压力H<Hmin时，高压泵数量N＝4，反渗透膜组件数量nRO＝0；当H>Hmax时高压泵数量N＝0，同时根据淡水需求量Fsum、膜单组件额定淡化流量fw，计算反渗透膜组件数量NRO＝ceil(Fsum/fw)；当高压水罐压力Hmax≧H≧Hmin时，首选根据淡水需求量Fsum、淡化效率η以及高压泵额定流量QbN，计算高压泵数量N2＝floor(Fsum/(ηQbN))，其中ceil和floor分别为向上取整函数和向下取整函数，接着按照N＝min(N1,N2)，其中N1为风机最大高压泵驱动数量，确定最终高压泵数量，按照NRO＝ceil(Fsum/fw)计算反渗透膜组件数量。
海上风力气动悬浮垂直轴海水淡化系统的风机旋转体的运动方程Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别为：
Figure GDA0002624295700000031
和
Figure GDA0002624295700000032
式中，ω为风机旋转体角速度；Tw为风机捕获转矩，TM为所述永磁同步发电机电磁转矩，TC为所述压缩机转矩，Tb为所述高压泵转矩，J为所述风机旋转体转动惯量，mg为风机旋转体重量，μ为摩擦系数，L为风机旋转体半径；N为投入的高压泵数量，Tf为摩擦阻力矩
Figure GDA0002624295700000033
海上风力气动悬浮垂直轴海水淡化系统中压缩机i级压缩对应最大转矩为：
Figure GDA0002624295700000034
其中：i为压缩级数，值为1,2,3，k0压缩转化系数，κ为压缩指数，值为1.4，Vcs为涡旋机吸气容积，Patm为大气压强，β0为压缩机理想压缩比。
海上风力气动悬浮垂直轴海水淡化系统的控制方法，采用以下五个步骤：
第一步，风机四点气浮：当风速Vw达到起动风速Vin后，首先调节四个三通气动阀的阀门开度，并基于压力传感器实测pi，其中i＝1,2,3,4，以及四点压力参考pref＝0，求取四点压力偏差e(i)＝pref-pi，在比例积分微分PID控制器作用下，产生阀门开度主设定μf0(i)，进而根据四点压力偏差e(i)，计算四点压力的同步误差E(i)＝2e(i)-e(i+1)-e(i-1)，在比例微分PD控制器作用下，获取四点气浮同步跟踪补偿开度μf1(i)，最终计算出四个三通气动阀开度为μf(i)＝μf0(i)+μf1(i)，将四个阀门开度μf(i)送至对应的三通气动阀的阀门，严格控制风机旋转体四点处压力为零，风机旋转体无摩擦旋转捕获能量，捕获变流器和蓄电池变流器开始工作。
第二步，风机气浮捕获：当风速Vw满足Vin<Vw≤Vbin，其中Vbin为高压泵切入风速，风机四点气浮，进入风机气浮捕获，永磁同步发电机独立工作，根据测量的风速以及垂直轴风机功率曲线，获取优化转速ωoref，进而基于编码器实测转速ω和旋转角度θ，按照转子磁链定向将永磁同步电机定子电流，解耦成转矩电流iq和励磁电流id，计算转速偏差eω＝ωoref-ω，在PID控制器作用下产生转矩电流参考iq *，调控永磁同步发电机电磁转矩TM，风机旋转体按照运动方程Ⅰ运行，稳定工作在优化转速ωopt，获取最大风能，捕获能量经蓄电池变流器储存在蓄电池内，此时风机旋转体按照运动方程Ⅰ运行。
第三步，风机气浮蓄水储气海水淡化：当风速Vw满足Vbin<Vw<VN，风机四点气浮，其中：VN为额定风速，根据传感器测量的风速Vw、高压水罐压力H、高压气罐压力ps、垂直轴风机功率曲线以及高压泵额定功率PbN，计算优化转速ωoref、风机捕获功率Poref、高压泵功率Pb＝PbN(nbωoref/ωN)2，其中：nb为变速齿轮变比，ωN为风机额定转速，此时风机最大驱动高压泵数量为N1＝floor(Poref/Pb)，其中floor为向下取整函数，进而根据泵膜确定算法，确定实际高压泵数量N；基于高压气罐压力ps，给出i级压缩对应的最大转矩Ticmax以及压缩功率Picmax＝ncωoref Ticmax(i＝1,2,3)，其中：nc为压缩耦合装置升速比，若ps<pc1max，则由ns＝(Poref,-NPb)/P1cmax，按照向下取整原则，计算压缩机Ⅰ级压缩数量ns，若pc1max≤ps<pc2max，则Ⅱ级级联压缩，ns＝1；若pc2max≤ps<pc3max，则Ⅲ级压缩，ns＝1，其中pcimax为i级压缩对应的最大排气压力；进而计算△P＝Poref,-NPb-nsPicmax，当△P＜PN，其中PN为永磁同步发电机额定功率，则按照N、ns、i确定压缩机、高压泵数量以及压缩级别；当△P＞PN，则增大一级压缩，即i＝i+1；根据编码器实测转速ω和旋转角度θ，按照转子磁链定向将永磁同步发电机的定子电流，解耦成转矩电流iq和励磁电流id，接着计算转速偏差eω＝ωoref-ω，在PID控制器作用下产生转矩电流参考iq *，调控永磁同步发电机电磁转矩TM，驱动高压泵和压缩机在优化转速下运行，将海水和高压气体存储在高压水罐和高压气罐内，捕获变流器将超过高压泵功率和压缩机功率的部分功率，经蓄电池变流器存储至蓄电池内，投入运行的反渗透膜因高压罐内压力保持在[Hmin,Hmax]范围，高效淡化海水入淡水罐，风机旋转体按照运动方程Ⅱ运行，且稳定在优化转速ωopt，获取最大风机功率。
第四步，风机阻尼调控海水淡化：当风速Vw满足VN<Vw<Vout，增加风机阻尼，控制风机以额定转速ωN旋转，此时风机捕获为额定功率PWN，风机驱动高压泵数量N1＝4，根据泵膜确定算法，确定实际高压泵数量N；接着根据高压气罐压力ps，给出i级压缩对应最大转矩Ticmax以及Picmax＝ncωNTicmax(i＝1,2,3)，若ps<pc1max，则计算ns＝(PWN,-NnbPbN)/P1cmax，其中：PbN为高压泵额定功率，nb为变速齿轮变比；按照向下取整原则，计算压缩机Ⅰ级压缩切入数量ns，若pc1max≤ps<pc2max，则Ⅱ级压缩，ns＝1；若pc2max≤ps<pc3max，则Ⅲ级压缩，ns＝1，其中pcimax为i级压缩对应最大排气压力；进而计算△P＝PWN,-NPbN-nsPicmax,如果△P＜PN，其中PN为永磁同步发电机额定功率，则按照N、ns、i确定压缩机、高压泵数量以及压缩级别；如果△P＞PN，则增大一级压缩，即i＝i+1；进而控制四点气浮的4个三通气动阀的阀门，增大风机旋转体和塔架之间的摩擦转矩Tf，直至风机额定转速ωN运行，根据编码器实测转速ω，计算转速偏差eω＝ωN-ω，在PID控制器作用下产生阻尼控制总气体压力psum，按照均分原则给出四点处的压力参考pref，进而基于四点处压力传感器实测的压力检测值pi，计算实时四点压力偏差e(i)＝pref-pi，在PI控制器作用下，产生四点处三通气动阀门调控电压μf(i)，动态改变气浮力大小和方向，增大摩擦转矩Tf；捕获变流器采用直接转矩控制，设定转矩电流iqref＝2(△P/ωN-Tf)/3npψr其中：np和ψr分别为永磁体极对数和磁链，确保永磁同步发电机额定功率输出，风机旋转体按照运动方程Ⅲ运行，捕获变流器将超过高压泵、压缩机以及摩擦功率的部分存储至蓄电池；采用泵离合器、压缩离合器吸合以及进水阀关停，控制高压泵、压缩机和反渗透膜组件投入数量。
第五步停机海水淡化：若风速Vw大于Vout，此时顺桨停机，捕获变流器、永磁同步发电机、压缩机以及高压泵全部停机，N1＝0，根据泵膜确定算法，确定反渗透膜运行数量，并采用进水阀控制反渗透膜组件的投入数量NRO，以满足淡水需求为目标，海水淡化。
本发明的有益效果是：
1)采用多层风机桨叶梯形结构以及风机旋转体的两圆柱体流线型结构，极大减小了风机的倾覆力矩，结合四点气动悬浮，灵活控制风机旋转体与塔架间的摩擦阻尼，实现风机旋转体的多自由度气浮，极大降低了风机的起动风速，非常适合弱风型风电场。
2)采用垂直轴风力机直接驱动高压水泵，减少了能量转换环节，借助压缩空气储能多气动阀门和压缩离合器的协同调控以及永磁同步发电机电磁转矩调整，实现风机粗细协同调控，极大提升风能捕获功率和功率控制的灵活度。
3)采用蓄电池、压缩空气储能以及高压水罐一体化的复合储能，有效平抑风能波动对海水淡化可靠性的影响，设置高压水罐膜淡化高效压力范围，经由压缩机和高压泵投切以及反渗透膜进水阀门开度控制，协同提升海水淡化效率以及膜淡化寿命。
附图说明
图1为本发明海上风力气动悬浮垂直轴海水淡化系统结构示意图。
图2为本发明海上风力气动悬浮垂直轴海水淡化系统压缩耦合装置结构图。
图3为本发明海上风力气动悬浮垂直轴海水淡化系统气浮阻尼装置结构图。
图4为本发明海上风力气动悬浮垂直轴海水淡化系统变流器结构图。
图5为本发明海上风力气动悬浮垂直轴海水淡化系统泵膜数量确定算法图。
图6为本发明海上风力气动悬浮垂直轴海水淡化系统控制机制图。
图7为本发明海上风力气动悬浮垂直轴海水淡化系统压缩模式控制算法图。
图中：1.1～1.3-风机桨叶，2-滚珠轴承，2.1-压力传感器，3-齿圈，4-行星架，5-塔架，6-压缩太阳轮，7-盘式支撑体，8-压缩机，9-压缩离合器，10-高压气罐，11-永磁同步发电机转子，12-永磁同步发电机定子，13-风机旋转体，14-悬浮阻尼调控装置，15-托盘支撑体，16-变速齿轮，17-泵太阳轮，18-泵离合器，19-高压泵，20-支撑平台，21变流器部分，22-高压水罐，23-进水阀，24-反渗透膜组件，25-浓盐水排出阀，26-淡水阀，27-淡水罐，28-上膨胀孔，29-下膨胀孔，30-气动上支撑，31-气动下支撑，32～35-三通气动阀，36-捕获变流器，37-蓄电池变流器，38-蓄电池，39-控制回路变流器。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。
如图1～图4所示，本发明提供一种海上风力气动悬浮垂直轴海水淡化系统，包括支撑平台20、垂直轴风力机(1,5,12,13)、压缩空气储能(8,9,10)、泵传动装置(15～18)、悬浮阻尼装置(28～35)、压缩耦合装置(3～7)、高压泵19、高压水罐22、反渗透膜组件24、淡水罐27、变流器部分21等组成；所述支撑平台为垂直轴风力机、高压泵19、高压水罐22、淡水罐27、反渗透膜组件24提供支撑；所述垂直轴风力机包括风机桨叶1、风机旋转体13、塔架5及永磁同步发电机(11,12)，所述风机桨叶1采用三层梯形结构，包括1个轴向桨叶1.1，6个径向桨叶(1.2～1.3)，全方位捕获风能；所述风机旋转体13为流线型结合的上下两圆柱体结构，上圆柱体为小直径顶端封闭、内部中空的结构，顶端由塔架5支撑，下圆柱体结构为大直径中空盘式结构，底端设置外齿泵太阳轮17；所述永磁同步发电机包括固定在塔架上的三相定子绕组12和固定在风机旋转体上的转子11两部分，所述定子绕组和变流器部分21相联，调控风机最大风能捕获和功率控制；所述泵传动装置包括托盘支撑体15、变速齿轮16及泵离合器18，所述托盘支撑体15根据等分原则设置4组内嵌轴承的变速齿轮16，所述变速齿轮16与风机旋转体泵太阳轮17啮合，变速齿轮16输出中轴设置泵离合器18，所述泵离合器18输出轴和高压泵19驱动轴相联，泵离合器18吸合控制高压泵19投切台数；所述塔架上端外侧为圆环型滚珠轴承2，内侧为盘式支撑体7，内部设置机械耦合装置，将风机旋转体13捕获转矩传递至压缩空气储能，塔架内设置压缩空气储能、悬浮阻尼装置以及变流器部分；所述压缩耦合装置将风机旋转体的低转速进行升速，驱动压缩机，包括与风机旋转体13刚性联结的齿圈3、固定在托盘支撑的行星架4以及压缩太阳轮6三部分；所述蓄电池38储存永磁同步发电机定子绕组12转化的高频风速波动功率，所述高压水罐22储存高压泵19提升海水，内有水压传感器，立式放置制造自然高度差和海水淡化压力；所述反渗透膜组件24前端设置进水阀23和压力传感器，下侧设置浓盐水排出阀25，两阀协同调控反渗透膜淡化压力；所述变流器部分包括捕获变流器36、蓄电池变流器37，所述捕获变流器36为三相PWM变流器，所述蓄电池变流器37为BUCK变流器，两变流器协同控制永磁同步发电机的电磁转矩，实施风能捕获，对蓄电池充电；所述压缩空气储能包括三个压缩机8、三个压缩离合器9，以及高压气罐10，所述压缩机8轴向放置在塔架内部，彼此间通过压缩离合器9级联，上端压缩机8经压缩离合器9与压缩耦合装置的压缩太阳轮6耦合，所述高压气罐10存储压缩所致高压气体，上端设置压力传感器和泄气阀，给悬浮阻尼装置提供高压气体；所述悬浮阻尼装置包括两个轴向放置气动支撑30～31和四个三通气动阀32～35，控制风机旋转体气浮和摩擦阻尼，所述气动支撑30～31固定在塔架上，两气动支撑之间为风机旋转体底座，上下气动支撑对应设置四对膨胀孔38～29，两膨胀孔共用一个三通气动阀，所述三通气动阀输入经气路与高压储气罐相联；所述膨胀孔气压由三通气动阀开度控制，摩擦阻尼增大是由上膨胀孔气压增加实现，下膨胀孔排出气压增加，弱化甚至消除摩擦阻尼。
海上风力气动悬浮垂直轴海水淡化系统的控制方法泵膜确定算法为：反渗透膜组件高效工作对应的高压罐压力范围为[Hmin,Hmax]，当压力传感器实测压力H<Hmin时，高压泵数量N＝4，反渗透膜组件数量nRO＝0；当H>Hmax时高压泵数量N＝0，同时根据淡水需求量Fsum、膜单组件额定淡化流量fw，计算反渗透膜组件数量NRO＝ceil(Fsum/fw)；当高压水罐压力Hmax≧H≧Hmin时，首选根据淡水需求量Fsum、淡化效率η以及高压泵额定流量QbN，计算高压泵数量N2＝floor(Fsum/(ηQbN))，其中ceil和floor分别为向上取整函数和向下取整函数，接着按照N＝min(N1,N2)，其中N1为风机最大高压泵驱动数量，确定最终高压泵数量，按照NRO＝ceil(Fsum/fw)计算反渗透膜组件数量。
海上风力气动悬浮垂直轴海水淡化系统风机旋转体的运动方程Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别为：
Figure GDA0002624295700000091
和
Figure GDA0002624295700000092
式中，ω为风机旋转体角速度；Tw为风机捕获转矩，TM为所述永磁同步发电机电磁转矩，TC为所述压缩机转矩，Tb为所述高压泵转矩，J为所述风机旋转体转动惯量，mg为风机旋转体重量，μ为摩擦系数，L为风机旋转体半径；N为投入的高压泵数量，Tf为摩擦阻力矩
Figure GDA0002624295700000093
海上风力气动悬浮垂直轴海水淡化系统中的压缩机i级压缩对应的最大转矩为：
Figure GDA0002624295700000094
其中：i为压缩级数，其值为1,2,3，k0压缩转化系数，κ为压缩指数，其值为1.4，Vcs为涡旋机吸气容积，Patm为大气压强，β0为压缩机理想压缩比。
海上风力气动悬浮垂直轴海水淡化系统的控制方法如图5～图6，采用以下五个步骤：第一步，风机四点气浮：当风速Vw达到起动风速Vin后，首先调节四个三通气动阀的阀门开度，并基于压力传感器实测pi，其中i＝1,2,3,4，以及四点压力参考pref＝0，求取四点压力偏差e(i)＝pref-pi，在比例积分微分PID控制器作用下，产生阀门开度主设定μf0(i)，进而根据四点压力偏差e(i)，计算四点压力的同步误差E(i)＝2e(i)-e(i+1)-e(i-1)，在比例微分PD控制器作用下，获取四点气浮同步跟踪补偿开度μf1(i)，最终计算出四个三通气动阀开度为μf(i)＝μf0(i)+μf1(i)，将四个阀门开度μf(i)送至对应的三通气动阀的阀门，严格控制风机旋转体四点处压力为零，风机旋转体无摩擦旋转捕获能量，捕获变流器和蓄电池变流器开始工作。
第二步，风机气浮捕获：当风速Vw满足Vin<Vw≤Vbin，其中Vbin为高压泵切入风速，风机四点气浮，进入风机气浮捕获，永磁同步发电机独立工作，根据测量的风速以及垂直轴风机功率曲线，获取优化转速ωoref，进而基于编码器实测转速ω和旋转角度θ，按照转子磁链定向将永磁同步电机定子电流，解耦成转矩电流iq和励磁电流id，计算转速偏差eω＝ωoref-ω，在PID控制器作用下产生转矩电流参考iq *，调控永磁同步发电机电磁转矩TM，风机旋转体按照运动方程Ⅰ运行，稳定工作在优化转速ωopt，获取最大风能，捕获能量经蓄电池变流器储存在蓄电池内，此时风机旋转体按照运动方程Ⅰ运行。
第三步，风机气浮蓄水储气海水淡化：当风速Vw满足Vbin<Vw<VN，风机四点气浮，其中：VN为额定风速，根据传感器测量的风速Vw、高压水罐压力H、高压气罐压力ps、垂直轴风机功率曲线以及高压泵额定功率PbN，计算优化转速ωoref、风机捕获功率Poref、高压泵功率Pb＝PbN(nbωoref/ωN)2，其中：nb为变速齿轮变比，ωN为风机额定转速，此时风机最大驱动高压泵数量为N1＝floor(Poref/Pb)，其中floor为向下取整函数，进而根据泵膜确定算法，确定实际高压泵数量N；基于高压气罐压力ps，给出i级压缩对应的最大转矩Ticmax以及压缩功率Picmax＝ncωoref Ticmax(i＝1,2,3)，其中：nc为压缩耦合装置升速比，若ps<pc1max，则由ns＝(Poref,-NPb)/P1cmax，按照向下取整原则，计算压缩机Ⅰ级压缩数量ns，若pc1max≤ps<pc2max，则Ⅱ级级联压缩，ns＝1；若pc2max≤ps<pc3max，则Ⅲ级压缩，ns＝1，其中pcimax为i级压缩对应的最大排气压力；进而计算△P＝Poref,-NPb-nsPicmax，当△P＜PN，其中PN为永磁同步发电机额定功率，则按照N、ns、i确定压缩机、高压泵数量以及压缩级别；当△P＞PN，则增大一级压缩，即i＝i+1；根据编码器实测转速ω和旋转角度θ，按照转子磁链定向将永磁同步发电机的定子电流，解耦成转矩电流iq和励磁电流id，接着计算转速偏差eω＝ωoref-ω，在PID控制器作用下产生转矩电流参考iq *，调控永磁同步发电机电磁转矩TM，驱动高压泵和压缩机在优化转速下运行，将海水和高压气体存储在高压水罐和高压气罐内，捕获变流器将超过高压泵功率和压缩机功率的部分功率，经蓄电池变流器存储至蓄电池内，投入运行的反渗透膜因高压罐内压力保持在[Hmin,Hmax]范围，高效淡化海水入淡水罐，风机旋转体按照运动方程Ⅱ运行，且稳定在优化转速ωopt，获取最大风机功率。
第四步，风机阻尼调控海水淡化：当风速Vw满足VN<Vw<Vout，增加风机阻尼，控制风机以额定转速ωN旋转，此时风机捕获为额定功率PWN，风机驱动高压泵数量N1＝4，根据泵膜确定算法，确定实际高压泵数量N；接着根据高压气罐压力ps，给出i级压缩对应最大转矩Ticmax以及Picmax＝ncωNTicmax(i＝1,2,3)，若ps<pc1max，则计算ns＝(PWN,-NnbPbN)/P1cmax，其中：PbN为高压泵额定功率，nb为变速齿轮变比；按照向下取整原则，计算压缩机Ⅰ级压缩切入数量ns，若pc1max≤ps<pc2max，则Ⅱ级压缩，ns＝1；若pc2max≤ps<pc3max，则Ⅲ级压缩，ns＝1，其中pcimax为i级压缩对应最大排气压力；进而计算△P＝PWN,-NPbN-nsPicmax,如果△P＜PN，其中PN为永磁同步发电机额定功率，则按照N、ns、i确定压缩机、高压泵数量以及压缩级别；如果△P＞PN，则增大一级压缩，即i＝i+1；进而控制四点气浮的4个三通气动阀的阀门，增大风机旋转体和塔架之间的摩擦转矩Tf，直至风机额定转速ωN运行，根据编码器实测转速ω，计算转速偏差eω＝ωN-ω，在PID控制器作用下产生阻尼控制总气体压力psum，按照均分原则给出四点处的压力参考pref，进而基于四点处压力传感器实测的压力检测值pi，计算实时四点压力偏差e(i)＝pref-pi，在PI控制器作用下，产生四点处三通气动阀门调控电压μf(i)，动态改变气浮力大小和方向，增大摩擦转矩Tf；捕获变流器采用直接转矩控制，设定转矩电流iqref＝2(△P/ωN-Tf)/3npψr其中：np和ψr分别为永磁体极对数和磁链，确保永磁同步发电机额定功率输出，风机旋转体按照运动方程Ⅲ运行，捕获变流器将超过高压泵、压缩机以及摩擦功率的部分存储至蓄电池；采用泵离合器、压缩离合器吸合以及进水阀关停，控制高压泵、压缩机和反渗透膜组件投入数量。
第五步，停机海水淡化：若风速Vw大于Vout，此时顺桨停机，捕获变流器、永磁同步发电机、压缩机以及高压泵全部停机，N1＝0，根据泵膜确定算法，确定反渗透膜运行数量，并采用进水阀控制反渗透膜组件的投入数量NRO，以满足淡水需求为目标，海水淡化。

Claims (5)

1.一种海上风力气动悬浮垂直轴海水淡化系统，其特征是，包括支撑平台、垂直轴风力机、压缩空气储能、泵传动装置、悬浮阻尼装置、压缩耦合装置、高压泵、高压水罐、反渗透膜组件、淡水罐、蓄电池、变流器部分；所述支撑平台为垂直轴风力机、高压泵、高压水罐、淡水罐、反渗透膜组件提供支撑；所述垂直轴风力机包括风机桨叶、风机旋转体、塔架及永磁同步发电机，所述风机桨叶采用三层梯形结构，包括一个轴向桨叶，六个径向桨叶，全方位捕获风能；所述风机旋转体为流线型结合的上下两圆柱体结构，上圆柱体为小直径顶端封闭、内部中空的结构，顶端由塔架支撑，下圆柱体结构为大直径中空盘式结构，底端设置外齿泵太阳轮；所述永磁同步发电机包括固定在塔架上的三相定子绕组和铁芯和固定在风机旋转体上的转子两部分，所述定子绕组和变流器部分相联，调控风机最大风能捕获和功率控制；所述泵传动装置包括托盘支撑体、变速齿轮及泵离合器，所述托盘支撑体根据等分原则设置四组内嵌轴承的变速齿轮，所述变速齿轮与风机旋转体的外齿泵太阳轮啮合，变速齿轮输出中轴设置泵离合器，所述泵离合器输出轴和高压泵驱动轴相联，泵离合器吸合控制高压泵投切台数；所述塔架上端外侧为圆环型滚珠轴承，内侧为盘式支撑体，内部设置压缩耦合装置，将风机旋转体捕获转矩传递至压缩空气储能，塔架内设置压缩空气储能、悬浮阻尼装置以及变流器部分；所述压缩耦合装置将风机旋转体的低转速进行升速，驱动压缩机，包括与风机旋转体刚性联结的齿圈、固定在盘式支撑体的行星架以及压缩太阳轮三部分；所述蓄电池储存永磁同步发电机定子绕组转化的高频波动风速的功率，所述高压水罐储存高压泵提升的海水，内有水压传感器，立式放置制造自然高度差和海水淡化压力；所述反渗透膜组件前端设置进水阀和压力传感器，下侧设置浓盐水排出阀，两阀协同调控反渗透膜淡化压力；所述变流器部分包括捕获变流器、蓄电池变流器，所述捕获变流器为三相PWM变流器，所述蓄电池变流器为BUCK变流器，两变流器协同控制永磁同步发电机的电磁转矩，实施风能捕获，对蓄电池充电；所述压缩空气储能包括三个压缩机、三个压缩离合器、七个双向气动阀，以及高压气罐，所述压缩机轴向放置在塔架内部，彼此间通过压缩离合器级联，上端压缩机经压缩离合器与压缩耦合装置的压缩太阳轮耦合，所述高压气罐存储压缩所致高压气体，上端设置压力传感器和泄气阀，给悬浮阻尼装置提供高压气体；所述悬浮阻尼装置包括两个轴向放置气动支撑和四个三通气动阀，控制风机旋转体气浮和摩擦阻尼，所述气动支撑固定在塔架上，两气动支撑之间为风机旋转体底座，上下气动支撑对应设置四对膨胀孔，两膨胀孔共用一个三通气动阀，所述三通气动阀输入经气路与高压气罐相联；所述膨胀孔气压由三通气动阀开度控制，摩擦阻尼增大是由上膨胀孔气压增加实现，下膨胀孔排出气压增加，弱化甚至消除摩擦阻尼。
2.一种如权利要求1所述的海上风力气动悬浮垂直轴海水淡化系统的控制方法，其特征在于，采用如下步骤：
步骤1，风机四点气浮：当风速Vw达到起动风速Vin后，首先调节四个三通气动阀的阀门开度，并基于压力传感器实测pi，其中i＝1,2,3,4，以及四点压力参考pref＝0，求取四点压力偏差e(i)＝pref-pi，在比例积分微分PID控制器作用下，产生阀门开度主设定μf0(i)，进而根据四点压力偏差e(i)，计算四点压力的同步误差E(i)＝2e(i)-e(i+1)-e(i-1)，在比例微分PD控制器作用下，获取四点气浮同步跟踪补偿开度μf1(i)，最终计算出四个三通气动阀开度为μf(i)＝μf0(i)+μf1(i)，将四个阀门开度μf(i)送至对应的三通气动阀的阀门，严格控制风机旋转体四点处压力为零，风机旋转体无摩擦旋转捕获能量，捕获变流器和蓄电池变流器开始工作；
步骤2，风机气浮捕获：当风速Vw满足Vin<Vw≤Vbin，其中Vbin为高压泵切入风速，风机四点气浮，进入风机气浮捕获，永磁同步发电机独立工作，根据测量的风速以及垂直轴风机功率曲线，获取优化转速ωoref，进而基于编码器实测转速ω和旋转角度θ，按照转子磁链定向将永磁同步电机定子电流，解耦成转矩电流iq和励磁电流id，计算转速偏差eω＝ωoref-ω，在PID控制器作用下产生转矩电流参考iq *，调控永磁同步发电机电磁转矩TM，风机旋转体按照运动方程Ⅰ运行，稳定工作在优化转速ωopt，获取最大风能，捕获能量经蓄电池变流器储存在蓄电池内，此时风机旋转体按照运动方程Ⅰ运行；
步骤3，风机气浮蓄水储气海水淡化：当风速Vw满足Vbin<Vw<VN，风机四点气浮，其中：VN为额定风速，根据传感器测量的风速Vw、高压水罐压力H、高压气罐压力ps、垂直轴风机功率曲线以及高压泵额定功率PbN，计算优化转速ωoref、风机捕获功率Poref、高压泵功率Pb＝PbN(nbωoref/ωN)2，其中：nb为变速齿轮变比，ωN为风机额定转速，此时风机最大驱动高压泵数量为N1＝floor(Poref/Pb)，其中floor为向下取整函数，进而根据泵膜确定算法，确定实际高压泵数量N；基于高压气罐压力ps，给出i级压缩对应的最大转矩Ticmax以及压缩功率Picmax＝ncωorefTicmax(i＝1,2,3)，其中：nc为压缩耦合装置升速比，若ps<pc1max，则由ns＝(Poref,-NPb)/P1cmax，按照向下取整原则，计算压缩机Ⅰ级压缩数量ns，若pc1max≤ps<pc2max，则Ⅱ级级联压缩，ns＝1；若pc2max≤ps<pc3max，则Ⅲ级压缩，ns＝1，其中pcimax为i级压缩对应的最大排气压力；进而计算△P＝Poref,-NPb-nsPicmax，当△P＜PN，其中PN为永磁同步发电机额定功率，则按照N、ns、i确定压缩机、高压泵数量以及压缩级别；当△P＞PN，则增大一级压缩，即i＝i+1；根据编码器实测转速ω和旋转角度θ，按照转子磁链定向将永磁同步发电机的定子电流，解耦成转矩电流iq和励磁电流id，接着计算转速偏差eω＝ωoref-ω，在PID控制器作用下产生转矩电流参考iq *，调控永磁同步发电机电磁转矩TM，驱动高压泵和压缩机在优化转速下运行，将海水和高压气体存储在高压水罐和高压气罐内，捕获变流器将超过高压泵功率和压缩机功率的部分功率，经蓄电池变流器存储至蓄电池内，投入运行的反渗透膜因高压罐内压力保持在[Hmin,Hmax]范围，高效淡化海水入淡水罐，风机旋转体按照运动方程Ⅱ运行，且稳定在优化转速ωopt，获取最大风机功率；
步骤4，风机阻尼调控海水淡化：当风速Vw满足VN<Vw<Vout，增加风机阻尼，控制风机以额定转速ωN旋转，此时风机捕获为额定功率PWN，风机驱动高压泵数量N1＝4，根据泵膜确定算法，确定实际高压泵数量N；接着根据高压气罐压力ps，给出i级压缩对应最大转矩Ticmax以及Picmax＝ncωNTicmax(i＝1,2,3)，若ps<pc1max，则计算ns＝(PWN,-NnbPbN)/P1cmax，其中：PbN为高压泵额定功率，nb为变速齿轮变比；按照向下取整原则，计算压缩机Ⅰ级压缩切入数量ns，若pc1max≤ps<pc2max，则Ⅱ级压缩，ns＝1；若pc2max≤ps<pc3max，则Ⅲ级压缩，ns＝1，其中pcimax为i级压缩对应最大排气压力；进而计算△P＝PWN,-NPbN-nsPicmax,如果△P＜PN，其中PN为永磁同步发电机额定功率，则按照N、ns、i确定压缩机、高压泵数量以及压缩级别；如果△P＞PN，则增大一级压缩，即i＝i+1；进而控制四点气浮的4个三通气动阀的阀门，增大风机旋转体和塔架之间的摩擦转矩Tf，直至风机额定转速ωN运行，根据编码器实测转速ω，计算转速偏差eω＝ωN-ω，在PID控制器作用下产生阻尼控制总气体压力psum，按照均分原则给出四点处的压力参考pref，进而基于四点处压力传感器实测的压力检测值pi，计算实时四点压力偏差e(i)＝pref-pi，在PI控制器作用下，产生四点处三通气动阀门调控电压μf(i)，动态改变气浮力大小和方向，增大摩擦转矩Tf；捕获变流器采用直接转矩控制，设定转矩电流iqref＝2(△P/ωN-Tf)/3npψr其中：np和ψr分别为永磁体极对数和磁链，确保永磁同步发电机额定功率输出，风机旋转体按照运动方程Ⅲ运行，捕获变流器将超过高压泵、压缩机以及摩擦功率的部分存储至蓄电池；采用泵离合器、压缩离合器吸合以及进水阀关停，控制高压泵、压缩机和反渗透膜组件投入数量；
步骤5，停机海水淡化：若风速Vw大于Vout，此时顺桨停机，捕获变流器、永磁同步发电机、压缩机以及高压泵全部停机，N1＝0，根据泵膜确定算法，确定反渗透膜运行数量，并采用进水阀控制反渗透膜组件的投入数量NRO，以满足淡水需求为目标，海水淡化。
3.根据权利要求2所述的海上风力气动悬浮垂直轴海水淡化系统的控制方法，其特征在于，所述泵膜确定算法为：反渗透膜组件高效工作对应的高压罐压力范围为[Hmin,Hmax]，当压力传感器实测压力H<Hmin时，高压泵数量N＝4，反渗透膜组件数量nRO＝0；当H>Hmax时高压泵数量N＝0，同时根据淡水需求量Fsum、膜单组件额定淡化流量fw，计算反渗透膜组件数量NRO＝ceil(Fsum/fw)；当高压水罐压力Hmax≧H≧Hmin时，首选根据淡水需求量Fsum、淡化效率η以及高压泵额定流量QbN，计算高压泵数量N2＝floor(Fsum/(ηQbN))，其中ceil和floor分别为向上取整函数和向下取整函数，接着按照N＝min(N1,N2)，其中N1为风机最大高压泵驱动数量，确定最终高压泵数量，按照NRO＝ceil(Fsum/fw)计算反渗透膜组件数量。
4.根据权利要求2所述的海上风力气动悬浮垂直轴海水淡化系统的控制方法，其特征在于，所述风机旋转体的运动方程Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别为：
Figure FDA0002624295690000051
和
Figure FDA0002624295690000052
式中，ω为风机旋转体角速度，Tw为风机捕获转矩，TM为所述永磁同步发电机电磁转矩，TC为所述压缩机转矩，Tb为所述高压泵转矩，J为所述风机旋转体转动惯量，mg为风机旋转体重量，μ为摩擦系数，L为风机旋转体半径，N为投入的高压泵数量，Tf为摩擦阻力矩
Figure FDA0002624295690000053
5.根据权利要求2所述的海上风力气动悬浮垂直轴海水淡化系统的控制方法，其特征在于，所述步骤3和4中的压缩机i级压缩对应的最大转矩为：
Figure FDA0002624295690000054
其中：i为压缩级数，值为1,2,3，k0压缩转化系数，κ为压缩指数，值为1.4，Vcs为涡旋机吸气容积，Patm为大气压强，β0为压缩机理想压缩比。
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