CN111828234A - 波浪能发电设备的控制方法及装置、波浪能发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种波浪能发电设备的控制方法及装置、波浪能发电系统，通过实时获取液压管路内的压力；判断液压管路内的压力是否在预设压力范围内；并当其在预设压力范围时，根据液压管路内的压力，确定液压马达的最佳转速，并控制液压马达的转速为最佳转速；而当液压管路内的压力大于预设压力范围的上限压力时，启动减压阀进行减压，直至液压管路内的压力在预设压力范围内；或，当液压管路内的压力小于预设压力范围的下限压力时，控制液压马达停止转动，并控制蓄能器进行能量存储，直至液压管路内的压力在预设压力范围内。本发明实施例的实现能量转换的最大化，提高转换效率，使得波浪能发电设备能够稳定高效的发电。

Description

波浪能发电设备的控制方法及装置、波浪能发电系统
技术领域
本发明实施例涉及新能源发电技术领域，尤其涉及一种波浪能发电设备的方法及装置、波浪能发电系统。
背景技术
海洋波浪能属清洁无污染可再生能源，海洋波浪能开发存在巨大潜力，同时波浪能也是海洋能源中蕴藏最为丰富的能源之一，是海洋能利用研究中近期研究最多的海洋能源，其开发利用技术己趋于成熟，正在进入或接近于商业化发展阶段。
但是，由于波浪是随机的，难以预测，且发电情况往往依赖于前端波况，因此在巨浪时会产生很大的冲击电流而在轻浪时又会有发电不足的情况产生，发出的电能极不稳定，会对电网造成很大的威胁，同样会造成波浪能总体发电效率偏低的问题。
发明内容
针对上述存在问题，本发明实施例提供一种波浪能发电设备的控制方法及装置、波浪能发电系统，以能够稳定发电，提高能量转换效率。
第一方面，本发明实施例提供了一种波浪能发电设备的控制方法，用于控制波浪能发电设备，所述波浪能发电设备包括浮子、液压缸、蓄能器、液压马达、液压管路、减压阀以及单向阀组；所述浮子与所述液压缸的活塞杆连接；所述液压缸通过所述液压管路分别与所述蓄能器和所述液压马达连接；所述单向阀组和所述减压阀均设置于所述液压管路上；其中，所述单向阀组包括至少一个单向阀；
所述控制方法包括：
实时获取所述液压管路内的压力；
判断所述液压管路内的压力是否在预设压力范围内；
若是，则根据所述液压管路内的压力，确定所述液压马达的最佳转速，并控制所述液压马达的转速为所述最佳转速；
若否，则在所述液压管路内的压力大于所述预设压力范围的上限压力时，启动所述减压阀进行减压，直至所述液压管路内的压力在所述预设压力范围内；或者，在所述液压管路内的压力小于所述预设压力范围的下限压力时，控制所述液压马达停止转动，并控制所述蓄能器进行能量存储，直至所述液压管路内的压力在所述预设压力范围内。
第二方面，本发明实施例还提供了一种波浪能发电设备的控制装置，用于控制波浪能发电设备，所述波浪能发电设备包括浮子、液压缸、蓄能器、液压马达、液压管路、减压阀以及单向阀组；所述浮子与所述液压缸的活塞杆连接；所述液压缸通过所述液压管路分别与所述蓄能器和所述液压马达连接；所述单向阀组和所述减压阀均设置于所述液压管路上；其中，所述单向阀组包括至少一个单向阀；
所述控制装置包括：
压力获取模块，用于实时获取所述液压管路内的压力；
压力判断模块，用于判断所述液压管路内的压力是否在预设压力范围内；
转速控制模块，用于当所述液压管路内的压力在预设压力范围内时，根据所述液压管路内的压力，确定所述液压马达的最佳转速，并控制所述液压马达的转速为所述最佳转速；当所述液压管路内的压力不在预设压力范围内，且所述液压管路内的压力大于所述预设压力范围的上限压力时，启动所述减压阀进行减压，直至所述液压管路内的压力在所述预设压力范围内；或者，当所述液压管路内的压力不在预设压力范围内，且所述液压管路内的压力小于所述预设压力范围的下限压力时，控制所述液压马达停止转动，并控制所述蓄能器进行能量存储，直至所述液压管路内的压力在所述预设压力范围内。
第三方面，本发明实施例还提供一种波浪能发电系统，包括上述波浪能发电设备的控制装置和波浪能发电设备；
所述波浪能发电设备包括浮子、液压缸、蓄能器、液压马达、液压管路、减压阀以及单向阀组；所述浮子与所述液压缸的活塞杆连接；所述液压缸通过所述液压管路分别与所述蓄能器和所述液压马达连接；所述单向阀组和所述减压阀均设置于所述液压管路上；其中，所述单向阀组包括至少一个单向阀。
本发明实施例提供的波浪能发电设备的控制方法及装置、波浪能发电系统，通过获取波浪能发电设备中液压管路内的压力，获知当前波浪的状况，并在当前波浪的状况良好时，液压管路内的压力可在预设压力范围内，此时可根据液压管路内的压力将液压马达的转速调节为最佳转速；而在当前波浪的强度较强时，液压管路内的压力会大于预设压力范围的上限压力，此时可控制波浪能发电设备的减压阀开启，并在液压管路内的压力降至预设压力范围内时，根据液压管路内的压力将液压马达的转速调节为最佳转速；而在当前波浪的强度较弱时，液压管路内的压力会小于预设压力范围的上限压力，此时可控制液压马达停止运行，且控制波浪能发电设备的蓄能器启动进行能量存储，并在液压管路内的压力再次达到预设压力范围内的压力值时，根据液压管路内的压力将液压马达的转速调节为最佳转速。如此，根据波浪的状况，控制波浪能发电设备中的各部件的启停，使液压马达能够以最佳状态运行，从而能够实现能量转换的最大化，提高转换效率；同时，能够防止因波浪的强度较强产生较大的冲击电信号，以及在波浪的强度较弱时出现发电不足的情况产生，从而能够提高波浪能发电设备的发电稳定性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种波浪能发电设备的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的又一种波浪能发电设备的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种变流器的具体电路图；
图4是本发明实施例提供的一种波浪能发电设备的控制方法的流程图；
图5是本发明实施例提供的一种永磁同步电机的控制方法的流程图；
图6是本发明实施例提供的一种采用Matlab/Simulink仿真永磁同步电机的三相输出端输出的三相电流信号的示意图；
图7是本发明实施例提供的一种采用Matlab/Simulink仿真永磁同步电机的三相输出端输出的三相电流信号的FFT分析结果示意图；
图8是本发明实施例提供的一种电机侧三电平变流器的控制方法的流程图；
图9是本发明实施例提供的一种电机侧三电平变流器控制算法的流程示意图；
图10是本发明实施例提供的一种电网侧三电平变流器的控制方法的流程图；
图11是本发明实施例提供的一种电网侧三电平变流器控制算法的流程示意图；
图12是本发明实施例提供的一种采用Matlab/Simulink仿真电网侧三电平变流器输出的三相电流信号的示意图；
图13是本发明实施例提供的一种采用Matlab/Simulink仿真电网侧三电平变流器输出的三相电流信号的FFT分析结果示意图；
图14是本发明实施例提供的带中点电位平衡的SVPWM算法的流程示意图；
图15是本发明实施例提供的一种采用Matlab/Simulink仿真直流侧电容的电压差的示意图；
图16是本发明实施例提供的一种波浪能发电设备的控制装置的结构框图；
图17是本发明实施例提供的又一种波浪能发电设备的控制装置的结构框图；
图18是本发明实施例提供的一种波浪能发电系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
波浪能发电设备能够利用海洋波浪进行发电，实现波浪能向电能的转换。图1是本发明实施例提供的波浪能发电设备的结构示意图。如图1所示，该波浪能发电设备包括浮子10、液压缸20、蓄能器30、液压马达40、液压管路50、减压阀60以及单向阀组70；其中，浮子10与液压缸20的活塞杆连接；液压缸20通过液压管路50分别与蓄能器30和液压马达40连接；单向阀组70和减压阀60均设置于液压管路50上；其中，单向阀组70包括至少一个单向阀，例如单向阀组70可以包括三个单向阀71、72和73。
具体的，浮子10能够将波浪能转换为机械能，从而带动液压缸20的活塞杆进行做功；液压缸20能够将其受到的机械能转换为液压能，输送至液压管路50；蓄能器30例如可以为气囊式蓄能器，蓄能器30能够接受由液压缸20转换的高压液压油，同时还能向液压马达40释放液压油。单向阀组70的单向阀(71、72、73)能够控制液压管路50中液压油的流向，使得液压油在液压管路50单向流动，能够防止回流；而减压阀60能够控制液压管路50中液压油的压力。此时，当浮子10将波浪能转换为机械能带动液压缸20的活塞杆直线运动时，使液压缸20将机械能转换为液压能，该液压能能够增大液压管路50中的液压油的压力，该高压液压油能够驱动液压马达40转动。而当液压马达40转动时会带动与其同轴设置的永磁同步电机80进行转动，使得永磁同步电极80产生电能。
此外，波浪能发电设备中还可设置有压力表90，该压力表90能够检测液压管路50中液压油的压力；同时，波浪能发电设备中还可设置有油箱120和滤器110，该油箱120用于存放有液压油，使得液压马达40中输出的液压油能够通过相应的液压管路50流入至油箱120中；油箱120中的液压油还能够通过滤器110进行过滤后能够再次利用，从而实现液压油的循环利用。
可选的，图2是本发明实施例提供的又一种波浪能发电设备的结构示意图。如图2所示，该波浪能发电设备还包括电机侧三电平变流器130和电网侧三电平变流器140；其中，电机侧三电平变流器130的三相桥臂的输入端(a2、b2、c2)和与液压马达40同轴设置的永磁同步电机80的三相输出端(a1、b1、c1)一一对应电连接；电网侧三电平变流器140与电机侧三电平变流器130通过直流母线背靠背电连接，即电机侧三电平变流器130的三相桥臂输出端(a3、b3、c3)与电网侧三电平变流器的三相桥臂输入端(a4、b4、c4)；电网侧三电平变流器140的三相桥臂输出端(a5、b5、c5)与电网180的三相线(a6、b6、c6)一一对应电连接；在电机侧三电平变流器130与电网侧三电平变流器140之间还设置有两个电容C1和C2；其中，电容C1的一端与电机侧三电平变流器130的a相桥臂输出端a3电连接，电容C1的另一端与电机侧三电平变流器130的b相桥臂输出端b3电连接；电容C2的一端与电机侧三电平变流器130的c相桥臂输出端c3电连接，电容C2的另一端与电机侧三电平变流器130的b相桥臂输出端b3电连接。此时，电机侧三电平变流器130作为整流器件，其能够对永磁同步电机80的三相输出端(a1、b1、c1)输出的三相电流信号进行整流；而电网侧三电平变流器140作为逆变器件，其能够将电机侧三电平变流器130整流后的电流进行逆变，从而输出交流电信号至电网180。
如此，通过液压马达40带动永磁同步电机80旋转发电，使得永磁同步电机80输出的电信号能够依次通过电机侧三电平变流器130进行整流以及经电网侧三电平变流器140进行逆变后接入电网180。同时，在将电网侧三电平变流器140接入电网180前，需通过升压变压器170进行升压，从而能够减小电信号在电网中传输过程中的损耗。此外，在电网侧三电平变流器140与升压变压器170之间还设置有电抗器150和断路器160。
示例性的，图3是本发明实施例提供的一种变流器的具体电路图。结合图2和图3所示，电机侧三电平变流器130和电网侧三电平变流器140均为二极管箝位式三电平变流器。其中，电机侧三电平变流器130的每一相桥臂可以包括四个第一开关晶体管和两个箝位二极管；电网侧三电平变流器140的每一相桥臂可以包括四个第二开关晶体管和两个箝位二极管。其中，第一开关晶体管和第二开关晶体管均可以为绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGate Bipolar Transistor，IGBT)。而设置在电机侧三电平变流器130和电网侧三电平变流器140之间的两个电容为直流侧的电容，其作用是支撑直流电压。
本发明实施例提供了一种波浪能发电设备的控制方法，用于控制上述波浪能发电设备。波浪能发电设备的控制方法可由本发明实施例提供的波浪能发电设备的控制装置执行，该控制装置可采用软件和/或硬件的方式实现。图4是本发明实施例提供的一种波浪能发电设备的控制方法的流程图。如图4所示，该波浪能发电设备的控制方法包括：
S110、实时获取液压管路内的压力。
具体的，如图1所示，浮子10随波浪起伏漂动，带动液压缸20的活塞杆运动，实现波浪能向液压能的转换，该液压能使得液压管路50中的液压油的压力增大，从而驱动液压马达40转动；即液压管路50中液压油的压力与当前波浪的状况具有直接关系，而液压马达40得转动与液压管路50中传输的液压油的压力相关。如此，通过实时获取液压管路50内的压力，可以获知当前波浪的状况。
S120、判断液压管路内的压力是否在预设压力范围内；若是，则执行S130；若否，则执行S140；
S130、根据液压管路内的压力，确定液压马达的最佳转速，并控制液压马达的转速为最佳转速；
S140、判断液压管路内的压力是否大于预设压力范围的上限压力；若是，则执行S150；若否，则执行S160；
S150、启动减压阀进行减压，直至液压管路内的压力在预设压力范围内；
S160、控制液压马达停止转动，并控制蓄能器进行能量存储，直至液压管路内的压力在所述预设压力范围内。
具体的，通过液压管路50的压力获知当前波浪的状况是否满足连续稳定发电需求。即当液压管路50的压力在预设压力范围内时，可以获知当前波浪状况良好，能够满足连续稳定发电要求；此时，可根据液压管路50的压力控制液压马达40以最佳转速进行运行，以使液压马达40的转速能够与液压管路50中液压油的压力相匹配，达到能量转换最大化的目的。而当液压管路50的压力不在预设压力范围内时，该液压管路50的压力可以大于预设压力范围的压力上限，或者小于预设压力范围的压力下限。当液压管路50的压力大于预设压力范围的压力上限时，可以获知当前波浪的状况为波浪较强，此时发电能力较强，使得电信号波动较大，无法稳定的发电，可开启减压阀60进行减压，控制液压管路50的压力恢复至预设压力范围内，使得液压马达40能够以最佳转速进行运行；而当液压管路50的压力小于预设压力范围的压力下限，可以获知当前波浪的状况为波浪较弱，此时发电能力较弱，无法满足发电要求，可控制液压马达40停止转动，即停止发电，并启动蓄能器30对液压能进行存储，直至其达到预设液压能使，可控制蓄能器30释放液压能，使得液压管路50的压力恢复至预设压力范围，同时再次启动液压马达40，并控制液压马达40以最佳转速运行。
可选的，继续参考图1，当液压管路50的压力在预设压力范围内时，液压马达40的转速与液压管路50的压力之间的关系为：当液压管路内的压力小于或等于上限压力以及大于或等于第一预设压力时，确定液压马达的最佳转速为第一预设转速，该第一预设转速为定值；当液压管路内的压力小于第一预设压力以及大于下限压力时，确定液压马达的最佳转速为K*ΔP；其中，K为常数，ΔP为所述液压管路的压力。
示例性的，液压马达40的转速与液压管路50的压力之间的关系为可以为：
Figure BDA0002581779430000101
其中，n(ΔP)为液压马达的最佳转速。即当液压管路50中的压力在30Mpa至10Mpa间，可以实现连续稳定地发电，当压力大于等于18.75Mpa时，液压马达40恒速运行，当压力小于18.75Mpa时，液压马达40变速运行，并与系统压力成正比关系。当压力降至10Mpa以下时，由于液压马达40效率会急剧下降，因此可控制液压马达关闭，系统停止对外发电，此时蓄能器30的压力受液压缸20输出的高压液压油的补入而上升，直至再次到达30Mpa时，可控制蓄能器30释放高压液压油，并控制液压马达40再次以最佳转速进行转动，从而能够连续稳定地发电。
本实施例通过根据波浪的状况，控制波浪能发电设备中的各部件的启停，使液压马达能够以最佳状态运行，从而能够实现能量转换的最大化，提高转换效率；同时，能够防止因波浪的强度较强产生较大的冲击电信号，以及在波浪的强度较弱时出现发电不足的情况产生，从而能够提高波浪能发电设备的发电稳定性。
可选的，图5是本发明实施例提供的一种永磁同步电机的控制方法的流程图。如图5所示，该永磁同步电机的控制方法包括：
S210、实时获取永磁同步电机的状态信号；其中，状态信号至少包括永磁同步电机的当前转速；
S220、根据液压马达的最佳转速和永磁同步电机的当前转速，采用PI控制算法计算永磁同步电机的校正转速，并控制永磁同步电机的转速为校正转速。
具体的，由于永磁同步电机与液压马达同轴设置，液压马达可以驱动永磁同步电极进行转动。在控制液压马达以最佳转速进行转动时，永磁同步电极也应以最佳转速进行转动，此时可以实时获取永磁同步电机的状态信息，该状态信号例如可以为永磁同步电机的当前转速；通过将永磁同步电机的当前转速和液压马达的最佳转速均输入至PI控制器中，以采用相应的PI控制算法计算永磁同步电机的校正转速，并控制永磁同步电机以校正转速进行转动，从而能够提高电能的转换效率。
示例性的，图6是本发明实施例提供的一种采用Matlab/Simulink仿真永磁同步电机的三相输出端输出的三相电流信号的示意图，图7是本发明实施例提供的一种采用Matlab/Simulink仿真永磁同步电机的三相输出端输出的三相电流信号的FFT分析结果示意图。结合图6和图7所示，可以获知通过上述调节后，永磁同步电机的三相输出端输出的三相电流更加稳定，且具有较小的谐波，从而能够提高转换效率，减小损耗。
本实施例通过PI控制算法获得永磁同步电机的最佳旋转速度，使得永磁同步电机以最佳旋转速度进行转动时，能够实现能量转换的最大化，从而提高电能转换效率。
在本发明实施例中，当波浪能发电设备包括与所述液压马达同轴设置的永磁同步电机，通过直流母线背靠背电连接的电机侧三电平变流器和电网侧三电平变流器，且永磁同步电机的三相输出端分别与电机侧三电平变流器的三相桥臂的输入端电连接，电网侧三电平变流器的输出端与电网电连接，以及设置于电机侧三电平变流器和电网侧三电平变流器之间的两个电容时，还可根据波浪能发电设备中各永磁同步电机的状态信号以及电网侧三电平变流器的直流侧的电信号和交流侧的电信号，分别控制永磁同步电机、电机侧三电平变流器和电网侧三电平变流器的运行状态，以减小损耗，提高发电效率。
可选的，图8是本发明实施例提供的一种电机侧三电平变流器的控制方法的流程图。如图8所示，该电机侧三电平变流器的控制方法包括：
S310、获取各电容的电压信号；
S320、根据永磁同步电机三相输出端的三相电流信号，通过派克变换获取永磁同步电机的q轴实际电流分量iq和d轴实际电流分量id；
S330、根据液压马达的最佳转速和永磁同步电机的当前转速，采用PI控制算法计算永磁同步电机的q轴参考电流分量iq*；
S340、根据q轴参考电流分量iq*和q轴实际电流分量iq，采用PI控制算法计算q轴校正电流分量isq，以及根据d轴参考电流分量id*和d轴实际电流分量id，采用PI控制算法计算d轴校正电流分量isd；
S350、采用前馈补偿法对永磁同步电机中的耦合项进行解耦，根据q轴实际电流分量iq、d轴实际电流分量id、q轴校正电流分量isq和d轴校正电流分量isd以及转子电角度ωe、转子磁链Ψf、d轴的电感Ld和q轴的电感Lq，分别计算q轴参考电压uq和d轴参考电压ud；
S360、采用反派克变换将q轴参考电压uq和d轴参考电压ud转换为永磁同步电机中αβ坐标下的α轴参考电压uα和β轴参考电压uβ；
S370、根据各电容的电压信号、α轴参考电压uα和β轴参考电压uβ，采用SVPWM算法确定电机侧三电平变流器的三相桥臂中各第一开关晶体管的第一开关控制信号，并以第一开关控制信号控制各第一开关晶体管的导通或关闭。
具体的，当电机侧三电平变流器为二极管箝位式三电平变流器时，该电机侧三电平变流器的每一相桥臂至少包括四个第一开关晶体管，该第一开关晶体管例如可以为IGBT；此时，所获取的永磁同步电机的状态信号至少包括永磁同步电机的当前转速、转子电角度ωe、转子磁链Ψf、q轴的电感Lq、d轴的电感Ld和所述三相输出端的三相电流信号。即可通过相应的速度检测传感器获得永磁同步电机当前的转速；通过位置检测传感器(例如编码器)获得永磁同步电机的转子位置，从而获得转子电角度ωe；通过电压电流检测传感器，获得永磁同步电机的三相输出端输出的三相电流信号；而永磁同步电机的转子磁链Ψf、q轴的电感Lq、d轴的电感Ld可认为是永磁同步电机固有属性，通过永磁同步电机的数学模型计算获得。
示例性的，图9是本发明实施例提供的一种电机侧三电平变流器控制算法的流程示意图。如图9所示，通过派克变换能够将永磁同步电机的三相输出端输出的三相电流信号(ia、ib、ic)转换为永磁同步电机中dq坐标下的实际电流分量，即d轴实际电流分量id和q轴实际电流分量iq，以将交流信号转换为直流信号的形式，从而能够简化对永磁同步电机的控制。同时，由于永磁同步电机的转速与其q轴的电流分量相关，因此可通过将所确定的液压马达的最佳转速n*和永磁同步电机的当前转速n输入至PI控制器中，采用相应的PI控制算法可获得q轴参考电流分量iq*；当将q轴参考电流分量iq*和q轴实际电流分量iq输入至PI控制器时，采用相应的PI控制算法计算q轴校正电流分量isq；相应的，当将永磁同步电机的d轴参考电流分量id*设为0时，可通过将d轴参考电流分量id*和d轴实际电流分量id输入至PI控制器中，并采用相应的PI控制算法计算d轴校正电流分量isd。
由于永磁同步电机dq坐标下电压方程存在耦合项，因此需要通过前馈补偿法对耦合项进行解耦处理，进而使永磁同步电机能够与直流电机具有相同的调速性能，实现精确线性化控制。此时，可通过以下控制方程计算q轴参考电压uq和d轴参考电压ud，即控制方程为：
Figure BDA0002581779430000141
其中，Kp为PI控制算法的比例系数，Ki为PI控制算法的积分系数。永磁同步电机的q轴电流分量为转矩电流，而d轴电流分量为励磁电流。为使永磁同步电机的所有电流用于产生转矩，可将d轴参考电流分量的参考值设置为0。此时，d轴和q轴的参考电流分量与其实际电流分量作差后，经PI控制算法进行调节，再将耦合项进行补偿消除后，得到d轴参考电压分量和q轴参考电压分量；通过对d轴参考电压分量ud和q轴参考电压分量uq进行反派克变换，能够获得αβ坐标下的α轴参考电压uα和β轴参考电压uβ；将所获取的直流侧电容的电压信号(Uc1和Uc2)的电压和Udc以及α参考电压uα和β轴参考电压uβ采用SVPWM算法进行调制，产生用于驱动电机侧三电平变流器的各第一开关晶体管的第一开关控制信号PWM1，达到控制各第一开关晶体管导通或关闭的目的。
可选的，图10是本发明实施例提供的一种电网侧三电平变流器的控制方法的流程图。如图10所示，该电网侧三电平变流器的控制方法包括：
S410、实时获取电网侧三电平变流器直流侧的电信号和交流侧的电信号；
S420、根据电网的三相电流，通过派克变换获取电网的q轴实际电流分量Iq和d轴实际电流分量Id，以及根据电网的三相电压，通过派克变换获取电网的q轴实际电压分量Uq和d轴实际电压分量Ud；
S430、根据直流侧参考电压信号以及各电容的电压信号的电压和，采用PI控制算法计算所述电网的d轴参考电流分量Id*；
S440、根据q轴参考电流分量Iq*和q轴实际电流分量Iq，采用PI控制算法计算q轴校正电流分量Isq，以及根据d轴参考电流分量Id*和d轴实际电流分量Id，采用PI控制算法计算d轴校正电流分量Isd；
S450、采用前馈补偿法对电网中的耦合项进行解耦，根据q轴实际电压分量Uq、d轴实际电压分量Ud、q轴实际电流分量Iq、d轴实际电流分量Id、所述q轴校正电流分量Isq和d轴校正电流分量Isd以及电网的线路电感L和电网的交流电角速度ω，分别计算电网的q轴参考电压Usq和d轴参考电压Usd；
S460、采用反派克变换将q轴参考电压Usq和d轴参考电压Usd转换为电网中αβ坐标下的α轴参考电压Uα和β轴参考电压Uβ；
S470、根据各电容的电压信号、α轴参考电压Uα和β轴参考电压Uβ，采用SVPWM算法确定电网侧三电平变流器的三相桥臂中各第二开关晶体管的第二开关控制信号，并以第二开关控制信号控制各第二开关晶体管的导通和关闭。
具体的，当电网侧三电平变流器为二极管箝位式三电平变流器时，该电网侧三电平变流器的每一相桥臂至少包括四个第二开关晶体管，该第二开关晶体管例如可以为IGBT。此时，可以通过相应的电信号检测传感器获得该电网侧三电平变流器直流侧的电信号和交流侧的电信号。其中，直流侧的电信号可以包括直流侧的电容的电压信号以及系统设定的直流侧参考电压信号；交流侧的电信号包括电网侧三电平变流器输出至电网的三相电流和三相电压以及电网的线路电感L以及交流电角速度ω。示例性的，通常电网中交流电的频率f为50Hz，而交流电角速度ω可以为2πf，即交流电角速度ω为定值；同时，线路电感L可以根据电网传输线的固有属性获知，其可以为根据电信号变化而变化的量，也可以为固定值。
示例性的，图11是本发明实施例提供的一种电网侧三电平变流器控制算法的流程示意图。如图11所示，通过锁相环计算得到电压空间矢量位置角θ，再通过派克变换能够将电网的三相电流(Ia、Ib、Ic)转换为电网中dq坐标下的实际电流分量，即d轴实际电流分量Id和q轴实际电流分量Iq；同时，通过派克变换还能够将电网的三相电压(Ua、Ub、Uc)转换为电网中dq坐标下的实际电压分量，即d轴实际电压分量Ud和q轴实际电压分量Uq。由于电网侧三电平变流器的直流侧的电信号与交流侧的电信号相关，因此可通过其直流侧的电容的电压信号和直流侧参考电压信号，获得交流侧电网的参考电信号。即通过直流侧的电压传感器检测直流侧各电容的电压信号，获得各电容的电压信号的电压和Udc，并与给定的直流侧参考电压信号U*作差，经PI控制算法后，可得到d轴参考电流分量Id*的参考值。当将d轴参考电流分量Id*和d轴实际电流分量Id输入至PI控制器时，采用相应的PI控制算法计算q轴校正电流分量Isq；相应的，当将永磁同步电机的q轴参考电流分量Iq*设为0时，可通过将q轴参考电流分量Iq*和q轴实际电流分量Id输入至PI控制器中，并采用相应的PI控制算法计算q轴校正电流分量Isq。
电网侧三电平变流器能够将直流信号逆变为交流信号，在进行信号转换过程中要具有较高的稳定性，使得电网dq坐标下电压方程存在耦合项，需要对其进行有功和无功解耦。当采用电压定向控制方法对电网dq坐标下电压进行有功和无功解耦时，电网的有功功率和无功功率分别由d轴的电流分量和q轴的电流分量决定，此时可采用电压外环、电流内环结构，并通过前馈补偿法进行解耦。此时，计算所述电网的q轴参考电压Usq和d轴参考电压Usd的控制方程为：
Figure BDA0002581779430000171
其中，Kp为PI控制算法的比例系数，Ki为PI控制算法的积分系数。为使电网侧三电平变流器运行在单位功率因数状态下，可将电网的q轴参考电流分量的参考值设定为0，则d轴和q轴的参考电流分量与其实际电流分量作差后，经PI控制算进行，再将耦合项进行补偿消除后，得到d轴参考电压分量Usq和q轴参考电压分量；通过对d轴参考电压分量Ud和q轴参考电压分量Uq进行反派克变换，能够获得αβ坐标下的α参考电压Uα和β轴参考电压Uβ；将所获取的直流侧电容的电压信号(Uc1和Uc2)以及α参考电压Uα和β轴参考电压Uβ采用SVPWM算法进行调制，产生用于驱动电网侧三电平变流器的各第二开关晶体管的第二开关控制信号PWM2，达到控制各第二开关晶体管导通或关闭的目的。
示例性的，图12是本发明实施例提供的一种采用Matlab/Simulink仿真电网侧三电平变流器输出的三相电流信号的示意图，图13是本发明实施例提供的一种采用Matlab/Simulink仿真电网侧三电平变流器输出的三相电流信号的FFT分析结果示意图。结合图12和图13所示，可以获知通过上述调节后，电网侧三电平变流器输出的三相电流更加稳定，且具有较小的谐波，从而能够提高转换效率，减小损耗。
由于本发明了中整流用的变流器和逆变用的变流器均为三电平变流器，因此会存在中点结构，该中点结构中的中点电流对直流侧上下两个电容充电不均，会导致的中点电位不平衡问题存在，而中点电位不平衡则会影响系统工作稳定性、对直流侧器件造成危害，且会使交流侧谐波成分增高，影响发电效率。据此可采用带中点电位平衡的三电平SVPWM算法，以解决中点电位不平衡的问题。
可选的，波浪能发电设备的控制方法还包括：根据两个电容的中点电流信号和两个电容的电压信号的电压差，获取平衡因子，并将该平衡因子引入SVPWM算法中。
示例性的，以电网侧三电平变流器的控制方法为例。图14是本发明实施例提供的带中点电位平衡的SVPWM算法的流程示意图。如图14所示，通过αβ坐标下α轴参考电压Uα和β轴参考电压Uβ，获得大扇区N以及电压的幅值和角度；再通过所获得的大扇区N、电压的幅值和角度以及直流侧的电容的电压信号的电压和共同计算得到小扇区n和调制度k；由小扇区n、调制度k以及参考时间Ts，计算得到基准作用时间Ta、Tb、Tc，再根据扇区位置求得所有扇区下各自的作用时间T1、T2、T3。由于三电平的中点电流在任意时刻值与三相电流某一相电流值一致，因此需结合扇区值，得到实时的中点电流值Iabc。此时，通过获取电网侧三电平变流器的交流侧的三相电流(Ia、Ib、Ic)、直流侧的两电容的电压信号(Uc1、Uc2)以及大扇区N和小扇区n，并根据直流侧的两电容的电压信号的电压差ΔU的正负判断此时中点电位是偏低还是偏高，以决定平衡因子的极性，平衡因子的大小则由直流侧的两电容的电压信号(Uc1、Uc2)的电压值作差经PI控制算法和取绝对值处理后得到，平衡因子极性与平衡因子大小相乘可得到平衡因子值，以可获得平衡因子f。此时，采用七段式触发法，根据平衡因子f以及作用时间T1、T2、T3，得到梯形脉冲波M，根据不同扇区位置选择不同的三电平的矢量状态次序，并将矢量状态次序转变为各开关晶体管的控制信号，并以PWM波形式输出。
示例性的，图15是本发明实施例提供的一种采用Matlab/Simulink仿真直流侧电容的电压差的示意图。如图15所示，直流侧两电容的中点电位具有良好的平衡效果。
本发明实施例还提供一种波浪能发电设备的控制装置，用于控制上述波浪能发电设备。波浪能发电设备的控制装置能够执行本发明实施例提供的波浪能发电设备的控制方法，该控制装置可采用软件和/或硬件的方式实现。图16是本发明实施例提供的一种波浪能发电设备的控制装置的结构框图。如图16所示，该波浪能发电设备的控制装置包括压力获取模块161、压力判断模块162和转速控制模块163。其中，压力获取模块161用于实时获取波浪能发电设备中液压管路内的压力；压力判断模块162用于判断液压管路内的压力是否在预设压力范围内；转速控制模块163用于当液压管路内的压力在预设压力范围内时，根据液压管路内的压力，确定液压马达的最佳转速，并控制液压马达的转速为最佳转速；当液压管路内的压力不在预设压力范围内，且液压管路内的压力大于预设压力范围的上限压力时，启动减压阀进行减压，直至液压管路内的压力在预设压力范围内；或者，当液压管路内的压力不在预设压力范围内，且液压管路内的压力小于预设压力范围的下限压力时，控制液压马达停止转动，并控制蓄能器进行能量存储，直至液压管路内的压力在预设压力范围内。
可选的，图17是本发明实施例提供的又一种波浪能发电设备的控制装置的结构框图。如图17所示，该波浪能发电设备的控制装置还包括电机侧变流器控制模块164和电网侧变流器控制模块165。
其中，电机侧变流器控制模块164能够用于：根据永磁同步电机三相输出端的三相电流信号，通过派克变换获取永磁同步电机的q轴实际电流分量iq和d轴实际电流分量id；根据液压马达的最佳转速和永磁同步电机的当前转速，采用PI控制算法计算永磁同步电机的q轴参考电流分量iq*；根据q轴参考电流分量iq*和q轴实际电流分量iq，采用PI控制算法计算q轴校正电流分量isq，以及根据d轴参考电流分量id*和d轴实际电流分量id，采用PI控制算法计算d轴校正电流分量isd；采用前馈补偿法对永磁同步电机中的耦合项进行解耦，根据q轴实际电流分量iq、d轴实际电流分量id、q轴校正电流分量isq和d轴校正电流分量isd以及转子电角度ωe、转子磁链Ψf、d轴的电感Ld和q轴的电感Lq，分别计算q轴参考电压uq和d轴参考电压ud；采用反派克变换将q轴参考电压uq和d轴参考电压ud转换为永磁同步电机中αβ坐标下的α轴参考电压uα和β轴参考电压uβ；根据各电容的电压信号、α轴参考电压uα和β轴参考电压uβ，采用SVPWM算法确定电机侧三电平变流器的三相桥臂中各第一开关晶体管的第一开关控制信号，并以第一开关控制信号控制各第一开关晶体管的导通或关闭。
电网侧变流器控制模块165能够用于：根据电网的三相电流，通过派克变换获取电网的q轴实际电流分量Iq和d轴实际电流分量Id，以及根据电网的三相电压，通过派克变换获取电网的q轴实际电压分量Uq和d轴实际电压分量Ud；根据直流侧参考电压信号以及各电容的电压信号的电压和，采用PI控制算法计算所述电网的d轴参考电流分量Id*；根据q轴参考电流分量Iq*和q轴实际电流分量Iq，采用PI控制算法计算q轴校正电流分量Isq，以及根据d轴参考电流分量Id*和d轴实际电流分量Id，采用PI控制算法计算d轴校正电流分量Isd；其中，所述q轴参考电流分量Iq*为0；采用前馈补偿法对电网中的耦合项进行解耦，根据q轴实际电压分量Uq、d轴实际电压分量Ud、q轴实际电流分量Iq、d轴实际电流分量Id、所述q轴校正电流分量Isq和d轴校正电流分量Isd以及电网的线路电感L和电网的交流电角速度ω，分别计算电网的q轴参考电压Usq和d轴参考电压Usd；采用反派克变换将q轴参考电压Usq和d轴参考电压Usd转换为电网中αβ坐标下的α轴参考电压Uα和β轴参考电压Uβ；根据各电容的电压信号、α轴参考电压Uα和β轴参考电压Uβ，采用SVPWM算法确定电网侧三电平变流器的三相桥臂中各第二开关晶体管的第二开关控制信号，并以第二开关控制信号控制各第二开关晶体管的导通或关闭。
本发明实施例提供的波浪能发电设备的控制装置用于执行本发明实施例提供的波浪能发电设备的控制方法，其技术原理和产生的技术效果类似，这里不再赘述。
本发明实施例还提供一种波浪能发电系统，该波浪能发电系统包括本发明实施例提供的波浪能发电设备的控制装置和波浪能发电设备；其中，波浪能发电设备的控制装置能够用于执行本发明实施例提供的波浪能发电设备的控制方法。因此，本发明实施例提供的波浪能发电系统具备本发明实施例提供的波浪能发电设备的控制方法的有益效果，相同之处可参照上述对本发明实施例提供的波浪能发电设备的控制方法的描述，在此不再赘述。
示例性的，图18是本发明实施例提供的一种波浪能发电系统的结构示意图。如图18所示，该波浪能够发电系统包括波浪能发电设备100和波浪能发电设备的控制装置200。其中，波浪能发电设备100包括浮子10、液压缸20、蓄能器30、液压马达40、液压管路50、减压阀60以及单向阀组70。浮子10与液压缸20的活塞杆连接；液压缸20通过液压管路50分别与蓄能器30和液压马达40连接；单向阀组70和减压阀60均设置于液压管路50上；其中，单向阀组70包括至少一个单向阀(71、72和73)。波浪能发电设备的控制装置200可以包括液压自治控制模块210、电机侧变流器控制模块164和电网侧变流器控制模块165，且液压自治控制模块210可以包括压力获取模块161、压力判断模块162和转速控制模块163。
本发明实施例提供的波浪能发电系统，可以用于海上波浪能发电，其具有较高的能量转换效率，较小的损耗，从而实现稳定、高效的发电，进而实现对波浪能的最大利用。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种波浪能发电设备的控制方法，其特征在于，用于控制波浪能发电设备，所述波浪能发电设备包括浮子、液压缸、蓄能器、液压马达、液压管路、减压阀以及单向阀组；所述浮子与所述液压缸的活塞杆连接；所述液压缸通过所述液压管路分别与所述蓄能器和所述液压马达连接；所述单向阀组和所述减压阀均设置于所述液压管路上；其中，所述单向阀组包括至少一个单向阀；
所述控制方法包括：
实时获取所述液压管路内的压力；
判断所述液压管路内的压力是否在预设压力范围内；
若是，则根据所述液压管路内的压力，确定所述液压马达的最佳转速，并控制所述液压马达的转速为所述最佳转速；
若否，则在所述液压管路内的压力大于所述预设压力范围的上限压力时，启动所述减压阀进行减压，直至所述液压管路内的压力在所述预设压力范围内；或者，在所述液压管路内的压力小于所述预设压力范围的下限压力时，控制所述液压马达停止转动，并控制所述蓄能器进行能量存储，直至所述液压管路内的压力在所述预设压力范围内。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述根据所述液压管路内的压力，确定所述液压马达的最佳转速，包括：
当所述液压管路内的压力小于或等于所述上限压力以及大于或等于第一预设压力时，确定所述液压马达的最佳转速为第一预设转速；
当所述液压管路内的压力小于所述第一预设压力以及大于所述下限压力时，确定所述液压马达的最佳转速为K*ΔP；其中，K为常数，ΔP为所述液压管路的压力。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述波浪能发电设备还包括：与所述液压马达同轴设置的永磁同步电机；
所述控制方法还包括：
实时获取所述永磁同步电机的状态信号；所述状态信号至少包括所述永磁同步电机的当前转速；
根据所述最佳转速和所述当前转速，采用PI控制算法计算所述永磁同步电机的校正转速，并控制所述永磁同步电机的转速为所述校正转速。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述波浪能发电设备还包括：通过直流母线背靠背电连接的电机侧三电平变流器和电网侧三电平变流器，且所述永磁同步电机的三相输出端与所述电机侧三电平变流器的三相桥臂输入端一一对应电连接，所述电网侧三电平变流器的三相桥臂输出端与电网的三相线一一对应电连接；以及设置于电机侧三电平变流器和电网侧三电平变流器之间的两个电容；所述电机侧三电平变流器的每一相桥臂包括四个第一开关晶体管；所述状态信号还包括转子电角度ωe、转子磁链Ψf、q轴的电感Lq、d轴的电感Ld和所述三相输出端的三相电流信号；
所述控制方法还包括：
获取各所述电容的电压信号；
根据所述三相输出端的三相电流信号，通过派克变换获取所述永磁同步电机的q轴实际电流分量iq和d轴实际电流分量id；
根据所述最佳转速和所述当前转速，采用PI控制算法计算所述永磁同步电机的q轴参考电流分量iq*；
根据所述q轴参考电流分量iq*和所述q轴实际电流分量iq，采用PI控制算法计算q轴校正电流分量isq，以及根据d轴参考电流分量id*和所述d轴实际电流分量id，采用PI控制算法计算d轴校正电流分量isd；其中，所述d轴参考电流分量id*为0；
采用前馈补偿法对所述永磁同步电机中的耦合项进行解耦，根据所述q轴实际电流分量iq、所述d轴实际电流分量id、所述q轴校正电流分量isq和所述d轴校正电流分量isd以及所述转子电角度ωe、所述转子磁链Ψf、d轴的电感Ld和q轴的电感Lq，分别计算q轴参考电压uq和d轴参考电压ud；
采用反派克变换将所述q轴参考电压uq和d轴参考电压ud转换为所述永磁同步电机中αβ坐标下的α轴参考电压uα和β轴参考电压uβ；
根据各所述电容的电压信号、所述α轴参考电压uα和所述β轴参考电压uβ，采用SVPWM算法确定所述电机侧三电平变流器的三相桥臂中各所述第一开关晶体管的第一开关控制信号，并以所述第一开关控制信号控制各所述第一开关晶体管的导通或关闭。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述计算q轴参考电压uq和d轴参考电压ud的控制方程为：
Figure FDA0002581779420000031
其中，Kp为PI控制算法的比例系数，Ki为PI控制算法的积分系数。
6.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述波浪能发电设备还包括：通过直流母线背靠背电连接的电机侧三电平变流器和电网侧三电平变流器，且所述永磁同步电机的三相输出端与所述电机侧三电平变流器的三相桥臂输入端一一对应电连接，所述电网侧三电平变流器的三相桥臂输出端与电网的三相线一一对应电连接；以及设置于电机侧三电平变流器和电网侧三电平变流器之间的两个电容；所述电机侧三电平变流器的每一相桥臂包括四个第一开关晶体管；所述电网侧三电平变流器的每一相桥臂包括四个第二开关晶体管；
所述控制方法还包括：
实时获取所述电网侧三电平变流器直流侧的电信号和交流侧的电信号；其中，所述直流侧的电信号包括各所述电容的电压信号和直流侧参考电压信号，所述交流侧的电信号包括电网的三相电流、电网的三相电压、电网的线路电感L以及电网的交流电角速度ω；
根据所述电网的三相电流，通过派克变换获取所述电网的q轴实际电流分量Iq和d轴实际电流分量Id，以及根据所述电网的三相电压，通过派克变换获取所述电网的q轴实际电压分量Uq和d轴实际电压分量Ud；
根据所述直流侧参考电压信号以及各所述电容的电压信号的电压和，采用PI控制算法计算所述电网的d轴参考电流分量Id*；
根据q轴参考电流分量Iq*和所述q轴实际电流分量Iq，采用PI控制算法计算q轴校正电流分量Isq，以及根据所述d轴参考电流分量Id*和所述d轴实际电流分量Id，采用PI控制算法计算d轴校正电流分量Isd；其中，所述q轴参考电流分量Iq*为0；
采用前馈补偿法对所述电网中的耦合项进行解耦，根据所述q轴实际电压分量Uq、所述d轴实际电压分量Ud、所述q轴实际电流分量Iq、所述d轴实际电流分量Id、所述q轴校正电流分量Isq和所述d轴校正电流分量Isd以及所述电网的线路电感L和电网的交流电角速度ω，分别计算所述电网的q轴参考电压Usq和d轴参考电压Usd；
采用反派克变换将所述q轴参考电压Usq和d轴参考电压Usd转换为所述电网中αβ坐标下的α轴参考电压Uα和β轴参考电压Uβ；
根据各所述电容的电压信号、所述α轴参考电压Uα和所述β轴参考电压Uβ，采用SVPWM算法确定所述电网侧三电平变流器的三相桥臂中各所述第二开关晶体管的第二开关控制信号，并以所述第二开关控制信号控制各所述第二开关晶体管的导通或关闭。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，计算所述电网的q轴参考电压Usq和d轴参考电压Usd的控制方程为：
Figure FDA0002581779420000051
其中，Kp为PI控制算法的比例系数，Ki为PI控制算法的积分系数。
8.根据权利要求4或6所述的控制方法，其特征在于，还包括：
根据两个所述电容的中点电流信号和两个所述电容的电压信号的电压差，获取平衡因子，并将所述平衡因子引入所述SVPWM算法中。
9.一种波浪能发电设备的控制装置，其特征在于，用于控制波浪能发电设备，所述波浪能发电设备包括浮子、液压缸、蓄能器、液压马达、液压管路、减压阀以及单向阀组；所述浮子与所述液压缸的活塞杆连接；所述液压缸通过所述液压管路分别与所述蓄能器和所述液压马达连接；所述单向阀组和所述减压阀均设置于所述液压管路上；其中，所述单向阀组包括至少一个单向阀；
所述控制装置包括：
压力获取模块，用于实时获取所述液压管路内的压力；
压力判断模块，用于判断所述液压管路内的压力是否在预设压力范围内；
转速控制模块，用于当所述液压管路内的压力在预设压力范围内时，根据所述液压管路内的压力，确定所述液压马达的最佳转速，并控制所述液压马达的转速为所述最佳转速；当所述液压管路内的压力不在预设压力范围内，且所述液压管路内的压力大于所述预设压力范围的上限压力时，启动所述减压阀进行减压，直至所述液压管路内的压力在所述预设压力范围内；或者，当所述液压管路内的压力不在预设压力范围内，且所述液压管路内的压力小于所述预设压力范围的下限压力时，控制所述液压马达停止转动，并控制所述蓄能器进行能量存储，直至所述液压管路内的压力在所述预设压力范围内。
10.一种波浪能发电系统，其特征在于，包括：权利要求9所述的波浪能发电设备的控制装置和波浪能发电设备；
所述波浪能发电设备包括浮子、液压缸、蓄能器、液压马达、液压管路、减压阀以及单向阀组；所述浮子与所述液压缸的活塞杆连接；所述液压缸通过所述液压管路分别与所述蓄能器和所述液压马达连接；所述单向阀组和所述减压阀均设置于所述液压管路上；其中，所述单向阀组包括至少一个单向阀。
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