CN112953114B - 一种可变刚度的波浪能发电系统及其优化控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可变刚度的波浪能发电系统及其优化控制方法，包括：导磁螺杆，第一磁螺母、第二磁螺母，表贴式螺母内部的分段永磁材料，旋转电机，并为此装置提出一种优化控制方法。通过旋转电机改变第一磁螺母的相对旋转角度并固定，使得第一磁螺母，第二磁螺母、导磁螺杆之间的线位移与角位移发生改变，改变其内部磁相位，改变第二磁螺母的刚度特性，使之更加适应非线性波浪环境。本发明将磁螺母分段，改变其与波浪直接接触部位的刚度特性，通过最大功率点主动相位控制方法，并利用快速重复控制算法对电流环PI控制器进行优化改进，最大程度上将波浪能转化成电能，进而提高波浪发电装置的功率密度，降低波浪发电成本和装置体积。

Description

一种可变刚度的波浪能发电系统及其优化控制方法
技术领域
本发明涉及波浪能发电技术领域，具体涉及一种可变刚度的波浪能发电系统及其优化控制方法。
背景技术
随着传统能源(如：煤炭、石油、天然气等不可再生能源)的日益短缺，环境污染的不断加重，人类对于能源资源的需求不断增大，使得寻找清洁的可再生能源成为国家可持续发展的重点。
据估算，全世界波浪能的理论值约为109Kw量级，是现在世界发电量的数百倍，有着广阔的商业前景，波浪能作为一种可再生能源其相比于其他可在生能源(风能，太阳能)具有(1)能量密度高，开发利用对环境的影响较小；(2)传输距离长能量损失小；(3)可以在全年大多数时间运行的优点。
从海洋中获取能量潜力巨大，但是由于波浪的不稳定性所以其转换装置经常处在非设计工况条件下运行，故需要高效、可靠的能量转换装置，才可以将巨大而且缓慢变化的波浪能转换为电能，同时波浪能发电装置的尺寸巨大，建造，布放与维护成本都比较高使得波浪能发电领域的发展停滞不前。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供一种可变刚度的波浪能发电系统及其优化控制方法，能将传统磁力丝杠刚度特性进行改变，同时解决螺旋形状永磁体制造、装配困难的问题；并提出一种主动相位控制方法，比原有的控制方法相比，其在所有波段频率下都具有良好的控制性能。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：提出一种适应海上波能变换的可变刚度波浪发电系统，包括上部支架、下部支架、外浮筒、内浮筒，以及设置在内浮筒内部的可变刚度磁力丝杠、旋转电机、永磁同步发电机；
可变刚度磁力丝杠包括螺旋导磁体、导磁螺杆、螺杆及磁螺母；
磁螺母内部依次套设有螺旋导磁体、导磁螺杆，且三者同轴设置；
磁螺母包括沿径向并列相连的第一磁螺母及第二磁螺母，第一磁螺母及第二磁螺母外部均连接旋转电机；
磁螺母外套设有内浮筒，内浮筒外套设有外浮筒，外浮筒与在内浮筒内部设置的磁螺母通过圆柱形刚柱与上部支架刚性相连；
内浮筒与下部支架通过圆形刚柱刚性相连；下部支架通过锚链与沉石相连，沉石置于海底底部；
永磁同步发电机与螺杆刚性相连，将外浮筒俘获的波浪能通过可变刚度磁力丝杠转换成使螺杆旋转的机械能，进而带动永磁同步发电机旋转。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
进一步地，通过旋转电机使得第一磁螺母旋转角度并固定，从而改变第一磁螺母、第二磁螺和螺杆之间的线位移与角位移；第一磁螺母(201)与第二磁螺母(202)之间留有气隙，且第一磁螺母(201)、第二磁螺母(202)均能与导磁螺杆(302)之间留有气隙。
进一步地，在磁螺母内壁表贴有径向充磁的永磁体，永磁体通过轴向分段的方式分为12块，每3块为一整体，并且其充磁方向相同；同时四个整体按N-S-N-S的排列顺序组成一整块空心圆环表贴于磁螺母圆周内部，表贴型永磁体与磁螺母中并无气隙。
进一步地，在第一磁螺母及第二磁螺母的内壁上分别表贴有径向充磁的永磁体。
进一步地，由永磁同步发电机、螺杆、螺旋导磁体、导磁螺杆共同组成复合电机，通过螺旋阻尼控制器控制其阻尼输出；由第一磁螺母、第二磁螺母与旋转电机共同组成可变刚度复合电机，通过可变刚度阻尼控制器控制其阻尼输出。
本发明还提出一种可变刚度的波浪能发电系统的优化控制方法，设计主动相位控制优化方法：将一个波浪周期划分为四部分，通过每四分之一个周期内外浮筒上下运动的速度与加速度信息进行周期判断、扇形检测控制，进而调节螺旋阻尼控制器与可变刚度阻尼控制器输出的磁力丝杠混合阻尼系数，改变外浮筒力与速度之间的相位，提高捕获与转化波浪能量效率。
进一步地，运用内模原理，设计快速重复控制器，对电流环PI控制器进行优化，快速重复控制器的传递函数G(s)为：
Figure GDA0003693896940000021
其中,Y(s)为快速重复控制器输出,R(s)为快速重复控制器输入,Q(s)为快速重复控制器内模滤波器，用于改善系统稳定性和鲁棒性,e-sT6为时滞环节,T为快速重复控制器周期。
进一步地，设计主动相位控制方法，通过外浮筒速度估算波浪周期，通过外浮筒速度与加速度来预测下一周期，外浮筒模型为：
Figure GDA0003693896940000031
其中,Fe为波浪力,M为浮筒质量,μ为附加质量,y为浮筒位移，其上标代表对时间的导数,Br为辐射阻尼系数,Bv为粘性阻尼系数,BP为磁力丝杠混合阻尼系数,ρ为海水密度,g为重力加速度,A为外浮筒面积。
进一步地，波浪能发电系统的最大发电功率为：
Figure GDA0003693896940000032
其中,vt为磁力丝杠磁螺母线速度,P为发电功率,ω为磁力丝杠磁螺杆角速度,Fp为发电机力；当磁力丝杠混合阻尼系数BP为正时，获得最大发电功率。
进一步地，由波浪周期计算出磁力丝杠混合阻尼系数，利用磁力丝杠混合阻尼系数BP得到保持阻尼命令值Bhold-P，保持混合阻尼命令值改变速度与力之间的相位差：
Bhold-P＝αBP
其中，α为最佳混合阻尼比例系数。
本发明的有益效果是：本发明通过将磁力丝杠的磁螺母分割的方式，变为两部分，可以改变与外浮筒相连接的磁螺母的刚度特性，适应海上波浪强度的改变；本发明通过将传统磁力丝杠的径向充磁永磁体通过轴向分段的方式，有效解决的永磁体的用量，装配，定位困难的问题；本发明通过最大功率点主动相位控制方法，并利用重复控制算法对电流环PI控制器进行优化改进，最大程度上将波浪能转化成电能，进而提高波浪发电装置的功率密度，降低波浪发电成本和装置体积。
附图说明
图1为本发明所述的波浪能发电装置剖面结构示意图；
图2为本发明所述的新型可变刚度磁力丝杠的结构示意图；
图3为本发明所述的新型可变刚度磁力丝杠的俯视图；
图4为本发明所述的新型可变刚度磁力丝杠磁通路径图；
图5为本发明所述的表贴永磁体俯视图；
图6为本发明所述的表贴永磁体截面图；
图7为本发明的波浪周期估计与控制方法图；
图8为本发明的快速重复控制器的结构框图；
图9为本发明的总体控制框图。
附图标记：1、上部支架-800；2、下部支架-801；3、外浮筒-802；4、内浮筒-803；5、锚链-804；6、沉石-805；7、圆柱形刚柱-806；8、永磁同步发电机-500；9、旋转电机-400；10、螺旋导磁体-301；11、导磁螺杆-302；12、螺杆-303；13、磁螺母-200；14、第一磁螺母-201；15、第二磁螺母-202；16、向内充磁永磁体-101；17、向外充磁永磁体-102；18、第一块弧形永磁体-101-1；19、第二块弧形永磁体-101-2；20、第三块弧形永磁体101-3。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
本发明解决现有磁力丝杠结构无法变换刚度以适应复杂的海上波浪情况，遇到极端海况时，可通过改变刚度特性从而保护发电装置，避免损坏；同时为解决现有的磁力丝杠结构永磁体装配、制造和定位困难的问题，提出一种新型可变刚度磁力丝杠，将传统的永磁丝杠进行技术上的改进，并且可以应用在浮筒型的波浪能发电系统中；并且通过最大点跟踪主动相位控制方法，使得输出功率保持在最优功率范围内。
磁力丝杠可以将外浮筒802俘获的波浪能通过支架带动磁力丝杠磁螺母200作来回缓慢直线运动，之后通过磁螺母200与导磁螺杆302之间的磁场耦合，将磁螺母200直线动能转换为导磁螺杆302的旋转机械能，完成一级能量转换；再通过导磁螺杆302的旋转机械能带动螺杆303，同时螺杆303与永磁同步发电机400相连，通过永磁同步发电机400将螺杆303的旋转机械能转换为电能，完成二级能量转换，并通过背靠背转换器，将收集电能并入电网或用于下级用电设备。该新型磁力丝杠结构将磁力丝杠的磁螺母200分割变为两部分，一部分为第一磁螺母201，一部分为第二磁螺母202，并且通过旋转电机500将其相互连接起来，通过改变、固定第一磁螺母201的旋转角度，改变第一磁螺母201、第二磁螺母202、导磁螺杆302间的线位移与角位移，从而改变磁螺母200与导磁螺杆302间的磁相位，改变与外浮筒相连接的第二磁螺母202的刚度特性，具体详情见图1与图2所示。同时由于该磁力丝杠永磁体结构并不为传统螺旋形状永磁体而为弧形永磁体故可以快速，方便的制造与充磁。通过最大功率点主动相位控制方法，并利用重复控制算法对电流环PI控制器进行优化改进，实现最优混合阻尼特性无误差跟踪，从而改变力与速度之间的相位，最大程度上将波浪能转化成电能，进而提高波浪发电装置的功率密度，降低波浪发电成本和装置体积。
如图1所示，为本发明实施例提供的波浪能发电装置示意图。本发明提出的一种波浪发电系统，包括：上部支架800、下部支架801、圆柱形刚柱806、外浮筒802、内浮筒803、旋转电机500、永磁同步旋转电机400、可变刚度磁力丝杠、锚链804、沉石805。
支架由方形钢板与固定在其上面的两圈圆形刚柱构成，内外两圈刚柱各有若干根。外浮筒802为空心圆环封闭筒形状，其内径大于内浮筒803的外径；内浮筒803为空心圆筒装，嵌入在外浮筒802内部；内浮筒803与外浮筒802同轴放置；磁力丝杠放置于内浮筒803内部，其磁螺母200与外浮筒802通过圆柱形钢柱806与上部支架刚性相连，通过外浮筒802俘获的波浪能变为磁螺母200直线运动动能，通过磁耦合的方式转换为螺杆旋转机械能；永磁同步发电机500位于内浮筒803内部，其与磁力丝杠的螺杆303刚性相连，将螺杆旋转机械能变换为电能；旋转电机400，放置于内浮筒803内，其与磁力丝杠的磁螺母相连，通过旋转第一磁螺母201的角度并固定，从而改变第一磁螺母201，第二磁螺母202，导磁螺杆302之间的线位移与角位移，改变其磁相位，实现变刚度特性；旋转电机400起到旋转，固定角度的作用。
外浮筒802通过若干根圆柱形刚柱806与上部支架800刚性相连，上部支架800通过若干根圆柱形刚柱806与内浮筒中的磁力丝杠磁螺母200刚性相连；内浮筒803通过锚链804与沉石805相连，沉石805放置于海底底部，通过锚链804的作用，使得内浮筒并不随波浪而发生移动，即可近似为静止状态；将外浮筒802俘获的波浪能，通过支架与圆筒刚柱，变换为磁力丝杠磁螺母200直线运动动能，通过磁场耦合传动的方式，将磁力丝杠磁螺母200直线运动动能，转换为导磁螺杆302旋转运动机械能，同时完成低速到高速之间的传动，由于磁力丝杠磁螺母200与导磁螺杆302间有气隙的存在(第一磁螺母201与第二磁螺母202之间留有气隙，且第一磁螺母201、第二磁螺母202均能与导磁螺杆302之间留有气隙)，故磁螺母200与导磁螺杆302并不直接接触，没有摩擦力的影响，从而减少了传动过程中的能量损失，提高了传动的效率。
如图2所示为本发明实施例提供的新型可变刚度磁力丝杠结构示意图。参照图2，磁力丝杠包括第一磁螺母201、第二磁螺母202、表贴在磁螺母内径上并且轴向分段放置的径向充磁永磁体，其中径向充磁永磁体分为两部分，表贴在磁螺母内部，其中径向向内充磁永磁体101，径向充磁向内方向为S极；径向向外充磁永磁体102，径向充磁向外方向为N极；导磁螺杆302，导磁螺杆302由常见的导磁材料构成，导磁螺杆302为空心圆环形状，其表面呈螺旋形状；导磁螺杆302上的螺旋导磁体301(螺纹)，螺杆303；其中螺杆303插入并固定在磁力丝杠导磁螺杆302内部，其一端与永磁同步发电机500相连，将由磁力丝杠转换为的旋转机械能通过永磁同步发电机转换为电能；在磁螺母200外部有旋转电机400与其刚性相连，通过旋转电机使得第一磁螺母201进行旋转并且固定一定角度，从而改变第一磁螺母201、第二磁螺母202、导磁螺杆302间的线位移与角位移，改变磁相位，改变第二磁螺母202的刚度特性。当遇到极端条件时，可以通过刚度特性的改变从而保护装置，避免损坏。
图3为本发明实施例提供的新型可变刚度磁力丝杠俯视图。如图3所示，磁力丝杠俯视图中径向充磁永磁体被均匀的分割为12块轴向弧形永磁体，每块弧形永磁体角度为30°，第一块弧形永磁体101-1表贴于磁螺母200内部，第二块弧形永磁体101-2表贴于第一块弧形永磁体101-1旁，第三块弧形永磁体101-3表贴于第二块弧形永磁体101-2旁，该三块表贴弧形永磁体均为径向S极充磁，以此类推，第四、五、六块弧形永磁体均为径向N极充磁，通过N-S-N-S排列方式交错分布表贴于磁螺母200圆周内表面，弧形永磁体间不留缝隙，同时表贴在第一磁螺母201与第二磁螺母202圆周内表面上的弧形永磁体分段放置，弧形永磁体具体尺寸可由磁螺母200高度决定，第一磁螺母201与第二磁螺母202之间含有缝隙，导磁螺杆302外径放置螺旋导磁体301，并在其内部插入螺杆303。
图4为本发明实施例提供的磁力丝杠磁通路径图。如图4所示，可知永磁体排列方式为N-S-N-S极，其磁通路径由磁螺母200内径表贴充磁方向N极弧形永磁体出发-磁螺母(磁螺母200为普通导磁材料构成)-磁螺母内径表贴充磁方向S极弧形永磁体-磁力丝杠内部气隙区域-螺旋导磁体301-导磁螺杆302-螺旋导磁体301-磁力丝杠内部气隙区域-回到磁螺母200内径表贴充磁方向N极弧形永磁体，完成磁力丝杠内部磁通路径。
图5为本发明实施例公开的一种表贴式永磁体的俯视图。参照图5，该永磁体为弧形柱体结构，其弧度a为30°,每3块分为一整块，即每三块弧形永磁体弧度为90°，其充磁方向相同即其充磁方向可为N极充磁，12个弧度相同的弧形永磁体可以覆盖为一个圆周，并且按照N-S-N-S的方式排列组合为一个圆环，并表贴在磁螺母内半径上，表贴式永磁体内径为Rin，外径为Rout，由于该结构不需要螺旋形状永磁体，故生产、充磁较为方便。
图6为本发明实施例公开的一种表贴式永磁体的截面图。参照图6，该永磁体为弧形柱体结构，其高度为h，由于其表贴于磁螺母200内径上，由于第一磁螺母201与第二磁螺母202为两部分，所以其高度h为磁螺母200高度的一半，即永磁体高度等于第一磁螺母201，第二磁螺母202的高度，表贴式永磁体其内径为Rin,外径为Rout。
图7为本发明公开的一种波浪能发电系统波浪周期估计与控制方法图。参照图7，将一个波浪周期划分为四份，通过每四分之一个周期内外浮筒上下运动的速度与加速度信息进行周期判断、扇形检测控制、ZCP检测(过零点检测)，进而调节螺旋阻尼控制器与变刚度阻尼控制器输出的磁力丝杠混合阻尼系数，改变外浮筒力与速度之间的相位，实现波浪最大能量捕获与转化。
图8为本发明公开的一种波浪能发电系统重复控制器的结构框图。参照图8，运用内模原理，设计快速重复控制器，对电流环PI进行控制优化，实现无静差跟踪参考信号，构成高精确度的反馈控制系统，快速重复控制器的传递函数为G(s)：
Figure GDA0003693896940000071
其中Y(s)为快速重复控制器输出，R(s)为快速重复控制器输入，Q(s)为快速重复控制器内模滤波器，用于改善系统稳定性和鲁棒性，e-sT6为时滞环节，T为快速重复控制器周期，将Q(s)＝1，s＝jω带入(1)，给出快速重复控制器在频域下的传递函数为：
Figure GDA0003693896940000072
其中，T＝2πω0，ω0＝2πf0为基波角频率，f0为基波频率，利用欧拉公式对(2)进行变换得到传递函数G(m)为：
Figure GDA0003693896940000073
由(3)可知该快速重复控制器具有无限增益，可以消除谐波，同时其结构简单，便于实现数字化。
图9为本发明公开的一种波浪能发电系统总体控制框图。参照图9，为了提高计算效率，利用Clark变换，Park变换，将电网电流变换到d,q同步旋转坐标系下处理，相应地，主要谐波频次从6k±1次变为6k次。为了保持最优输出功率，针对本发明所提出的可变刚度磁力丝杠波浪发电系统，提出一种主动相位控制优化方法，将一个波浪周期划分为四份，通过每四分之一个周期内外浮筒上下运动的速度与加速度信息进行周期判断与扇形检测控制，进而调节螺旋阻尼控制器与变刚度阻尼控制器输出的磁力丝杠混合阻尼系数，改变外浮筒力与速度之间的相位，达到最优输出功率。
根据牛顿第二定律可知外浮筒受到的力为：
Figure GDA0003693896940000081
(4)式中，Fe为波浪力，φ(ω)为波浪力相位，M为浮筒质量，μ为附加质量，y为浮筒位移，其上标代表对时间的导数，Br为辐射阻尼系数，Bv为粘性阻尼系数，ρ为海水密度，g为重力加速度，A为外浮筒面积。在同步坐标系下复合电机电压方程为：
Figure GDA0003693896940000082
(5)式中ud,uq,id,iq分别在同步参考系中以电角频率ωe旋转的d,q定子电压，d,q定子电流，d,q定子电阻与定子电感分别用Rs,Ls表示，ψPM为转子磁链，磁力丝杠螺杆旋转角速度ωe可以由(6)式得到：
Figure GDA0003693896940000083
(6)式中vt为磁力丝杠磁螺母线速度，τp为极距。所以在同步坐标系下的复合电机动力学模型可以由以下方程得到：
Figure GDA0003693896940000084
(7)式中Te为复合电机转矩,pn为极对数，由于Te与角速度成正比，则复合电机可以用如下方程推导出磁力丝杠转矩：
Te＝B′pωe (8)
(8)式中B′p为复合电机的阻尼系数。将可变刚度复合电机中第一磁螺母与第二磁螺母之间的相位角度差由η表示，并定义为：
η＝|θ1-θ2| (9)
(9)式中θ1为第一磁螺母的旋转角度，θ2为第二磁螺母的旋转角度，η为变刚度系数，故可以将复合电机转矩改写为：
Tve＝ηTe (10)
(10)式中Tve为加入变刚度系数的复合电机阻尼转矩，同理可变刚度复合阻尼电机，T′e为可变刚度复合电机转矩，由于T′e与其电角速度成正比，则可变刚度复合阻尼电机可用如下方程推导出其转矩：
T′e＝B″pω′e (11)
(11)式中B″p为可变刚度复合电机的阻尼系数，ω′e为其电角频率，
T′ve＝ηT′e (12)
(12)式中T′e为可变刚度阻尼电机转矩，T′ve为加入变刚度系数改写后的可变刚度阻尼电机转矩；
BP＝B′p+B″p (13)
(13)式中BP为磁力丝杠混合阻尼系数，故发电机力为：
Fp＝Bpvt (14)
(14)式中Fp为发电机力，设电流命令值为：
Figure GDA0003693896940000091
(15)式中*代表当前控制器的命令值；
通过磁力丝杠磁螺母受力，可以将外浮筒模型改写为：
Figure GDA0003693896940000092
其中,Fe为波浪力,M为浮筒质量,μ为附加质量,y为外浮筒位移，其上标代表对时间的导数,Br为辐射阻尼系数,Bv为粘性阻尼系数,BP为磁力丝杠混合阻尼系数,ρ为海水密度,g为重力加速度,A为外浮筒面积。
通过式(4)-(15)，可以创建整个波浪能发电系统模型，磁力丝杠受力可由功率调节系统的电流决定，利用外浮筒模型，得到外浮筒的加速度、速度和位置。基于控制逻辑，该分析模型采用闭环控制。根据式(13)，(14)，(16)在最优阻尼指令下，可得出最大发出功率P为：
Figure GDA0003693896940000101
其中,vt为磁力丝杠磁螺母线速度,P为发电功率,ω为磁力丝杠磁螺杆角速度,Fp为发电机力。当磁力丝杠混合阻尼系数BP为正时，可以获得最大发电功率，所以其最大化的必要条件为：
Figure GDA0003693896940000102
最大发电功率时的复合电机阻尼系数为：
Figure GDA0003693896940000103
谐振的条件为：
Figure GDA0003693896940000104
因此在机械共振条件下磁力丝杠阻尼条件可改写为：
Bp＝Br(ω)+Bv (21)
上述Fe可通过复数形式表示，通过上述谐振条件，可以改变Fe与浮筒速度之间的相位Fe(jω)＝[(Aρg-(M+μ(ω))ω2)+j(ωBr(ω)+Bv+Bp)]y(jω) (22)
通过采用合适的控制和磁力丝杠最优阻尼系数时，外浮筒速度相位与Fe相位相接近，由于速度与力之间相位差为0使得产生电能增加。该主动相位控制方法，通过外浮筒速度估算波浪周期，通过外浮筒上下运动速度与加速度来预测下一周期，所以波浪周期可以写为：
Tω(N)＝2TA-s(N-1)+TS-A(N-1) (23)
(23)式中Tω为波浪周期,TA-s速度换向时间，TS-A为加速度换向时间。由上述公式得出的波浪周期计算出磁力丝杠混合阻尼系数，利用磁力丝杠混合阻尼系数BP可以得到保持阻尼命令值Bhold-P，通过保持阻尼命令值改变速度与力之间的相位差，其中α为最佳阻尼比例系数：
Bhold-P＝αBP (24)
接下来，基于图1对该结构磁力丝杠在波浪能发电中的应用进行说明。
步骤1，外浮筒置于海水之中，内浮筒通过两圈圆形刚住与下部支架固定连接，下部支架通过锚链与沉石相连，沉石置于海底底部，可以使得内浮筒并不随波浪作等幅震荡运动，可视为静止。
步骤2，外浮筒通过外圈圆形刚柱与上部支架相连，上部支架通过内圈圆形刚柱与内浮筒内部的磁力丝杠磁螺母相连，磁力丝杠，旋转电机，永磁同步发电机置于内浮筒内部，并且磁力丝杠与永磁同步发电机同轴设置。
步骤3，外浮筒随波浪做等幅的上下震荡直线运动用以收集波浪能，通过支架与置于内浮筒内部的磁力丝杠磁螺母刚性相连，将外浮筒所俘获的上下振荡直线运动的波浪能通过磁场耦合转换为磁力丝杠螺杆的旋转机械能。
步骤4，磁力丝杠螺杆与永磁同步发电机转轴刚性相连。
步骤5，由于磁力丝杠螺杆与永磁同步旋转电机转轴刚性相连，故可以将外浮筒俘获的波浪能通过磁力丝杠转换成的螺杆旋转机械能，之后通过螺杆与刚性相连带动永磁同步旋转电机转轴作旋转运动，转轴带动永磁同步旋转电机转子旋转运动可以在其定子上感应出电动势从而将波浪能转换为电能。
步骤6，本发明提出最大功率点主动相位控制方法，PI控制，重复控制方法，改变磁力丝杠混合阻尼系数，完成力与速度之间的相位差，从而改变输出最大功率，在不规则波浪条件下，其可以通过周期判断、扇形检测控制、ZCP检测，适应波浪频率的改变，不断变换阻尼命令值，变换电流命令值，从而保持最优输出功率。
本发明设计的一种磁力丝杠结构并运用在波浪能发电领域，通过外浮筒，内浮筒，上下部支架，可变刚度磁力丝杠，永磁同步旋转电机，旋转电机，磁力丝杠，锚链，沉石共同组成一种基于可变刚度磁力丝杠的波浪能发电装置。
将传统的永磁丝杠进行技术上的改进，并且可以应用在双浮筒型的波浪能发电系统中，可变刚度磁力丝杠通过将磁螺母分割为两部分第一磁螺母与第二磁螺母，旋转电机与第一磁螺母，第二磁螺母相连，通过改变第一磁螺母的旋转角度，从而改变第一磁螺母、第二磁螺母、导磁螺杆之间的线位移与角位移，改变第一磁螺母与第二磁螺母之间的磁相位，改变第二磁螺母的刚度特性。由于第二磁螺母通过支架与外浮筒相连，所以改变第二磁螺母的刚度特性，更加适应海上波浪变换情况，并且通过最大功率点跟踪控制方法，采用主动相位控制，PI控制，重复控制，跟踪功率变换保持最大输出功率，最后通过变流装置将所获得的电能通过处理后可以应用于下级设备或存储。
本发明所提供的一种可变刚度的波浪能发电系统及其优化控制方法，将传统磁力丝杠的径向充磁永磁体通过轴向分段的方式，分为12块，每块弧形永磁的弧度为30°,每3块分为一整块，即每三块弧形永磁体弧度为90°,其充磁方向相同即其充磁方向可为N极充磁，通过N-S-N-S的方式排列放置于一个圆周上，并且分为两部份分别表贴在第一磁螺母与第二磁螺母上，并不需要传统的螺旋形状永磁体，弧形永磁体可以方便制造与充磁，有效解决的永磁体的用量，装配，定位困难的问题。
本发明所提供的一种可变刚度的波浪能发电系统及其优化控制方法，导磁螺杆的选择为普通螺纹导磁螺杆，并没有选择传统的永磁体阵列表贴式螺杆，它是由传统制造滑动螺丝相同的工艺制造的，可以较为方便的制造与装配，显著减少永磁体的用料，降低制造成本。
本发明所提供的一种可变刚度的波浪能发电系统及其优化控制方法，通过最大功率点主动相位控制方法，并利用重复控制算法对电流环PI控制器进行优化改进，实现最优混合阻尼特性无误差跟踪，从而改变力与速度之间的相位，最大程度上将波浪能转化成电能，进而提高波浪发电装置的功率密度，降低波浪发电成本和装置体积。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种可变刚度的波浪能发电系统，其特征在于，包括上部支架(800)、下部支架(801)、外浮筒(802)、内浮筒(803)，以及设置在内浮筒(803)内部的可变刚度磁力丝杠、旋转电机(400)、永磁同步发电机(500)；
可变刚度磁力丝杠包括螺旋导磁体(301)、导磁螺杆(302)、螺杆(303)及磁螺母(200)；
磁螺母(200)内部依次套设有螺旋导磁体(301)、导磁螺杆(302)，且三者同轴设置；
磁螺母(200)包括沿径向并列相连的第一磁螺母(201)及第二磁螺母(202)，第一磁螺母(201)及第二磁螺母(202)外部均连接旋转电机(400)；
磁螺母(200)外套设有内浮筒(803)，内浮筒(803)外套设有外浮筒(802)，外浮筒(802)与在内浮筒(803)内部设置的磁螺母(200)通过圆柱形刚柱(806)与上部支架(800)刚性相连；
通过旋转电机(400)使得第一磁螺母(201)旋转角度并固定，从而改变第一磁螺母(201)、第二磁螺母(202)和导磁螺杆(302)之间的线位移与角位移；第一磁螺母(201)与第二磁螺母(202)之间留有气隙，且第一磁螺母(201)、第二磁螺母(202)均能与导磁螺杆(302)之间留有气隙；
内浮筒(803)与下部支架(801)通过圆柱形刚柱(806)刚性相连；下部支架(801)通过锚链(804)与沉石(805)相连，沉石(805)置于海底底部；
永磁同步发电机(500)与螺杆(303)刚性相连，将外浮筒俘获的波浪能通过可变刚度磁力丝杠转换成使螺杆(303)旋转的机械能，进而带动永磁同步发电机(500)旋转。
2.根据权利要求1所述的可变刚度的波浪能发电系统，其特征在于，在磁螺母(200)内壁表贴有径向充磁的永磁体，永磁体通过轴向分段的方式分为12块，每3块为一整体，并且其充磁方向相同；同时四个整体按N-S-N-S的排列顺序组成一整块空心圆环表贴于磁螺母(200)圆周内部，表贴型永磁体与磁螺母(200)中并无气隙。
3.根据权利要求2所述的可变刚度的波浪能发电系统，其特征在于，在第一磁螺母(201)及第二磁螺母(202)的内壁分别表贴有径向充磁的永磁体。
4.根据权利要求1所述的可变刚度的波浪能发电系统，其特征在于，由永磁同步发电机(500)、螺杆(303)、螺旋导磁体(301)、导磁螺杆(302)共同组成复合电机，通过螺旋阻尼控制器控制其阻尼输出；由第一磁螺母(201)、第二磁螺母(202)与旋转电机(400)共同组成可变刚度复合电机，通过可变刚度阻尼控制器控制其阻尼输出。
5.一种权利要求4所述的可变刚度的波浪能发电系统的优化控制方法，其特征在于，设计主动相位控制优化方法：将一个波浪周期划分为四部分，通过每四分之一个周期内的外浮筒上下运动的速度与加速度信息进行周期判断、扇形检测控制，进而调节螺旋阻尼控制器与可变刚度阻尼控制器输出的混合阻尼值，改变外浮筒力与速度之间的相位，提高捕获与转化波浪能量效率。
6.根据权利要求5所述的优化控制方法，其特征在于，运用内模原理，设计快速重复控制器，对电流环PI控制器进行优化，快速重复控制器的传递函数G(s)为：
Figure FDA0003693896930000021
其中，Y(s)为快速重复控制器输出，R(s)为快速重复控制器输入，Q(s)为快速重复控制器内模滤波器，用于改善系统稳定性和鲁棒性，e-sT/6为时滞环节，T为快速重复控制器周期。
7.根据权利要求5所述的优化控制方法，其特征在于，设计主动相位控制方法，通过外浮筒速度估算波浪周期，通过外浮筒速度与加速度来预测下一周期，外浮筒模型为：
Figure FDA0003693896930000022
其中,Fe为波浪力,M为浮筒质量,μ为附加质量,y为外浮筒位移，其上标代表对时间的导数,Br为辐射阻尼系数,Bv为粘性阻尼系数,BP为磁力丝杠混合阻尼系数,ρ为海水密度,g为重力加速度,A为外浮筒面积。
8.根据权利要求7所述的优化控制方法，其特征在于，波浪能发电系统的最大发电功率为：
Figure FDA0003693896930000023
其中,vt为磁力丝杠磁螺母线速度,P为发电功率,ω为磁力丝杠磁螺杆角速度,Fp为发电机力；当磁力丝杠混合阻尼系数BP为正时，获得最大发电功率。
9.根据权利要求8所述的优化控制方法，其特征在于，由波浪周期计算出磁力丝杠混合阻尼系数，利用磁力丝杠混合阻尼系数BP得到保持阻尼命令值Bhold-P，通过保持阻尼命令值改变速度与力之间的相位差：
Bhold-P＝αBP
其中，α为最佳混合阻尼比例系数。
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