CN205779449U - 组合型振荡浮子波浪能发电装置及其测控系统 - Google Patents

Abstract

组合型振荡浮子波浪能发电装置及其测控系统，包括发电装置及测控系统，可根据装机容量设置多组潜伏平台，且每个潜伏平台上安装多个振荡浮子。在传统的振荡浮子波浪能发电装置的基础上，设计了液压蓄能系统、潮位适应系统和浪潮检测系统。液压蓄能系统根据蓄能器组蓄能压力的上限、下限结合实时的波浪信息，进行蓄能器储能及释能的控制，驱动发电机发电。该装置多点能量吸收代替传统的单点能量吸收，可实现瞬时俘获波浪能量的最大化，可测控系统配合组合型振荡浮子波浪发电装置，可以有效克服我国近海波浪能资源的波浪周期较短、波高小、能流密度低的诸多弊端，实现波浪能到电能的最大效率转化和利用。

Description

组合型振荡浮子波浪能发电装置及其测控系统

技术领域

本实用新型属于波浪能发电技术领域，涉及一种振荡浮子波浪能发电系统，同时还涉及其测控系统。

背景技术

能源一直是关乎我国经济发展的重要议题。最然我国经济在保持了多年高速增长之后，逐渐进入经济增长放缓的阶段，但是对能源的需求量一直有增无减，特别是在化石能源(煤炭，石油，天然气等)的供需关系上，始终未能达到一种供需平衡的状态，这也就导致了某些行业(例如煤炭行业)的严重产能过剩，而某些行业(例如石油行业)的供少于求。化解传统化石能源供需矛盾的一大措施就是开发和利用新型清洁可再生能源，还可以在一定程度上缓解由于消耗化石能源所导致的环境污染问题。在诸多新型清洁能源中，海洋能源以其储量丰富的特点，受到广泛关注。

占地球面积70.9％的海洋，蕴藏着极大的能量，其中波浪能的储备尤为可观，成为世界在新能源开发方面重点关注的方向之一。据估计，世界海洋中的波浪能理论储量可达30亿千瓦。我国近海的波浪能资源也相当丰富，但总体特征是周期较短、波高较小、能流密度较低。现阶段对波浪能的开发与利用的最普遍的方式是将其转化为电能。因此设计行之有效的波浪发电装置的测控系统，与波浪发电装置相配合，可以有效克服我国近海波浪能资源的上述弊端带来的不利影响，实现波浪能到电能的高效率转化和利用。

振荡浮子波浪能发电系统是常用的波浪能发电系统，其原理为：浮子漂浮在海面上，随波浪浮动，推动液压缸运动从而带动发电机发电。常见的为单浮子波浪能发电系统，即只有一套浮子和液压缸系统，这种系统吸收波浪能的能力有限，发电能力有限；为了更好的发挥发电系统吸收能量的能力，设计多浮子是一个较好的选择，例如：中国专利201110337128.3公开了一种多振荡浮子式波浪能液压发电装置，通过多组振荡浮子组同时吸收波浪能、液压发电装置集中发电。现有技术中的浮子波浪能发电系统都缺少一套有效的测控系统，发电系统稳定性、效率都还有很大的提升空间。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术的不足与不完善之处，提供一种可更好的俘获波浪能量、适应波浪和潮位变化、发电效果稳定的振荡浮子波浪能发电系统及其测控系统。

本实用新型的技术方案为：组合型振荡浮子波浪能发电装置及其测控系统，包括发电装置及测控系统，发电装置包括第一级能量转换系统，包括浮子发电组，每个浮子发电组均包括潜浮平台及设置在潜浮平台上的振荡浮子，振荡浮子下方经潜浮平台及配重结构固定在海底；第二级能量转换系统：包括液压缸和油箱，液压缸的液压杆接至振荡浮子的上端面；第三级能量转换系统：包括液压马达及发电机，液压马达驱动发电机发电；

第一级能量转换系统包括至少一组浮子发电组和浪潮检测装置，浪潮检测装置用于检测浪高和潮位高低；

第二级能量转换系统还包括液压蓄能系统；

第三级能量转换系统包括电能输出系统，包括并网支路和负载支路，发电机输出端分别接并网支路和负载支路；

液压蓄能系统包括由至少一个蓄能器构成的蓄能器组，每个液压缸的有杆腔和无杆腔及油箱均经一个独立的蓄能单向阀组连接至每个蓄能器入口，形成储能支路，每个储能支路上均安装蓄能单向阀；每个蓄能器出口接一电磁阀、一释能单向阀、一流量传感器，形成释能支路，多条释能支路均接入释能回路，释能回路上安装液压马达、总电磁阀，总电磁阀安装在蓄能器出口与液压马达之间，液压马达驱动发电机发电；每个蓄能器均接一压力传感器；

蓄能单向阀组包括两条支路，每条支路上包括两个同向单向阀，液压缸的有杆腔和无杆腔分别接入每条支路上、两个单向阀之间，油箱接入两条支路的一个并联点，两条支路的另一个并联点接入储能支路；

测控系统包括第一级能量转换测控单元、第二级能量转换测控单元、第三级能量转换测控单元和主控制器；

第一级能量转换测控单元包括第一级数据采集系统，用于采集浮子运动位移并传递到主控制器；

第二级能量转换测控单元包括第二级数据采集系统，用于采集电磁阀、总电磁阀的状态信息，及流量传感器、压力传感器的数据信息，并传递到主控制器；

第三级能量转换测控单元包括第三级数据采集系统，用于采集发电机输出电流、电压、负载支路吸收功率、电量信息；并传递到主控制器。

作为优选：潜浮平台上安装竖向导向杆，振荡浮子插入竖向导向杆。

作为优选：第一级能量转换系统还包括浪潮检测装置，浪潮检测装置包括潮位观测筒及液位计，观测筒底部顶端和底端均具有开口，且顶端开口的面积大于底端开口的面积；液位计有两个，分别位于潮位观测筒内侧和外侧；液位计的测量信息反馈到第一级数据采集系统，并传递到主控制器。

作为优选：第二级能量转换系统还包括潮位适应系统，包括潮位调节油缸及竖立在振荡浮子上的潮位杆；液压缸为两级可伸缩双作用液压缸，潮位调节油缸为三级可伸缩双作用液压缸，总电磁阀为三位四通电磁阀，潮位杆上间隔安装上位磁铁和下位磁铁；导向杆上安装有磁性传感器，竖向位置介于上位磁铁和下位磁铁之间，潮位调节油缸的油缸杆与液压缸的无杆腔串接，潮位调节油缸的有杆腔和无杆腔分别接到总电磁阀的下阀位和上阀位。

作为优选：每个浮子发电组包括一个潜浮平台，同一潜浮平台上设置有多个浮子，每个振荡浮子均连接一套独立的潮位适应系统。

作为优选：负载支路包括至少一组星形电阻，每组星形电阻的三条支路分别经支路开关接发电机的三相输出端，一组星形电阻对应一个接触器开关，用于控制该组星形电阻中三个支路开关的通断。

作为优选：并网支路包括至少一条汇合海缆和一条上岸海缆，汇合海缆由其的浮子发电组连接至上岸海缆所在的浮子发电组，上岸海缆连接至市电电网。

本实用新型的有益效果为：

1、本实用新型的发电装置由多组阵列式浮子发电系统代替传统的单浮子发电系统，以多点能量吸收代替传统的单点能量吸收，可实现瞬时俘获波浪能量的最大化，可测控系统配合组合型振荡浮子波浪发电装置，可以有效克服我国近海波浪能资源的波浪周期较短、波高小、能流密度低的诸多弊端，实现波浪能到电能的最大效率转化和利用。

2、设计并开发了高/低速数据采集系统，依托于硬件架构，特别是基于“状态机”思想的软件实现方法，实现了对诸如浪高、浮子运动位移等快速变化过程量的高速数据采集与数据无损存储。

3、设计并开发了一种浪潮检测装置，与上述数据采集系统相配合，实现了对浪、潮的有效实时监测，为测控系统提供及时、准确的海况信息，而且最大限度降低了开发成本。

4、在控制层面，涉及对第一级能量转换到第三级能量转换的过程控制，具体来说：

在第二级能量转换的控制上，设计并开发了一种“潮位自适应控制系统”，可以有效克服潮位变化(潮差)所带来的减小液压缸有效作用行程严重问题，从而保证了第一级能量转换的可靠进行；

在第二级能量转换的控制上，设计并开发了液压蓄能控制系统，可依据当前观测到的海况，自动调整蓄能与放能控制策略，既能大幅提高第二级能量转换效率，又保证了液压系统的结构安全。同时设计了报警机制与故障诊断机制，进一步确保装置实际还是运行的可靠性；

在第三级能量转换的控制上，设计了两种对电能的处理方式，电能既可以在发电平台上进行卸荷，评估负载变化对发电机出力的影响以及对第三级能量转换效率的影响；又可以通过海底电缆传输至岸上，在上岸之前，特别设计了两平台电能的汇合控制系统，提高了海底电缆的利用率，大大降低了开发成本，上岸后依据设计的电力变换及其控制系统，真正实现了电力并网设计。

5、考虑装置的离岸且无人值守运行状态，设计并开发了远程无线网络通信系统，依托通信链路以及监控软件，真正实现了对海上两个100kW发电平台的网络化监控和管理，确保装置的海试运行的可靠性、安全性。

附图说明

图1为发电装置结构示意图。

图2为一个浮子发电组中浮子安装结构示意图。

图3为蓄能器组结构示意图。

图4为浪潮检测装置结构示意图。

图5为潮位适应系统结构示意图。

图6为潮位适应系统工作流程图

图7为发电装置能量转换示意图。

图8为两潜浮平台发电装置结构连接示意图。

图9为发电机并网电力变换结构示意图。

图10为发电机带电阻负载结构示意图。

图11为负载支路结构示意图。

图12为电能汇合上岸宏观示意图。

图13为电能汇合控制电路原理图。

图14为发电机带并网电力变换设备电路原理图。

图15为Sepic变换电路闭环控制原理图。

图16为测控系统结构示意图。

图17数据采集系统结构示意图。

图18数据采集状态跳转图。

图19为本地有线网络监控该系统结构示意。

图20为无线通信系统近距离模式通信链路结构图。

图21为无线通信系统中距离模式通信链路结构图。

图22为无线通信系统远距离模式通信链路结构图。

图23为远程无线网络监控系统宏观结构示意图。

图24为光伏不间断供电系统结构示意。

其中：1-振荡浮子，2-液压缸，3-油箱，4-液压马达，5-发电机，6-蓄能单向阀组，7-蓄能器，8-蓄能单向阀，9-电磁阀，10-释能单向阀，11-总电磁阀，111-上阀位，112-中阀位，113-下阀位，12-溢流阀，13-潜浮平台，14-缆绳，15-配重结构，16-海床，17-发电平台，18-竖向导向杆，19-流量传感器，20-压力传感器，21-压力表，22-压力继电器，23-调速阀，24-潮位观测筒，251-液位计I，252-液位计II，26-潮位调节油缸，27-潮位杆，281-上位磁铁，282-下位磁铁，29-磁性传感器，301-汇合海缆，302-上岸海缆

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行进一步的描述。

如图1和图2所示，组合型振荡浮子波浪能发电装置及其测控系统，包括发电装置及测控系统，发电装置包括第一级能量转换系统，包括浮子发电组，每个浮子发电组均包括潜浮平台13及设置在潜浮平台13上的振荡浮子1，振荡浮子1下方经潜浮平台13及配重结构15固定在海底；第二级能量转换系统：包括液压缸2和油箱3，液压缸2的液压杆接至振荡浮子1的上端面；第三级能量转换系统：包括液压马达4及发电机5，液压马达4驱动发电机5发电。

第二级能量转换系统还包括液压蓄能系统；如图1和图3所示，图3为示意图，所示的发电装置为四个潜浮平台13的发电装置。潜浮平台13及振荡浮子1的数量可根据发电容量设计。液压蓄能系统包括由至少一个蓄能器7构成的蓄能器组，每个液压缸2的有杆腔和无杆腔及油箱3经一个组独立的蓄能单向阀组6连接至每个蓄能器7入口，形成储能支路，每个储能支路上均安装蓄能单向阀8；每个蓄能器7出口接一电磁阀9、一释能单向阀10、一流量传感器19，形成释能支路，多条释能支路均接入释能回路，释能回路上安装液压马达4、总电磁阀11，总电磁阀11安装在蓄能器7出口与液压马达4之间，液压马达4驱动发电机5发电；每个蓄能器7均接一压力传感器20。

蓄能单向阀组6包括两条支路，每条支路上包括两个同向单向阀，如图1中所示的结构，支路一上安装单向阀K1和单向阀K2，支路二上安装单向阀K3和单向阀K4，液压缸2的有杆腔和无杆腔分别接入每条支路上、两个单向阀之间，即，液压缸2的有杆腔接入单向阀K1和单向阀K2之间，无杆腔接入单向阀K3和单向阀K4之间。油箱3接入两条支路的一个并联点；两条支路的另一个并联点接入储能支路。

为了更好的发挥振荡浮子波浪能发电装置吸收能量的能力，设计了多组浮子发电组；本实施例中的发电装置包括两组浮子发电组，每组浮子发电组包括一个潜浮平台13，其中一个潜浮平台13上安装四组浮子，另一个潜浮平台13上安装五组浮子，每个振荡浮子1均连接一套独立的潮位适应系统；每个浮子发电组的装机容量均可达到100KW。如图2所示，一个潜浮平台13上安装有两个振荡浮子1，每个振荡浮子1都连接与其对应的液压缸2、油箱3、液压马达4及发电机5等。

为了保证振荡浮子1运动的稳定性，在潜浮平台1上安装竖向导向杆18，振荡浮子1插入竖向导向杆18中，沿竖向导向杆18的方向运动。

发电装置的工作原理是：振荡浮子1在波浪的推动下沿着竖向导向杆18做垂直自由度下的振荡运动，实现波浪能到浮子振荡机械能的第一级能量转换；振荡浮子1顶部与液压缸2的活塞杆刚性连接，浮子振荡运动时推动活塞杆做功，进而液压缸2输出液压油，通过单向阀组6向蓄能器组里的每个蓄能器7充油蓄能。控制系统将设定蓄能器7的阈值，待蓄能器7的蓄能压力达到设定的阈值后控制电磁阀9开启，蓄能器7积蓄的液压能量释放，推动液压马达4旋转，实现蓄能器7存储液压能到液压马达4旋转机械能的第二级能量转换；液压马达4与发电机5同轴相连，液压马达4旋转时带动发电机5运转，产生电能。发电机5输出电能可由负载直接消耗或并网，实现液压马达4旋转机械能到电能的第三级能量转换。整个装置的能量转换过程示意图如图7所示。能量俘获系统实现第一级能量转换，能量转换系统实现第二级和第三级能量转换。

液压蓄能系统的工作原理(工作流程)是：多个振荡浮子1在波浪的推动下做垂直自由度下的振荡运动，振荡浮子1顶部与液压缸2的活塞杆刚性连接，振荡浮子1振荡运动时推动活塞杆做功，进而液压缸2输出液压油，多个液压缸2输出的液压油通过蓄能单向阀组6进行汇集，然后向蓄能器组里充油蓄能。采用的为双作用液压缸，其有杆腔和无杆腔均与油箱3、蓄能器组相接，构造了双向循环液压系统，可以保证振荡浮子1上升或下降都可有效向蓄能器7里充油蓄能，提高了能量转换效率。对应于图3，蓄能器组中的多个蓄能器7同步充油蓄能，压力同步上升。待蓄能器7压力达到设定的蓄能压力上限阈值后，控制电磁阀9开启，实现能量释放，液压油推动液压马达4运转。与液压马达4连通的油路还连接有溢流阀12和调速阀，用于防止液压油的溢流及控制液压油的流速。

在液压蓄能系统的主回路和各支路安装了多个压力传感器20和流量传感器19以检测各蓄能支路的蓄能器7压力和放油流量。每个蓄能器7还加装了压力继电器22和压力表21，压力继电器22可在检测到蓄能器压力达到某个报警值上、下限时给出开关量报警信号。上述压力传感器和流量传感器的输出信号可由图17所示的数据采集系统的模拟量电流采集接口进行实时采集。

所谓测控系统，最基本的是要实现两大功能：监测与控制。这两大功能是由图16中所示的主控制器来实现的。主控制器集成在控制室内，设置于发电平台17上。

测控系统的架构可分为：被控对象层：第一级能量转换到第三级能量转换的能量传递过程。本地控制层：核心为主控制器，涉及对第一级能量转换到第三级能量转换的本地过程监测与控制。调度管理层：包括监控上位机，与主控制器之间进行通信，实现对被控现场各环节运行状态的实时网络化监控、调度与管理。

对于被控对象层，测控系统完成的主要工作时系统工作过程中的数据采集，多路传感器实时检测第一级到第三级能连转换环节中的过程参数。包括第一级能量转换测控单元、第二级能量转换测控单元、第三级能量转换测控单元。

第一级能量转换测控单元包括第一级数据采集系统，用于采集振荡浮子1运动位移、液位计I251和液位计II252采集的液位值并传递到主控制器；第二级能量转换测控单元包括第二级数据采集系统，用于采集电磁阀9、总电磁阀11的状态信息，及流量传感器19、压力传感器20的数据信息，并传递到主控制器；第三级能量转换测控单元包括第三级数据采集系统，用于采集发电机5输出电流、电压、负载支路吸收功率、电量信息；并传递到主控制器。

除此之外，测控系统还涉及对诸如环境温湿度、光伏不间断供电系统的各项过程参数的采集(例如太阳能板输出电压、电流，蓄电池电压、电流，逆变器输出电压、电流等)。

主控制器可实现两种数据采集模式：高速数据采集模式(采样率可达1MHz)和低速数据采集模式(采样率不超过100Hz)。高速采集模式适用于采集诸如振荡浮子1运动位移、发电机5输出电压瞬时值、发电机5输出瞬时电流瞬时值等快速变化的过程参数；低速采集模式适用于采集诸如液压回路压力、流量、环境温湿度、负载温度、光伏系统过程参数等慢速变化的过程参数。采集的数据既可以存储在本地监控工控机的硬盘中，又可以通过远程无线网络监控系统进行远程数据文件的访问和提取。

之所以设计高、低两种模式，是考虑到只采用高速数据采集模式，对于像环境温湿度等慢速变化的过程参数的采集实际上是一种冗余，而且诸多参数同步高速采样，势必导致本地监控工控机的硬盘空间随着装置的一天天海试运行而越发不足，即便通过远程无线网络监控系统提取数据传文件，也会因数据存储量过大而限制了提取效率。

为了提高采集精度，装置布放的传感器均采用4～20mA输出(电流型输出传感器要比电压型输出传感器在克服干扰方面性能优越)。图17为高/低速数据采集系统的硬件架构，主控制器对外提供模拟量电流采集接口，共有AI0-AI31三十二个采集通道,其中AIn和AIn+1构成一个差分采集通道，n＝0,2,4,…30；也可AIn和COM构成一个单端采集通道，n＝0～31。

上述各通道用于采集传感器输出的4～20mA信号，经过内部的4～20mA转1～5V转接电路，转换为电压信号再经过AD转换后，通过RJ45接口并基于TCP/IP协议将各通道采集量上传至本地监控工控机。高、低速两种数据采集模式的采集系统硬件架构是相同的。

为了实现高速数据采集，特别设计基于“状态机”思想的数据采集方法，软件集成了TCP/IP协议，使得工控机与主控制器可通过RJ45接口并基于TCP/IP协议实现全双工通信。所谓“状态机”思想，是指利用状态跳转的思路来完成某个功能，而不再是传统软件采用的基于“顺序编程模式”的流程化设计思想。

“状态机”的设计思想，区别于传统的顺序流程化设计思想，采用的是一种数据采集状态跳转的思想。如图18所示，数据采集状态跳转流程为：首先设定采样频率，高速和低速数据采集模式的采样频率是不同的，每次执行数据采集任务是，首先进行参数初始化；基于“状态机”的数据采集方法以时间为基准，每一天采集的数据文件存储在当天的数据存储文件中。当当前时刻≥00:00:00时，采集数据，打开以日期为单位的数据存储文件；对接收到的数据进行处理，存储在数据存储文件中，当当前时刻≥23:59:59时，停止采集进程，关闭数据存储文件。

基于上述“状态机”编程思想，在LabVIEW开发环境下编写了主控制器数据采集软件，与图17所示硬件系统相配合，实现对多项过程参数的同步高速数据采集。

软件提供了人机交互接口，便于进行软件功能测试。考虑到装置在海上实际运行时，处于无人值守的状态，因此实际运行时触发软件数据采集进程开始与结束的“事件”为对当前系统时刻的判断，每天存储一个数据文件(.tdms格式)。

特别需要指出的是，实现高速数据采集必须保证完整无损存储这些采集到的数据，这就涉及到对采集数据的高速存储，传统的数据存储文件格式(.xls，.xlsx，.dat，.txt等)亦或是数据库存储模式(Access、Oracle数据库等)都不再适用。因此，主控制器数据采集软件特别对Windows的文件系统(NTFS)的底层驱动作了修改，以实现高速数据存储。

试验证明，基于“状态机”思想编写的上位机软件，可以实现工控机操作系统的高速进程切换，进而实现高速数据采集。图7为上位机数据采集软件的“状态机”实现模式。

对于测控系统的本地控制层的主控制器，包括潮位自适应控制单元、液压蓄能控制单元、并网控制单元、负载控制单元。

(1)潮位自适应控制单元。

为了能够准确获取装置布放海域的海况信息(浪高、潮位)，传统的技术方法是在指定海域布放一种称为“浪、潮观测仪”的海洋观测精密仪器，造价极其昂贵(高达数十万)。为了节省成本，同时又能够准确获取海况信息，设计了浪潮检测装置，如图4所示。使用投入式液位计作为检测元件，在振荡浮子1的导向杆18旁焊接一个潮位观测筒24，潮位观测筒24上下开孔，上开孔面积大于下开孔面积，形成上下贯通的结构，类似一个连通器。这种结构可保证不论潮位观测筒24外的海面再怎么剧烈波动，潮位观测筒24内一直保持静水位，也就是与当前潮位持平，即潮位观测筒24内的潮位不受外界波浪的影响。利用这种原理，设置了两个液位计，潮位观测筒24内的投入式液位计251就可以实时检测当前潮位，记为H_T，再基于上述数据采集系统，就可以完整记录当前海域的潮位变化。在潮位观测筒24外布放另一个投入式液位计252，该液位计与潮位观测筒24内的液位计处在相同的基面上，这样的话，该液位计实际检测到的是海水的水位，记为H_S，再基于上述数据采集系统，就可以完整记录当前海域的水位变化。液位计251和液位计252测得的液位信息反馈到上位机，考虑到任意时刻，海水的水位实际上是潮位叠加波浪形成的，上位机根据公式(1)，就可以得到波浪的浪高了，记为H_W。

H_W＝H_S-H_T (1)

测控系统对第一级能量转换的控制体现在利用控制系统的硬件结构和控制方法来克服潮位变化减小了液压缸有效作用行程的不利影响。以青岛近海海域为例，一天24小时潮位都在涨、落变化，每天的潮差(最高潮位与最低潮位的水位之差)平均可达3米，最大潮差可达4米以上。如前，海水的水位实际上是潮位叠加波浪形成的，考虑一种极端情况，也就是一天内不出现波浪，海水水面完全静止，那么振荡浮子1也会随着潮位的涨、落而上浮或者下降。因为振荡浮子1顶端与液压缸活塞杆相连接，这样的话，液压缸活塞杆至少也会有3米以上的行程。可是液压缸2的缸筒却是固定不动的，这样一来，直接造成的后果是：涨潮时，液压缸活塞杆的上作用行程缩短，有顶缸的危险；落潮时，液压缸活塞杆的下作用行程缩短，有脱缸的危险。

传统的解决方案是加长液压缸缸筒的长度，单在某些潮位差较大的海域，液压缸缸筒的长度至少要在5米左右。但是这种液压缸，不仅加工难度大，结构强度不可保证，而且还会影响整个发电装置的结构稳定性。

本系统设计了潮位适应系统，以解决以上问题。如图5所示，潮位适应系统，包括潮位调节油缸26及竖立在振荡浮子1上的潮位杆27；液压缸2为两级可伸缩双作用液压缸，潮位调节油缸26为三级可伸缩双作用液压缸，总电磁阀11为三位四通电磁阀，包括上阀位111、中阀位112和下阀位113，潮位杆27上间隔安装上位磁铁281和下位磁铁282；导向杆18上安装有磁性传感器29，竖向位置介于上位磁铁281和下位磁铁282之间，潮位调节油缸26的油缸杆与液压缸2的无杆腔串接，潮位调节油缸26的有杆腔和无杆腔分别接到总电磁阀的下阀位113和上阀位111。

如图6所示，潮位适应系统的工作原理(工作流程)是：总电磁阀11的阀芯默认接通在中阀位112，即不向潮位调节油缸26内供油。磁性传感器29位于导向杆18上，不随浪潮的波动而运动；涨潮时，振荡浮子1上浮，磁性传感器29检测下位磁铁282，磁性传感器29的输出端口1输出高电平信号给控制器，控制器内置计数器的计数值+1，考虑到振荡浮子1会随波浪振动，为防止误判断，控制器在检测算法上做了保护，也就是在设定的时间间隔内，当且仅当计数器的计数值≥3时，才认为潮位上涨，否则计数器值清零，等待下一次高电平信号的到来。检测到潮位上涨后，控制器给出三位四通电磁阀的线圈A的驱动信号，总电磁阀11的下阀位113接通，潮位调节液压缸26的有杆腔进油，无杆腔出油(液压油来自于蓄能器组)，在液压力的驱动下，潮位调节液压缸26的活塞杆收缩，而该活塞杆与液压缸2的外缸筒连接，因此可提升液压缸2外缸筒，待提升设定的时间后，线圈A断电，三位四通阀的阀芯重新回到中阀位112，油路断开，提升结束。达到的效果是：不会出现之前由于涨潮导致液压缸2活塞杆上作用行程缩短的不利后果了。造成顶缸，破坏液压缸2。

同理，落潮时，振荡浮子1下降，磁性传感器29检测到上位磁铁281，磁性传感器的输出端口2输出高电平信号给控制器，控制器内置计数器的计数值+1，仍然是在设定的时间间隔内，当且仅当计数器的计数值≥3时，才认为潮位下落，否则计数器值清零，等待下一次高电平信号的到来。检测到潮位下落后，控制器给出三位四通电磁阀的线圈B的驱动信号，总电磁阀11的上阀位111接通，潮位调节液压缸26的无杆腔进油，有杆腔出油(液压油来自于蓄能器组)，在液压力的驱动下，潮位调节液压缸29的活塞杆伸长，而该活塞杆与液压缸2的外缸筒连接，因此可下放液压缸2外缸筒，待下放设定的时间后，线圈B断电，三位四通阀的阀芯重新回到中阀位112，油路断开，下放结束。达到的效果是：不会出现之前由于落潮导致液压缸2活塞杆下作用行程缩短的不利后果了。

潮位自适应控制系统有手动和自动两种工作模式，上面叙述的是自动工作模式。手动模式是指可以利用远程无线网络监控系统，人为下发控制指令到控制器，然后控制器按照指令给出三位四通电磁阀的线圈的驱动信号。实现液压缸2缸筒的提升或下放的人为手动操控。

(2)液压蓄能控制单元

通过主控制器设定浪高上限阈值H_H、浪高下限阈值H_L、蓄能压力上限阈值P_H、蓄能压力下限值P_L，主控制器可依据采集到的压力、流量以及海况监测系统的检测结果，设定不同的能量释放控制策略，主控制器依据公式(1)得到当前海域的浪高信息，并在一定的时间间隔内，统计出浪高的平均值，当浪高平均值大于设定的浪高阈值时，认为当前海域的波浪功率较大，可进行较高能量等级的蓄能。鉴于此，测控系统会提高蓄能压力上限阈值P_H，同时为了确保蓄能器组在能量释放阶段不会对液压马达4、阀控组件等设备造成较大冲击，测控系统会自动控制电磁阀组依次开启。具体来说，达到设定的蓄能压力上限阈值P_H后，首先控制蓄能器组中的电磁阀1开启，蓄能器1释放能量。随着能量的逐渐释放，蓄能器1压力逐渐减小，当减小到设定的蓄能压力下限阈值P_L时，控制电磁阀2开启，蓄能器2释放能量。随着能量的逐渐释放，蓄能器2压力逐渐减小，当减小到设定的蓄能压力下限阈值P_L时，控制电磁阀3开启，蓄能器3释放能量。待蓄能器3的压力减小到蓄能压力下限阈值P_L后，控制电磁阀1,2,3同时关闭，至此完成能量释放的整个过程。

同理，依据公式(1)得到当前海域的浪高信息，并在一定的时间间隔内，统计出浪高的平均值，当浪高平均值在一定时间间隔内一直低于浪高下限阈值H_L，认为当前海域的波浪功率较小，只能进行较低能量等级的蓄能。鉴于此，测控系统会降低蓄能压力上限阈值p_H，同时为了保证释放阶段的最大效率能量释放，测控系统会自动控制电磁阀组同步开启。具体来说，达到设定的蓄能压力上限阈值P_H后，控制电磁阀1,2,3同时开启，三个蓄能器同步进行能量释放，压力也同步下降。当压力下降到蓄能压力下限阈值P_L后，控制电磁阀1,2,3同时关闭，至此完成能量释放的整个过程。

需要指出的是，上述两个过程中，电磁阀组的控制策略是不同的，原因是，在浪高一段时间内一直高于其设定的浪高阈值时，蓄能器组蓄能压力已经达到上限，若同时开始电磁阀组中的电磁阀，瞬间释放的能量非常大，容易造成系统部件的损坏。

上述为液压蓄能系统的自动工作模式的工作流程，还设计了手动工作模式。手动模式是指可以利用远程无线网络监控系统，人为下发控制指令到控制器，然后控制器按照指令控制电磁阀1,2,3的启、闭，实现蓄能器1,2,3的手动能量释放。

考虑到液压蓄能系统工作在高蓄能压力的情况下，会存在一定的潜在危险，因此特别设计了保护措施。图3中三个流量传感器19的作用一是进行蓄能器放油时的流量检测，而是用来进行故障诊断。例如，当电磁阀1关闭时，流量传感器1检测到的流量理应为0，但是如果此时采集到当前流量大于设定的流量阈值q_H时，认为管路存在泄压、漏油等故障，因此控制器会立即发出报警信号，再通过远程无线网络监控系统上传报警信息到远程监控中心。

液压蓄能系统的设计有以下优点：

不再采用液压缸输出液压油直接驱动液压马达的“直驱型”结构，而是在液压缸与液压马达之间增加了由蓄能器组、阀控组件以及多路传感器构成的蓄能稳压环节，可以有效克服我国近海海域波浪能量密度低这一弊端，先进行能量蓄积，蓄积到一定阶段再进行能量释放。不仅可以大幅提高发电机的输出功率，提高波浪能到电能的能量转换效率，而且可以最大限度保持能量释放阶段液压马达的平稳运转，进而液压马达带动发电机平稳运转，发电机输出电力大幅稳定(稳压稳频)。这是“直驱型”结构所远远不能达到的；

测控系统可依据海况对能量释放控制策略进行自动调整，既保证了能量转换效率，又保证了系统实际海试的安全运行；

在实现基本的蓄能与放能控制的同时，设计了报警机制与故障诊断机制，并基于远程无线网络监控系统上传至监控中心，切实保证了无人值守海上发电平台的的安全可靠运行。

(3)并网控制、负载控制单元

发电装置最终的目的是获取电能，将电能输出。本系统中电能输出系统属于第三级能量转换系统，包括并网支路和负载支路；即，获得的电能具有两种输送途径，一种是经由并网支路并入市电电网，其结构和原理如图9所示；另一种是经由负载支路消耗，其结构和原理如图10所示。

发电机输出电能直接在平台上通过电阻消耗的设计考虑是：1)测控系统可通过监测不同负载电阻下，发电机的输出电压、电流以及输出功率，评估不同负载下装置的能量转换效率；2)如果发生海底电缆断裂，或者岸上电力集成管理系统出现故障，需要进行检修，发电机输出电能就不具备上岸传输条件，这时候可以利用负载直接在平台上卸荷。

负载支路包括至少一组星形电阻，每组星形电阻的三条支路分别经支路开关接发电机5的三相输出端，一组星形电阻对应一个接触器开关，用于控制该组星形电阻中三个支路开关的通断。通过控制各组星形电阻接入的阻值来控制负载阻值。

如图11所示，本实施例中使用了3组三相对称星形电阻，阻值分别为10Ω，40Ω和160Ω。每组星形电阻分别对应接触控制器KM1、KM2、KM3，测控系统输出或切断KM1，KM2和KM3三个接触器线圈的驱动信号，进而控制KM1，KM2和KM3三个接触器常开触点的闭合或断开，实现负载的接入发电机4、断开发电机4，以及不同阻值负载的切换。通过控制接触器触点的开闭，可以组合出多种阻值的负载：7.62Ω(10Ω//40Ω//160Ω＝7.62Ω)，8Ω(10Ω//40Ω＝8Ω)，9.41Ω(10Ω//160Ω＝9.41Ω)，10Ω，32Ω(40Ω//160Ω＝32Ω)，40Ω，160Ω。这实际上是一种“多段分级”的负载设计思想。所谓“多段”是指采用了多组电阻并联的方式来构造尽可能多的负载组合，而“分级”是指不同阻值负载的功率等级各不相同，负载阻值越小，功率等级越高。这样选择电阻，一是可以实现前面的评估不同负载下装置的能量转换效率，二是通过选用不同功率等级的负载电阻，最大限度降低了系统的开发成本。

蓄能器压力低、蓄能阈值低，蓄能器的驱动能力就会低，直接造成了液压马达驱动大电机的能力低，此时，需要控制负载阻值调整到较大，使电流较小，从而减小电磁阻力。相反，当蓄能器压力高、蓄能阈值高时，需要控制负载阻值调到较小，使电流较大，增大电磁阻力。

相比负载耗能的方式，发电机输出电能的入市并网，是更具实用价值的处理方式，其实现方式是通过海底电缆传输至岸上进行并网。如图12所示，在上岸之前，首先将两座发电平台的电力输出在一个平台上利用测控测控系统进行汇合。如图12所示。将其中一个平台的的发电机5输出电力通过汇合海缆301输送至另一个平台上，然后与另一平台发电机5的输出电力进行平台汇合后，最终通过上岸海缆302传输至岸上。

这种两平台电能首先进行汇合的设计思想具有诸多优势和独创性：

考虑到青岛近海海域，海况的特性是波高小，周期短，能流密度低，因此装置实际海试运行时，需要长时间进行蓄能(长达数小时)，但是能量的释放过程是极其短暂的(几分钟)，这样一来，海底电缆的利用率就极低。考虑到海底电缆的生产成本高昂、铺设难度巨大、维护成本高，将两平台电能在一个平台上进行汇合后，再通过一根海底电缆传输上岸，不仅提高了电缆的利用率，而且最大限度降低了装置的生产成本和施工难度；

电能通过一根海底电缆传输上岸，在岸上只需使用一套电力变换设备对电能进行二次处理后即可进行并网，降低了岸上电力集成管理系统的开发成本。

图13为电能汇合控制结构示意图，每一台发电机4的输出三相电通过大功率三相交流电子开关进行通、断。三相交流电子开关的的三个支路结构一致，均采用了晶闸管双向反并联结构。图16中的主控制器依据发电机三相电输出主回路的电压传感器和电流传感器的检测结果，进行三相交流电的过零点判断，并依据判断结果给出晶闸管的触发控制信号，控制晶闸管的导通与关断，进而实现发电机输出电能的通、断控制。使用三相交流电子开关是考虑到电子开关相对于传统的机械开关，导通与关断没有延时，可进行高频率的导通、关断，而且不像机械开关的机械触点那样存在机械磨损。

如前，测控系统在实现两平台输出电能的汇合控制时，需要与第二级能量转换的控制相协调。为了保证汇合控制的安全可靠进行，任意时刻需要确保有且只有一个平台的液压蓄能系统进行能量释放。为此设计了两平台通信机制，即在图12所示的海缆(汇合)中，增加了两根通信线，两个平台的测控系统的主控制器可通过通信线互相传输通信信号。具体来说，4浮子平台的液压蓄能系统不论是在手动还是在自动工作模式下，在进行能量释放的前一瞬间，通过通信线给出信号，且该信号一直保持到液压蓄能系统的能量释放结束。5浮子平台的主控制器在接收到该信号后，立刻闭锁液压蓄能系统(将图3中电磁阀1,2,3全部关闭)，并且基于主控制内部的控制逻辑，禁用部分人机交互功能，也即是说，即便此时希望通过远程监控系统人为开启图3中的电磁阀1,2,3都是不可能的。当4浮子平台的液压蓄能系统完成能量释放后，断开该通信信号，随后5浮子平台主控制器解除对液压蓄能系统的闭锁，开启被禁用的人机交互功能。同理，5浮子平台依然是基于上述通信机制，与4浮子平台进行通信，然后4浮子平台并进行相应的控制(闭锁液压蓄能系统，禁用部分人机交互功能)。

图14为发电机带并网电力变换设备时的电路原理图。采用了AC/DC—DC/DC—DC/AC—AC/AC的拓扑结构。电能汇合后经上岸海缆302传输至岸上，首先通过EMI滤波器滤除高频谐波，提高电能质量；然后通过三相不可控全波整流，将三相交流电整流成直流电，实现AC/DC变换；整流后，使用Sepic变换电路进行二次稳压，也就是DC/DC变换，基于闭环控制可实现宽范围直流电压输入下的稳压输出；蓄电池组并联在直流母线上，一是可以吸收发电机的输出电能，二是起到稳定和支撑直流母线电压的作用；测控系统会实时监测蓄电池组的荷电状态(State of Charge，简写为SOC)，当SOC≥0.9时，认为蓄电池组即将进入过充状态，此时测控系统会控制图14中所示的卸荷电阻接入直流母线，吸收多余电能，同时发电机会因为卸荷电阻的接入而减速制动，确保蓄电池不会过充，保障了蓄电池的安全、健康运行；DC/DC变换后，使用逆变器实现DC/AC变换，将直流电逆变成交流电；随后通过变压器实现AC/AC变换，变换得到与市电的电压等级一致的交流电，即可进行后续的并网。

对应于图14中的DC/DC变换电路(Sepic变换电路)，图15为该电路的闭环控制系统结构图。

闭环控制系统的结构双闭环串级控制系统，外环为电压环，内环为电流环，测控系统的主控制器实现了图15中所示的PI控制算法。如前，装置的液压蓄能系统已经能够大幅提很高发电机输出电力的平稳性，再加上测控系统实现的闭环控制，能够进一步稳定DC/DC变换电路的直流电压输出。装置实际运行时，可以基于远程监控系统设定期望的直流电压输出，也就是图15中的V_ref，然后测控系统就可基于图15所示的电路结构与控制算法，控制图15中的电压输出，实现V_out＝V_ref。确保了DC/DC变换电路的稳定直流电压输出，再加上蓄电池的支撑，就可以保证后续DC/AC逆变器输出交流电的稳压稳频。

对于测控系统的调度管理层，可分为本地有线网络监控系统和远程无线网络监控系统。

本地有线网络监控系统：在装置下水海试之前，需要对设计的测控系统进行反复的测试，以确保功能的可靠性。此时可以通过本地有线网络监控系统来实现对测试过程的实时网络化监控。日后装置的海上维护，科研人员也可在控制室内利用本地有线网络监控系统对测控系统的各项功能进行调试维护。本地有线网络监控系统的通信链路结构图如图19所示，其实质是通过工业交换机，将主控制器跟本地监控工控机接入同一个局域网，本地监控工控机通过监控软件，掌握整个装置各环节的运行状态，例如液压回路的压力、流量，亦或是电力变换系统的电压、电流等。也可通过监控软件下发控制指令到控制器，实现诸如测控系统工作模式的手/自动切换、控制参数的设定等。

远程无线网络监控系统：考虑到装置海试运行的无人值守状态，在本地有线网络监控系统的基础之上，设计并开发了远程无线网络监控系统，用以远程实时监控海上装置的运行状态。远程无线网络监控系统依据通信距离分为三种模式：近距离模式(监控距离≤100米)，中距离模式(监控距离≤10km)，远距离模式(监控不受距离限制)。图20-图22分别为三种通信模式的通信链路结构图。

对应于图20，近距离模式下的无线网络监控的通信距离在100m之内。本地监控工控机与主控制器接入同一个局域网后，在工业交换机上连接WIFI路由器以实现局域网络的无线扩展，使得装置周围100米范围内覆盖WIFI信号。监控计算机连接WIFI后即可接入该局域网，依然是通过图20所示监控软件，与主控制器基于TCP/IP协议进行全双工通信，实现对第一级能量转换到第三级能量转换的过程监控。数据采集系统采集数据存储在本地监控工控机的硬盘里，通过图20所示的通信链路可以实现对数据存储文件的远程访问和提取。在本地监控工控机上建立一个FTP服务器并开通访问权限，所有的采集数据存储文件都放在指定的路径下，然后基于图20所示的通信链路，科研人员可以直接登陆FTP服务器，访问指定路径下的数据存储文件，还可以直接复制数据存储文件到监控计算机上，方便快捷。

对应于图21，中距离模式下的无线网络监控的通信距离在10km之内，主要适用于科研人员在临海的码头对整个装置进行远程监控，当然，中距离模式也可实现近距离监控(只要保证距离≤10km)。本地监控工控机与主控制器接入同一个局域网后，在工业交换机上连接无线网桥，无线网桥可发射并接受高频无线微波(5.8GHz)，这种高频微波就相当于信息的载波。在岸上也布放一个无线网桥，与装置控制室内的无线网桥进行点对点连接，岸上的无线网桥接入路由器，这样一来，监控计算机和网络录像机通过路由器即可接入本地监控工控机与主控制器所在的局域网。通过监控软件，监控计算机与主控制器基于TCP/IP协议进行全双工通信，实现对第一级能量转换到第三级能量转换的过程监控。同时，网络录像机可实时记录并存储摄像头采集的视频信息，方便科研人员随时查看装置的海上运行情况。基于这种中距离模式的远程监控，科研人员可也可以按照之前叙述的方式，随时访问和提取本地监控工控机硬盘里存储的数据文件。

上述两种监控模式实际上实现的是局域网络监控。对应于图22，远距离模式下的无线网络监控的通信距离不再受距离的限制，主要适用于科研人员在远离海岸的实验室对整个装置进行远程监控，当然，远距离模式也可实现近、中距离监控。本地监控工控机与主控制器接入同一个局域网后，在工业交换机上连接GPRS-DTU(GPRS数据传输单元)，GPRS-DTU首先接入GPRS骨干网，也就是经常说的“手机网”。GPRS骨干网随后通过GPRS服务器与公网Internet实现网际互连。在Internet上架设了一台数据服务器，也就是所谓的“云端服务器”，这实际上相当于一个“数据中转站”，监控计算机也接入Internet后就可以经由数据服务器下发控制指令到主控制器，同时主控制器也可经由数据服务器实时上传数据到监控计算机，实现的依然是基于TCP/IP协议的全双工通信，通过监控软件。这种远距离模式实际上实现的是局域网与广域网的网际互连，属于当前非常流行的“云管理”模式。

基于上述三种模式，可以得到如图23所示远程无线网络监控系统的宏观结构示意图，真正实现了对两座海上发电平台的网络化远程管理与调度。

测控系统的正常运行需要用到电能，设计并开发了光伏不间断供电系统，用以满足装置测控系统的用电需求。光伏不间断供电系统的结构如图24所示。整个测控系统的电能来源为铅酸蓄电池组，蓄电池组接入逆变器，逆变器输出单相220V，50Hz交流电，作为测控系统的供电电源。为了能够及时补充消耗的蓄电池电量，使用太阳能板通过充电控制器给蓄电池组充电。考虑到装置在海上有可能遇到连续阴雨天气的情况，太阳板长时间不能有效给蓄电池组充电，蓄电池组的电量将会消耗殆尽。因此在逆变器的功能设计上，除了最基本的逆变功能外，增加了市电切换功能，即当逆变器监测到蓄电池组电压低于设定的电压阈值时，可自动控制市电切入，这里的市电是通过海底电缆将岸上的市电引到发电平台上的。一旦市电切入逆变器，逆变器自动转换到“市电输出”模式，而不再是“逆变”模式。当蓄电池电压恢复后，逆变器又可以自动跳转回到“逆变”模式。光伏不间断供电系统，切实保障了海上运行时，测控系统的有可靠供电。

Claims (6)

1.组合型振荡浮子波浪能发电装置及其测控系统，包括发电装置及测控系统，所述发电装置包括第一级能量转换系统，包括浮子发电组，每个浮子发电组均包括潜浮平台及设置在潜浮平台上的振荡浮子，振荡浮子下方经潜浮平台及配重结构固定在海底，潜浮平台上安装竖向导向杆，振荡浮子插入竖向导向杆；第二级能量转换系统：包括液压缸和油箱，液压缸的液压杆接至振荡浮子的上端面；第三级能量转换系统：包括液压马达及发电机，液压马达驱动发电机发电；其特征在于：

所述第一级能量转换系统包括至少一组浮子发电组和浪潮检测装置，浪潮检测装置用于检测浪高和潮位高低；

所述第二级能量转换系统还包括液压蓄能系统；

所述第三级能量转换系统包括电能输出系统，包括并网支路和负载支路，发电机输出端分别接并网支路和负载支路；

所述液压蓄能系统包括由至少一个蓄能器构成的蓄能器组，每个液压缸的有杆腔和无杆腔及油箱均经一个独立的蓄能单向阀组连接至每个蓄能器入口，形成储能支路，每个储能支路上均安装蓄能单向阀；每个蓄能器出口接一电磁阀、一释能单向阀、一流量传感器，形成释能支路，多条释能支路均接入释能回路，释能回路上安装液压马达、总电磁阀，总电磁阀安装在蓄能器出口与液压马达之间，液压马达驱动发电机发电；每个蓄能器均接一压力传感器；

所述蓄能单向阀组包括两条支路，每条支路上包括两个同向单向阀，液压缸的有杆腔和无杆腔分别接入每条支路上、两个单向阀之间，油箱接入两条支路的一个并联点，两条支路的另一个并联点接入储能支路；

所述测控系统包括第一级能量转换测控单元、第二级能量转换测控单元、第三级能量转换测控单元和主控制器；

所述第一级能量转换测控单元包括第一级数据采集系统，用于采集浮子运动位移并传递到主控制器；

所述第二级能量转换测控单元包括第二级数据采集系统，用于采集电磁阀、总电磁阀的状态信息，及流量传感器、压力传感器的数据信息，并传递到主控制器；

所述第三级能量转换测控单元包括第三级数据采集系统，用于采集发电机输出电流、电压、负载支路吸收功率、电量信息；并传递到主控制器。

2.如权利要求1所述的组合型振荡浮子波浪能发电装置及其测控系统，其特征在于：所述第一级能量转换系统还包括浪潮检测装置，所述浪潮检测装置包括潮位观测筒及液位计，所述观测筒底部顶端和底端均具有开口，且顶端开口的面积大于底端开口的面积；所述液位计有两个，分别位于潮位观测筒内侧和外侧；液位计的测量信息反馈到第一级数据采集系统，并传递到主控制器。

3.如权利要求1或2所述的组合型振荡浮子波浪能发电装置及其测控系统，其特征在于：所述第二级能量转换系统还包括潮位适应系统，包括潮位调节油缸及竖立在振荡浮子上的潮位杆；所述液压缸为两级可伸缩双作用液压缸，所述潮位调节油缸为三级可伸缩双作用液压缸，所述总电磁阀为三位四通电磁阀，所述潮位杆上间隔安装上位磁铁和下位磁铁；液导向杆上安装有磁性传感器，竖向位置介于上位磁铁和下位磁铁之间，潮位调节油缸的油缸杆与液压缸的无杆腔串接，潮位调节油缸的有杆腔和无杆腔分别接到总电磁阀的下阀位和上阀位。

4.如权利要求1所述的组合型振荡浮子波浪能发电装置及其测控系统，其特征在于：每个浮子发电组包括一个潜浮平台，同一潜浮平台上设置有多个浮子，每个振荡浮子均连接一套独立的潮位适应系统。

5.如权利要求1所述的组合型振荡浮子波浪能发电装置及其测控系统，其特征在于：所述负载支路包括至少一组星形电阻，每组星形电阻的三条支路分别经支路开关接发电机的三相输出端，一组星形电阻对应一个接触器开关，用于控制该组星形电阻中三个支路开关的通断。

6.如权利要求1所述的组合型振荡浮子波浪能发电装置及其测控系统，其特征在于：所述并网支路包括至少一条汇合海缆和一条上岸海缆，所述汇合海缆由其所述的浮子发电组连接至上岸海缆所在的浮子发电组，上岸海缆连接至市电电网。