CN209458055U - 直驱型海浪发电机的最大负载功率跟踪控制装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种直驱型海浪发电机的最大负载功率跟踪控制装置，其中包括直驱型海浪发电机、控制器模块、电能转换模块和检测模块。采用该种结构的直驱型海浪发电机的最大负载功率跟踪控制装置，各个模块的连接关系进行了优化改进，在提高能量转换效率的同时，增强了发电系统的适应性和稳定性，采用输出端过压过流保护功能，保障了发电系统的安全可靠性与可持续性，延长了发电系统的续航性能，具有更广泛的应用范围。
Description
技术领域
本实用新型涉及新能源技术领域，尤其涉及电机跟踪控制领域，具体是指一种直驱型海浪发电机的最大负载功率跟踪控制装置。
背景技术
随着全球能源危机和环境恶化的不断加剧，人们急需绿色环保且可再生的能源来满足人类日益发展的需要。当前，海洋能源的开发与利用逐渐成为整个世界能源研究的课题。其中海洋波浪能作为一种可再生清洁能源，越来越受到诸多临海国家和地区的瞩目。海浪能的开发和利用方式多种多样，其中一种是把海浪能转换为电能，为偏远海岛和沿海居民的用电设备供电。海浪发电装置，是将海浪能转换为电能的一种发电设备。很多国家特别是海洋能丰富的国家，积极鼓励发展海浪能发电技术。我国是海洋大国，海岸线长度超过1.8万公里，海岛岸线1.4万公里，波浪能源丰富。根据中国沿海海洋观测台站的资料估算，中国沿海理论波浪年平均功率约为1.3×107kW；我国浙江、福建、广东和台湾沿海均为波浪能丰富的地区。因此，研究海浪发电技术不仅是社会发展领域的重要问题，同时对解决全球能源危机、气候变暖都具有重要意义。
海浪发电装置，是将海浪能转换为电能的一种发电设备。常见的发电方案可分为四类：液压式、气压式、离合器齿轮箱式和直驱式，均需经过一个媒介跟海水接触和相互作用。由于波浪能的速度和频率较低，一般的波浪周期是从几秒到十几秒，如果利用传统发电机发电，中间必须有一个提速过程，以及把波浪的动能转换成可以驱动旋转电机的中间传动装置。直驱型海浪发电机由于省去如链条、齿条丝杠、传送带等中间传动装置，直接将海浪运动转换为电机振子往复运动，将机械能直接转换成线圈电能输出，系统具有结构简单、易维护和效率相对较高的优点。
直驱型海浪发电装置的浮子与永磁同步直线发电机振子相连接，利用浮子在海水中的振荡，直接带动振子运动，将动能转化为电能。与风力发电、光伏发电所不同，海浪发电机在一个海浪周期内的输出功率会有较大的波动，甚至会出现瞬时功率为零的时刻，并且海面状况复杂多变，使得其输出功率的稳定性远不如于风力发电和光伏发电。此外，海浪发电装置需要投入临近海域中长期使用，频繁巡检，设备水下检修等问题，需要消耗大量的资源，极为不便。这些不足在一定程度上制约了海浪发电装置的发展。
实用新型内容
本实用新型的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种提高海浪发电装置的发电效率、具有较好自适应性与可靠性的直驱型海浪发电机的最大负载功率跟踪控制装置。
为了实现上述目的，本实用新型的直驱型海浪发电机的最大负载功率跟踪控制装置具有如下构成：
该直驱型海浪发电机的最大负载功率跟踪控制装置，其主要特点是，所述的装置包括直驱型海浪发电机、控制器模块、电能转换模块和检测模块，其中：
所述的直驱型海浪发电机的输出端与所述的电能转换模块的输入端连接，所述的电能转换模块的输出端与所述的负载的输入端连接，所述的电能转换模块用以整流、滤波和变流；
所述的检测模块的输入端与所述的负载的输出端连接，所述的检测模块用以检测负载的各类采集信号；
所述的控制器模块的输入端与所述检测模块的输出端连接，所述的控制器模块的输出端与所述的电能转换模块的输入端连接，所述的控制器模块用以处理检测到的采集信号并输出相应的控制信号给所述的电能转换模块。
进一步地，所述的直驱型海浪发电机为直驱型永磁同步直线电机，所述的直驱型永磁同步直线电机输出端与电能转换模块连接。
进一步地，所述的控制器模块包括DSP处理子模块和A/D转换电路。所述的DSP处理子模块的芯片选型为TMS320F28027。所述的A/D转换模块输入端与电压检测模块、电流检测模块连接，输出端与DSP处理子模块连接，将采集的电流、电压等采集信号转化为数字信号。
进一步地，所述的电能转换模块包括AC-DC变流子模块和DC-DC变压子模块，所述的AC-DC变流子模块的输入端与所述的直驱型海浪发电机的输出端连接，所述的AC-DC变流子模块的输出端与所述的DC-DC变压子模块的输入端连接，所述的DC-DC变压子模块的输出端与所述的负载的输入端连接，所述的DC-DC变压子模块的输入端还与DSP处理子模块连接。
更进一步地，所述的AC-DC变流子模块为三相不控整流桥与电容滤波电路，所述的DC-DC变压子模块包括Boost升压电路与信号驱动电路。其中，三相整流桥输出端与电容输入端连接，进行滤波，所述电容滤波输出端与所述DC-DC变压模块输入端连接。所述Boost升压电路中的单相导通元器件均为MOSFET场效应晶体管，其输出端与负载连接。所述信号驱动电路为MOSFET信号驱动电路，其输入端与DSP处理子模块连接，输出端与所述Boost升压电路中MOSFET连接。
进一步地，所述的检测模块包括电压检测子模块和电流检测子模块。
更进一步地，所述的电流检测子模块包括采样电阻检测电路与信号放大电路，所述的电压检测子模块包括分压检测电路与电压跟随电路。
其中，采样电阻检测电路中的采样电阻放置于所述负载输出端与接地端之间，采样电阻检测电路的输出端与所述信号放大电路连接，将检测到的直流母线电流转化为电压信号，并放大电压值至合适电压范围。所述信号放大电路输出端与所述DSP处理子模块连接。
所述分压检测电路与所述负载连接，分压检测电路用于检测所述负载输出端电压，分压检测电路的输出端与所述电压跟随电路连接。所述电压跟随电路输出端与所述DSP处理子模块连接。
进一步地，所述的装置还包括过压保护模块和过流保护模块，所述的过压保护模块的输入端与所述的检测模块的输出端连接，所述的过压保护模块的输出端与所述的控制器模块的输入端连接，所述的过流保护模块的输入端与所述的检测模块的输出端连接，所述的过流保护模块的输出端与所述的控制器模块的输入端连接。
更进一步地，所述的过压保护模块包括过压检测电路和过压信号报警电路，所述的过流保护模块包括过流检测电路和过流信号报警电路。
其中，所述过压检测电路输入端与所述电压检测子模块的输出端连接，其输出端与所述过压信号报警电路连接，检测所述负载端直流母线电压是否过压。所述过压信号报警电路输出端与所述DSP处理子模块连接，当过压检测电路检测到过电压情况时，过压信号报警电路发出报警指示，输出报警信号。
所述过流检测电路输入端与所述采样电阻检测电路连接，其输出端与所述过流信号报警电路连接，检测所述输出负载端直流母线电流是否过流。所述过流信号报警电路输出端与所述DSP处理子模块连接，当过流检测电路输入端检测到过电流情况时，过流信号报警电路发出报警指示，输出报警信号。
进一步地，所述的装置还包括辅助电源模块。
更进一步地，所述的辅助电源模块包括Buck降压电路和稳压电路。其中，所述Buck降压电路的输入端与AC-DC变流子模块的输出端连接，其输出端与稳压电路连接。Buck降压电路将AC-DC变流子模块输出电压降至合适电压值，通过所述稳压电路，获得发电装置所需的辅助电源。
采用了该实用新型的直驱型海浪发电机的最大负载功率跟踪控制装置，各个模块的连接关系进行了优化改进，无需精准测量海浪状况与海浪发电机的具体功率特性，自动跟踪实时海浪谐振频率，使输出功率始终维持在最大功率点附近持续稳定发电，提高了能量转换效率，增强了系统的适应性和稳定性。采用输出端过压过流保护功能，保障了发电系统的安全可靠性与可持续性，延长了发电系统的续航性能，具有更广泛的应用范围。
附图说明
图1为本实用新型的直驱型海浪发电机的最大负载功率跟踪控制装置的系统框图。
图2为本实用新型的直驱型海浪发电机的最大负载功率跟踪控制装置的AC-DC变流子模块的电路图。
图3为本实用新型的直驱型海浪发电机的最大负载功率跟踪控制装置的Boost升压电路的电路图。
图4为本实用新型的直驱型海浪发电机的最大负载功率跟踪控制装置的信号驱动电路的电路图。
图5为本实用新型的直驱型海浪发电机的最大负载功率跟踪控制装置的电流检测子模块的电路图。
图6为本实用新型的直驱型海浪发电机的最大负载功率跟踪控制装置的电压检测子模块的电路图。
图7为本实用新型的直驱型海浪发电机的最大负载功率跟踪控制装置的过压保护模块的电路图。
图8为本实用新型的直驱型海浪发电机的最大负载功率跟踪控制装置的过流保护模块的电路图。
图9为本实用新型的直驱型海浪发电机的最大负载功率跟踪控制装置的辅助电源模块的电路图。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本实用新型的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
如图1所示，为本实用新型的直驱型海浪发电机的最大负载功率跟踪控制装置的系统框图，该装置包括直驱型海浪发电机、控制器模块、电能转换模块和检测模块，其中：
所述的直驱型海浪发电机的输出端与所述的电能转换模块的输入端连接，所述的电能转换模块的输出端与所述的负载的输入端连接，所述的电能转换模块用以整流、滤波和变流；
所述的检测模块的输入端与所述的负载的输出端连接，所述的检测模块用以检测负载的采集信号；
所述的控制器模块的输入端与所述检测模块的输出端连接，所述的控制器模块的输出端与所述的电能转换模块的输入端连接，所述的控制器模块用以处理检测到的采集信号并输出相应的控制信号给所述的电能转换模块。
其中，所述的直驱型海浪发电机为直驱型永磁同步直线电机，所述的直驱型永磁同步直线电机输出端与电能转换模块连接。
在一种实施方式中，所述的控制器模块包括DSP处理子模块和A/D转换电路。所述的DSP处理子模块的芯片选型为TMS320F28027。所述的A/D转换模块输入端与电压检测模块、电流检测模块连接，输出端与DSP处理子模块连接。将采集的电流、电压等模拟信号转化为数字信号。
在一种优选的实施方式中，所述的DSP处理子模块采用常用的变步长扰动观察法进行计算输出相应的数字控制信号。具体为：通过比较当前时刻负载输出端平均功率与上一采样时刻平均功率，获得功率变化方向与变化幅值。根据功率变化幅值，计算出PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）值的变化步长。根据上一采样时刻PWM值的变化方向与当前功率变化方向，计算出当前PWM值的变化方向。由PWM值的变化步长与变化方向确定PWM变化值，与上一时刻PWM值累加，输出PWM控制信号。
在一种优选的实施方式中，所述的电能转换模块包括AC-DC变流子模块和DC-DC变压子模块，所述的AC-DC变流子模块的输入端与所述的直驱型海浪发电机的输出端连接，所述的AC-DC变流子模块的输出端与所述的DC-DC变压子模块的输入端连接，所述的DC-DC变压子模块的输出端与所述的负载的输入端连接，所述的DC-DC变压子模块的输入端还与DSP处理子模块连接。
所述的AC-DC变流子模块为三相不控整流桥与电容滤波电路，所述的DC-DC变压子模块包括Boost升压电路与信号驱动电路。如图2所示，为本实用新型的直驱型海浪发电机的最大负载功率跟踪控制装置的AC-DC变流子模块的电路图，如图3和4所示，分别为本实用新型的直驱型海浪发电机的最大负载功率跟踪控制装置的DC-DC变流子模块的电路图和信号驱动电路的电路图。
其中，三相整流桥输出端与电容输入端连接，进行滤波，所述电容滤波输出端与所述Boost升压电路的输入端连接。所述Boost升压电路中的单相导通元器件Q1和Q2均为MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管），Boost升压电路的输出端与负载连接，Q1和Q2用于在出现过压过流情况下，直接关断Boost电路，使负载输出端电压为零。所述信号驱动电路为MOSFET信号驱动电路，选用IR2103作为驱动芯片，该电路的输入端与DSP处理子模块连接，输出端与Boost升压电路中Q1和Q2连接，通过DSP处理子模块控制Q1和Q2的通断。
在一种实施方式中，所述的检测模块包括电压检测子模块和电流检测子模块。
在一种优选的实施方式中，所述的电流检测子模块包括采样电阻检测电路与信号放大电路，所述的电压检测子模块包括分压检测电路与电压跟随电路，如图5和6所示，分别为本实用新型的直驱型海浪发电机的最大负载功率跟踪控制装置的电流检测子模块的电路图和电压检测子模块的电路图。
其中，采样电阻检测电路为采样电阻直流母线电流采样电路，电路中包括两个0.5欧姆的采样电阻R18和R19，采样电阻R18和R19并联放置于所述负载输出端与接地端之间，采样电阻检测电路的输出端与所述信号放大电路连接，将检测到的直流母线的采样电流转化为电压信号输出给信号放大电路。信号放大电路使用同相比例放大器，将电压信号放大10倍并输出端给所述DSP处理子模块。
所述分压检测电路与所述负载连接，分压检测电路通过在负载两端用分压电阻分压，检测所述负载输出端的电压，分压检测电路的输出端与所述电压跟随电路连接。所述电压跟随电路输出端与所述DSP处理子模块连接，输出稳定的采样电压信号。根据海浪发电输出的大致电压范围，分压电阻需要将分压检测电路的输出电压限定在DSP处理子模块的A/D信号采集范围内。
在一种实施方式中，所述的装置还包括过压保护模块和过流保护模块，所述的过压保护模块的输入端与所述的检测模块的输出端连接，所述的过压保护模块的输出端与所述的控制器模块的输入端连接，所述的过流保护模块的输入端与所述的检测模块的输出端连接，所述的过流保护模块的输出端与所述的控制器模块的输入端连接，如图7和8所示，分别为本实用新型的直驱型海浪发电机的最大负载功率跟踪控制装置的过压保护模块的电路图和过流保护模块的电路图。
在一种优选地实施方式中，所述的过压保护模块包括过压检测电路和过压信号报警电路，所述的过流保护模块包括过流检测电路和过流信号报警电路。
其中，所述过压检测电路的输入端与所述电压跟随电路的输出端连接，其输出端与所述过压信号报警电路连接，用于检测所述负载端直流母线电压是否过压，通过电压跟随电路输出的采样电压与过压检测电路设定的电压值输入运放比较，判断采样电压值是否大于设定电压值。若出现过压情况，则D1发出报警指示，经过U13光耦隔离之后，所述过压信号报警电路输出过压报警信号给所述DSP处理子模块。
所述过流检测电路输入端与所述采样电阻检测电路连接，其输出端与所述过流信号报警电路连接，用于检测所述输出负载端直流母线电流是否过流，通过将采样电流值转化得到的电压信号与过流检测电路的设定值输入运放比较，判断采样电流值是否大于设定值。若出现过流情况，D3发出报警指示，经过U15光耦隔离之后，所述过流信号报警电路输出过流报警信号给所述DSP处理子模块。
在一种实施方式中，所述的装置还包括辅助电源模块，如图9所示，为本实用新型的直驱型海浪发电机的最大负载功率跟踪控制装置的辅助电源模块的电路图。
在一种优选的实施方式中，所述的辅助电源模块包括Buck降压电路和稳压电路。所述Buck降压电路的输入端与AC-DC变流子模块的输出端连接，其输出端与稳压电路连接。其中，所述稳压电路为12V稳压电路和5V稳压电路，12V稳压电路芯片选型为LM317，所述5V稳压电路芯片选型为7805。Buck降压电路根据R1与R2的分压值将将电压降低至合适输入U18（LM317）的范围。U18（LM317）根据R77与R78电阻比例，输出稳定的12V电压。12V电压作为所述VR1（7805）稳压电路的输入电压，VR1（7805）输出稳定的5V电压，获得发电装置所需的辅助电源。
采用了该实用新型的直驱型海浪发电机的最大负载功率跟踪控制装置，各个模块的连接关系进行了优化改进，无需精准测量海浪状况与海浪发电机的具体功率特性，自动跟踪实时海浪谐振频率，使输出功率始终维持在最大功率点附近持续稳定发电，提高了能量转换效率，增强了系统的适应性和稳定性。采用输出端过压过流保护功能，保障了发电系统的安全可靠性与可持续性，延长了发电系统的续航性能，具有更广泛的应用范围。
在此说明书中，本实用新型已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本实用新型的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
Claims (10)
1.一种直驱型海浪发电机的最大负载功率跟踪控制装置，其特征在于，所述的装置包括直驱型海浪发电机、控制器模块、电能转换模块和检测模块，其中：
所述的直驱型海浪发电机的输出端与所述的电能转换模块的输入端连接，所述的电能转换模块的输出端与所述的负载的输入端连接，所述的电能转换模块用以整流、滤波和变流；
所述的检测模块的输入端与所述的负载的输出端连接，所述的检测模块用以检测负载的采集信号；
所述的控制器模块的输入端与所述检测模块的输出端连接，所述的控制器模块的输出端与所述的电能转换模块的输入端连接，所述的控制器模块用以处理检测到的采集信号并输出相应的控制信号给所述的电能转换模块。
2.根据权利要求1所述的直驱型海浪发电机的最大负载功率跟踪控制装置，其特征在于，所述的电能转换模块包括AC-DC变流子模块和DC-DC变压子模块，所述的AC-DC变流子模块的输入端与所述的直驱型海浪发电机的输出端连接，所述的AC-DC变流子模块的输出端与所述的DC-DC变压子模块的输入端连接，所述的DC-DC变压子模块的输出端与所述的负载的输入端连接，所述的DC-DC变压子模块的输入端还与所述的控制器模块的输出端连接。
3.根据权利要求2所述的直驱型海浪发电机的最大负载功率跟踪控制装置，其特征在于，所述的AC-DC变流子模块为三相不控整流桥与电容滤波电路，所述的DC-DC变压子模块包括Boost升压电路与信号驱动电路。
4.根据权利要求3所述的直驱型海浪发电机的最大负载功率跟踪控制装置，其特征在于，所述的Boost升压电路中单相导通管均为MOSFET场效应晶体管。
5.根据权利要求1所述的直驱型海浪发电机的最大负载功率跟踪控制装置，其特征在于，所述的检测模块包括电压检测子模块和电流检测子模块。
6.根据权利要求5所述的直驱型海浪发电机的最大负载功率跟踪控制装置，其特征在于，所述的电压检测子模块包括分压检测电路与电压跟随电路，所述的电流检测子模块包括采样电阻检测电路与信号放大电路。
7.根据权利要求1所述的直驱型海浪发电机的最大负载功率跟踪控制装置，其特征在于，所述的控制器模块包括DSP处理子模块和A/D转换电路。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的直驱型海浪发电机的最大负载功率跟踪控制装置，其特征在于，所述的装置还包括过压保护模块和过流保护模块，所述的过压保护模块的输入端与所述的检测模块的输出端连接，所述的过压保护模块的输出端与所述的控制器模块的输入端连接，所述的过流保护模块的输入端与所述的检测模块的输出端连接，所述的过流保护模块的输出端与所述的控制器模块的输入端连接。
9.根据权利要求8所述的直驱型海浪发电机的最大负载功率跟踪控制装置，其特征在于，所述的过压保护模块包括过压检测电路和过压信号报警电路，所述的过流保护模块包括过流检测电路和过流信号报警电路。
10.根据权利要求1-7中任一项所述的直驱型海浪发电机的最大负载功率跟踪控制装置，其特征在于，所述的装置还包括辅助电源模块。
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2018
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112761851A (zh) * | 2021-01-26 | 2021-05-07 | 浙江水利水电学院 | 一种直驱式波浪能发电装置最大功率捕获控制方法 |
| CN112761851B (zh) * | 2021-01-26 | 2022-06-10 | 浙江水利水电学院 | 一种直驱式波浪能发电装置最大功率捕获控制方法 |
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