倒挂式波浪能发电装置及其最优捕获方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN107882676A(43)申请公布日2018.04.06(21)申请号201711323246.2(22)申请日2017.12.13(71)申请人曲阜师范大学地址273165山东省济宁市曲阜市静轩西路57号(72)发明人褚晓广蔡彬梁玉昊孔英衣学涛王强(51)Int.Cl.F03B13/18(2006.01)F03B15/00(2006.01)F03D13/25(2016.01)F03D9/25(2016.01)H02J3/38(2006.01)权利要求书2页说明书4页附图2页(54)发明名称倒挂式波浪能发电装置及其最优捕获方法(57)摘要本发明公开了一种倒挂式波浪能发电装置及其最优捕获方法，采用圆柱体浮子捕获波浪能，由曲柄联杆和变速轮升速驱动直线电机动子发电，借助非可控整流和BOOST变流器，调整波浪能捕获功率；采用捕获控制稳定优化和捕获控制扰动寻优的协同最优捕获方法，提升波浪能捕获；波浪能特征提取基于16个内含加速度计、陀螺仪的浮标全方位采集获取，捕获控制稳定优化基于圆柱体浮子动态模型和直线发电机有效输出功率协同优化获得，捕获控制扰动寻优是在稳态优化控制器的基础上，扰动调整控制器参数，结合实测发电机输出功率在线优化获取，本发明的倒挂式安装和最优捕获方法，极大降低了设备密封和防腐要求，大幅提升了波浪能捕获功率。CN107882676ACN107882676A权利要求书1/2页1.一种倒挂式波浪能发电装置，其特征在于，倒挂式地安装在海上风力发电塔架平台上，变速及发电设备全部设置在海平面上端，包括圆柱体浮子、曲柄联杆Ⅰ、变速内轮、变速外轮、曲柄联杆Ⅱ、直线发电机、浮子缆绳、波浪能机舱舱壁、制动器、功率调控单元、16个浮标传感器、以及DSP28035主控单元；所述圆柱体浮子在海浪浮力和激振力作用下，垂直上下运动捕获波浪能；所述曲柄联杆Ⅰ、变速内轮、变速外轮以及曲柄联杆Ⅱ构成变速机构，将圆柱体浮子的低速运动提升为直线电机动子的高速运动；所述直线发电机包括永磁体动子和绕线式定子，动子在定子内腔中高速运动；所述浮子缆绳将圆柱体浮子弹性固定，抑制圆柱体浮子水平位移；所述波浪能机舱舱壁是波浪能子系统保护隔离设备，确保内部设备的密封性和抗腐蚀性；所述制动器是波浪能子系统的制动安全保护装置，制动锁存圆柱体浮子位置和浸润体积；所述功率调控单元包括三相非可控整流器、波浪能捕获BOOST变流器、BOOST升压变流器以及电压电流传感器，所述三相非可控整流器将直线发电机定子三相交流整流，所述波浪能捕获BOOST变流器在线调整直线发电机反电磁力，最大捕获波浪能，所述BOOST升压变压器将波浪能捕获BOOST变流器输出升压，并与海上风力发电系统的直流母线耦合，所述电压电流传感器放置在波浪能捕获BOOST变流器后侧，用于在线计算直线发电机实际捕获功率；所述16个浮标传感器为内含加速度计、陀螺仪以及GSM无线模块的波浪特征参数提取设备，以间隔22.5度均匀放置在以海上风力塔架平台为中心的外圆周上，全方位检测提取波浪特征参数；所述DSP28035主控单元全方位汇总波浪高度、波浪频率、输出直流电压和电流信号，并根据最优捕获方法完成波浪能最大捕获以及升压，完成波浪能发电装置和海上风电直流母线的耦合和汇流。2.一种如权利要求1所述的倒挂式波浪能发电装置的最优捕获方法，其特征在于，包括捕获控制稳定优化、捕获控制扰动寻优两部分，所述捕获控制稳定优化为根据波浪能发电装置动态模型、浮标传感器测量的波浪波高和频率，以直线发电机输出功率最大化为目标，在线优化计算控制器参数；所述捕获控制扰动优化是在捕获控制稳定优化的基础上，小范围调整优化的控制器参数，并根据BOOST变流器输出电压和电流，在线计算调整后的发电机输出功率，直至达到最大波浪能捕获，共包括以下6个步骤：步骤1，构建以波浪能捕获BOOST变流器占空比d为控制输入，包含圆柱体浮子自重G、圆柱体浮子所受浮力Ff以及直线电机电磁力Fd的波浪能发电装置的动态模型步骤2，采用状态反馈法设计波浪能发电装置控制器输入步骤3，将步骤2控制输入代入步骤1动态模型中得对上式进行s域转化可得圆柱体浮子8速度步骤4，根据直线发电机有效输出功率，可得直线发电机最大功率捕获的条件为：k1＝222nNBL/Rs，k2＝mω-ρgs；步骤5，将波浪高度A、波浪频率ω、直线电机内阻Rs、非可控整流系数kdc代入至步骤4中的k1和k2中，可得优化的捕获控制器，DSP28035主控单元根据优化的捕获控制器，调整波浪能捕获BOOST变流器占空比，测量此时波浪能捕获BOOST变流器后侧的电压传感器和电流传感器，计算直线发电机输出功率P(k)；步骤6，在优化控制参数k1和k2基础上，以步长Δ