CN102355188A - 一种互感耦合直线开关磁阻波浪发电机的调谐控制算法 - Google Patents

一种互感耦合直线开关磁阻波浪发电机的调谐控制算法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种互感耦合式直线开关磁阻波浪发电机的调谐控制算法，针对低速、大推力的海洋环境，跟踪发电***的功率谐振点来控制发电机的励磁电流，以期达到最大功率吸收的目的。其***包括一台作为发电机本体的互感耦合式的双边直线开关磁阻电机，以及作为控制器的不对称半桥拓扑功率变换装置，采用单极性双相分时励磁发电的控制模式，使发电机的运动频率跟随波浪的频率而变化，在一定的频率范围内实现波浪能最大功率吸收的能力。本发明提出的谐振点跟踪控制波浪发电机的调谐控制算法具有提高***能量转换效率，增加***可靠性及无需增加附加硬件设备而节约成本的优点，有着很好的工业化前景。

Description

一种互感耦合直线开关磁阻波浪发电机的调谐控制算法
技术领域
本发明属于振荡浮子式波浪发电机控制领域的调谐控制算法，具体涉及一种互感耦合式的直线开关磁阻波浪发电机的最佳波能吸收控制。
背景技术
海洋蕴藏了丰富的绿色能量等待人们的开发和利用，而其中波浪能作为品位最高、最易于直接利用的能源，成为全世界被研究得最为广泛的海洋能源之一。现有商业用波浪能转换装置都采用旋转发电机，配合升速环节来进行波浪能-电能的转换，而近年来，克服传统装置中间环节能量损耗问题应运而生的直驱型波浪能转换装置成为波能研究领域的热点，相关控制策略的研究也相应大量涌现。
专利号为“CN101106316A”的专利公开了“用于海浪发电的直线发电机”，而专利号为“CN1603610A”的专利公开了“基于永磁振子的波浪发电装置”，两个专利都涉及了永磁类直线电机，虽然其功率密度较高，却因为永磁体易受海水腐蚀和成本昂贵的性能，阻碍其在商业领域的大规模推行。专利号“CN101355284B”的专利公开了“一种波浪直驱动式直线磁阻发电***”，是本发明的研究基础。
实际海洋中的波浪频率具有广泛的频谱分布，而振荡浮子式直驱波浪发电装置由于外形尺寸有限，相对于海洋波浪广泛的频谱分布而言，其固有频率范围有限，使波能转换装置常工作于非谐振点而无法达到最大波能吸收的效果，因此发电机控制策略的研究对提高波浪能-电能的转换率有着重要的作用。
发明内容
为了克服振荡浮子式波能转换装置谐振频率范围有限的不足，避免永磁类直线发电机成本高性能不稳定的问题，同时提高波能发电装置的转换率，本发明提供了一种互感耦合直线开关磁阻发电机的调谐控制算法，通过控制励磁电流控制互感耦合直线开关磁阻发电机的反向电磁力使得波能转换装置的固有频率接近或等于波浪激励力的频率，具有波浪-电能转换效率高，可靠性好及实施便捷的优点，具有较好的工业化前景。
为达到以上目的，本发明是采用如下技术方案予以实施的：
控制捕获频率范围较窄的波浪能发电装置尽可能跟踪波浪频率的变化，最大限度的提高波浪能-电能的转换效率，包括幅值控制和相位控制，幅值控制为控制发电机动子的运动产生的波浪能幅值等于发电机从海洋中吸收的波浪能幅值，而相位控制为控制发电机动子的运动速度和波浪激励力同相位，实现幅值和相位控制的主要步骤如下：
第一步：将机械浮子随波浪运动带动发电机动子上下运动的简单机械谐振***等效类比为一个串联谐振电路，在串联谐振电路中，波浪激励力等效为驱动电压源，动子速度等效为电流，发电机的反向电磁力等效为负载的端电压，分解为阻性负载端电压和感性负载端电压；
第二步：对于近岸平底均匀水深域，根据势流理论，波浪力呈正弦周期分布，若假设动子位移也呈正弦周期分布，根据机械运动方程可知，发电机的反向电磁力也呈正弦周期分布，而被负载电阻消耗的功率也就代表了由发电机发出的有用功率；
第三步：根据互感耦合式的直线开关磁阻发电机的工作原理可知，改变激励电流的大小，使发电机的反向电磁力随着波浪起伏的速度和位置而发生变化，保证串联谐振电路中***固有阻抗和负载阻抗成共轭关系，此时达到等效电路达到谐振点，负载吸收功率最大，波能转换装置吸收波能最大。
通过控制互感耦合式开关磁阻发电机的励磁电流来控制互感耦合式直线开关磁阻发电机的反向电磁力，动子运动跟随波浪发电***的功率谐振点，波能捕获能力最大。
与现有技术相比，本发明互感耦合直线开关磁阻发电机的调谐控制策略应用于低速、大推力的直驱式振动浮子波能转换装置，考虑了每个周期互感耦合直线开关磁阻发电机的双相励磁和双相发电阶段轮流出现以及动子连续的往复运动。以串联谐振电路最大功率传输的电路原理为契机，通过跟踪***谐振点，实现了最大限度的波能吸收。结合互感耦合开关磁阻电机的优化设计，有利于提高近海岸波浪能发电装置的波浪能-电能转换效率，有着很好的工业化应用前景。
附图说明
图1为互感耦合直线开关磁阻波浪发电***的结构图。
图中：1-振荡浮子，2-次级铁芯，3-初级铁芯，4-初级绕组，5-磁力线示意走向，6-近海河床，7-弹簧装置，8-不对称半桥拓扑功率变换器，9-逆变器，10-电网或用户负载，11-波浪能转换本体部分，12-调谐控制器。
图2为等效的串联谐振电路图；
13-***摩擦系数等效的电阻，14-弹性系数等效的电容，15-运动部分质量等效的电感，16-发电机反向电磁力等效电阻，17-发电机反向电磁力等效电感，18-发电机反向电磁力等效阻抗，19-发电机反向电磁力等效阻抗电压，20-波浪激励力等效电压源电压，21-动子速度等效电流。
图3为互感耦合直线开关磁阻波浪发电机的发电原理图。
图中：横坐标均为位移，22-励磁阶段，23-发电阶段，24-正位移部分，25-负位移部分，26-正向运动，27-反向运动，28-AB相互感，29-BC相互感，30-AC相互感，31-A相电流，32-B相电流，33-C相电流，34-A相电流理想值，35-B相电流理想值，36-C相电流理想值。
图4为本发明互感耦合直线开关磁阻波浪发电机调谐控制策略的控制流程图。
图中：37-波浪激励源，38-互感耦合直线开关磁阻发电机数学模型，39-PI调节器，40-谐振点发电机反向电磁力计算器，41-加法器，42-微分环节，43-三相电流实际值，44-三相电流给定值，45-机械运动方程，46-实际发电机反向电磁力计算器，47-位移，48-速度，49-发电机反向电磁力实际值，50-波浪激励力，51-三相电压，52-发电机反向电磁力给定值。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，应用本发明的直驱式波浪发电***包括三大主要部分：①波浪能转换本体部分11，其中包括振荡浮子，互感耦合直线开关磁阻波浪发电机和弹簧装置，可以简化为一个简单的机械谐振***；②功率变换器8；③逆变器9。针对功率变换器8的控制策略的研究，将简单的机械谐振***可以等效类比为一个串联谐振电路，如图2所示。在串联谐振电路中，波浪激励力可以等效为驱动电压源20，动子速度可以等效为电流21，发电机的反向电磁力可以等效为负载的端电压19，分解为阻性负载端电压和感性负载端电压。对于近岸平底均匀水深域，根据势流理论，波浪力呈正弦周期分布，若假设动子位移也呈正弦周期分布，根据机械运动方程可知，发电机的反向电磁力也呈正弦周期分布。图2中，电阻16代表了负载阻值，而被负载电阻消耗的功率也就代表了由发电机发出的有用功率。而串联谐振电路在达到谐振点时，负载吸收功率最大，此时***固有阻抗和负载阻抗成共轭关系。因此控制电磁力幅值和相位，就相当于控制了负载阻抗的电阻部分和电感部分，也就是说可以通过控制电磁力使图2所示的串联谐振电路达到谐振点，而使发电机发出的有用功率最大。
如图3所示，互感耦合直线开关磁阻波浪发电机的发电阶段与电流的大小和方向没有关系，而和励磁位置有关，在本发明中采用的单极性双相励磁发电模式中，双相励磁电流只有处于此两相绕组互感下降的阶段，才能发出有效的可利用电能，此时发电机电磁力为反向电磁力。而反相电磁力与励磁电流的位置密切相关，因此通过控制功率变换器6个开关管就可以控制励磁电流的大小和位置，也就可以控制反向电磁力的大小和相位，最终到达跟踪波浪激励力频率变化，保持谐振点跟踪，达到最大波能吸收的目的。
根据上述的谐振点跟踪原理，本发明给出了如图4所示的控制流程图，关键环节在于谐振点发电机反向电磁力计算器40，根据动子速度和***固有参数，计算谐振情况下的发电机反向电磁力要求，及通过PI调节器39得到励磁电流的控制参数，最终控制发电机***跟踪谐振点进行最大效率的波浪能-电能转换。
已经描述的根据本发明控制振荡浮子式直驱互感耦合开关磁阻波浪能转换装置的实施例。本领域技术人员认识到这可以在所附权利要求书得范围内加以变化。

Claims (2)

1.一种作为直驱式振荡浮子波浪发电装置的调谐控制算法，其特征在于，控制捕获频率范围较窄的波浪能发电装置尽可能跟踪波浪频率的变化，最大限度的提高波浪能-电能的转换效率，包括幅值控制和相位控制，幅值控制为控制发电机动子的运动产生的波浪能幅值等于发电机从海洋中吸收的波浪能幅值，而相位控制为控制发电机动子的运动速度和波浪激励力同相位，实现幅值和相位控制的主要步骤如下：
第一步：将机械浮子随波浪运动带动发电机动子上下运动的简单机械谐振***等效类比为一个串联谐振电路，在串联谐振电路中，波浪激励力等效为驱动电压源，动子速度等效为电流，发电机的反向电磁力等效为负载的端电压，分解为阻性负载端电压和感性负载端电压；
第二步：对于近岸平底均匀水深域，根据势流理论，波浪力呈正弦周期分布，若假设动子位移也呈正弦周期分布，根据机械运动方程可知，发电机的反向电磁力也呈正弦周期分布，而被负载电阻消耗的功率也就代表了由发电机发出的有用功率；
第三步：根据互感耦合式的直线开关磁阻发电机的工作原理可知，改变激励电流的大小，使发电机的反向电磁力随着波浪起伏的速度和位置而发生变化，保证串联谐振电路中***固有阻抗和负载阻抗成共轭关系，此时达到等效电路达到谐振点，负载吸收功率最大，波能转换装置吸收波能最大。
2.如权利要求1所述的调谐控制算法，其特征在于，通过控制互感耦合式开关磁阻发电机的励磁电流来控制互感耦合式直线开关磁阻发电机的反向电磁力，动子运动跟随波浪发电***的功率谐振点，波能捕获能力最大。
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