一種適用于液壓波浪能發(fā)電裝置的能量平穩(wěn)輸出控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及海洋波浪能開發(fā)領(lǐng)域，具體涉及一種適用于液壓波浪能發(fā)電裝置的能 量平穩(wěn)輸出控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 波浪能是海洋能的重要組成部分，其儲量十分巨大，開發(fā)利用前景廣闊。我國是海 洋大國，可利用的波浪能資源極為豐富，這些波浪能資源的開發(fā)利用是我國海洋可再生能 源開發(fā)利用的重要內(nèi)容之一。
[0003] 波浪能開發(fā)的主要手段是波浪發(fā)電，波浪發(fā)電裝置建造于海上，通過海底復(fù)合纜 將電能輸送上岸。由于波長、波高以及波浪周期都在變化，波浪的能量是不穩(wěn)定、不連續(xù)的， 因此波浪能發(fā)電裝置需要將不穩(wěn)定、不連續(xù)的波浪輸入轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的電能輸出。目前，國內(nèi) 波浪發(fā)電裝置的形式多種多樣，部分波浪發(fā)電裝置采用了蓄能穩(wěn)壓技術(shù)，在捕獲、儲存能量 的同時，吸收波浪能的瞬時沖擊以及短暫補(bǔ)充能量，但仍無法保障波浪能發(fā)電裝置輸出電 壓的穩(wěn)定以及波浪能發(fā)電裝置輸出能量與負(fù)載的匹配。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，本發(fā)明提供了一種適用于液壓波浪能發(fā)電裝置的能量平穩(wěn)輸出控制系 統(tǒng)，能夠解決波浪發(fā)電裝置電能輸出穩(wěn)定以及負(fù)載隨系統(tǒng)功率變化的自適應(yīng)跟蹤。
[0005] -種適用于液壓波浪能發(fā)電裝置的能量平穩(wěn)輸出控制系統(tǒng)，包括依次連接的第一 減法器、PI控制模塊、電壓控制器、第二減法器、第三減法器、PID控制模塊、轉(zhuǎn)速控制器、調(diào) 速閥、排量閥、馬達(dá)、發(fā)電機(jī)、整流設(shè)備和負(fù)載裝置;所述馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速通過轉(zhuǎn)速傳感器與 第三減法器的輸入端相連;所述發(fā)電機(jī)的輸出電壓通過電壓傳感器與第一減法器的輸入端 相連;所述負(fù)載裝置輸出負(fù)載大小通過排量控制器作用于排量閥的開度控制端;輸出功率 分配器作用在整流設(shè)備的輸出端;負(fù)載功率分配器作用在負(fù)載裝置的輸入端；
[0006] 所述電壓傳感器，用于采集當(dāng)前發(fā)電機(jī)輸出的電壓值u，并發(fā)送至第一減法器的輸 入端；
[0007] 所述第一減法器，用于將從電壓傳感器中獲得的電壓值u和設(shè)定的期望電壓U進(jìn)行 差值運(yùn)算，獲得差值電壓A u，并將差值電壓△ u發(fā)送至PI控制模塊；
[0008] 所述PI控制模塊，對獲得的差值電壓Au進(jìn)行PI控制，獲得電壓調(diào)節(jié)量Au';并發(fā) 送至電壓控制器；
[0009] 所述電壓控制器，用于將電壓調(diào)節(jié)量△ Y進(jìn)行轉(zhuǎn)換，獲得轉(zhuǎn)速變化值△ r' ；并將獲 得的轉(zhuǎn)速變化值A(chǔ) r '發(fā)送至第二減法器；
[0010] 所述第二減法器，用于將獲得的轉(zhuǎn)速變化值A(chǔ) r '與發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速進(jìn)行差值運(yùn) 算，獲得目標(biāo)轉(zhuǎn)速R;并發(fā)送至第三減法器的輸入端；
[0011]所述轉(zhuǎn)速傳感器，用于采集當(dāng)前馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，并將獲得的轉(zhuǎn)速發(fā)送至第三減法器 的輸入端；
[0012] 所述第三減法器，用于將獲得的目標(biāo)轉(zhuǎn)速R和當(dāng)前馬達(dá)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行差值運(yùn)算，獲得 差值轉(zhuǎn)速△ r;并將獲得的差值轉(zhuǎn)速△ r發(fā)送至PID控制模塊；
[0013] 所述PID控制模塊，用于對獲得的差值轉(zhuǎn)速△ r進(jìn)行PID控制，獲得轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)量Δ r〃；并發(fā)送至轉(zhuǎn)速控制器；
[0014] 所述轉(zhuǎn)速控制器，用于將獲得的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)量Ar 〃進(jìn)行轉(zhuǎn)換，獲得控制調(diào)速閥開度 的控制電壓V;
[0015] 所述調(diào)速閥，用于根據(jù)轉(zhuǎn)速控制器獲得的控制電壓V，調(diào)整當(dāng)前調(diào)速閥的開度，確 保馬達(dá)能夠達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速R;
[0016] 所述排量閥，用于在確保馬達(dá)能夠達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速R的前提下，根據(jù)排量控制器檢測 到的負(fù)載裝置實際功率，調(diào)整排量閥開度大小，進(jìn)而保證發(fā)電裝置的帶載能力；
[0017] 所述馬達(dá)，用于帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動；
[0018] 所述整流設(shè)備，用于將發(fā)電機(jī)輸出的交流電整流為直流電；
[0019] 所述輸出功率分配器，用于根據(jù)液壓波浪能發(fā)電裝置已經(jīng)收集的總功率、波浪能 發(fā)電裝置功率轉(zhuǎn)換效率和輸出功率的比例系數(shù)，獲得整流設(shè)備允許輸出的最大功率，并作 用于整流設(shè)備的輸出端；
[0020] 所述負(fù)載功率分配器，用于根據(jù)負(fù)載裝置的負(fù)載功率，對整流設(shè)備輸出的直流電 壓進(jìn)行功率分配；
[0021] 所述排量控制器，用于根據(jù)實時檢測的負(fù)載裝置的功率，調(diào)整排量閥的開度。
[0022] 較佳地，還包括升壓設(shè)備和降壓逆變設(shè)備；
[0023] 所述升壓設(shè)備，用于對從整流設(shè)備輸出的電壓升壓至千伏以上，通過線纜傳送到 降壓逆變設(shè)備降壓后作用在負(fù)載裝置上；
[0024] 所述降壓逆變設(shè)備，用于對由升壓設(shè)備輸出的高壓進(jìn)行降壓至負(fù)載可用電壓，并 作用于負(fù)載裝置。
[0025] 有益效果：
[0026] 本發(fā)明通過:第一:采用電壓和速度雙環(huán)PID控制來調(diào)整調(diào)速閥開度，確保第一級 液壓能輸出流量穩(wěn)定，避免了由于第一級液壓能輸出流量的不穩(wěn)定而導(dǎo)致整個波浪發(fā)電裝 置電能的輸出不穩(wěn)定;使得發(fā)電機(jī)電壓和轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在目標(biāo)值附近;第二:根據(jù)波浪發(fā)電裝置 已吸收的能量來預(yù)分配整流設(shè)備能輸出的功率和負(fù)載裝置的帶載能力（即負(fù)載功率），保證 已吸收能量充分利用，同時實現(xiàn)輸出能量和負(fù)載的平衡;第三:根據(jù)實際負(fù)載功率來調(diào)節(jié) 排量閥開度，進(jìn)一步調(diào)整波浪發(fā)電裝置的帶載能力，實現(xiàn)已吸收能量、輸出能量和負(fù)載最佳 匹配。三者的共同控制，實現(xiàn)了波浪發(fā)電裝置電能輸出穩(wěn)定;而且，本發(fā)明還根據(jù)負(fù)載裝置 的實際帶載能力，實時調(diào)節(jié)排量閥開度，具有良好的適應(yīng)能力。
【附圖說明】
[0027]圖1為本發(fā)明的控制模型圖。
【具體實施方式】
[0028] 下面結(jié)合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0029] 本發(fā)明提供了一種適用于液壓波浪能發(fā)電裝置的能量平穩(wěn)輸出控制系統(tǒng):本發(fā)明 的主要思想在于:如圖1所示：
[0030] 第一、簡要介紹液壓波浪能發(fā)電裝置的能量輸出流為:液壓波浪能發(fā)電裝置布放 在海上，海洋波浪帶動波浪能發(fā)電裝置上下起伏運(yùn)動以及左右擺動，運(yùn)動過程中波浪能發(fā) 電裝置將機(jī)械運(yùn)動能轉(zhuǎn)換成液壓能，通過對調(diào)速閥和排量閥的控制，使得液壓能轉(zhuǎn)換為液 壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動的機(jī)械能，驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，實現(xiàn)液壓能到電能的轉(zhuǎn)換；電能經(jīng)整流設(shè)備、升壓 設(shè)備以及降壓逆變設(shè)備后，最終作用于負(fù)載裝置。
[0031] 第二、在上述的能量輸出流中，為了能夠保證液壓波浪能發(fā)電裝置的能力輸出穩(wěn) 定，本發(fā)明采取了三個步驟，首先采用電壓和速度雙環(huán)PID控制來調(diào)整調(diào)速閥開度，確保第 一級液壓能輸出流量穩(wěn)定且充足，保證發(fā)電機(jī)電壓和轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在目標(biāo)值附近;然后，根據(jù)波 浪發(fā)電裝置已吸收的能量來預(yù)分配整流設(shè)備能輸出的功率和負(fù)載裝置的帶載能力（即負(fù)載 功率），保證已吸收能量充分利用，同時實現(xiàn)輸出能量和負(fù)載的平衡;最后，根據(jù)實際負(fù)載功 率來調(diào)節(jié)排量閥開度，進(jìn)一步調(diào)整波浪發(fā)電裝置的帶載能力，實現(xiàn)已吸收能量、輸出能量 和負(fù)載最佳匹配。
[0032]基于上述理論，本發(fā)明的具體實現(xiàn)的系統(tǒng)，如圖1所示:包括依次連接的第一減法 器、PI控制模塊、電壓控制器、第二減法器、第三減法器、PID控制模塊、轉(zhuǎn)速控制器、調(diào)速閥、 排量閥、馬達(dá)、發(fā)電機(jī)、整流設(shè)備和負(fù)載裝置;所述馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速通過轉(zhuǎn)速傳感器與第三 減法器的輸入端相連;所述發(fā)電機(jī)的輸出電壓通過電壓傳感器與第一減法器的輸入端相 連;所述負(fù)載裝置輸出負(fù)載大小通過排量控制器作用于排量閥的開度控制端;輸出功率分 配器作用在整流設(shè)備的輸出端;負(fù)載功率分配器作用在負(fù)載裝置上；
[0033] 所述電壓傳感器，用于采集當(dāng)前發(fā)電機(jī)輸出的電壓值u，并發(fā)送至第一減法器的輸 入端；
[0034] 所述第一減法器，用于將從電壓傳感器中獲得的電壓值u和設(shè)定的期望電壓U進(jìn)行 差值運(yùn)算，獲得差值電壓A u，并將差值電壓△ u發(fā)送至PI控制模塊；
[0035] 所述PI控制模塊，對獲得的差值電壓Au進(jìn)行PI控制，獲得電壓調(diào)節(jié)量Au';并發(fā) 送至電壓控制器；
[0036]由于PI控制是較為常規(guī)的控制手段，本實施例中進(jìn)行簡要描述：即根據(jù)公式（1)， 獲得電壓調(diào)節(jié)量△Y ;
[0037] Δ U7 =ΚΡ( Δ u- Δ u_l)+Ki Δ u (I)
[0038] 式中，Δ u和Auj分別為當(dāng)前差值電壓和上一次差值電壓;Kp為比例系數(shù)，Ki為積 分系數(shù)。
[0039] 所述電壓控制器，用于將電壓調(diào)節(jié)量△ Y進(jìn)行轉(zhuǎn)換，根據(jù)公式(2)，獲得轉(zhuǎn)速變化 值A(chǔ) r 并將獲得的轉(zhuǎn)速變化值△ r '發(fā)送至第二減法器；
[0040] Ar'=-kiX Au7 (2)
[0041] h為比例系數(shù)，與發(fā)電機(jī)的特性有關(guān)，本發(fā)明取發(fā)電機(jī)空載時轉(zhuǎn)速與電壓的近似 線性比值，取1^為3.75
[0042] 所述第二減法器，用于將獲得的轉(zhuǎn)速變化值△ r '與發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速進(jìn)行差值運(yùn) 算，獲得目標(biāo)轉(zhuǎn)速R;并發(fā)送至第三減法器的輸入端;其中，本實施例中的額定轉(zhuǎn)速為1500r/ min〇
[0043]所述轉(zhuǎn)速傳感器，用于采集當(dāng)前馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，并將獲得的轉(zhuǎn)速發(fā)送至第三減法器 的輸入端；
[0044] 所述第三減法器，用于將獲得的目標(biāo)轉(zhuǎn)速R和當(dāng)前馬達(dá)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行差值運(yùn)算，獲得 差值轉(zhuǎn)速△ r;并將獲得的差值轉(zhuǎn)速△ r發(fā)送至PID控制模塊；
[0045] 所述PID控制模塊，用于對獲得的差值轉(zhuǎn)速△ r進(jìn)行PID控制，獲得轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)量Δ r〃；并發(fā)送至轉(zhuǎn)速控制器；由于PID控制是較為常規(guī)的控制手段，本實施例中進(jìn)行簡要描述： 即根據(jù)公式(3)，獲得轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)量△ r〃 ；
[0047] 式中，ΔΓ，Ar j和ΔΓ_2分別為當(dāng)前差值轉(zhuǎn)速、上一次差值轉(zhuǎn)速和上上次差值轉(zhuǎn) 速;K ' Ρ為比例系數(shù)，K' i為積分系數(shù)，K ' d為微分系數(shù)。
[0048] 所述轉(zhuǎn)速控制器，用于將獲得的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)量Ar〃進(jìn)行轉(zhuǎn)換，根據(jù)公式(4)，獲得用 于控制調(diào)速閥開度的控制電壓V;
[0049] v = k2XAr〃 （4)
[0050] k2為比例系數(shù)，與調(diào)速閥開度和控制電壓的特性曲線有關(guān)。本發(fā)明根據(jù)該特性曲 線、調(diào)速閥最大開度對應(yīng)的流量以及系統(tǒng)工作時排量閥最大排量，可得到轉(zhuǎn)速與控制電壓 的比例系數(shù)，取為0.005。
[0051] 所述調(diào)速閥，用于根據(jù)控制電壓V，實現(xiàn)對調(diào)速閥的開度控制，保證發(fā)電機(jī)電壓和 轉(zhuǎn)速工作在目標(biāo)值，確保馬達(dá)能夠達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速R;
[0052] 所述排量閥，用于在確保馬達(dá)能夠達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速R的前提下，根據(jù)排量控制器檢測 到的負(fù)載裝置實際功率，調(diào)整排量閥開度大小，進(jìn)而保證發(fā)電裝置的帶載能力；
[0053]通常情況下，初始狀態(tài)的負(fù)載值已知，但隨著波浪能發(fā)電裝置所用系統(tǒng)的啟動，負(fù) 載會隨時變化，為變值。初