一种联合风力与波浪能隔振发电装置及其控制方法

本发明涉及海洋能源开发，具体涉及一种联合风力与波浪能隔振发电装置及其控制方法。

背景技术：

1、近年来，基于保护环境与不可再生能源日益匮乏的因素，可再生能源的利用成为炙手可热的话题。占据地球面积71％的海洋，成为了人们开发可再生能源的重要领域。海洋可再生能源主要包括潮汐能、风能、波浪能、潮流能、温差能、海岛可再生能源以及生物能等。其中波浪能具有能量密度高、存储量大和分布面广的优点，利用波浪能带动发电机发电也成为了可再生能源利用不可缺少的一环。

2、就目前而言，大部分波浪能发电装置仅作为单一波浪能的利用个体，在通过波浪能发电的同时，海风所产生的风能被浪费，可再生能源没有得到充分利用。波浪能发电机与风力发电机的直接组合也难以实现最佳的能源利用状态，在恶劣天气或海风较大的海洋条件下，装置变高导致力矩边长，装置本身不仅容易侧翻，影响经济性，发电的效率变低。

技术实现思路

1、发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种联合风力与波浪能隔振发电装置及其控制方法，该装置在同时利用海洋波浪能和风能发电的同时，通过锚链固定和非主轴设计降低其侧翻的风险；利用pid模糊控制隔振模块产生反作用机械力，抵消波浪能发电机振幅，提高能源利用率，降低侧翻和装置损坏风险；结合鹅优化算法和扰动观察法，寻求最佳控制功率调整发电机外电阻，获得机械运动整流器最优阻尼，最大化波浪能隔振发电机的发电效率。

2、技术方案：本发明公开一种联合风力与波浪能隔振发电装置，包括风力发电模块和波浪能隔振发电模块，所述波浪能隔振发电模块中设置有隔振模块和发电模块；

3、所述发电模块包括上浮体、下浮体、棘轮机构、丝杠筒，所述浮体位于波浪能隔振发电模块顶端和底端，所述丝杠筒位于浮体中间，与下浮体连接，所述丝杠筒内部设有丝杠、丝杠螺母，所述丝杠筒内部丝杠与丝杠螺母螺纹连接，所述丝杠通过连接件连接上浮体，丝杠下端连接机械运动整流器输入端，所述棘轮机构与机械运动整流器输出端连接，两侧分别设有一对线圈；

4、所述隔振模块通过永磁定子、隔振线圈实现，所述隔振线圈缠绕在丝杠筒表面，一对所述永磁定子与下浮体连接，且固定在隔振线圈两侧，隔振线圈接受电力，产生磁感线，并通过永磁定子产生与振幅反向的力；

5、连接机构，将风力发电模块与波浪能隔振发电模块组合，所述连接机构与锚链相互连接。

6、进一步地，所述连接机构包括四根空心支撑钢立柱，其一端与所述风力发电模块连接，另一端与波浪能隔振发电模块连接，所述空心支撑钢立柱之间通过横向连接杆相互连接，所述锚链与所述横向连接杆固定连接。

7、进一步地，所述连接机构的四根空心支撑钢立柱内部拥有孔洞，电线铺设在孔洞内部，连接上端风力发电模块与下端波浪能隔振发电模块。

8、进一步地，所述联合风力与波浪能隔振发电装置还包括控制模块和振幅传感器，所述控制模块与波浪能隔振发电模块以及振幅传感器连接，振幅传感器检测波浪能隔振发电模块的振幅传输至控制模块，所述控制模块输出根据振幅值输出控制指令至波浪能隔振发电模块的隔振模块。

9、进一步地，所述机械运动整流器包括输入轴、接触球轴承、电子变阻器、单向离合器、上齿轮、侧边轴承、侧边轴、输出轴、侧边齿轮、下齿轮，输入轴与丝杠连接，输入轴带动接触球轴承进行旋转，电子变阻器位于单向离合器上端，所述单向离合器下端与上齿轮连接，侧边轴位于侧边轴承中间，上齿轮与侧边齿轮啮合，下齿轮与侧边齿轮啮合，输出轴连接发电模块棘轮机构。

10、进一步地，本发明还公开一种联合风力与波浪能隔振发电装置的控制方法，具体包括以下步骤：

11、步骤一：设定波浪高度检测时间间隔t与波浪能隔振发电模块开始工作的预设振幅警戒高度hmin，振幅传感器检测波浪能隔振发电模块的当前振幅h，判断当前波浪高度是否大于预设振幅警戒高度hmin；若h小于hmin，隔振模块不运行；若h大于hmin，则启动控制模块进行隔振；

12、步骤二：控制模块采用模糊pid控制器转化振幅h，计算出隔振模块所需要的电量并传输电力控制信号u至储能装置，储能装置通过导线传输电力给隔振模块，形成和波浪振幅反向的机械力，达到减震作用；

13、步骤三：振幅传感器再次检测波浪能隔振发电模块振幅h，重复步骤一至步骤二；

14、步骤四：运用鹅优化算法结合扰动观察法，获取波浪能隔振发电模块内部机械运动整流器的最优阻尼值；

15、步骤五：控制模块控制储能装置释放电力进入电子变阻器，调整变阻器阻值，机械运动整流器达到最优阻尼值，发电模块获取最大输出功率。

16、进一步地，模糊pid控制器，由模糊控制与pid控制相结合；

17、其中pid控制器其表达式为：

18、

19、式中ut为输出的控制量，et为控制偏差，kp为比例环节参数，ti为积分环节的时间常数，td微分环节的时间常数；

20、首先将pid控制器的参数设定好，接着将当前振幅与需求振幅的偏差作为系统的偏差e，并将偏差的变化率ec与偏差e作为模糊控制的输入部分，将振幅h作为输入信号i(t)先通过模糊化进行模糊推理，接着解模糊化后输出原始pid参数的变化量δlp,δli,δld，将pid初始参数与其变化量结合，并得到新的lp,li,ld，将其输入至pid控制器，进行计算，并输出传输电力的控制信号u至储能装置，储能装置接受信号后，传输电力至隔振线圈产生磁力，由基尔霍夫定律，产生反作用力f，抵消波浪能施加的机械力。

21、进一步地，调整机械运动整流器阻尼值来实现发电装置功率最大，根据最优阻尼理论，在不同海况下，机械式波浪能发电装置都只有一个最优阻尼点，并且在最优阻尼点下，机械式波浪能发电装置的平均捕获功率达到最大，波浪发电系统从波浪中捕获的能量，经由波浪发电机平均输出电磁功率可表示为：

22、

23、其中，(pg)ave为波浪发电机平均输出电磁功率，t为波浪的周期，cpto为等效阻尼系数，和分别是发电机动子和浮子对水平面的位移速度；

24、发电装置的等效阻尼cpto与发电机外电阻rex之间存在以下关系：

25、

26、其中，ke，kt，rin分别为发电机的电压常数，力矩常数和内部阻抗，通过控制发电机外电阻，即可控制发电装置的等效阻尼。

27、进一步地，所述控制模块采用鹅优化算法结合后的扰动观察法进行最大功率点的跟踪控制，扰动观察法工作原理是测出当前系统的平均捕获功率，给系统施加扰动，等系统稳定后再测扰动后的平均捕获功率，采用鹅优化算法改进扰动观察法来加快系统收敛效率，具体算法流程可表示为：

28、步骤一：首先检测发电模块初始电压u(n)、电流i(n)并计算平均功率p；

29、步骤二：利用扰动观察法对发电模块施加扰动，得到平均捕获功率p，继而获得最优电压值u；

30、步骤三：将最优化u值设为鹅优化算法的解；

31、步骤四：设定鹅优化算法设定值x为初始位置，u赋值x；

32、步骤五：在搜索空间中确定脚中存储石头鹅的位置；

33、步骤六：模拟存储石头的鹅是否被惊醒；

34、步骤七：鹅惊醒后发出叫声提醒其他成员；

35、步骤八：用x(it+1)＝randn(1,dim)*(m_t*alpha)+best_pos计算x，并作为输出值；式中randn(1,dim)为1到当前迭代次数之间的随机值，m_t为迭代中声音传播至鹅群的最小值，best_pos为搜索空间鹅中最佳位置，alpha计算公式如下：

36、

37、式中loop为迭代轮数，max_it为迭代最大值。

38、步骤九：计算鹅群中其他鹅的位置，通过石头掉落声音传播到其他鹅的时间，配置算法的搜索过程；

39、步骤十：当附近没有其他鹅被惊醒，或者存储石头重量小于12，输出值表达式为：

40、x(it+1)＝f_f_s*d_git*t_a^2*coe

41、计算x并作为输出值，式中f_f_s为声音传播到每只鹅所需时间，t_a为传播到每只鹅的平均时间，coe为0.17到1之间随机值，d_git为守护鹅至随机另一只鹅的距离；

42、当附近有鹅被惊醒且同时存储的石头重量大于12，输出值表达式为：

43、x(it+1)＝f_f_s+d_git*t_a^2

44、计算x并作为输出值u输出，并同时获得最优功率值；

45、步骤十一：对比x是否超出搜索空间最大范围，若超限则用初始x替换计算值

46、步骤十二：判断是否达到迭代上限，若未达到则返回步骤四，若完成则输出最优功率值至储能装置，储能装置释放电力进入机械运动整流器内部的电子变阻器，调整变阻器阻值，达到波浪能隔振发电模块的发电模块的最大输出功率。

47、有益效果：

48、1.本发明结构简单，设计美观的同时各部分采用模块化设计，在发生故障时能够快速更换，提高了经济性。

49、2.本发明采用了非主轴设计，利用锚链将装置和海底固定，提高了发电装置的稳定性，发电装置能够自动对风，应对不同天气情况发电。

50、3.本发明采用了主动隔振结合被动隔振的方式，利用金属橡胶制作的浮体，在耐海水腐蚀的同时，抵消一部分波浪振幅，达到被动隔振的效果；主动隔振采用pid模糊控制器，将振幅发送至控制器，达到警戒振幅高度后，控制模块将振幅通过模糊pid控制转化并发送到储能装置，储能装置输电至隔振模块，主动产生相斥的作用力抵消振幅，在面对更加复杂海面环境时，保证波浪发电机全功率运转的同时，减少部件之间因为海浪碰撞冲击，进一步提高安全性和耐用性。

51、4.本发明利用鹅优化算法结合扰动观察法,通过控制器控制出点模块释放电力，调整波浪隔振发电装置内部机械运动整流器阻尼值，将波浪隔振发电装置的平均捕获功率发挥到最高，最大化发电效率。