一种内置式摇摆浮标波浪发电控制系统及控制方法

本发明涉及波浪能发电，特别是涉及一种内置式摇摆浮标波浪发电控制系统及控制方法。

背景技术：

1、海洋数据浮标是指在海上能自动进行海洋气象监测及与之有关的水文要素探测的浮标，同时能够作为提供导航定位等数据传输的重要海上设备。其在防灾、资源开发、科学研究和国家安全方面越来越重要。在实际应用中，如何为海洋气象浮标提供一种稳定、高效、可靠的供电系统是十分必要的。

2、事实上，为远离海岸分散布置的海洋浮标等分布式设备供电，一直是一个瓶颈问题。受现阶段技术限制，目前海洋浮标必须以特定方式工作，以减小功耗。否则，设备需要进行间歇性工作，从而保证浮标的电能供给。因此，电源的稳定性在很大程度上制约了海洋浮标的发展。从目前海洋数据浮标的波浪能转换形式来看有直驱式、气动式和机械式这几大类别。其中直驱式具有小型化、能量转换效率高等优点被广泛关注，但是对其控制系统的研究设计很少。

3、中国专利公开号cn111271214b公布了一种波浪发电装置，包括：支架，固定于浮子舱室内；电机台，设置在支架内，并相对于支架直线运动；磁力丝杠定子杆，穿过电机台，两端固定在支架上；磁力丝杠动子筒，通过旋转结构与电机台连接，并同心套接在磁力丝杠定子杆外；发电机，与磁力丝杠动子筒连接。由此可见，所述一种波浪发电装置是一种典型的直驱式波浪发电装置，同时其存在以下问题：所述摇摆浮标发电装置放置于浮标舱室内部处于完全被动控制状态，其核心发电单元的运动是不受控的。由于高重量的核心发电单元无法在不控状态下跟随浮标的纵摇自主停止，造成核心发电单元与导轨两端的保护弹簧发生碰撞。在碰撞过程中核心发电单元所受推力发生突变，极易造成核心发电单元的磁力丝杆定子与转子发生滑磁现象。因此在不控状态下，核心发电单元的质量必须被严格限制住，导致无法充分利用所设计的磁力丝杆的磁推力。解决这些问题可以有效的提高内置式波浪发电装置的发电量。

4、因此，亟需一种内置式摇摆浮标波浪发电控制系统及控制方法，以实现波浪发电控制。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种内置式摇摆浮标波浪发电控制系统及控制方法，解决传统发电装置中核心发电单元运行不受控，使磁力丝杆定子与转子发生滑磁现象，导致发电量低、磁力丝杆利用率低的问题。

2、本发明提供了一种内置式摇摆浮标波浪发电控制系统，应用于内置式摇摆浮标波浪发电装置，所述发电装置包括摇摆浮子舱室、支架、核心发电单元、核心发电单元导轨和永磁同步发电机，所述支架固定安装于所述摇摆浮子舱室内，所述核心发电单元导轨设置于所述支架之间，所述核心发电单元设置于所述核心发电单元导轨上，所述永磁同步发电机与所述核心发电单元连接；

3、所述系统包括：

4、角度传感器，所述角度传感器用于检测所述摇摆浮子舱室的实时倾斜角度；

5、位置传感器，所述位置传感器设置于所述支架上，所述位置传感器用于检测所述核心发电单元在所述核心发电单元导轨上的运行位置；

6、转速编码器，所述转速编码器用于检测所述永磁同步发电机的实时转速；

7、电力电子变流器，所述电力电子变流器的输入端与所述永磁同步发电机的输出端连接；

8、rc负载，与所述电力电子变流器的输出端连接；

9、dsp控制器，与所述角度传感器、位置传感器、转速编码器、电力电子变流器和rc负载连接，所述dsp控制器用于接收所述角度传感器、位置传感器、转速编码器检测的数据，并对检测的数据进行处理，生成pwm控制信号，以实现波浪发电控制。

10、优选的，所述核心发电单元导轨包括定位导轨、磁力丝杆定子和防撞弹簧；所述定位导轨设置在所述支架之间，所述磁力丝杆定子设置在所述定位导轨之间，所述防撞弹簧设置于所述定位导轨两端。

11、优选的，所述核心发电单元包括磁力丝杆转子筒和传动机构，所述磁力丝杆转子筒套设在所述磁力丝杆定子外，所述磁力丝杆转子筒通过所述传动机构与所述永磁同步发电机连接。

12、优选的，所述角度传感设置于所述核心发电单元上，当无波浪时，所述角度传感显示为0°。

13、优选的，所述转速编码器与所述永磁同步发电机的转轴通过联轴器固定连接，以使所述永磁同步发电机的实时转速与所述转速编码器转速一致。

14、本发明还公开了一种内置式摇摆浮标波浪发电控制方法，所述控制方法采用上述的控制系统进行实施，所述方法包括：

15、获取摇摆浮子舱室的实时倾斜角度、核心发电单元的运行位置和永磁同步发电机的实时转速；

16、根据所述实时倾斜角度确定浮标摇摆的正半周期时间tpositive和负半周期时间tnegative，并基于所述正半周期时间tpositive和负半周期时间tnegative确定浮标摇摆的正向周期和反向周期；

17、设定核心发电单元的参考位置xref，确定所述参考位置xref与运行位置x之间的位置误差，基于所述位置误差与浮标摇摆的正向周期和反向周期确定参考速度vvel和限制速度vlim；

18、将所述参考速度vvel和限制速度vlim进行对比，根据对比结果确定速度内环的实际参考速度vref；

19、根据所述永磁同步发电机的实时转速n确定核心发电单元的实际运行速度vtrue，并确定所述实际参考速度vref和实际运行速度vtrue之间的速度差值；

20、根据所述速度差值pwm控制信号，以实现波浪发电控制。

21、优选的，根据所述实时倾斜角度确定浮标摇摆的正半周期时间tpositive和负半周期时间tnegative，包括：

22、确定所述实时倾斜角度连续三次过0时对应的时刻，为t1，t2，t3；

23、所述正半周期时间tpositive为t1到t2的时间间隔，即tpositive＝t2-t1；

24、所述负半周期时间tnegative为t2到t3的时间间隔，即tnegative＝t3-t2；

25、所述t1，t2，t3在每周期波浪下均进行刷新，并计算正半周期时间tpositive和负半周期时间tnegative。

26、优选的，将所述参考速度vvel和限制速度vlim进行对比，根据对比结果确定核心发电单元的实际参考速度vref，包括：

27、当参考速度vvel＜限制速度vlim时，实际参考速度vref＝vvel；

28、当参考速度vvel≥限制速度vlim时，实际参考速度vref＝vlim。

29、优选的，所述实际运行速度vtrue根据下式计算得到：

30、vtrue＝k×n；

31、其中，k表示为永磁同步发电机转子轴与核心发电单元转子筒的传动比例系数，n表示为永磁同步发电机的实时转速。

32、与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明能够在原有磁力丝杆参数不变的情况下，提高核心发电单元的可运行重量。同时，该实现了磁力丝杆利用率的提升，有效的提高了波浪发电装置的发电量。本发明弥补了在这个领域内波浪发电控制系统的空白。现有波浪能控制系统大多都是基于解决阻抗匹配问题的基础上实现波浪能转换器与波浪的谐振，或者利用p-v曲线通过mppt技术得到最佳功率点，本发明基于位置和速度的控制，通过动态负载的控制方式实现了核心发电单元可运行重量的提升。此方法不仅提高了内置式摇摆浮标波浪发电装置的发电量，而且提高了磁力丝杆的利用效率。