应用于单自由度直驱式波浪能发电系统的永磁直线发电机优化控制方法

本发明涉及单自由度直驱式波浪能发电，具体为应用于单自由度直驱式波浪能发电系统的永磁直线发电机优化控制方法。

背景技术：

1、永磁直线发电机具有结构简单、运行可靠、效率高等优点，这使得它在波浪能发电领域具有广泛的应用前景。波浪能发电的环境是海洋，其环境条件复杂多变，包括风浪、海流、潮汐等多种因素的影响。这种环境可能导致永磁直线电机在工作过程中受到较大的冲击和振动，影响其稳定性和可靠性。由于波浪能的不稳定性、随机性和间歇性等特点，使得永磁直线发电机的运行过程中面临着复杂的动态特性和非线性特性，使得发电运行性能不稳定，进而影响波浪能发电转换效率，这给永磁直线发电机优化控制带来了挑战。

2、为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的是在于提供一种应用于单自由度直驱式波浪能发电系统的电机优化控制方法，这种优化控制方法旨在通过优化电机的结构设计和运行参数，来降低电机的损耗、提高电机的运行效率和稳定性。

技术实现思路

1、本发明的目的可以通过以下技术方案实现，一种应用于单自由度直驱式波浪能发电系统的电机优化控制方法，方法包括以下步骤：

2、s1、永磁直线发电机数学模型的建立

3、s2、最大波能捕获条件数学模型的建立

4、s3、永磁直线发电机参数设定与优化控制实验方法

5、所述永磁直线发电机数学模型的建立包括以下步骤：

6、永磁同步直线电机(pmslg)可以仿照永磁同步电机(pmsg)进行数学建模。定子绕组三相对称分布，各绕组轴线相差120°电角度；产生的气隙磁动势和磁通密度为正弦波分布；忽略通风沟槽和绕组槽的影响，假设定转子表面是光滑的；忽略磁路饱和，磁滞损耗、涡流损耗的影响；

7、进行park变换，将静止三相坐标系统a、b、c表示的电磁量变换为随转子旋转的两相直角坐标系统d、q和静止的0轴坐标系统(合称为dq0坐标系统)表示的电磁量。坐标变换并不改变发电机内部的电磁关系。

8、park变换把变系数微分方程变为常系数微分方程，采用等功率的park变换，函数为：

9、

10、三相静止坐标系下，pmsg定子三相回路电压函数为：

11、

12、式中ra、rb、rc为三相电阻，又因为三相绕组对称所以ra＝rb＝rc＝rs；ia、ib、ic为定子三相电流；φa、φb、φc为三相定子磁链，相应的磁链函数为：

13、

14、式中l为自感电感且均相等；m为互感电感且均相等；φf为永磁体磁链；θ为d轴与a轴夹角，θ＝ωet；ωe为电角速度，np为电机极对数，τ为电机极距。经等功率park变换后，dq轴旋转坐标系下的电压函数为：

15、

16、ud、uq、id、iq分别为dq轴定子电压、电流；ld、lq分别为dq轴等效电感，ld＝lq＝ls；ψd、ψq为定子磁链在dq轴下的等效磁链。等效后的磁链函数为：

17、

18、由以上公式可得永磁同步发电机在d、q坐标轴下电压函数的完整表达式：

19、

20、通过上述公式可实现对发电机基于id＝0的svpwm控制。

21、发电机电磁力fpto可以类比于电动机下的电磁力获得，其函数形式为：

22、

23、因为id＝0，ld＝lq＝ls，简化后函数为：

24、

25、pto装置感应电动势e为：

26、

27、定子电压u为输出电压u与pto装置感应电动势e之间的电压差为：

28、

29、进一步的，所述建立最大波能捕获条件包括以下步骤：

30、浮子动力学函数：

31、zb为浮子体相对于水文零点的位移；为浮子体的加速度

32、mb为浮子体和直线发电机动子的总质量

33、fe为波浪力

34、fhs为静水恢复力：fhs＝-khs·zb

35、khs为海水等效弹性系数，与浮子体几何结构有关

36、fpto为pto装置推力,即直线电机的电磁推力

37、frad为浮子体所受的辐射力

38、根据对波浪力的研究，在不规则波下,引入cummins方程的卷积积分公式来描述流体记忆效应，相应的辐射力函数：

39、

40、以上公式整理后可得单自由度直驱式波浪发电装置动力学方程:

41、

42、进一步，得出直驱式波浪发电系统的频域方程：

43、

44、式中fg为反电磁力，为电磁推力fpto的相互作用力；b0为辐射力阻尼系数，由上式可得：

45、

46、当直驱式波浪能发电系统反电磁力只与浮子体速度成线性关系时可以表示为：

47、

48、式中re为直驱式波浪能发电系统最优阻尼系数。

49、波浪与浮子体的速度相差角度θ、re、ω可分别表示为：

50、

51、拉氏变换后可得：

52、

53、当能量输出系统的阻尼ze等于波能转换系统内阻抗z1的共轭时可以得出最大波能捕获条件:

54、

55、得到浮子体的最优速度为：

56、

57、可将系统动力学模型等效为二阶谐振电路，系统的响应形式可比拟为串联谐振。

58、在装置实现最大波能捕获条件下,只要波浪能发电装置永磁直线发电机的运动行程、作用力、输出功率允许范围内,在任意海浪能量环境下均可达到共振从而装置捕获到最大的波能,其应用区域广泛。pmlg在工作中能量往往是进行双向传递的,当能量正向流动时电机输出电能作为发电机,反之输入电能作为电动机向pto输入能量。

59、进一步的，所述永磁直线发电机参数设定与优化控制实验方法，包括以下步骤：

60、进一步的，初次极结构选定，长次级结构的永磁体长于定子绕组，虽然使用的永磁体材料多，但是整个定子绕组都为有效绕组，能量转换效率高。从高效能量转换的角度本文选择长次级结构研究。

61、进一步的，参数选定，直驱式pto装置浮子体通过连接杆与直线电机的动子连接，在波浪力的带动下浮子体运动带动直线电机动子做上下垂荡运动。在理想情况下，波浪的运动方程可以描述为：

62、

63、h为波高，λ为波长。海浪等级为4级时，h＝2.5m、λ＝30m，在理想条件下(忽略电机摩擦及波浪反射等因素φ＝0)波浪的运动速度方程可以表示为:

64、v＝0.26sin0.21t

65、由上式可得波浪最大运动速度为0.26m/s,为了处理数据方便又不失对电机性能的验证，因此给动子一个0.26m/s的恒速度，对直线发电机进行优化控制实验分析。

66、进一步的，永磁直线电机为9极12槽，m＝3,建模的直线发电机与长次级模型相同，因直线发电机模型左右完全对称，为方便分析，现只对右侧建模。电机设计为三相永磁直线电机，a、b、c三相绕组的标号组别设置。

67、进一步的，有无辅助槽结构使定子边端的磁通分布产生较大差别，有辅助槽可将一部分漏磁通转变为有效磁通，极大降低了气隙磁阻的变化率，在理论上可减少动子所受的定位力。为减少动子所受定位力，对上文定子结构进行改进，对边端齿槽进行加宽处理，相当于一个辅助槽的作用。

68、进一步的，较电机改进之前，无辅助槽直线电机的空载感应电动势幅值有所增加；c相与a、b相感应电动势差值减小。证明了增加辅助槽后，直线电机在同样情况下机电能量转换效率增强，电机的工作效率、性能有所提升，验证了对直线电机定子齿槽结构改进的正确性与合理性。

69、进一步的，直线电机带负载时，三相的负载感应电动势各不相同，比空载时情况小，这是由直线电机固有的纵向边端效应以及在负载情况下的电枢反应所共同引起的。且与空载感应电动势相比各相的相位有所偏移，这是由于空载感应电动势的相位仅仅由永磁体产生的磁场决定，而负载时则由永磁体和电枢反应共同作用的磁场决定。

70、进一步的，试验动子初始运动方向向下，0时刻时直线电机的动子处于最高位，然后动子开始向下移动，且速度越来越快，在0.5s时动子速度达最大0.26m/s。此时，定子绕产生的空载感应电动势也达最大。此后，动子继续下移，而速度逐渐减小，感应电动势的幅值也逐渐减少。当1s时动子运动到最低点，动子的速度为0，感应电动势也为0。随后，动子跟随波浪向上运动，其感应电动势及速度变化跟动子下移时类似。

71、本发明的有益效果：定子齿槽改进后的直线电机，动子在运动时会受到更小的定位力。在空载、负载下，直线电机动子速度在恒速度和正弦速度下三相绕组均可产生感应电动势，且感应电动势的幅值和相位变化均符合常理，证明了此直线电机结构设计的正确性、合理性，可进一步实现波浪能到电能的高效率转化。