一种基于有源逆变的近海波浪能并网发电系统及控制方法

摘要

本发明公开了一种基于有源逆变的近海波浪能并网发电系统及控制方法，该系统包括：波浪能收集装置，包括多个相互连接的波浪俘能单元，波浪俘能单元的公共传动轴与齿轮箱相连，用于将波浪能转化为机械能；发电装置，用于将机械能转化为电能；电能变换电路，包括整流电路和逆变电路，其输出端与电网相连，用于实现电能的逆变并网，对并网输出功率进行调节；检测控制电路，用于检测系统运行时的各项参数，并对系统进行控制。本发明利用模块化的波浪能收集装置将波浪能转换为机械能并最终转换为电能，通过基于坐标变换的电流控制，实现了单位功率因数下的逆变并网运行，同时利用最大功率点跟踪算法，使系统始终工作于最大功率输出状态，最大限度的利用了波浪能。

说明书

技术领域

本发明涉及新能源发电领域，尤其涉及一种基于有源逆变的近海波浪能并网发电系统及控制方法。

背景技术

目前，人类能源消耗越来越大，能源供应日趋紧张，新能源发电技术得到了快速的发展。其中，波浪能发电技术作为一种有效的新能源发电方式得到了越来越多的应用。海洋波浪蕴藏着巨大的能量，全球有经济价值的波浪能开采量估计为上亿千瓦。波浪能发电技术的应用可以在一定程度上缓解目前的能源紧张。

随着电力电子技术的发展，新能源并网得到了较为广泛的应用。相比于太阳能和风能，波浪能的能量密度大，发电的有效运行时间长，更加适合于并网发电。近海海域的小型波浪能发电系统的并网发电可以避免长距离输电的高成本，更加灵活方便的实现与沿海电力网的并网，具有较大的应用前景。

传统波浪能发电系统的体积较大，成本较高，且装置为固定结构，只能通过改变发电系统的数量来适应不同的发电功率需求，在小功率发电的应用场合配置不够灵活。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有波浪能发电装置结构固定，体积较大，成本较高，配置不够灵活的缺陷，提供一种小型低成本的近海波浪能发电系统，该系统波浪能收集装置由波浪俘能单元构成，可方便改变波浪俘能单元的数目并灵活适应不同的发电功率需求，系统通过有源逆变技术实现电能的并网，并利用最大功率点跟踪算法实现输出功率的最大化。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种基于有源逆变的近海波浪能并网发电系统，包括波浪能收集装置、发电装置和电能变换电路，发电装置和电能变换电路还与检测控制电路相连，其中：

波浪能收集装置包括多个相互连接的波浪俘能单元，波浪俘能单元的公共传动轴与齿轮箱相连，用于将波浪能转化为机械能；

发电装置用于将机械能转化为电能；

电能变换电路包括整流电路和逆变电路，其输出端与电网相连，用于实现电能的逆变并网，并对并网输出功率进行控制；

检测控制电路用于检测系统运行时的各项参数，并对系统进行控制。

进一步地，本发明的波浪俘能单元包括浮板、单向离合轴承、轴承、连杆和传动轴；

浮板通过连杆与单向离合轴承外圈相连，轴承设置在单向离合轴承的两端，单向离合轴承内圈、轴承内圈均与传动轴配合连接。

进一步地，本发明的波浪俘能单元还包括支架，支架一端与轴承的外圈相连，另一端与海上固定发电平台相连，波浪俘能单元通过支架固定于发电平台。

进一步地，本发明的多个波浪俘能单元相互连接组网，传动轴处于同一直线的两个波浪俘能单元之间通过联轴器将传动轴连接；传动轴之间存在夹角的两个波浪俘能单元之间通过锥齿轮将传动轴连接。

进一步地，本发明的发电装置包括永磁同步发电机和多抽头三相变压器。

进一步地，本发明的整流电路包括由电力二极管与电容组成的三相整流桥，逆变电路为由IGBT作为开关器件的三相桥式逆变电路。

进一步地，本发明的控制与检测装置包括电压传感器、电流传感器、处理器和驱动电路；

电压传感器与电流传感器分别用于检测电能变换装置的输出电流以及电压的有效值；处理器用于接收传感器的信息，经过处理后对系统进行适当的控制；驱动电路用于将系统的控制信号转化为可以驱动IGBT工作的较大功率驱动电压。

本发明提供一种基于有源逆变的近海波浪能并网发电控制方法，装置可以根据波浪能收集装置产生的机械能对输出电流的幅值和相位的控制，装置通过将三相静止坐标中的u_a、u_b、u_c，i_a、i_b、i_c分量分别转换为两相旋转坐标中的d、q轴分量，利用PID调节以及前馈解耦，实现输出电流在两相旋转坐标系d、q两个维度的独立控制，对波浪能并网发电输出电能的有功功率和无功功率进行分别调节，进而实现单位功率控制，其中，d轴电流采用PD控制，q轴电流采用PI控制。

进一步地，本发明的方法将三相静止坐标系下的电压及电流转换为与电网电压矢量同步旋转的两相旋转坐标系中的d、q轴分量，具体计算方法为：

分别对电流i_d、i_q进行PD控制与PI控制，经过前馈解耦，得到u_d、u_q；利用2r/3s变换，将其转换为输出信号a、b、c，具体计算方法为：

其中，θ为电网的电压矢量旋转的角度，u_a、u_b、u_c，i_a、i_b、i_c分别为电网三相线电压以及三相线电流的经过测量得到的有效值。

进一步地，本发明的该方法还包括过对输出电压以及电流进行检测，从而确定系统的电能输出功率；并根据输出电功率以及设定电流的增减状况判断电流的增减；当输出电功率与设定电流增减状态相同时，系统将会增加设定电流值；当二者的增减状态相反时，系统将会减小设定电流值；使系统始终工作在功率最大的状态。

本发明产生的有益效果是：本发明的基于有源逆变的近海波浪能并网发电系统，能够利用海洋中的波浪能进行发电，可以节约能源，缓解能源紧张；将近海海域波浪能转化为电能并直接输入沿海电力网，省去了电能的储存以及长 距离传输环节，提高了能量利用效率；本发明配置灵活、成本较低，波浪能收集装置采用了由波浪俘能单元组成的模块化设计，可以方便的改变波浪俘能单元的数目以适应不同发电功率需求；另外，本发明的控制方法采用基于坐标变换的电流闭环控制，可以根据波浪能收集装置产生的机械能对输出电流的大小以及相位进行调节，实现了单位功率因数下的并网运行；采用可变步长的最大功率点跟踪算法，使系统处于最优运行状态，实现了对波浪能最大限度的利用。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的基于有源逆变的近海波浪能并网发电系统的结构示意图；

图2是本发明实施例的基于有源逆变的近海波浪能并网发电系统的波浪能收集装置的结构示意图；

图3是本发明实施例的基于有源逆变的近海波浪能并网发电系统的电能变换电路的电路图；

图4(a)是本发明实施例的基于有源逆变的近海波浪能并网发电控制方法的坐标变换算法示意图(a)；

图4(b)是本发明实施例的基于有源逆变的近海波浪能并网发电控制方法的坐标变换算法示意图(b)；

图4(c)是本发明实施例的基于有源逆变的近海波浪能并网发电控制方法的电流闭环算法示意图(c)；

图5是本发明实施例的基于有源逆变的近海波浪能并网发电控制方法的最大功率跟踪算法示意图；

图中，1-浮板，2-单向离合轴承，3-轴承，4-联轴器，5-锥齿轮，6-连杆，7-传动轴，8-支架，9-齿轮箱。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实 施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例的基于有源逆变的近海波浪能并网发电系统，包括波浪能收集装置、发电装置和电能变换电路，发电装置和电能变换电路还与检测控制电路相连，其中：

波浪能收集装置包括多个相互连接的波浪俘能单元，波浪俘能单元的公共传动轴与齿轮箱9相连，用于将波浪能转化为机械能；

发电装置用于将机械能转化为电能；

电能变换电路包括整流电路和逆变电路，其输出端与电网相连，用于实现电能的逆变并网，并对并网输出功率进行控制；

检测控制电路用于检测系统运行时的各项参数，并对系统进行控制。

波浪俘能单元包括浮板1、单向离合轴承2、轴承3、连杆6和传动轴7；浮板1通过连杆6与单向离合轴承2外圈相连，轴承3设置在单向离合轴承2的两端，单向离合轴承2内圈、轴承3内圈均与传动轴7配合连接。

波浪俘能单元还包括支架8，支架8设置在轴承3的下端，支架8一端与轴承3的外圈相连，另一端与海上固定发电平台相连，波浪俘能单元通过支架8固定于发电平台。

多个波浪俘能单元相互连接组网，传动轴7处于同一直线的两个波浪俘能单元之间通过联轴器4将传动轴连接；传动轴7之间存在夹角的两个波浪俘能单元之间通过锥齿轮5将传动轴连接。

在本发明的另一个具体实施例中，包括由波浪俘能单元以及变速系统构成的波浪能收集装置、永磁同步发电机、三相变压器、整流逆变电路以及控制电路。

波浪能收集装置由波浪俘能单元以及变速系统构成，图2为其结构示意图。如图所示，每个能量收集单元由支架8、连杆6、单向离合轴承2、轴承3、浮板1构成。其中，轴承2为单向离合轴承，轴承3为普通轴承。在装置运行过程中，浮板随波浪起伏。当浮板上浮时，单向离合轴承处于锁定状态，此时浮板将通过单向离合轴承带动传动轴旋转，产生机械能；当浮板下沉时，单向 离合轴承处于活动状态，浮板受到重力作用跟随波浪水位下降。

通常，波浪能收集装置包含多个波浪俘能单元，波浪俘能单元通过传动轴7实现输出机械能的并联。当能量收集装置的多组波浪俘能单元处于工作状态时，由于不同位置的俘能单元浮板处的波浪水位与状态不同，在任意时刻，总有波浪俘能单元浮板处于上升状态，为装置提供机械能，因此波浪能收集装置可以为发电机提供持续的扭矩输入。齿轮箱9的输入端与传动轴7固定，输出端与发电机的主轴固定。波浪俘能单元将波浪能量转化为传动轴7的旋转机械能，经过齿轮箱9对传动轴的调速与转矩调整，最终带动发电机工作。

如图2所示，该系统波浪能收集装置的波浪俘能单元的并联采用联轴器或者锥形齿轮实现。当两个波浪俘能单元的传动轴处于同一直线上时，选择联轴器4实现连接；当两个波浪俘能单元的传动轴之间的夹角较大，超过一定阈值时，选择锥齿轮5实现连接。

系统发电装置采用永磁同步发电机进行发电，同时采用了多抽头三相变压器实现发电机与整流逆变电路的隔离以及发电机输出电压的调节。

发电装置中的变压器采用了多抽头三相变压器，通过分接开关选择不同的抽头可以改变变压器的变比，调整变压器的输出电压，从而扩大了发电装置并网运行时输入电压的范围，提高了波浪能的利用率。例如：当波浪频率较低时，发电装置输出电压较低，不能满足逆变并网的要求，增大变压器的变比将电压升高；当波浪频率较高时，发电装置输出电压较高，可能超出电能变换电路中元器件的耐压值，降低变比可以将输出电压降低。

系统通过整流逆变电路实现将永磁同步发电机产生的交流电转换为直流电，进而转换为与电网并网的交流电。图3是本发明的电能变换装置电路图。如图所示，在整流逆变电路中，整流部分采用了电力二极管不可控整流，同时利用电容滤波，实现了将发电装置输出的交流电转换为直流电；逆变部分采用了基于SPWM调制的IGBT全控逆变，不仅可以实现电能的并网，同时还可以保证输出电流与输出电压反相，使系统可以实现单位功率因数下的逆变并网，对电网的功率因数具有一定改善作用。

系统采用了有源逆变技术实现波浪能的并网发电，其输出的电功率可以根 据波浪能收集装置所能够产生的机械功率的大小进行实时调节，从而能够稳定工作在不同的波浪条件下。

波浪能收集装置由多个波浪俘能单元组成，每个波浪俘能单元可以独立工作，实现将波浪的往复波动转换为单向转动的机械能，波浪俘能单元之间根据传动轴夹角不同使用锥形齿轮或联轴器进行连接，实现并联工作。波浪能收集装置由可以独立工作的波浪俘能单元构成，实现了波浪能收集装置的通用化和模块化，波浪能收集装置中波浪俘能单元的数量可以改变，由此可以针对预定的发电功率确定合适的俘能单元数目，使得该装置更加易于推广应用。

本发明实施例的基于有源逆变的近海波浪能并网发电控制方法，其逆变部分SPWM控制方法为：将如图3所示的电路图中逆变电路的开关管分为T1、T2，T3、T4，T5、T6三组，在每组中，T1、T3、T5为上桥臂，T2、T4、T6为下桥臂，每组开关管分别通过三路脉冲信号控制，且上下桥臂的开关管导通状态相反，当脉冲信号为高电平时上桥臂导通，低电平时下桥臂导通。记u、v、w为三路脉冲信号的占空比，当u、v、w接近于正弦波形且相位相差120度时，逆变电路可输出三相电压。在本发明施例中，u＝k*a,v＝k*b,w＝k*c,其中，a、b、c为2s/3r变换输出量，k为比例系数。

系统检测与控制装置采用基于坐标变换的电流闭环控制来调节输出电流的相位与大小，图4(a)、图4(b)和图4(c)为系统电流控制的算法示意图，通过对输出电流的幅值和相位的控制，装置通过将三相静止坐标中的u_a、u_b、u_c，i_a、i_b、i_c分量分别转换为两相旋转坐标中的d、q轴分量，利用PID调节以及前馈解耦，实现输出电流在两相旋转坐标系d、q两个维度的独立控制，对波浪能并网发电输出电能的有功功率和无功功率进行分别调节，进而实现单位功率控制。

该方法将三相静止坐标系下的电压及电流转换为与电网电压矢量同步旋转的两相旋转坐标系中的d、q轴分量，具体计算方法为：

分别对电流i_d、i_q进行PD控制与PI控制，经过前馈解耦，得到u_d、u_q；利用2r/3s变换，将其转换为输出信号a、b、c，具体计算方法为：

其中，θ为电网的电压矢量旋转的角度，u_a、u_b、u_c，i_a、i_b、i_c分别为电网三相电压以及三相电流的测量值。

利用所述算法，使逆变装置的输出电流可以在d轴与q轴独立调节。其中，d轴电流决定了输出电能的有功功率，q轴电流决定了输出电能的无功功率。

系统通过将输出电流在d、q轴两个维度进行单独调节，控制逆变的有功功率和无功功率。系统通过闭环控制将q轴电流调节为0，从而使得系统工作在单位功率因数下；系统通过闭环控制调节d轴电流大小，从而控制逆变器的输出有功功率。

波浪的波动状态是不稳定的，由此波浪可以为系统提供的最大输入功率也是变化的。系统的检测与控制装置通过最大功率点跟踪技术，使系统始终工作在最大功率输出状态。本发明采用了可变步长的扰动观测法实现系统的最大功率点跟踪。图5为最大功率跟踪算法示意图。

如图5所示，系统通过对输出电压以及电流进行检测，从而确定系统的电能输出功率；之后系统对于根据输出电功率以及设定电流的增减状况判断电流的增减。当输出电功率与设定电流增减状态相同时，系统将会增加设定电流值；当二者的增减状态相反时，系统将会减小设定电流值。通过最大功率点跟踪技术，可以使系统始终工作在功率最大的状态，实现对于波浪能最大程度的利用。

已知处理器的控制周期为T，在τ时刻的设定电流计算方法为:

1.计算输出电压U(τ)以及输出电流i_d(τ)，P(τ)＝3*U(τ)*i_d(τ)；

2.ΔP(τ)＝P(τ)-P(τ-T)，Δi_d^*(τ)＝i_d^*(τ)-i_d^*(τ-T)；

3.当ΔP(τ)＝0时：i_d^*(τ+T)＝i_d^*(τ)；

当ΔP(τ)≠0时：若Δi_d^*(τ)＝0，则i_d^*(τ+T)＝i_d^*(τ)+k₁*ΔP(τ)/Δi_d^*(τ)，否则，i_d^*(τ+T)＝i_d^*(τ)+k₂*ΔP(τ)。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。