一种双边内置式V型永磁直线发电机、海底式波浪能发电装置及控制方法

摘要

本发明公开了一种双边内置式V型永磁直线发电机，及基于该直线发电机的海底式波浪能发电装置和控制方法，首先，提出把双边内置式V型永磁直线发电机应用到海底式波浪能发电装置之中；其次，根据海底式波浪能发电装置受到的垂直方向波浪力与其运行速度之间的相位关系，进行相位分析和区域划分，并在此基础上采用可变阻尼系数法，实时地调整直线发电机电磁力幅值，使海底式波浪能发电装置受到的合力相位与其运行速度相位，达到同步，从而实现海底式波浪能发电装置运行效率的最大化；最后，在较高的海洋波浪波高情况下，采用最大阻尼系数法，使直线发电机输出最大电磁力，以防止系统装置结构被破坏，进而提高整个系统装置在运行过程中的安全稳定性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种双边内置式V型永磁直线发电机，及基于该直线发电机的海底式波浪能发电装置和控制方法，属于新能源发电技术。

背景技术

近两年来，随着我国对环境污染治理力度的逐步加大，把清洁可再生能源转换成电能，成为改善我国环境质量和满足国民生产生活对于电能需求的主要途径。其中，海底式波浪能发电技术，作为清洁可再生能源转换成电能的方式之一，在为偏远海岛、海上平台和沿海地区提供电能的同时，也为我国海洋经济的发展，提供了动力支持。

然而，随着海底式波浪能发电技术研究的深入和试验测试工程的陆续建设，逐渐发现两个问题：一是由于波浪能的特殊存在形式，很难提高海底式波浪能发电装置在自然运行状态下的效率；二是由于极端海洋环境(飓风、台风等)，无法保障海底式波浪能发电装置在海洋波浪中的安全稳定性。所以，研究海底式波浪能发电装置的优化控制技术，提高其在海洋波浪中的运行效率和安全稳定性，成为波浪能发电技术发展过程中亟待解决的难题。

针对这一难题，中国专利申请CN201710449351.4公开了一种控制浮筒对海平面进行跟踪的方法，目的是提高波浪能发电装置对波浪能的利用率，以及保障系统装置的稳定性。但是，鉴于海洋中的波浪周期和波幅是时刻变化的，并且波浪的运动速度也是非线性的，则浮筒对海平面进行跟踪的方法不仅增加了系统结构的复杂性，还需要大容量的电源设备和大功率电力电子器件(波浪能发电装置的水平面积越大，受到的波浪力越大，进而需要控制系统输出较大的力，实现波浪能发电装置在运动过程的优化控制)。

此外，中国专利申请CN201710555935.8公开了一种基于分层鲁棒性控制的直驱式波浪发电系统。该发明基于波浪频率、波浪位移和参考电流之间的关系，控制直驱式波浪发电系统的频率，使之与波浪频率达到一致，从而实现系统装置的高效率运行。然而，实际运动过程中的波浪，其波高是非线性的，其周期是非恒定的。因此，除了考虑提高系统装置的运行效率，还要考虑系统装置在海洋波浪中的安全稳定性。

总体来讲，现有的波浪能发电装置主要存在以下弊端：实用性差，没有同时兼顾系统装置的运行效率和安全稳定性；需要额外增加控制系统设备，这就使波浪能发电装置的系统结构变得复杂，不利于系统装置的安装和后期运行维护；没有对波浪能发电装置的运行过程进行细化和分析，距离其运行效率的最大化，还有较大的改进空间。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种双边内置式V型永磁直线发电机，及基于该直线发电机的海底式波浪能发电装置和控制方法，不仅能够提高海底式波浪能发电装置的运行效率，还能够保障发电装置在运行过程中的安全稳定性，有利于波浪能发电技术的规模化和商业化发展。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种双边内置式V型永磁直线发电机，包括双边定子和动子，双边定子包括两个间隔正对的定子铁芯，动子在两个定子铁芯之间的间隔内往复运动；所述定子铁芯内沿动子移动方向设置有一组成对的永磁体，成对的两个永磁体对称布置成V型，开口朝向动子，且成对的两个永磁体的对称轴与动子的移动方向垂直；所述动子内设置有动子铁芯，动子铁芯的齿正对定子铁芯，动子铁芯的槽内缠绕双层绕组。

优选的，所述永磁体之间安装有加强筋和磁桥。

优选的，所述动子铁芯两端设计为弧形边端齿结构，并采用边端槽宽减小的设计。

优选的，所述双边定子为U型槽结构，两个定子铁芯分别基于U型槽的两个正对面设计；所述动子为矩形柱体结构。

一种海底式波浪能发电装置包括基柱、双边内置式V型永磁直线发电机和外浮筒，所述基柱通过桩柱固定在海底特定位置；双边内置式V型永磁直线发电机包括双边定子和动子，动子与外浮筒通过连接架连接，双边定子与基柱固定连接，外浮筒套设在基柱上，外浮筒相对于基柱往复运动，带动动子相对于双边定子往复运动。

所述双边内置式V型永磁直线发电机是一种新型结构的直线发电机，该直线发电机的永磁体呈V型分布，且其呈V型分布的角度可以优化，以有利于发电机磁场的分布和优化控制；呈V型分布的永磁体之间，安装了适当尺寸宽度的加强筋和磁桥，目的是降低发电机的齿槽力幅值和绕组感应电动势谐波分量，从而保障直线发电机在运行过程中的平稳性；该直线发电机的动子铁芯和定子铁芯，可以采用叠片式的结构，目的是降低发电机的铁耗；弧形边端齿和适当边端槽宽，可以进一步降低发电机的齿槽力幅值，使该直线发电机输出的电压更趋近于正弦化。

一种海底式波浪能发电装置的运行控制方法，包括如下步骤：

(1)获取外浮筒的激振力、位移和速度：若外浮筒的运动行程达到最大运动行程设定值，则采用最大阻尼系数控制；否则，对激振力和速度进行相位差判断，进入步骤(2)；

(2)若激振力和速度相位差为零，则采用零阻尼系数控制；若激振力和速度相位差在低阈值范围内，则采用恒定阻尼系数控制；若激振力和速度相位差在高阈值范围内，则采用优化阻尼系数控制；

(3)采用二阶纯滞后过程的二自由度内模PID控制算法，通过步骤(2)选出的阻尼系数，控制双边内置式V型永磁直线发电机的q轴控制电流，从而调整双边内置式V型永磁直线发电机电磁力的输出幅值，实现海底式波浪能发电装置受到的垂直方向合力(激振力和电磁力的合力)与其运行速度的相位差为零，最终提高该海底式波浪能发电装置的运行效率。

海底式波浪能发电装置的运动速度，是由垂直方向的激振力驱动产生的。由于海洋波浪的波高和周期是时刻变化的，则海底式波浪能发电装置的激振力相位与其运行速度相位之间，必然存在相位差，这就降低了该发电装置的运行效率。因此，需要对二者之间的相位关系进行分析，并进行详细的区域划分。

不同阻尼系数(恒定阻尼系数、优化阻尼系数和零阻尼系数)，是根据海底式波浪能发电装置受到的垂直方向激振力相位与运行速度相位关系分析得到的。

所述二阶纯滞后过程的二自由度内模PID控制算法，是建立在双边内置式V型永磁直线发电机的速度反馈、位移反馈和电流反馈基础上的；并且，该控制算法的控制过程，是基于海底式波浪能发电装置的相位分析和区域划分实现的。

优选的，所述双边内置式V型永磁直线发电机的q轴参考电流与阻尼系数B_pto之间的数学关系为其中v_t为外浮筒的运行速度，τ_p为定子铁芯中永磁体的轴向长度，ψ_pm为磁通。

优选的，所述双边内置式V型永磁直线发电机对外浮筒的作用力，即双边内置式V型永磁直线发电机电磁力与q轴参考电流之间的数学关系为其中τ为定子铁芯中永磁体的极距，ψ_pm为磁通。

本发明中，设计了如下关键点：

1、进行结构设计和性能优化，提出一种带有加强筋、磁桥、弧形边端齿和适当边端槽宽的双边内置式V型永磁直线发电机。

2、根据海底式波浪能发电装置受到垂直方向激振力与其运行速度之间的相位关系，进行相位分析和区域划分。

3、根据相位分析和区域划分，提出不同的阻尼系数控制方法，主要包括恒定阻尼系数、优化阻尼系数和零阻尼系数。

4、推导出双边内置式V型永磁直线发电机的q轴控制电流与阻尼系数之间的数学关系。

5、提出二阶纯滞后过程的二自由度内模PID控制算法，通过不同的阻尼系数，控制双边内置式V型永磁直线发电机的q轴控制电流，从而调整双边内置式V型永磁直线发电机电磁力输出幅值，实现海底式波浪能发电装置受到的垂直方向合力(激振力和电磁力的合力)与其运行速度的相位差为零，最终提高该海底式波浪能发电装置的运行效率。

6、在海洋波浪波高较大的情况下，海底式波浪能发电装置的运动行程将超过最大安全值。此时，为了避免海底式波浪能发电装置被破坏，通过二阶纯滞后过程的二自由度内模PID控制法和最大阻尼系数，使双边内置式V型永磁直线发电机电磁力的输出幅值最大，从而减缓或锁停海底式波浪能发电装置的运行速度，最终实现该海底式波浪能发电装置在恶劣海洋环境下的安全稳定性。

有益效果：本发明提供的双边内置式V型永磁直线发电机，及基于该直线发电机的海底式波浪能发电装置和控制方法，相对于现有技术，具有如下优点：双边内置式V型永磁直线发电机，具有运行效率高和易于控制的良好特性；二阶纯滞后过程的二自由度内模PID控制算法，是一种符合海底式波浪能发电装置运动特性的优化控制算法；对海底式波浪能发电装置的波浪受力相位和运行速度相位进行详细分区，为系统的优化控制奠定基础；不增加额外的控制系统执行设备，通过调整双边内置式V型永磁直线发电机输出的电磁力幅值，实现对海底式波浪能发电装置的优化控制。本发明采用的技术方案，一方面简化了系统装置的结构组成，另一方面提高了系统装置的运行效率和安全稳定性。

附图说明

图1为海底式波浪能发电装置的剖面结构示意图；

图2为双边内置式V型永磁直线发电机的剖面结构示意图；

图3为双边内置式V型永磁直线发电机的立体结构示意图；

图4为海底式波浪能发电装置(外浮筒)垂直方向激振力和运行速度的相位分析，及其区域划分；

图5为海底式波浪能发电装置的动态优化控制技术路线；

图6为海底式波浪能发电装置的控制器系统；

图7为海底式波浪能发电装置高效率和安全稳定性运行的实施过程。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种海底式波浪能发电装置的剖面结构示意图，包括基柱3、双边内置式V型永磁直线发电机和外浮筒2，所述基柱3通过桩柱9固定在海底特定位置8；双边内置式V型永磁直线发电机包括双边定子5和动子4，动子4与外浮筒2通过连接架6连接，双边定子5与基柱3固定连接，外浮筒2套设在基柱3上，外浮筒2相对于基柱3往复运动，带动动子4相对于双边定子5往复运动。

在海洋波浪1的起伏运动下，外浮筒2将会受到垂直方向波浪力的作用，从而在垂直方向产生位移(速度)。外浮筒2与基柱3之间的相对位移(速度)，将会驱动双边内置式V型永磁直线发电机的动子4与双边定子5之间产生相对位移(速度)，从而实现波浪能转换成电能。此外，采用桩柱9，可以增强海底式波浪能发电装置的牢固性，使其固定在海底的特定位置8上；外浮筒2和基柱3之间的最大相对运动行程7，是由二者的机械结构决定的。

如图2所示，双边内置式V型永磁直线发电机，包括双边定子5和动子4，双边定子5包括两个间隔正对的定子铁芯11，动子4在两个定子铁芯11之间的间隔内往复运动；所述定子铁芯11内沿动子4移动方向设置有一组成对的永磁体12，成对的两个永磁体12对称布置成V型，开口朝向动子4，且成对的两个永磁体12的对称轴与动子4的移动方向垂直；所述永磁体12之间安装有加强筋15和磁桥16；所述动子4内设置有动子铁芯10，动子铁芯10的齿正对定子铁芯11，动子铁芯10的槽内缠绕双层绕组13；所述动子铁芯10两端设计为弧形边端齿14结构，并采用边端槽宽17减小的设计。

如图3所示，所述双边定子5为U型槽结构，两个定子铁芯11分别基于U型槽的两个正对面设计；所述动子4为矩形柱体结构。

基于图1，在外浮筒2和基柱3的相对运动下，将会驱动定子铁芯11与动子铁芯10之间产生相对运动，使动子铁芯10的绕组13切割定子铁芯11的磁场线(由永磁体12产生)，从而导致线圈13产生电能(根据法拉第定律)。特别地，弧形边端齿14和适当边端槽宽17，有利于降低双边内置式V型永磁直线发电机的齿槽力，使该直线发电机输出的电压更趋近于正弦化，为该直线发电机的优化控制，奠定良好的硬件基础。

图4给出了外浮筒2在垂直方向受力和运行速度的相位分析及其区域划分。如图4所示，外浮筒2受到的垂直方向激振力18与其运行速度19之间，存在以下三种相位关系：图4(a)的滞后、图4(b)的同步、图4(c)的超前。为了提高海底式波浪发电装置的运行效率，对外浮筒2的垂直方向激振力18和运行速度19，进行了相位的区域划分。如图4(a)和图4(c)所示，区域A和区域C是较低相位区域，区域B和区域D是较高相位区域；图4(b)的区域E是同步相位(相位差为零)。

图5给出了海底式波浪能发电装置的动态优化控制技术路线。如图5所示，主要分为高效率运行控制和安全稳定性控制两部分。

首先，海底式波浪能发电装置的外浮筒，受到的垂直方向合力F_total，是由垂直方向激振力F_exc和双边内置式V型永磁直线发电机电磁力组成。

其次，为了提高海底式波浪能发电装置的运行效率，则根据图4所示的相位分析和区域划分，当外浮筒受到的垂直方向激振力F_exc与其速度相位差为零时(图4(b))，采用零阻尼系数控制发电机当外浮筒受到的垂直方向激振力F_exc与其速度相位差不为零时(图4(a)和图4(c))，采用恒定阻尼系数控制或优化阻尼系数控制其中，恒定阻尼系数控制是针对较低相位区域(区域A和区域C)，优化阻尼系数控制是针对较高相位区域(区域B和区域D)。

最后，为了保障海底式波浪能发电装置在较高海洋波浪环境下的安全稳定性，当较高的海洋波浪导致系统装置达到最大相对运动行程7的时候(图1所示)，采用最大阻尼系数控制，使发电装置停止运行(锁停)，从而保障发电装置不被破坏。

图6是海底式波浪能发电装置的控制器系统，具体控制过程为：

(1)利用位移传感器、速度传感器和电流互感器CT，获得双边内置式V型永磁直线发电机(外浮筒)的位移y、速度v_t，以及该发电机的相电流值i_A、i_B、i_C；

(2)通过派克-克拉克变换(abc/dq)，将相电流值i_A、i_B、i_C变换成d轴电流i_d和q轴电流i_q；通过发电机的运行速度v_t和海底式波浪能发电装置所需的优化阻尼系数B_pto，计算得到q轴参考电流(设定d轴参考电流)；

(3)将d轴电流的差值和q轴电流的差值送到二阶纯滞后过程的二自由度内模PID控制器中，经过算法处理和两项旋转坐标到两项静止坐标变换器(2s/2r)变换，向空间矢量脉宽调制器(SVPWM)输入两相静止坐标系下的电压V_α和V_β；

(4)通过SVPWM和电压源逆变器，增加双边内置式V型永磁直线发电机输出的电磁力幅值，增加的幅值为

其中，二阶纯滞后过程的二自由度内模PID控制算法，具体包括如下步骤：

①利用二阶非线性方程和相邻历史数据(d轴电流的差值i_dc和q电流的差值i_qc)，建立双边内置式V型永磁直线发电机控制电流的二阶纯滞后过程模型；

②建立内模PID控制算法的二自由度(控制器和滤波器)；

③根据双边内置式V型永磁直线发电机的干扰抑制特性和鲁棒性要求，确定控制器的可调参数取值；

④根据目标值(运行速度)跟踪特性的要求，确定滤波器的可调参数取值；

⑤输出双边内置式V型永磁直线发电机的d轴电压V_d和q轴电压V_q。

图7从实践的角度，示出了海底式波浪能发电装置高效率和安全稳定性运行的实施过程。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。