一种直驱波浪发电机机侧电能变换远程控制通信系统

1.本发明涉及永磁直线同步电机发电控制及远程通信技术领域，具体是一种直驱波浪发电机机侧电能变换远程控制通信系统。


背景技术：

2.近年来，随着直线电机控制理论、电力电子技术、材料工艺的发展，直线电机的应用进入了新的发展阶段。当前直线电机的应用场合众多，如需直线运动的机械加工机床、轨道交通等，这些应用场合都是把直线电机作电动机运行的。当前直线电机在发电领域的应用主要是在直驱式波浪发电和斯特林直线发电系统中。永磁直线同步电机无需中间传动装置便能直接产生直线运动，可有效取代传统的“旋转电机+滚珠丝杠”的传动形式，在交流调速系统中占据了重要地位。圆筒型直线振荡电机作为一种新型的永磁直线同步电机，采用直接驱动的方式产生往复直线振荡运动，具有刚性高，推力大以及响应速度快等优点。
3.对于近海或者远海端的海况，由于地域辽阔以及供电问题，海域信息难以监测以及传输。此时，小型直线发电机配合浮子以及相应的电力电子技术，就可以利用波浪能发电，给与监测设备以及信号传输设备额定工作电压，从而完成实时监测的功能。本专利以永磁同步直线发电机为研究对象，着重针对永磁直线发电机机侧电能变换控制及后处理进行研究，使其输出直流电压恒定，监测设备可以正常工作，具有重要的理论价值和研究意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种直驱波浪发电机机侧电能变换远程控制通信系统，为了实时与离岸式波浪发电装置的信息交互，并根据不同的海况环境对于发电机电气信息进行相互验证，通信系统通过对波浪能量的采集，经过ac-dc整流，dc-dc变换以后，可以提供稳定持续的直流电压，通过直流电压可供给监测装置所需要的正常工作电压，对波浪发电装置实时的工作状态进行反馈，也可对于实时的波浪信息如波高波周期等进行反馈。此时，监测装置可由直线发电机独立供电，达到不需要近岸电缆就可独立工作的目的，最后利用4g dtu(远程通信模块)以及电压电流采集装置和波浪传感器搭建了一个远程监测装置，它将波浪发电装置中发电机以及海况等运行参数通过无线通讯方式发送到实验室，基于电能处理和远程通信技术，使发电及远程通信系统具有良好的动态性能，且控制系统具有很强的鲁棒性。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
6.一种直驱波浪发电机机侧电能变换远程控制通信系统，所述通信系统包括永磁同步直线发电机pmlg、电压电流采集模块、波浪传感器、电能后处理模块、4g无线通信模块、上位机显示平台和监控装置。
7.所述永磁同步直线发电机能够根据波浪的上下往复运动输出电能，电压电流采集模块对电气信息进行精确测量及输出，波浪传感器输出附近海域波高波周期信息，4g无线通信模块通过远程通信模块dtu将接受到的数据传输到上位机。
dc模块负责将输入的时变的幅值周期的三相电转换成纹波较大的直流电压。
20.所述双向斩波dc-dc模块负责将纹波较大的直流电压转化为可控整流侧的供电电压和监测设备保持一直在线的12v/24v直流电压，其输入接三相电压a、b、c三相电压输入，输出接入双向斩波dc-dc模块的“+”,
“‑”
两端，双向斩波dc-dc模块的输出的“+”,
“‑”
两端经过电力电子变换以后，输出侧的“+”,
“‑”
两端可以输出24v的恒定电压，“+”,
“‑”
两端接到两个串联的、额定电压为12v的蓄电池两侧，给其充电。
21.进一步的，所述数据监测主要分为离线定期监测、自动在线监测以及在线检测离线分析监测等三种方法，实时采集设备信息并对数据进行处理和分析，实现对设备的实时在线监测，离线情况下可以对其进行分析，可根据每秒自动刷新的数据绘制波形，掌握海况及发电机状态的变化。
22.根据交流电机统一理论，直线电机的电磁推力为电磁功率和动子速度之比，对于永磁同步直线电机，电磁功率pe为：
23.pe＝eaia+ebib+ecic(1)
24.在动子为正向运动时，a相绕组的感应电动势超前于b相绕组的感应电动势2π/3电角度，b相绕组的感应电动势超前于c相绕组的感应电动势2π/3电角度。
[0025][0026]
根据牛顿第二定律，波浪发电装置浮子的运动方程为：
[0027][0028]
式中，f
ω
为波浪激励力，fr为波浪辐射力，fb为静浮力，fe为直线发电机反电磁力，m为波浪发电装置中运动部分的总质量，其余固定或辅助部分质量不计，为动子运动加速度。
[0029]
当波浪为规则波时，波浪辐射力fr可以表示为：
[0030][0031]
式中，m
add
为因辐射力产生的附加质量，kz为因辐射力产生的阻尼系数，为动子运行速度。
[0032]
以海浪没有波动时，波浪发电装置所浸没在海中位置为零初始位置，此时，波浪发电装置所受的浮力等于其自身重力，记此时位移为0，波浪发电装置为了可以有效漂浮在水面上，固定装置中包括有圆柱体形的浮筒，若已知海水密度，浮筒大小参数，且假定装置时刻垂直于海面，则可以由阿基米德定律求出此时所受静浮力的大小：
[0033]
fb＝-ρ
液v排
g＝-ρ(s
·
h)g＝-ρgs
·
x＝-kbx(5)
[0034]
式中，ρ为当地海域海水的密度，g为重力加速度，s为浮筒的横截面积，kb为等效浮力系数，x为当前时刻动子相对于初始位置的位移。
[0035]
由上式合并可得波浪发电装置的水动力学方程为：
[0036][0037]
当波浪发电装置的固有频率和波浪激励力频率相同时，两者发生共振，海浪发电装置可以提取最大功率。根据机械振动原理，当直线发电机的动子往复运动的频率与机械系统的谐振频率一致时，系统进入共振状态，此时消耗的机械能最低，因此控制电机稳定运行在机械系统谐振点附近。
[0038]
根据线性规则波理论，将非线性的波浪发电装置系统线性化以后，将水动力学方程中的反电磁力fe可以表示成当前动子速度以及动子相对于静止点的位移的线性组合：
[0039][0040]
式中，re为产生有功功率分量的阻尼系数，ke为产生无功功率分量的弹性系数，(阻尼系数和弹性系数是因为可以将其水动力模型看成是弹簧-阻尼系统)，或者说在最大功率点计算时分别为等效电容和等效电阻。
[0041]
此时，可以控制直线发电机的电磁力的大小以及相位这两个自由度，在一定程度上，可以看成电磁力幅值与阻尼系数大小有关，电磁力相位和弹性系数有关。
[0042]
将反电磁力的公式代入水动力学公式可得：
[0043][0044]
式中，该式可以表示为二阶线性系统，可用替代定理(交流电机统一理论)将其转化为rlc所表示的二阶系统，此时两者方程相似，只需合理设计rlc参数，即可让rlc的kvl方程和波浪发电装置的运动方程相同，将电压源大小等效为f
ω
，回路电流等效为速度负载阻抗等效为波浪发电装置产生的电磁力大小，负载阻抗所消耗的功率等效为电磁功率。
[0045]
幅值相位钳定法等效电路：当电路呈阻性时，发生串联谐振，此时回路电流最大，负载获得最大功率。对应于波浪发电装置的运动方程，直线发电机从海浪中获得最大功率。
[0046]
此时电路满足以下条件：
[0047][0048]
由上式可得，当发电机提取当前最大功率时，电路谐振频率为：
[0049][0050]
此时可知，直线发电机中产生的电磁力的阻尼系数以及弹性系数分别为：
[0051][0052]
发生串联谐振后，等效电路中电流为：
[0053][0054]
此时可将最大功率捕获问题转化为求等效电路的最大负载功率输出问题。
[0055]
水动力学方程中的反电磁力可以表示成当前动子速度以及动子相对于静止点的位移的线性组合，阻尼系数可以等效为电阻，弹性系数可以等效为电容，故此所产生的功率
之中，与速度有关的分量为有功分量，与电磁功率的大小有关；与位移有关的分量为无功分量，与电磁功率的相位有关。此时为了改变装置运动的幅值和相位，实现最大功率点跟踪，需要中间的电力电子器件应该可以让能量相互传递，双向流通。
[0056]
进一步的，所述上位机软件可用云平台、基于vb.net语言开发上位机界面，为了实现无线通信模块与上位机之间的交互，需要将在上位机中设置传感点名称为“电压电流测量”和“波浪传感器”。
[0057]
设置数据类型为“数据属性”，数据精度为“2”，即精确到小数点后两位，地址号和寄存器号与电压电流采集模块的寄存器分配和地址分配对应。传感点类型可分为数据类型、状态类型、开关类型和gps类型四种，对于波浪信息以及电气信息，采用数据类型作为传感点类型，并设定恰当的单位，如波高单位为“m”，波周期单位为“s”，电压单位为“v”，电流单位为“a”。
[0058]
本发明的有益效果：
[0059]
1、本发明通信系统基于磁力发电机和电能后处理模块，设计的利用发电机电能完成离岸式电气与波浪信息无线通信，能实现波高、波周期与电压电流功率信息的精确实时显示及存储；
[0060]
2、本发明通信系统基于visual basic.net(简称vb.net)语言开发上位机界面，能实现给上位机发送给定信号，接收4g dtu发送给上位机的数据信息，以及信号实时显示的功能；
[0061]
3、本发明通信系统结合采样模块所得的电压、电流和电角度信号，依据不同的控制策略生成控制开关管的开关信号，通过驱动模块将信号放大后驱动开关管运行，实现发电系统各部分的稳定控制运行；
[0062]
4、本发明通信系统发电及远程通信系统具有良好的动态性能，且控制系统具有很强的鲁棒性。
附图说明
[0063]
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
[0064]
图1是本发明通信系统框图；
[0065]
图2是本发明发电机机侧控制策略图；
[0066]
图3是本发明ac-dc侧控制策略等效电路图；
[0067]
图4是本发明磁力发电机三相输出电压实验结果图；
[0068]
图5是本发明无线监测平台的电信号与海洋信号变化曲线图。
具体实施方式
[0069]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0070]
一种直驱波浪发电机机侧电能变换远程控制通信系统，如图1所示，通信系统包括永磁同步直线发电机(pmlg)，电压电流采集模块，波浪传感器，电能后处理模块，4g无线通
信模块、上位机显示平台和监控装置，永磁同步直线发电机可根据波浪的上下往复运动输出电能，电压电流采集模块对电气信息进行精确测量及输出，波浪传感器输出附近海域波高波周期信息，4g无线通信模块通过远程通信模块(dtu)将接受到的数据传输到上位机，上位机用于显示实时三相电压电流数据以及波浪的波高波周期信息并进行储存，上位机根据数据点对其进行波形的拟合，监控装置接入24v直流电源，保证整个电气信息通信环节的正常工作，电压电流采样模块用于采集电压电流，通过rs485接口输出给信号传输装置，再通过信号传输装置给云平台或者上位机发送，从而实现远程监测的功能。
[0071]
电压电流采集模块为三相交流电压电流测量模块，pmlg的三相交流输出与电能后处理模块及监测设备直接相连，作为三相交流电能的输出端，如图2所示，三相电压电流测量模块接收了发电机发出的三相电压输出以后，通过内部所有的电压电流传感器计算出电压大小以及电流大小，监测设备和电路整体处于串联状态而不是并联状态，若为并联状态则电流传感器无法获得正确信息。
[0072]
采用4g远程无线通信，主要完成各项发电系统电流、电压、功率及发电机转速的数据采集与远程通讯的功能，并实时获得并更新波浪能发电设备试验现场数据，电压测量模块需要有三条进线与三条出线，三条进线为发电机交流侧的三相电压输出，分为记为u相、v相、w相，功能为精确测量发电机输出三相电压大小；三条出线接入后级电能后处理环节的交流侧输入，分为记为a相、b相、c相，功能为使整个波浪发电装置构成一个流通的回路，电流测量模块需要有三条进线与三条出线，与电压测量模块一致，电流测量可用两类电流互感器，即开口互感器与闭口互感器。开口互感器接线方便，拆装线路方便且允许带电操作，可以为实际电路的合理走线方便，故将其与测量模块以及保护电路等进行配合。
[0073]
波浪发电装置的直驱式永磁同步直线发电机的基本结构包括定子和动子，永磁同步直线发电机由螺杆(转子)和螺母(动子)两部分组成，二者间做相对螺旋运动，在研究时，可定义螺杆为转子，绕轴做旋转运动；螺母为动子，沿轴向做直线运动。直驱式永磁同步直线发电机与其他传统旋转转直线运动的发电机不同。传统旋转转直线运动的发电机是先利用机械丝杠来将直线运动转化为旋转运动，再带动旋转发电机进行发电。机械是利用螺杆和螺母间的机械接触来实现直线运动和旋转运动间的转换，不仅摩擦力大带来了中间结构的损耗，且机械结构更容易损坏。而永磁同步直线发电机则是利用的是螺母和螺杆间的磁耦合力，实现了非接触式运动传递，相较于传统波浪发电装置，节省了中间转换结构，具有更好的发电前景。
[0074]
波浪传感器实现对布放海面的波浪高度，波周期等要素的测量，波浪传感器内含有九轴传感器模块，经过内部算法可以有效地测量海洋波浪波高以及波周期等有效信息。正常情况下，波浪传感器每15分钟发出一组波浪要素数据，并将得到的数据通过rs232接口输出给信号传输装置，再通过信号传输装置给云平台或者上位机发送，从而实现远程监测的功能。系统自带多种接口方式，包括电源供电口，北斗模块/铱星模块通讯口，gprs通讯口，主要接口定义如下(根据标签顺序排列)：gnd-电源地，dc-12v dc+12v输入，gnd电源地，gnd电源地，rxd北斗数据接收，txd北斗数据发送，bd-24v-out北斗电源+24v输出，gprs-12v-out gprs电源+12v输出(用于外接gprs模块供电使用)，rxd gprs数据接收，txd gprs数据发送，gnd电源地，gnd电源地，bd-24v-in北斗电源+24v输入，本通信系统默认使用北斗接口进行数据输出，rs232接口，波特率115200，8n1，波浪传感器与与4g dtu连接时，rs232
的rxd接dtu的txd接口，txd接dtu的rxd接口，gnd与dtu的gnd接口相连，dtu需要外接天线以让信号更容易进行传输。
[0075]
核心控制模块、驱动模块、三相半桥主电路、储能模块以及相关保护电路等，其中控制芯片釆用ti公司的tms320f28335型dsp芯片，通过集成开发平台ccs对芯片进行编写程序，结合电压电流采集模块所得的电压、电流和电角度信号，依据不同的控制策略生成控制开关管的开关信号，通过驱动模块将信号放大后驱动开关管运行，实现发电系统各部分的稳定控制运行，利用直线电机动子运行和能量转换装置处于共振状态下能量转换效率最高的特点，控制发电机电磁力及其相位，实现最大功率点跟踪，提升发电系统效率，同时可保证系统的稳定运行。后级电能处理采用pwm全控整流方式可减少交流侧电流谐波，提高功率因数，针对直线发电系统产生的电能具有瞬时功率波动频繁且波动范围大的特点，利用超级电容功率密度高、循环寿命长的特点，用于平抑输出功率波动的问题。
[0076]
如图2所示，电能后处理模块含有整流ac-dc模块以及双向斩波dc-dc模块，ac-dc模块负责将输入的时变的幅值周期的三相电转换成纹波较大的直流电压，双向斩波dc-dc模块负责将纹波较大的直流电压转化为可控整流侧的供电电压和监测设备保持一直在线的12v/24v直流电压，其输入接三相电压a、b、c三相电压输入，输出接入双向斩波dc-dc模块的“+”,
“‑”
两端，双向斩波dc-dc模块的输出的“+”,
“‑”
两端经过电力电子变换以后，输出侧的“+”,
“‑”
两端可以输出24v的恒定电压，“+”,
“‑”
两端接到两个串联的、额定电压为12v的蓄电池两侧，给其充电。
[0077]
数据监测主要分为离线定期监测、自动在线监测以及在线检测离线分析监测等三种方法，实时采集设备信息并对数据进行处理和分析，实现对设备的实时在线监测，离线情况下可以对其进行分析，可根据每秒自动刷新的数据绘制波形，掌握海况及发电机状态的变化。
[0078]
根据交流电机统一理论，直线电机的电磁推力为电磁功率和动子速度之比，对于永磁同步直线电机，电磁功率pe为：
[0079]
pe＝eaia+ebib+ecic(1)
[0080]
在动子为正向运动时，a相绕组的感应电动势超前于b相绕组的感应电动势2π/3电角度，b相绕组的感应电动势超前于c相绕组的感应电动势2π/3电角度。
[0081][0082]
根据牛顿第二定律，波浪发电装置浮子的运动方程为：
[0083][0084]
式中，f
ω
为波浪激励力，fr为波浪辐射力，fb为静浮力，fe为直线发电机反电磁力，m为波浪发电装置中运动部分的总质量，其余固定或辅助部分质量不计，为动子运动加速度。
[0085]
当波浪为规则波时，波浪辐射力fr可以表示为：
[0086][0087]
式中，m
add
为因辐射力产生的附加质量，kz为因辐射力产生的阻尼系数，为动子运行速度。
[0088]
以海浪没有波动时，波浪发电装置所浸没在海中位置为零初始位置，此时，波浪发电装置所受的浮力等于其自身重力，记此时位移为0，波浪发电装置为了可以有效漂浮在水面上，固定装置中包括有圆柱体形的浮筒，若已知海水密度，浮筒大小参数，且假定装置时刻垂直于海面，则可以由阿基米德定律求出此时所受静浮力的大小：
[0089]
fb＝-ρ
液v排
g＝-ρ(s
·
h)g＝-ρgs
·
x＝-kbx(5)
[0090]
式中，ρ为当地海域海水的密度，g为重力加速度，s为浮筒的横截面积，kb为等效浮力系数，x为当前时刻动子相对于初始位置的位移。
[0091]
由上式合并可得波浪发电装置的水动力学方程为：
[0092][0093]
当波浪发电装置的固有频率和波浪激励力频率相同时，两者发生共振，海浪发电装置可以提取最大功率。根据机械振动原理，当直线发电机的动子往复运动的频率与机械系统的谐振频率一致时，系统进入共振状态，此时消耗的机械能最低，因此控制电机稳定运行在机械系统谐振点附近。
[0094]
根据线性规则波理论，将非线性的波浪发电装置系统线性化以后，将水动力学方程中的反电磁力fe可以表示成当前动子速度以及动子相对于静止点的位移的线性组合：
[0095][0096]
式中，re为产生有功功率分量的阻尼系数，ke为产生无功功率分量的弹性系数。(阻尼系数和弹性系数是因为可以将其水动力模型看成是弹簧-阻尼系统)，或者说在最大功率点计算时分别为等效电容和等效电阻。
[0097]
此时，可以控制直线发电机的电磁力的大小以及相位这两个自由度，在一定程度上，可以看成电磁力幅值与阻尼系数大小有关，电磁力相位和弹性系数有关。
[0098]
如图3所示，将反电磁力的公式代入水动力学公式可得：
[0099][0100]
式中，该式可以表示为二阶线性系统，可用替代定理(交流电机统一理论)将其转化为rlc所表示的二阶系统，此时两者方程相似，只需合理设计rlc参数，即可让rlc的kvl方程和波浪发电装置的运动方程相同，将电压源大小等效为f
ω
，回路电流等效为速度负载阻抗等效为波浪发电装置产生的电磁力大小，负载阻抗所消耗的功率等效为电磁功率。
[0101]
幅值相位钳定法等效电路：当电路呈阻性时，发生串联谐振，此时回路电流最大，负载获得最大功率。对应于波浪发电装置的运动方程，直线发电机从海浪中获得最大功率。
[0102]
此时电路满足以下条件：
[0103]
[0104]
由上式可得，当发电机提取当前最大功率时，电路谐振频率为：
[0105][0106]
此时可知，直线发电机中产生的电磁力的阻尼系数以及弹性系数分别为：
[0107][0108]
发生串联谐振后，等效电路中电流为：
[0109][0110]
此时可将最大功率捕获问题转化为求等效电路的最大负载功率输出问题。
[0111]
水动力学方程中的反电磁力可以表示成当前动子速度以及动子相对于静止点的位移的线性组合，阻尼系数可以等效为电阻，弹性系数可以等效为电容。故此所产生的功率之中，与速度有关的分量为有功分量，与电磁功率的大小有关；与位移有关的分量为无功分量，与电磁功率的相位有关。此时为了改变装置运动的幅值和相位，实现最大功率点跟踪，需要中间的电力电子器件应该可以让能量相互传递，双向流通。
[0112]
pmlg的控制目标是实现从海浪中提取最大功率，由最优功率算法可得到在一定周期、幅值的海浪环境中，获取最优功率的反电磁力控制曲线，通过对电力电子变换器的控制，跟随最优反电磁力控制曲线，即可实现pmlg的最大功率跟踪。
[0113]
对于一个首次运行的4g dtu，需要将其rs485/232接口与上位机usb接口物理连接，对其内部参数进行配置，设置正确的串口号和端口，设置波特率为115200，一般操作流程：s1.设备连pc串口，上电；s2.打开串口；s3.获取当前参数；s4.选择工作模式，配置相关参数；s5.设置所有参数。对于已有参数文件的4g dtu，也可以采用相同的步骤，改变工作模式以及改变相关参数的配置。在串口已经连接的情况下，还可以通过其他pc设备来远程进行参数配置。
[0114]
上位机软件可用云平台或者基于vb.net语言开发上位机界面，为了实现无线通信模块与上位机之间的交互，需要将在上位机中设置传感点名称为“电压电流测量”和“波浪传感器”，设置数据类型为“数据属性”，数据精度为“2”，即精确到小数点后两位，地址号和寄存器号与电压电流采集模块的寄存器分配和地址分配对应。传感点类型可分为数据类型、状态类型、开关类型和gps类型四种，对于波浪信息以及电气信息，采用数据类型作为传感点类型，并设定恰当的单位，如波高单位为“m”，波周期单位为“s”，电压单位为“v”，电流单位为“a”。
[0115]
设备地图可显示当前设备所处位置，如该远程通信在设备地图上处于江苏省南京市。数据的储存策略可分为实时储存及延时10ms到1天不等。上位机在数据进行实时显示以及储存以后，可通过分析15分钟内数据点，绘制出数据随时间变化曲线，可寻求一定周期内的数据变化规律。对曲线合理分析可知发电装置的环境变化及发电状态变化。
[0116]
本发明给出的这个实例所表现出的优良性能是用来解释说明本发明的，而不是对本发明进行的限制。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。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是
相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0117]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。