技术特征：
1.一种直驱波浪发电机机侧电能变换远程控制通信系统，其特征在于，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；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；所述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，监控装置接入直流电源，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。2.根据权利要求1所述的一种直驱波浪发电机机侧电能变换远程控制通信系统，其特征在于，所述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；所述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。3.根据权利要求2所述的一种直驱波浪发电机机侧电能变换远程控制通信系统，其特征在于，所述电压电流采样模块采用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；所述电压测量模块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；所述电流测量模块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。4.根据权利要求3所述的一种直驱波浪发电机机侧电能变换远程控制通信系统，其特征在于，所述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，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，永磁同步直线发电机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。5.根据权利要求4所述的一种直驱波浪发电机机侧电能变换远程控制通信系统，其特征在于，所述波浪传感器对布放海面的波浪高度、波周期进行测量，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；所述波浪传感器每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。接口方式采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。
6.根据权利要求5所述的一种直驱波浪发电机机侧电能变换远程控制通信系统，其特征在于，所述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；所述电能后处理模块采用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。7.根据权利要求6所述的一种直驱波浪发电机机侧电能变换远程控制通信系统，其特征在于，所述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；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。8.根据权利要求7所述的一种直驱波浪发电机机侧电能变换远程控制通信系统，其特征在于，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；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p
e
为：p
e
＝e
a
i
a
+e
b
i
b
+e
c
i
c
(1)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；根据牛顿第二定律，波浪发电装置浮子的运动方程为：式中，f
ω
为波浪激励力，f
r
为波浪辐射力，f
b
为静浮力，f
e
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；当波浪为规则波时，波浪辐射力f
r
可以表示为：
式中，m
add
为因辐射力产生的附加质量，k
z
为因辐射力产生的阻尼系数，为动子运行速度；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：f
b
＝-ρ
液v排
g＝-ρ(s
·
h)g＝-ρgs
·
x＝-k
b
x(5)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，k
b
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；由上式合并可得波浪发电装置的水动力学方程为：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；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f
e
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：式中，r
e
为产生有功功率分量的阻尼系数，k
e
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；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；将反电磁力的公式代入水动力学公式可得：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；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；此时电路满足以下条件：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：
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：发生串联谐振后，等效电路中电流为：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；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。9.根据权利要求8所述的一种直驱波浪发电机机侧电能变换远程控制通信系统，其特征在于，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”；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”。
技术总结
本发明公开一种直驱波浪发电机机侧电能变换远程控制通信系统，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4GDTU(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。统具有很强的鲁棒性。统具有很强的鲁棒性。
技术研发人员：余海涛 叶志成 车志远 章嘉辉 庞玉毅 林岚
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2022.06.15
技术公布日：2022/9/2