一种适用于高流速驰振能量利用的自动控制装置及方法

本技术涉及海上新能源与海流发电、流体力学、控制学等领域，是一种可实现高流速驰振能量利用的自动控制装置及方法。

背景技术：

1、海流能分布广、储量大，据统计全球可开发的海流能超过6×106mw。随着全球经济发展与能源结构的调整，海流能势必将成为未来可再生能源开发的重要趋势之一。近期，随着海洋工程技术的发展，一种借助流致振动发电的新兴理念被提出，其利用流体诱发柱体振动，进而利用振动发电设备汲取能量，能量转化的振动形式包括涡激振动、驰振等。流致振动发电技术拥有启动流速低、能量利用潜能大、技术成本较低、不影响通航，不占用耕地，对环境友好等优势。未来，流致振动发电技术将拥有良好的运用前景。

2、流致振动能量巨大，通常造成长细结构物破坏，故早期的研究多针对如何抑制振动。流致振动发电研究目标则恰恰相反，其目的在于增强振动，以获得更高能量。为此，许多学者研究了被动湍流圆柱、棱柱等非圆截面振子特性，以期获得更多能量。结果发现，非圆截面振子的发电能力高于圆柱，但其出现了涡激振动到驰振的差异转化，即软驰振、硬驰振现象。当硬驰振发生时，振子无法由涡激振动自激励转化为驰振，只能由外力(如大位移推动)被迫进入驰振(如图1所示)，造成驰振能量利用受限。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，针对非圆截面振子的高流速硬驰振现象，提供一种可激发驰振及驰振能量利用的自动控制装置与方法，实现硬驰振条件下驰振的激励与能量利用，并提供能量输出调控与停机等控制功能。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、一种适用于高流速驰振能量利用的自动控制装置，包括变励磁发电机、扭矩-转角传感器、转轴a、转轴b、轴承组a、轴承组b、支承托架、齿轮、齿条、同步轮a、同步轮b、同步带、离合器、伺服电机、外接可调励磁电源、plc控制器、流速传感器、用电设备、通讯线、他励电源线、电能输出线、振子、传力板、传动板、传动杆；

4、所述转轴a与变励磁发电机、扭矩-转角传感器、轴承组a、齿轮、同步轮a同轴转动；轴承组a由两套轴承组成，所述转轴a固定在支承托架上；转轴b与轴承组b、同步轮b、离合器、伺服电机同轴转动；轴承组b由两套轴承组成，所述转轴b固定在支承托架上；所述同步轮a与同步轮b通过同步带连接，使得同步轮a与同步轮b能够同步运动，带动转轴a与转轴b同步转动；

5、所述齿条通过传动杆与传动板固定连接，并与齿轮咬合；传动板还通过传动杆与滑块连接，滑块限定在滑轨内上下运动，滑轨固定在支撑框架之上；所述传动板与支撑框架之间设置有若干个弹簧，为振子上下振动提供恢复力；振子通过传力板与传动板固定；当来流通过振子时，振子带动传力板上下运动，传力板带动传动板上下运动；传动板带动齿条上下运动；齿条带动转轴a与转轴b往复旋转运动，最终带动变励磁发电机旋转发电；

6、所述变励磁发电机通过电能输出线将转化电能传输给用电设备；外接可调励磁电源通过他励电源线将励磁电压、电流传输至变励磁发电机；扭矩-转角传感器通过通讯线将扭矩与转角信号传输至plc控制器；流速传感器通过通讯线将来流流速信号传输至plc控制器；用电设备通过通讯线将能量转化信号传输至plc控制器；plc控制器通过通讯线将离合器执行信号传输至离合器；plc控制器通过通讯线将伺服电机执行信号传输至伺服电机；plc控制器通过通讯线将外接可调励磁电源执行信号传输至外接可调励磁电源。

7、进一步的，所述包括用于传输扭矩及转角信号的通讯线、用于传输流速信号通讯线，用于传输电能转化信号的通讯线、用于传输离合器执行信号的通讯线、用于传输伺服电机执行信号的通讯线、用于传输外接可调励磁电源执行信号的通讯线。

8、本发明还提供一种适用于高流速驰振能量利用的自动控制方法，包括：

9、(1)当来流流速较高，且振子处于驰振状态时，此时控制方式如下：

10、流速信号、电能转化信号、扭矩-转角信号传递给plc控制器，解算后确定：离合器断开，伺服电机不动作，外接可调励磁电源维持励磁电压、电流；

11、上述信号分别传输至离合器、伺服电机、外接可调励磁电源执行操作；

12、(2)当来流流速出现波动，振子振动出现抑制，振子振动幅度减小，振子无法发生驰振，此时控制方式如下：

13、流速信号、电能转化信号、扭矩-转角信号传递给plc控制器，解算后确定：离合器断开，伺服电机不动作，外接可调励磁电源励磁电压、电流调至零；上述信号分别传输至离合器、伺服电机、外接可调励磁电源执行操作；

14、若振子随后逐步出现驰振，流速信号、电能转化信号、扭矩-转角信号传递给plc控制器，解算后确定：离合器断开连接，伺服电机不动作，外接可调励磁电源逐渐增大励磁电压、电流至目标值；上述信号分别传输至离合器、伺服电机、外接可调励磁电源执行操作；

15、随着操作执行，输出功率随之逐步增大并最终维持稳定能量输出；

16、若振子随后仍未出现驰振，流速信号、电能转化信号、扭矩-转角信号传递给plc控制器，解算后确定：首先离合器连接，随后伺服电机为振子提供一个初始振幅，随后离合器突然断开，同时外接可调励磁电源励磁电压、电流维持在零；上述信号分别传输至离合器、伺服电机、外接可调励磁电源执行操作；

17、振子突然释放，并出现振幅，发生驰振；此时，流速信号、电能转化信号、扭矩-转角信号传递给plc控制器，解算后确定：离合器断开连接，伺服电机不动作，外接可调励磁电源逐渐增大励磁电压、电流至目标值；上述信号分别传输至离合器、伺服电机、外接可调励磁电源执行操作；

18、随着操作执行，输出功率随之逐步增大并最终维持稳定的能量输出；

19、(3)当来流流速稳定增大或减小，振子振动随之增大或减小，能量利用效果发生变化，此时控制方式如下：

20、流速信号、电能转化信号、扭矩-转角信号传递给plc控制器，解算后确定：离合器断开，伺服电机不动作，外接可调励磁电源将励磁电压、电流随之增大或减小；上述信号分别传输至离合器、伺服电机、外接可调励磁电源执行操作；

21、随着操作执行，输出功率随之增大或减小并逐步维持稳定；

22、若调整过程中，振幅、功率与流速之间并未达到目标，则执行步骤中的操作；

23、(4)若需紧急停机，此时控制方式如下：

24、根据停机要求，plc控制器解算后确定：离合器连接，伺服电机为振子提供抗力迫使其停止振动，外接可调励磁电源将励磁电压、电流调至零；上述信号分别传输至离合器、伺服电机、外接可调励磁电源执行操作；随着操作执行，振子振动停止，输出能量为零，停机完成。

25、与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

26、本发明提供的自动控制装置及方法实现了流致振动设备在高流速硬驰振条件下的能量输出、调整与控制，增大了流致振动发电设备的适用环境，具有良好的应用前景。首先，采用变励磁发电机、外接可调励磁电源并配合plc控制器，可实现变励磁发电机内励磁的调节，可灵活调整励磁大小，进而同时实现系统阻尼与输出的能量大小的调节。其次，采用离合器、伺服电机并配合plc控制器，可为系统提供初始大位移，进而实现驰振的外部激励，实现驰振能量的有效利用。再次，各类传感器、通讯电缆配合plc控制器，可实现信号的快速传输与解算，并快速输出执行信号，实现控制效果。再次，上述设备为流致振动发电设备提供了停机的控制可能，保证装置的安全性；此外，上述设备部件简单，易于实现，经济性良好。