專利名稱：波浪能發(fā)電系統(tǒng)和控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)電技術(shù)，尤其涉及一種波浪能發(fā)電系統(tǒng)和控制方法。
背景技術(shù)：
波浪能發(fā)電是將波浪能轉(zhuǎn)換為電能，目前，波浪能發(fā)電系統(tǒng)主要有機(jī)械傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)或氣動(dòng)等模式，其中，基于液壓傳動(dòng)的波浪能發(fā)電技術(shù)是通過(guò)一個(gè)類(lèi)似液壓泵的機(jī)構(gòu)，接受波浪的作用，先將波浪能轉(zhuǎn)化為液壓能存儲(chǔ)，再通過(guò)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，將存儲(chǔ)的液壓能轉(zhuǎn)化為電能。液壓傳動(dòng)具備力大、低速的特點(diǎn)，與波浪特性匹配，在波浪能-液壓能-電能的能量轉(zhuǎn)化鏈中，液壓能起到暫存、平滑時(shí)變波浪輸入功率的作用，以提高產(chǎn)出電能的質(zhì)量。波浪發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題是盡可能地提高波浪能-液壓能的吸收率，由于波浪的周期、波長(zhǎng)、波高都是時(shí)變的，從而作用在波浪能發(fā)電系統(tǒng)上的加載力、輸入功率也是時(shí)變的。為使一個(gè)波浪作用周期內(nèi)，波浪對(duì)波浪能發(fā)電系統(tǒng)最大程度地做功，就要在波浪的作用力能夠驅(qū)動(dòng)波浪能發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的前提下，盡可能增大波浪能發(fā)電系統(tǒng)的對(duì)外阻力。另外，還要盡可能地提高輸出電能的質(zhì)量，也就是提高輸出電頻率和輸出電功率的穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種波浪能發(fā)電系統(tǒng)和控制方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中波浪能發(fā)電系統(tǒng)波浪能吸收率較低且輸出電能質(zhì)量差的技術(shù)缺陷。本發(fā)明提供一種波浪能發(fā)電系統(tǒng)，包括相互鉸接的筏體、多個(gè)并聯(lián)的液壓缸以及控制集成閥、高壓蓄能器、液壓馬達(dá)、發(fā)電機(jī)和控制系統(tǒng)；所述多個(gè)液壓缸的活塞桿與一個(gè)筏體連接，所述多個(gè)液壓缸的缸體與另一個(gè)筏體連接，所述多個(gè)液壓缸的各腔室分別與所述控制集成閥連通，所述高壓蓄能器的進(jìn)口與所述控制集成閥連通，所述高壓蓄能器的出口與所述液壓馬達(dá)的進(jìn)口連通，所述液壓馬達(dá)的出口與所述低壓油箱連通，所述低壓油箱與所述控制集成閥連通；所述控制系統(tǒng)與所述控制集成閥連接，以控制所述控制集成閥切換油路，控制接入液壓回路的液壓缸的數(shù)量；所述控制系統(tǒng)與所述高壓蓄能器進(jìn)口端的電控閥連接，以控制所述高壓蓄能器的蓄能容量；所述控制系統(tǒng)與所述液壓馬達(dá)連接，以控制所述液壓馬達(dá)的排量。如上所述的波浪能發(fā)電系統(tǒng)，優(yōu)選地，所述液壓缸的數(shù)量為四個(gè)，所述液壓缸包括有桿腔和無(wú)桿腔；所述控制集成閥包括四組控制閥，每組控制閥包括兩個(gè)電控閥和四個(gè)單向閥，所述電控閥為常開(kāi)閥；第一電控閥設(shè)置在所述液壓缸的無(wú)桿腔與所述低壓油箱之間的低壓油路上，第一單向閥設(shè)置在所述液壓缸的無(wú)桿腔與所述高壓蓄能器之間的高壓油路上，所述第二單向閥設(shè)置在所述液壓缸的無(wú)桿腔與所述低壓油箱之間的低壓油路上，所述第一單向閥和第二單向閥反向；第二電控閥設(shè)置在所述液壓缸的有桿腔與所述低壓油箱之間的低壓油路上，第三單向閥設(shè)置在所述液壓缸的有桿腔與所述高壓蓄能器之間的高壓油路上，所述第四單向閥設(shè)置在所述液壓缸的有桿腔與所述低壓油箱之間的低壓油路上，所述第三單向閥和第四單向閥反向；所述控制系統(tǒng)與所述第一電控閥、第二電控閥連接，所述控制系統(tǒng)控制第一電控閥和第二電控閥開(kāi)閉，以控制接入液壓回路的液壓缸數(shù)量。如上所述的波浪能發(fā)電系統(tǒng)，優(yōu)選地，所述液壓馬達(dá)出口端與所述低壓油箱之間的油路上設(shè)置有電磁閥；所述高壓蓄能器與所述電磁閥之間的油路上設(shè)置有比例節(jié)流閥；所述高壓蓄能器與所述低壓油箱之間設(shè)置有泄流閥；所述控制系統(tǒng)與所述電磁閥、比例電磁閥連接，所述控制系統(tǒng)控制電磁閥不得電時(shí)，所述高壓蓄能器向所述液壓馬達(dá)輸入液壓油，所述控制系統(tǒng)控制電磁閥得電時(shí)，所述比例節(jié)流閥將所述液壓馬達(dá)短路，并消耗液壓能。如上所述的波浪能發(fā)電系統(tǒng)，優(yōu)選地，所述高壓蓄能器包括兩組并聯(lián)的蓄能器，第一組蓄能器包括蓄能瓶，第二組蓄能器包蓄能瓶和氣瓶，所述氣瓶與所述蓄能瓶連通；所述第一組蓄能器和第二組蓄能器的進(jìn)口端均設(shè)置有電控閥，所述控制系統(tǒng)控制所述電控閥開(kāi)啟或關(guān)閉，以控制接入液壓系統(tǒng)油路的高壓蓄能器的數(shù)量和形式。如上所述的波浪能發(fā)電系統(tǒng)，優(yōu)選地，所述液壓馬達(dá)為變排量馬達(dá)，所述發(fā)電機(jī)為異步發(fā)電機(jī)；所述液壓馬達(dá)的輸出軸與所述發(fā)電機(jī)的輸入軸連接。本發(fā)明還提供一種基于上述波浪能發(fā)電系統(tǒng)的控制方法，包括:獲取波浪能發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)；根據(jù)所述運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)控制所述液壓缸的對(duì)外合阻力、所述高壓蓄能器的蓄能容量和所述液壓馬達(dá)的排量。本發(fā)明提供的波浪能發(fā)電系統(tǒng)和控制方法，設(shè)置有多個(gè)液壓缸，控制系統(tǒng)能夠控制控制集成閥實(shí)現(xiàn)油路切換，以控制接入液壓回路中的液壓缸數(shù)量，進(jìn)而控制液壓缸的對(duì)外合阻力，使得液壓缸的對(duì)外合阻力與波浪能匹配，提高波浪能吸收效率，并且可以通過(guò)控制系統(tǒng)控制液壓馬達(dá)的排量，以控制發(fā)電機(jī)輸出電的頻率和功率穩(wěn)定，提高輸出電能質(zhì)量。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的波浪能發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的波浪能發(fā)電系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)原理圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的波浪能發(fā)電系統(tǒng)液壓原理圖中的發(fā)電部分原理圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的波浪能發(fā)電系統(tǒng)的控制方法的流程圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的液壓缸對(duì)外合阻力控制方法的流程圖；圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的液壓缸對(duì)外合阻力的控制示意圖；圖7為本發(fā)明實(shí)施例提供的高壓蓄能器的蓄能容量控制方法的流程圖；圖8為本發(fā)明一實(shí)施例提供的液壓馬達(dá)的排量控制方法的流程圖；圖9為本發(fā)明實(shí)施例提供的發(fā)電機(jī)的機(jī)械特性示意圖；圖10為本發(fā)明一實(shí)施例提供的液壓馬達(dá)的排量的控制示意圖11為本發(fā)明另一實(shí)施例提供的液壓馬達(dá)的排量控制方法的流程圖；圖12為本發(fā)明另一實(shí)施例提供的液壓馬達(dá)的排量的控制示意圖。附圖標(biāo)記:2-液壓缸；3-控制集成閥；4-高壓蓄能器；5-液壓馬達(dá)； 6-發(fā)電機(jī)；7-低壓油箱。
具體實(shí)施例方式圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的波浪能發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本實(shí)施例提供的波浪能發(fā)電系統(tǒng)，包 括相互鉸接的筏體、多個(gè)并聯(lián)的液壓缸2以及控制集成閥3、高壓蓄能器4、液壓馬達(dá)5、發(fā)電機(jī)6和控制系統(tǒng)(圖中未示出)。多個(gè)液壓缸2的活塞桿與第一筏體11連接，多個(gè)液壓缸2的缸體與第二筏體12連接，液壓缸2的各腔室分別與控制集成閥3連通，高壓蓄能器4的進(jìn)口與控制集成閥3連通，高壓蓄能器4的出口與液壓馬達(dá)5的進(jìn)口連通，液壓馬達(dá)5的出口與低壓油箱7連通，低壓油箱7與控制集成閥3連通?？刂葡到y(tǒng)與控制集成閥3連接，以控制控制集成閥3切換油路，控制接入液壓回路的液壓缸2的數(shù)量；控制系統(tǒng)與高壓蓄能器4進(jìn)口端的電控閥連接，以控制高壓蓄能器4的蓄能容量；控制系統(tǒng)與液壓馬達(dá)5連接，以控制液壓馬達(dá)5的排量。具體地，液壓馬達(dá)5可以為變排量馬達(dá)，發(fā)電機(jī)6可以為異步發(fā)電機(jī)，液壓馬達(dá)5的輸出軸與發(fā)電機(jī)6的輸入軸連接。進(jìn)一步地，液壓馬達(dá)5可以為柱塞式馬達(dá)，可通過(guò)控制系統(tǒng)改變液壓馬達(dá)5的斜盤(pán)角度調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)5的排量。發(fā)電機(jī)6可以為鼠籠式發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)6的輸入軸和轉(zhuǎn)子與液壓馬達(dá)5的輸出軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)電機(jī)6的定子直接連接電網(wǎng)發(fā)電。在液壓馬達(dá)5的輸出軸或發(fā)電機(jī)6的輸入軸上安裝轉(zhuǎn)矩傳感器,在發(fā)電機(jī)6的定子側(cè)安裝電流傳感器。多個(gè)液壓缸2可以分為兩組，兩組液壓缸對(duì)稱布置，控制集成閥能夠控制液壓缸2的腔室同時(shí)接入低壓油箱7的低壓油路，從而使得該液壓缸不接入液壓回路；也可以控制液壓缸2的腔室分別接入高、低壓回路，從而使得該液壓缸接入液壓回路。以上述方式控制接入液壓回路中的液壓缸2的數(shù)量，進(jìn)而控制液壓缸2的對(duì)外合阻力。液壓缸2可以為具有兩個(gè)或多個(gè)雙腔室的液壓缸，或者為雙腔室液壓缸的缸體側(cè)對(duì)頂連接形式的液壓缸，可以降低多腔液壓缸的加工難度。工作過(guò)程及原理為:第一筏體11和第二閥體12在波浪作用下相對(duì)旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)多個(gè)液壓缸2的活塞桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)，吸收波浪能并將其轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。第一筏體11和第二閥體12相對(duì)旋轉(zhuǎn)的阻力由上下兩組對(duì)稱的液壓缸提供。液壓缸2在控制集成閥3的控制下，往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞桿不斷將腔室內(nèi)液壓油通過(guò)高壓油路泵入高壓蓄能器4，同時(shí)通過(guò)低壓油路從低壓油箱7補(bǔ)充液壓油。高壓蓄能器4平緩地輸出液壓流量驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)5拖動(dòng)發(fā)電機(jī)6發(fā)電，實(shí)現(xiàn)液壓能到電能的轉(zhuǎn)換。本實(shí)施例提供的波浪能發(fā)電系統(tǒng)，設(shè)置有多個(gè)液壓缸2，控制系統(tǒng)能夠控制控制集成閥3實(shí)現(xiàn)油路切換，以控制接入液壓回路中的液壓缸2數(shù)量，進(jìn)而控制液壓缸2的對(duì)外合阻力，使得液壓缸2的對(duì)外合阻力與波浪能匹配，提高波浪能吸收效率，并且可以通過(guò)控制系統(tǒng)控制液壓馬達(dá)5的排量，以控制發(fā)電機(jī)6輸出電的頻率和功率穩(wěn)定，提高輸出電能質(zhì)量。圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的波浪能發(fā)電系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)原理圖；如I和2所示，在上述實(shí)施例技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選地，液壓缸2的數(shù)量為四個(gè)，液壓缸2包括有桿腔和無(wú)桿腔；控制集成閥包括四組控制閥，每組控制閥包括兩個(gè)電控閥和四個(gè)單向閥，電控閥為常開(kāi)閥。在本實(shí)施例中，四組控制閥的控制方式相同；以第一液壓缸21為例，第一電控閥KAl設(shè)置在第一液壓缸2的無(wú)桿腔Al與低壓油箱7之間的低壓油路上，第一單向閥HAl設(shè)置在第一液壓缸2的無(wú)桿腔Al與高壓蓄能器4之間的高壓油路上，第二單向閥LAl設(shè)置在第一液壓缸2的有桿腔Al與低壓油箱7之間的低壓油路上，第一單向閥HAl和第二單向閥LAl反向。第二電控閥KA2設(shè)置在第一液壓缸2的有桿腔A2與低壓油箱7之間的低壓油路上，第三單向閥設(shè)置HA2在第一液壓缸2的有桿腔A2與高壓蓄能器4之間的高壓油路上，第四單向閥LA2設(shè)置在第二液壓缸2的有桿腔A2與低壓油箱7之間的低壓油路上，第三單向閥HA2和第四單向閥LA2反向?？刂葡到y(tǒng)與第一電控閥KA1、第二電控閥KA2連接，控制系統(tǒng)控制第一電控閥KAl和第二電控閥KA2開(kāi)閉。液壓缸對(duì)外合阻力大小等于等效活塞截面積乘以工作壓力(高壓油路與低壓油路的壓力差)，其中等效活塞截面積由接入高低壓回路的腔室數(shù)目確定。通過(guò)控制集成閥3，可以實(shí)時(shí)改變液壓缸2各腔室接入高低壓回路的方式與數(shù)目，從而調(diào)節(jié)液壓缸2的對(duì)外合阻力。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)?shù)谝浑娍亻yKAl和第二電控閥KA2均不得電，則第一液壓缸21接入高低壓回路，同理可以控制其他液壓缸2的接入，如果四個(gè)液壓缸2均接入高低壓回路，則液壓缸2對(duì)外提供最大合阻力；當(dāng)所有電控閥均得電時(shí)，四個(gè)液壓缸2對(duì)外合阻力為零。通過(guò)合理組合8個(gè)腔室的接入方式與數(shù)目，可以獲得若干級(jí)別的對(duì)外合阻力。需要說(shuō)明的是，當(dāng)波浪能發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)電氣故障時(shí)，導(dǎo)致系統(tǒng)中所有電控閥失電，液壓缸2對(duì)外呈現(xiàn)最大合阻力，可以避免故障情形下出現(xiàn)欠阻尼，導(dǎo)致波浪能發(fā)電系統(tǒng)劇烈運(yùn)動(dòng)造成機(jī)械損害，犧牲波浪能吸收效率以確保波浪能發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行安全。圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的波浪能發(fā)電系統(tǒng)的液壓原理圖中的發(fā)電部分的原理圖；如圖3所示，在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，優(yōu)選地，液壓馬達(dá)5出口端與低壓油箱7之間的油路上設(shè)置有電磁閥K ;高壓蓄能器4與電磁閥K之間的油路上設(shè)置有比例節(jié)流閥T ;高壓蓄能器4與低壓油箱7之間設(shè)置有泄流閥D?？刂葡到y(tǒng)與電磁閥K、比例電磁閥T連接，電磁閥K不得電時(shí)，高壓蓄能器4向液壓馬達(dá)5輸入液壓油，電磁閥K得電時(shí)，比例節(jié)流閥T短路液壓馬達(dá)5，并消耗液壓能。電磁閥K處于常閉(不得電)狀態(tài)，此時(shí)高壓蓄能器4平緩地輸出液壓能，驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)5帶動(dòng)發(fā)電機(jī)6發(fā)電，同時(shí)將液壓油返回低壓油箱7。當(dāng)液壓系統(tǒng)儲(chǔ)能過(guò)多時(shí)，多余壓力通過(guò)泄流閥D釋放；當(dāng)發(fā)電條件不滿足時(shí)，可以控制電控閥K得電，這將短路馬達(dá)發(fā)電機(jī)組，將吸收的液壓能通過(guò)比例節(jié)流閥T以熱能形式耗散掉。為了提高發(fā)電裝置對(duì)各類(lèi)海況的適應(yīng)，提高特定海況下的波浪能吸收效率，增強(qiáng)極端海況下的生存能力，需要實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)液壓缸2的對(duì)外合阻力，實(shí)現(xiàn)阻力匹配。在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上，高壓蓄能器4可以包括兩組并聯(lián)的蓄能器，第一組蓄能器包括蓄能瓶，第二組蓄能器包蓄能瓶和氣瓶，氣瓶與蓄能瓶連通；
第一組蓄能器和第二組蓄能器的進(jìn)口端均設(shè)置有電控閥，控制系統(tǒng)控制電控閥開(kāi)啟或關(guān)閉，以控制接入液壓系統(tǒng)油路的高壓蓄能器的數(shù)量和形式。具體地，該波浪能發(fā)電系統(tǒng)工作時(shí)，控制系統(tǒng)可以根據(jù)波浪大小控制高壓蓄能器接入高壓回路的方式?？梢詫⒉ɡ税凑詹ǜ哂尚〉酱蠓譃樗募?jí):其中第一級(jí)、第二級(jí)和第三級(jí)波浪時(shí)，波浪能發(fā)電系統(tǒng)能夠正常發(fā)電，控制系統(tǒng)控制要求隨波浪的增大逐級(jí)接入容量與之匹配的蓄能器；第四級(jí)波浪為極端海況，要求能迅速提高壓力以通過(guò)液壓缸形成較高的對(duì)外合阻力。具體地，高壓蓄能器4的接入方式可以為:第一級(jí)波浪時(shí)，第一組蓄能器開(kāi)啟，第二組蓄能器關(guān)閉；第二級(jí)波浪時(shí)，第一組蓄能器關(guān)閉，第二組蓄能器開(kāi)啟；第三級(jí)波浪時(shí)，第一組蓄能器和第二組蓄能器均開(kāi)啟；在第一級(jí)波浪情況下，波浪能發(fā)電系統(tǒng)的各筏體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)隨著波浪的增大而增大，通過(guò)上述接入方式，可以提高液壓回路壓力的上升速度，有利于波浪能的提取。第四級(jí)波浪時(shí)，第一組蓄能器開(kāi)啟，第二組蓄能器關(guān)閉。在第四級(jí)海浪下，雖采用與一級(jí)波浪時(shí)相同的接入方式，但液壓回路壓力的快速上升使得波浪能發(fā)電系統(tǒng)的剛度變大，因而更容易穿浪而過(guò)，從而減小各筏體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以增強(qiáng)波浪能發(fā)電系統(tǒng)的生存能力。通過(guò)上述高壓蓄能器的蓄能容量控制，可以提高波浪能發(fā)電系統(tǒng)海況適應(yīng)范圍，并且能夠提高波浪能發(fā)電系統(tǒng)在極端海況下的生存能力。圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的波浪能發(fā)電系統(tǒng)的控制方法流程圖；如圖4所示，本實(shí)施例提供一種基于上述實(shí)施例提供的波浪能發(fā)電系統(tǒng)的控制方法，包括:步驟100，獲取波浪能發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)；步驟200，根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)控制液壓缸的對(duì)外合阻力、高壓蓄能器的蓄能容量和液壓馬達(dá)的排量。波浪能發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)包括液壓缸活塞桿的位置和速度、發(fā)電機(jī)的輸出電壓和電流、高壓蓄能器和低壓油箱的油壓、高壓蓄能器的輸出流量以及液壓馬達(dá)的輸出軸轉(zhuǎn)矩等。根據(jù)上述檢測(cè)的數(shù)據(jù)得出控制液壓缸的對(duì)外合阻力、高壓蓄能器的蓄能容量和液壓馬達(dá)的排量的控制信號(hào)，控制對(duì)外合阻力、高壓蓄能器的蓄能容量和液壓馬達(dá)的排量，以提高波浪能的吸收率和輸出電能的質(zhì)量?？刂葡到y(tǒng)可以米用可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,簡(jiǎn)稱PLC),也可以采用基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(Field — Programmable Gate Array,FPGA)或數(shù)字信號(hào)處理(Digital Signal Processing,簡(jiǎn)稱DSP)等測(cè)控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)具體的測(cè)控流程。圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的液壓缸對(duì)外合阻力控制方法的流程圖；圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的液壓缸對(duì)外合阻力控制示意圖。如圖5所示，具體地，步驟100中的獲取波浪能發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，具體為:步驟101檢測(cè)液壓缸活塞桿的位置和速度、高壓蓄能器和低壓油箱的油壓；步驟200中的控制液壓缸的對(duì)外合阻力，具體為:步驟201，根據(jù)液壓缸活塞桿的位置和速度計(jì)算得到連續(xù)的期望對(duì)外合阻力，根據(jù)高壓蓄能器和低壓油箱的油壓得到每個(gè)液壓缸所能提供的實(shí)際對(duì)外阻力，通過(guò)液壓缸的若干組合形式，以離散的實(shí)際對(duì)外阻力逼近連續(xù)的期望對(duì)外合阻力，得到控制控制集成閥的控制信號(hào)；步驟301，根據(jù)控制信號(hào)控制控制集成閥中的電控閥的開(kāi)閉，以控制接入液壓回路中的液壓缸的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)液壓缸對(duì)外合阻力的控制。如圖6所示，可以通過(guò)線性彈簧阻尼器生成期望對(duì)外合阻力，具體來(lái)說(shuō)，根據(jù)當(dāng)前液壓缸活塞桿的位置和速度，乘以適當(dāng)?shù)膭偠认禂?shù)、阻尼系數(shù)計(jì)算得到期望對(duì)外合阻力，可以認(rèn)為該對(duì)外合阻力與當(dāng)前波浪作用力相匹配。再根據(jù)當(dāng)前工作壓力(高壓蓄能器和低壓油箱的油壓之差)，計(jì)算液壓缸所能提供的實(shí)際對(duì)外阻力。由于接入高低壓回路液壓缸的腔室的數(shù)目是離散變化且有限可數(shù)，所以液壓缸所能提供的實(shí)際對(duì)外阻力值也是離散的。判斷期望對(duì)外合阻力位于哪兩個(gè)可提供的實(shí)際對(duì)外阻力之間，以離散的實(shí)際對(duì)外阻力逼近連續(xù)期望阻力。如圖6所示，圖中的sj表示液壓缸活塞桿的位移及速度，ks, kd分別是剛度系數(shù)，阻尼系數(shù)，P表示當(dāng)前工作壓力，Actr表示對(duì)應(yīng)閥門(mén)控制命令的接入液壓回路等效活塞截面積，GlT，F(xiàn)res分別表示連續(xù)線性的期望對(duì)外合阻力，離散逼近的實(shí)際對(duì)外阻力。具體控制算法可以通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)，PLC中僅需構(gòu)建電控閥接入方式與等效活塞面積的對(duì)應(yīng)表格，乘以當(dāng)前工作壓力，便可獲得液壓缸所能對(duì)外提供的所有離散阻力值。算法利用活塞桿位移和速度計(jì)算期望對(duì)外合阻力，與離散的實(shí)際對(duì)外阻力對(duì)比，再次利用電控閥-面積表格，得到電控閥的控制指令。圖7為本發(fā)明實(shí)施例提供的高壓蓄能器的蓄能容量控制方法的流程圖；如圖7所示，步驟100中的獲取波浪能發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，具體為:步驟102，接收當(dāng)前波浪能信號(hào)；步驟200中的控制高壓蓄能器的蓄能容量具體為:步驟202，根據(jù)當(dāng)前波浪能量信號(hào)得到控制高壓蓄能器進(jìn)口端的電控閥的控制信號(hào);具體地，當(dāng)前海浪信號(hào)可以通過(guò)接收地面控制站提供的信號(hào)。步驟302，根據(jù)控制信號(hào)控制電控閥開(kāi)閉，以控制接入液壓回路中的高壓蓄能器的類(lèi)型和數(shù)量。通過(guò)對(duì)高壓蓄能器的蓄能容量的控制，可以提高波浪能發(fā)電系統(tǒng)適應(yīng)海況的范圍。圖8為本發(fā)明一實(shí)施例提供的液壓馬達(dá)的排量控制方法的流程圖；圖9為本發(fā)明實(shí)施例提供的發(fā)電機(jī)的機(jī)械特性示意圖；圖10為本發(fā)明一實(shí)施例提供的液壓馬達(dá)的排量的控制示意圖。如圖8所示，步驟100中的獲取波浪能發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，具體為:步驟103，檢測(cè)液壓馬達(dá)的輸出軸轉(zhuǎn)矩、發(fā)電機(jī)輸出電流和電壓、高壓蓄能器和低壓油箱的油壓以及高壓蓄能器的輸出流量；步驟200中的控制液壓發(fā)達(dá)的排量具體為:步驟203，若液壓馬達(dá)的輸出軸轉(zhuǎn)矩大于發(fā)電機(jī)牽出轉(zhuǎn)矩的90%，則控制液壓馬達(dá)的斜盤(pán)角為0，關(guān)閉液壓馬達(dá)進(jìn)口的控制閥；步驟303，若液壓馬達(dá)的輸出軸轉(zhuǎn)矩大于發(fā)電機(jī)牽出轉(zhuǎn)矩的50%，則控制液壓馬達(dá)的斜盤(pán)角減小50% ；步驟403，若液壓馬達(dá)的輸出軸轉(zhuǎn)矩小于發(fā)電機(jī)滿載轉(zhuǎn)矩，則根據(jù)檢測(cè)到的高壓蓄能器和低壓油箱的油壓以及高壓蓄能器輸出流量得到發(fā)電機(jī)的期望輸出電功率，根據(jù)發(fā)電機(jī)輸出電流和電壓得到實(shí)際輸出電功率；將期望輸出電功率與實(shí)際輸出功率的偏差進(jìn)行比例積分運(yùn)算，得到液壓馬達(dá)的排量控制信號(hào)，以控制發(fā)電機(jī)輸出電頻率和功率保持穩(wěn)定。如圖9所示，具體地，發(fā)電機(jī)的機(jī)械特性使得發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為一個(gè)穩(wěn)定的運(yùn)行平衡點(diǎn)，有利于轉(zhuǎn)速控制。當(dāng)轉(zhuǎn)矩小于牽出轉(zhuǎn)矩時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)很小，此時(shí)可不加控制即可保證轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。而當(dāng)轉(zhuǎn)矩大于牽出轉(zhuǎn)矩時(shí)轉(zhuǎn)速迅速增加可能造成設(shè)備損壞，必須加以保護(hù)。為此，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的控制目標(biāo)即控制轉(zhuǎn)矩小于牽出轉(zhuǎn)矩，也即控制轉(zhuǎn)速不超過(guò)預(yù)設(shè)的超調(diào)量。另一方面，為了穩(wěn)定發(fā)電機(jī)的輸出電功率，需要反饋工作壓力，高壓蓄能器的輸出流量，計(jì)算當(dāng)前馬達(dá)發(fā)電機(jī)組的輸入功率，由此計(jì)算出一個(gè)匹配的發(fā)電機(jī)輸出功率值，作為期望輸出功率值。反饋發(fā)電機(jī)輸出電壓和電流，計(jì)算實(shí)際的輸出電功率，利用期望電功率與實(shí)際電功率的偏差作比例積分控制，得到液壓馬達(dá)的排量控制命令，維持輸出電功率在一段時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定。液壓馬達(dá)的輸入功率與輸出功率相匹配，將有利于馬達(dá)轉(zhuǎn)速維持在穩(wěn)定的平衡點(diǎn)附近，從而獲得發(fā)電機(jī)輸出電頻率的穩(wěn)定。如圖10所示，Pd表示期望輸出電功率，P表示發(fā)電機(jī)實(shí)際輸出電功率，V表示液壓馬達(dá)排量控制信號(hào)，kp，Ic1分別表示比例系數(shù)和積分系數(shù)。通過(guò)建立液壓馬達(dá)、發(fā)電機(jī)從液壓馬達(dá)排量V到輸出電功率的傳遞函數(shù)；根據(jù)控制要求調(diào)節(jié)比例系數(shù)kp和積分系數(shù)Ic1，得到排量控制信號(hào)V。為了保證控制算法在調(diào)節(jié)過(guò)程中不會(huì)導(dǎo)致液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速超調(diào)，控制流程中每個(gè)周期均需要檢測(cè)液壓馬達(dá)的輸出軸轉(zhuǎn)矩，當(dāng)馬達(dá)轉(zhuǎn)矩大于牽出扭矩的75%時(shí)，將馬達(dá)斜盤(pán)角度在最短時(shí)間內(nèi)減小到50%并暫停上述比例積分控制；當(dāng)液壓馬達(dá)輸出軸轉(zhuǎn)矩小于滿載扭矩時(shí)，重新開(kāi)始上述的比例積分控制。當(dāng)馬達(dá)轉(zhuǎn)矩大于牽出扭矩的90%時(shí)，將液壓馬達(dá)的斜盤(pán)角度在最短時(shí)間內(nèi)減小到0，并關(guān)斷液壓馬達(dá)入口油路電控閥，強(qiáng)制停機(jī)。圖11為本發(fā)明另一實(shí)施例提供的液壓馬達(dá)的排量控制方法的流程圖；圖12為本發(fā)明另一實(shí)施例提供的液壓馬達(dá)的排量的控制示意圖。如圖11所示，步驟100中的獲取波浪能發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，具體為:步驟104，檢測(cè)液壓缸活塞的位移和速度、發(fā)電機(jī)輸出電流和電壓；步驟200中的控制液壓馬達(dá)的排量具體為:步驟204，根據(jù)檢測(cè)到的活塞桿的位移和速度得到期望壓力，以期望壓力與實(shí)際液壓壓力之差的比例積分控制量作為液壓馬達(dá)的期望輸出機(jī)械功率，根據(jù)所述期望輸出機(jī)械功率值得到發(fā)電機(jī)的期望輸出電功率，根據(jù)發(fā)電機(jī)輸出電流和電壓得到發(fā)電機(jī)的實(shí)際輸出電功率；步驟304，根據(jù)期望輸出電功率與實(shí)際輸出電功率之差，通過(guò)比例積分控制得到液壓馬達(dá)的排量的控制信號(hào)，以控制發(fā)電機(jī)輸出電頻率和功率保持穩(wěn)定，并調(diào)節(jié)液壓回路的工作壓力。圖12所示，為了兼顧輸出電質(zhì)量控制，采用雙閉環(huán)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，圖12中pred表示根據(jù)活塞桿運(yùn)動(dòng)狀態(tài)計(jì)算的期望工作壓力，pre表示當(dāng)前液壓回路的工作壓力，Pd表示期望輸出電功率，P表示實(shí)際輸出電功率，V表示液壓馬達(dá)排量控制信號(hào)，kP，kx分別表示比例，積分系數(shù)。在上述液壓缸對(duì)外合阻力控制方法中，對(duì)液壓缸的外阻力等于工作壓力乘以活塞等效截面積，若能在一段時(shí)間內(nèi)平穩(wěn)工作壓力，則能更精細(xì)地實(shí)現(xiàn)對(duì)外阻力的離散。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解:實(shí)現(xiàn)上述各方法實(shí)施例的全部或部分步驟可以通過(guò)程序指令相關(guān)的硬件來(lái)完成。前述的程序可以存儲(chǔ)于一計(jì)算機(jī)可讀取存儲(chǔ)介質(zhì)中。該程序在執(zhí)行時(shí)，執(zhí)行包括上述各方法實(shí)施例的步驟；而前述的存儲(chǔ)介質(zhì)包括:R0M、RAM、磁碟或者光盤(pán)等各種可以存儲(chǔ)程序代碼的介質(zhì)。最后應(yīng)說(shuō)明的是:以上各實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述各實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的范圍。
權(quán)利要求
1.一種波浪能發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，包括相互鉸接的筏體、多個(gè)并聯(lián)的液壓缸以及控制集成閥、高壓蓄能器、液壓馬達(dá)、發(fā)電機(jī)和控制系統(tǒng)； 所述多個(gè)液壓缸的活塞桿與一個(gè)筏體連接，所述多個(gè)液壓缸的缸體與另一個(gè)筏體連接，所述多個(gè)液壓缸的各腔室分別與所述控制集成閥連通，所述高壓蓄能器的進(jìn)口與所述控制集成閥連通，所述高壓蓄能器的出口與所述液壓馬達(dá)的進(jìn)口連通，所述液壓馬達(dá)的出口與所述低壓油箱連通，所述低壓油箱與所述控制集成閥連通； 所述控制系統(tǒng)與所述控制集成閥連接，以控制所述控制集成閥切換油路，控制接入液壓回路的液壓缸數(shù)量；所述控制系統(tǒng)與所述高壓蓄能器進(jìn)口端的電控閥連接，以控制所述高壓蓄能器的蓄能容 量；所述控制系統(tǒng)與所述液壓馬達(dá)連接，以控制所述液壓馬達(dá)的排量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的波浪能發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述液壓缸的數(shù)量為四個(gè)，所述液壓缸包括有桿腔和無(wú)桿腔；所述控制集成閥包括四組控制閥，每組控制閥包括兩個(gè)電控閥和四個(gè)單向閥，所述電控閥為常開(kāi)閥； 第一電控閥設(shè)置在所述液壓缸的無(wú)桿腔與所述低壓油箱之間的低壓油路上，第一單向閥設(shè)置在所述液壓缸的無(wú)桿腔與所述高壓蓄能器之間的高壓油路上，所述第二單向閥設(shè)置在所述液壓缸的無(wú)桿腔與所述低壓油箱之間的低壓油路上，所述第一單向閥和第二單向閥反向； 第二電控閥設(shè)置在所述液壓缸的有桿腔與所述低壓油箱之間的低壓油路上，第三單向閥設(shè)置在所述液壓缸的有桿腔與所述高壓蓄能器之間的高壓油路上，所述第四單向閥設(shè)置在所述液壓缸的有桿腔與所述低壓油箱之間的低壓油路上，所述第三單向閥和第四單向閥反向； 所述控制系統(tǒng)與所述第一電控閥、第二電控閥連接，所述控制系統(tǒng)控制第一電控閥和第二電控閥開(kāi)閉，以控制接入液壓回路的液壓缸數(shù)量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的波浪能發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述液壓馬達(dá)出口端與所述低壓油箱之間的油路上設(shè)置有電磁閥；所述高壓蓄能器與所述電磁閥之間的油路上設(shè)置有比例節(jié)流閥；所述高壓蓄能器與所述低壓油箱之間設(shè)置有泄流閥； 所述控制系統(tǒng)與所述電磁閥、比例電磁閥連接，所述控制系統(tǒng)控制所述電磁閥不得電時(shí)，所述高壓蓄能器向所述液壓馬達(dá)輸入液壓油；所述控制系統(tǒng)控制電磁閥得電時(shí)，所述比例節(jié)流閥將所述液壓馬達(dá)短路，并消耗液壓能。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的波浪能發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述高壓蓄能器包括兩組并聯(lián)的蓄能器，第一組蓄能器包括蓄能瓶，第二組蓄能器包蓄能瓶和氣瓶，所述氣瓶與所述蓄能瓶連通； 所述第一組蓄能器和第二組蓄能器的進(jìn)口端均設(shè)置有電控閥，所述控制系統(tǒng)控制所述電控閥開(kāi)啟或關(guān)閉，以控制接入液壓系統(tǒng)油路的高壓蓄能器的數(shù)量和形式。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的波浪能發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述液壓馬達(dá)為變排量馬達(dá)，所述發(fā)電機(jī)為異步發(fā)電機(jī)；所述液壓馬達(dá)的輸出軸與所述發(fā)電機(jī)的輸入軸連接。
6.一種基于如權(quán)利要求1、任一項(xiàng)所述的波浪能發(fā)電系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，包括: 獲取波浪能發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)； 根據(jù)所述運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)控制所述液壓缸的對(duì)外合阻力、所述高壓蓄能器的蓄能容量和所述液壓馬達(dá)的排量。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述獲取波浪能發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，具體為: 檢測(cè)液壓缸活塞桿的位置和速度、高壓蓄能器和低壓油箱的油壓； 所述控制所述液壓缸的對(duì)外合阻力，具體為: 根據(jù)所述液壓缸活塞桿的位置和速度計(jì)算得到連續(xù)的期望對(duì)外合阻力，根據(jù)所述高壓蓄能器和低壓油箱的油壓得到每個(gè)液壓缸所能提供的實(shí)際對(duì)外阻力，通過(guò)多個(gè)液壓缸的若干組合形式，以離散的實(shí)際對(duì)外阻力逼近連續(xù)的期望對(duì)外合阻力，得到控制控制集成閥的控制信號(hào)； 根據(jù)所述控制信號(hào)控制所述控制集成閥中的電控閥的開(kāi)閉，以控制接入液壓回路中的液壓缸的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)液壓缸對(duì)外合阻力的控制。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述獲取波浪能發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，具體為:接收當(dāng)前波浪能量信號(hào)； 所述控制所述高壓蓄能器的蓄能容量具體為: 根據(jù)所述當(dāng)前波浪能量信號(hào)得到控制高壓蓄能器進(jìn)口端的電控閥的控制信號(hào)； 根據(jù)所述控制信號(hào)控制所述電控閥開(kāi)閉，以控制接入液壓回路中的高壓蓄能器的類(lèi)型和數(shù)量。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述獲取波浪能發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，具體為: 檢測(cè)所述液壓馬達(dá)的輸出軸轉(zhuǎn)矩、發(fā)電機(jī)輸出電流和電壓、高壓蓄能器和低壓油箱的油壓以及高壓蓄能器的輸出流量； 所述控制液壓發(fā)達(dá)的排量具體為: 若所述液壓馬達(dá)的輸出軸轉(zhuǎn)矩大于發(fā)電機(jī)牽出轉(zhuǎn)矩的90%，則控制液壓馬達(dá)的斜盤(pán)角為O，關(guān)閉液壓馬達(dá)進(jìn)口的控制閥； 若所述液壓馬達(dá)的輸出軸轉(zhuǎn)矩大于發(fā)電機(jī)牽出轉(zhuǎn)矩的50%，則控制液壓馬達(dá)的斜盤(pán)角減小50% ； 若所述液壓馬達(dá)的輸出軸轉(zhuǎn)矩小于發(fā)電機(jī)滿載轉(zhuǎn)矩，則根據(jù)檢測(cè)到的高壓蓄能器和低壓油箱的油壓以及高壓蓄能器輸出流量得到發(fā)電機(jī)的期望輸出電功率，根據(jù)發(fā)電機(jī)輸出電流和電壓得到實(shí)際輸出電功率；將期望輸出電功率與實(shí)際輸出功率的偏差進(jìn)行比例積分運(yùn)算，得到液壓馬達(dá)的排量控制信號(hào)，以控制發(fā)電機(jī)輸出電頻率和功率保持穩(wěn)定。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述獲取波浪能發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，具體為: 檢測(cè)液壓缸活塞的位移和速度、發(fā)電機(jī)輸出電流和電壓； 所述控制液壓馬達(dá)的排量具體為: 根據(jù)檢測(cè)到的活塞桿的位移和速度得到期望壓力值，以期望壓力與實(shí)際液壓壓力之差的比例積分控制量作為液壓馬達(dá)的期望輸出機(jī)械功率，根據(jù)所述期望輸出機(jī)械功率得到發(fā)電機(jī)的期望輸出電功率，根據(jù)發(fā)電機(jī)輸出電流和電壓得到發(fā)電機(jī)的實(shí)際輸出電功率； 根據(jù)期望輸出電功率與實(shí)際輸出電功率之差，通過(guò)比例積分控制得到液壓馬達(dá)的排量的控制信號(hào)，以控制發(fā)電機(jī)輸出電頻率和功率保持穩(wěn)定，并調(diào)節(jié)液壓回路的工作壓力。
全文摘要
本發(fā)明提供一種波浪能發(fā)電系統(tǒng)和控制方法，其中系統(tǒng)包括相互鉸接的筏體、多個(gè)并聯(lián)的液壓缸以及控制集成閥、高壓蓄能器、液壓馬達(dá)、發(fā)電機(jī)和控制系統(tǒng)；多個(gè)液壓缸的活塞桿與一個(gè)筏體連接，多個(gè)液壓缸的缸體與另一個(gè)筏體連接，多個(gè)液壓缸的各腔室分別與控制集成閥連通，高壓蓄能器的進(jìn)口與控制集成閥連通，高壓蓄能器的出口與液壓馬達(dá)的進(jìn)口連通，液壓馬達(dá)的出口與低壓油箱連通，低壓油箱與控制集成閥連通；控制系統(tǒng)與控制集成閥連接，以控制控制集成閥切換油路；控制系統(tǒng)與高壓蓄能器進(jìn)口端的電控閥連接，以控制高壓蓄能器的蓄能容量；控制系統(tǒng)與液壓馬達(dá)連接，以控制液壓馬達(dá)的排量。
文檔編號(hào)F15B1/02GK103089527SQ20131001309
公開(kāi)日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2013年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月14日
發(fā)明者吳凡, 李偉, 周強(qiáng), 許社忠, 李玉欽, 苗小康, 王安慶, 丁威介, 李澤文 申請(qǐng)人:北京華恒?；莺Ｑ竽苡邢挢?zé)任公司