[发明专利]倒挂式波浪能发电装置及其最优捕获方法

权利要求书

1.一种倒挂式波浪能发电装置的最优捕获方法，其特征在于，倒挂式波浪能发电装置倒挂式地安装在海上风力发电塔架平台上，变速及发电设备全部设置在海平面上端，包括圆柱体浮子、曲柄联杆Ⅰ、变速内轮、变速外轮、曲柄联杆Ⅱ、直线发电机、浮子缆绳、波浪能机舱舱壁、制动器、功率调控单元、16个浮标传感器、以及DSP28035主控单元；所述圆柱体浮子在海浪浮力和激振力作用下，垂直上下运动捕获波浪能；所述曲柄联杆Ⅰ、变速内轮、变速外轮以及曲柄联杆Ⅱ构成变速机构，将圆柱体浮子的低速运动提升为直线电机动子的高速运动；所述直线发电机包括永磁体动子和绕线式定子，动子在定子内腔中高速运动；所述浮子缆绳将圆柱体浮子弹性固定，抑制圆柱体浮子水平位移；所述波浪能机舱舱壁是波浪能子系统保护隔离设备，确保内部设备的密封性和抗腐蚀性；所述制动器是波浪能子系统的制动安全保护装置，制动锁存圆柱体浮子位置和浸润体积；所述功率调控单元包括三相非可控整流器、波浪能捕获BOOST变流器、BOOST升压变流器以及电压电流传感器，所述三相非可控整流器将直线发电机定子三相交流整流，所述波浪能捕获BOOST变流器在线调整直线发电机反电磁力，最大捕获波浪能，所述BOOST升压变流器将波浪能捕获BOOST变流器输出升压，并与海上风力发电系统的直流母线耦合，所述电压电流传感器放置在波浪能捕获BOOST变流器后侧，用于在线计算直线发电机实际捕获功率；所述16个浮标传感器为内含加速度计、陀螺仪以及GSM无线模块的波浪特征参数提取设备，以间隔22.5度均匀放置在以海上风力塔架平台为中心的外圆周上，全方位检测提取波浪特征参数；所述DSP28035主控单元全方位汇总波浪高度、波浪频率、输出直流电压和电流信号，并根据最优捕获方法完成波浪能最大捕获以及升压，完成波浪能发电装置和海上风电直流母线的耦合和汇流；

所述倒挂式波浪能发电装置的最优捕获方法，包括捕获控制稳定优化、捕获控制扰动寻优两部分，所述捕获控制稳定优化为根据波浪能发电装置动态模型、浮标传感器测量的波浪波高和频率，以直线发电机输出功率最大化为目标，在线优化计算控制器参数；所述捕获控制扰动寻优是在捕获控制稳定优化的基础上，小范围调整优化的控制器参数，并根据BOOST变流器输出电压和电流，在线计算调整后的发电机输出功率，直至达到最大波浪能捕获，共包括以下6个步骤：

步骤1，构建以波浪能捕获BOOST变流器占空比d为控制输入，包含圆柱体浮子自重G、圆柱体浮子所受浮力F_f以及直线电机电磁力F_d的波浪能发电装置的动态模型

步骤2，采用状态反馈法设计波浪能发电装置控制器输入

步骤3，将步骤2控制输入代入步骤1动态模型中得对上式进行s域转化可得圆柱体浮子速度

步骤4，根据直线发电机有效输出功率，可得直线发电机最大功率捕获的条件为：k₁＝nNB²L²/R_s，k₂＝mω²-ρgs；

步骤5，将波浪高度A、波浪频率ω、直线电机内阻R_s、非可控整流系数k_dc代入至步骤4中的k₁和k₂中，可得优化的捕获控制器，DSP28035主控单元根据优化的捕获控制器，调整波浪能捕获BOOST变流器占空比，测量此时波浪能捕获BOOST变流器后侧的电压传感器和电流传感器，计算直线发电机输出功率P(k)；

步骤6，在优化控制参数k₁和k₂基础上，以Δk₁和Δk₂动态调整k₁和k₂，并基于波浪能捕获BOOST变流器后侧的电压传感器和电流传感器，实时计算调整后发电机输出功率P(k+1)，当P(k+1)＞P(k),控制参数同方向调整；当P(k+1)＜P(k),则控制器参数反方向调整，直至P(k+1)＝P(k)，从而获得波浪能最优捕获控制参数；

变量说明：m圆柱体浮子质量，n直线电机定子绕组匝数，N直线电机槽内总导体数，B平均磁场强度，L定子槽内导体有效长度，ρ海水密度，g重力加速度，s圆柱体浮子底面积，U_dc波浪能捕获BOOST变流器输出电压，F_W激振力，x圆柱体浮子位移，圆柱体浮子速度，圆柱体浮子加速度，k₁优化阻尼参数，k₂优化弹簧参数，Δk₁阻尼参数调整步长，Δk₂弹簧参数调整步长。