[发明专利]一种可变刚度的波浪能发电系统及其优化控制方法

权利要求书

1.一种可变刚度的波浪能发电系统，其特征在于，包括上部支架(800)、下部支架(801)、外浮筒(802)、内浮筒(803)，以及设置在内浮筒(803)内部的可变刚度磁力丝杠、旋转电机(400)、永磁同步发电机(500)；

可变刚度磁力丝杠包括螺旋导磁体(301)、导磁螺杆(302)、螺杆(303)及磁螺母(200)；

磁螺母(200)内部依次套设有螺旋导磁体(301)、导磁螺杆(302)，且三者同轴设置；

磁螺母(200)包括沿径向并列相连的第一磁螺母(201)及第二磁螺母(202)，第一磁螺母(201)及第二磁螺母(202)外部均连接旋转电机(400)；

磁螺母(200)外套设有内浮筒(803)，内浮筒(803)外套设有外浮筒(802)，外浮筒(802)与在内浮筒(803)内部设置的磁螺母(200)通过圆柱形刚柱(806)与上部支架(800)刚性相连；

通过旋转电机(400)使得第一磁螺母(201)旋转角度并固定，从而改变第一磁螺母(201)、第二磁螺母(202)和导磁螺杆(302)之间的线位移与角位移；第一磁螺母(201)与第二磁螺母(202)之间留有气隙，且第一磁螺母(201)、第二磁螺母(202)均能与导磁螺杆(302)之间留有气隙；

内浮筒(803)与下部支架(801)通过圆柱形刚柱(806)刚性相连；下部支架(801)通过锚链(804)与沉石(805)相连，沉石(805)置于海底底部；

永磁同步发电机(500)与螺杆(303)刚性相连，将外浮筒俘获的波浪能通过可变刚度磁力丝杠转换成使螺杆(303)旋转的机械能，进而带动永磁同步发电机(500)旋转。

2.根据权利要求1所述的可变刚度的波浪能发电系统，其特征在于，在磁螺母(200)内壁表贴有径向充磁的永磁体，永磁体通过轴向分段的方式分为12块，每3块为一整体，并且其充磁方向相同；同时四个整体按N-S-N-S的排列顺序组成一整块空心圆环表贴于磁螺母(200)圆周内部，表贴型永磁体与磁螺母(200)中并无气隙。

3.根据权利要求2所述的可变刚度的波浪能发电系统，其特征在于，在第一磁螺母(201)及第二磁螺母(202)的内壁分别表贴有径向充磁的永磁体。

4.根据权利要求1所述的可变刚度的波浪能发电系统，其特征在于，由永磁同步发电机(500)、螺杆(303)、螺旋导磁体(301)、导磁螺杆(302)共同组成复合电机，通过螺旋阻尼控制器控制其阻尼输出；由第一磁螺母(201)、第二磁螺母(202)与旋转电机(400)共同组成可变刚度复合电机，通过可变刚度阻尼控制器控制其阻尼输出。

5.一种权利要求4所述的可变刚度的波浪能发电系统的优化控制方法，其特征在于，设计主动相位控制优化方法：将一个波浪周期划分为四部分，通过每四分之一个周期内的外浮筒上下运动的速度与加速度信息进行周期判断、扇形检测控制，进而调节螺旋阻尼控制器与可变刚度阻尼控制器输出的混合阻尼值，改变外浮筒力与速度之间的相位，提高捕获与转化波浪能量效率。

6.根据权利要求5所述的优化控制方法，其特征在于，运用内模原理，设计快速重复控制器，对电流环PI控制器进行优化，快速重复控制器的传递函数G(s)为：

其中，Y(s)为快速重复控制器输出，R(s)为快速重复控制器输入，Q(s)为快速重复控制器内模滤波器，用于改善系统稳定性和鲁棒性，e^-sT/6为时滞环节，T为快速重复控制器周期。

7.根据权利要求5所述的优化控制方法，其特征在于，设计主动相位控制方法，通过外浮筒速度估算波浪周期，通过外浮筒速度与加速度来预测下一周期，外浮筒模型为：

其中,F_e为波浪力,M为浮筒质量,μ为附加质量,y为外浮筒位移，其上标代表对时间的导数,B_r为辐射阻尼系数,B_v为粘性阻尼系数,B_P为磁力丝杠混合阻尼系数,ρ为海水密度,g为重力加速度,A为外浮筒面积。