一种直驱式波浪发电最大功率跟踪算法及其系统技术方案

本发明专利技术公开了一种直驱式波浪发电最大功率跟踪算法及其系统，包括永磁直线发电机、三相可控整流器、Buck‑Boost变换器、信号检测调理电路、DSP控制电路。永磁同步直线发电机采用改进的直接推力控制，通过调整发电机电磁力的大小，进而改变直线发电机在海浪中的受力情况。最优电磁力由模糊变步长的最大功率跟踪算法得到，进而实现对最大功率跟踪。针对极端天气情况，采用线性霍尔计算电机动子位置，实时监测发电机运行状态。在波浪发电系统中，对于提高发电效率、增加经济效益具有重要作用。

A direct drive wave power generation maximum power tracking algorithm and its system

The invention discloses a direct drive type wave power maximum power tracking algorithm and its system, including permanent magnet linear generator, three-phase rectifier, Boost converter, Buck signal detection circuit, DSP control circuit. Permanent magnet synchronous linear generator adopts improved direct thrust control, and adjusts the electromagnetic force of generator, thus changing the force of linear generator in waves. The optimal electric magnetic force is obtained by the maximum power tracking algorithm with the fuzzy variable step length, and then the maximum power tracking is realized. In view of extreme weather conditions, linear Holzer is used to calculate the position of the motor, and the running state of the generator is monitored in real time. In the wave generation system, it plays an important role in improving the efficiency of power generation and increasing the economic benefit.

【技术实现步骤摘要】
一种直驱式波浪发电最大功率跟踪算法及其系统
本专利技术涉及一种直驱式波浪发电最大功率跟踪系统，属于新能源发电

技术介绍
新能源在能源架构上将扮演越来越重要的角色，太阳能和风能已经在大规模开发，相关技术也日渐成熟，然而对于波浪能的利用还处在起步阶段。其中，利用直线电机作为发电机的方法由于电机的特殊结构，减少了大量的传动装置，减少了不必要的机械损耗，增加了发电效率等优势，正在波浪发电领域扮演越来越重要的角色。但是，波浪能具有很强的不稳定性，这就导致发出的功率不平衡，实现对直驱式波浪发电系统的最大功率追踪对于提高发电效率，增加经济效益有着重要的意义。现有的直驱式波浪发电系统最大功率跟踪通常调整波浪发电系统中BOOST、BUCK等DC/DC变换器中开关管的占空比，调整系统等效阻抗，控制系统等效为阻性负载，实现最大功率捕获。但是，由于波浪的时变性非常强，这类方法在动态性能上难以满足要求，降低了波浪发电的效率。
技术实现思路
本专利技术为解决现有技术中存在的问题，提出一种直驱式波浪发电最大功率跟踪系统，在实现波浪发电电能处理的基础上，将发电机最大功率传输条件和发电机自然受力相结合，对波浪能实现最大功率捕获，增加波浪发电的经济效益，提高系统动态性能；霍尔位置检测电路能有效监控发电机运行状态，提高系统运行的可靠性和安全性。技术方案：一种直驱式波浪发电最大功率跟踪算法，通过电压电流传感器采集发电机电压电流并计算发电机功率，通过调整发电机电磁力，寻找满足dP/dFe＝0这一条件的最大功率点，调整三相可控整流器每个桥臂开关管的占空比，改变输出电压电流；其中，Fe为永磁直线发电机的电磁力，描述为：式(1)中，p为电机的极对数；Ψs为电机的定子磁链；Ld、Lq分别为电机的直轴、交轴电感；Ψp为动子永磁体磁链；δ为定子、动子磁链的夹角。进一步的，采用模糊变步长跟踪算法寻找最大功率点对应的电磁力，具体实现步骤包括：步骤1、确定电磁力范围：根据系统设计的最大加速度amax、海况资料、电机结构尺寸计算作用在发电机上垂直力Fh的经验值范围，按照公式(19)确定上下两个方向电磁力的范围：Fe+Fh-Mg＝Ma(19)向上运动时，电磁力方向向下，电磁力范围0～Fup，采用具有模糊控制器的变步长MPPT算法从最大电磁力逐渐减小寻找最大功率对应电磁力；向下运动时，电磁力方向向上，电磁力范围0～Fdown，同样采用具有模糊控制器的变步长MPPT算法寻找最大功率对应电磁力；步骤2、采用模糊控制器，该模糊控制器的输入量为相邻两次的功率差及功率差对时间的微分，建立模糊控制规则，得到输出量电磁力变化步长；当相邻两次的功率差ΔPi＜0时，取此时电磁力作为最大功率点对应的电磁力。进一步的，所述模糊控制器输入量的隶属度函数采用高斯函数的形式，输出量的隶属度函数采用三角函数形式，该模糊规则，采用正大PL、正中PM、正小PS、零ZO、负小NS、负中NM、负大NL描述输入输出量的大小。本专利技术还公开了一种直驱式波浪发电最大功率跟踪算法的跟踪系统，包括永磁同步直线发电机、功率电路、检测电路和控制电路；所述功率电路包括三相可控整流器和Buck-Boost变换器，所述三相可控整流器的输入端与永磁同步直线发电机电能输出端相连，且该三相可控整流器的输出端经直流母线电容后接Buck-Boost变换器，该Buck-Boost变换器的输出端与负载相连；所述检测电路包括三相输入电流检测电路、输出电流电压检测电路和基于线性霍尔的动子位置检测电路，基于检测电路信号的返回值为永磁同步直线发电机提供控制量；所述控制电路包括根据所述检测电路的采样值，计算各功率开关管的占空比，控制功率电路工作的DSP芯片和各功率开关管的驱动、保护电路，所述DSP芯片内设权利要求1至3中任意一项所述的最大功率跟踪算法。进一步的，永磁同步直线发电机采用直接推力控制系统，该直接推力控制系统包括滑模变结构控制系统和空间矢量调制模块SVM，永磁同步直线发电机机端的电流采样计算后得到实际电磁力和磁链信号，与给定的电磁力和磁链预设值作差，经滑模变结构系统和空间矢量调制模块SVM，计算出三相可控整流器开关管的控制信号。6、根据权利要求4所述的一种直驱式波浪发电最大功率跟踪系统，其特征在于：所述基于线性霍尔的动子位置检测电路包括用于监测永磁同步直线发电机位置信息的霍尔传感器、信号采样和调理电路，所述霍尔传感器平行安装在永磁同步直线发电机的动子电枢绕组的端部，任意两个霍尔传感器在空间位置上相差三分之一对极距，对应电角度相差120度，该霍尔传感器的输出信号经过信号采样和调理电路输入到DSP芯片中，得到任意时刻动子所处位置的电角度，根据电角度和极距的关系得到任意时刻电机动子所处位置，监测发电机的运行状态。本专利技术还公开了一种直驱式波浪发电最大功率跟踪系统的永磁同步直流发电机直接推力控制系统，包括滑模变结构控制系统和空间矢量调制模块SVM，永磁同步直线发电机机端的三相电流采样计算后得到实际电磁力和磁链信号，和给定的电磁力和磁链预设值作差，经滑模变结构系统和空间矢量调制模块SVM，计算出三相可控整流器开关管的控制信号。本专利技术还公开了一种直驱式波浪发电最大功率跟踪系统的发电机保护系统，包括用于监测永磁直线发电机位置信息的霍尔传感器、信号采样和调理电路，所述霍尔传感器平行安装在永磁同步直线发电机的动子电枢绕组的端部，任意两个霍尔传感器在空间位置上相差三分之一对极距，对应电角度相差120度，该霍尔传感器的输出信号经过信号采样和调理电路输入到DSP芯片中，该DSP芯片对采样值进行计算，可以得到任意时刻动子所处位置的电角度，根据电角度和极距的关系可以得到任意时刻电机动子所处位置，监测发电机的运行状态。本专利技术的有益效果是：本专利技术与现有技术相比：本专利技术的永磁同步直线发电机采用直接推力控制，通过调整发电机电磁力的大小，进而改变直线发电机在海浪中的受力情况，最优电磁力由模糊变步长的最大功率跟踪算法得到，进而实现对最大功率跟踪，针对极端天气情况，采用线性霍尔计算电机动子位置，实时监测发电机运行状态，提高系统运行的可靠性和安全性。本专利技术在实现波浪发电电能处理的基础上，将发电机最大功率传输条件和发电机自然受力相结合，对波浪能实现最大功率捕获，增加波浪发电的经济效益，提高系统动态性能。附图说明图1为直驱式波浪发电电能处理系统示意图；图2为永磁同步直线发电机改进的直接推力系统示意图；图3为最大功率对应的最优电磁力搜寻流程图。具体实施方式以下结合附图和实施例做进一步说明。如图1所示，本实施例的一种直驱式波浪发电最大功率跟踪系统，包括永磁同步直线发电机、功率电路、检测电路和控制电路。功率电路主要由三相可控整流器和Buck-Boost变换器组成，该三相可控整流器的输入端和发电机输出端相连，三相可控整流器的输出端经直流母线电压支撑电容后接Buck-Boost变换器，Buck-Boost变换器的输出端与负载相连，负载可能为直流负载、蓄电池充电电路或作为后续逆变器的输入。检测电路包括机端三相输出电流电压检测电路以及动子位置检测电路，基于检测电路信号的返回值为所述直驱式波浪发电系统提供控制量。控制电路包括DSP芯片和各功率开关管的驱动电路以及保护电路，DSP作为数据采集的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直驱式波浪发电最大功率跟踪算法，其特征在于：通过电压电流传感器采集发电机电压电流并计算发电机功率，通过调整发电机电磁力，寻找满足dP/dFe＝0这一条件的最大功率点，调整三相可控整流器每个桥臂开关管的占空比，改变输出电压电流；其中，Fe为永磁直线发电机的电磁力，描述为：

【技术特征摘要】
1.一种直驱式波浪发电最大功率跟踪算法，其特征在于：通过电压电流传感器采集发电机电压电流并计算发电机功率，通过调整发电机电磁力，寻找满足dP/dFe＝0这一条件的最大功率点，调整三相可控整流器每个桥臂开关管的占空比，改变输出电压电流；其中，Fe为永磁直线发电机的电磁力，描述为：式(1)中，p为电机的极对数；Ψs为电机的定子磁链；Ld、Lq分别为电机的直轴、交轴电感；Ψp为动子永磁体磁链；δ为定子、动子磁链的夹角。2.根据权利要求1所述的一种直驱式波浪发电最大功率跟踪算法，其特征在于：采用模糊变步长跟踪算法寻找最大功率点对应的电磁力，具体实现步骤包括：步骤1、确定电磁力范围：根据系统设计的最大加速度amax、海况资料、电机结构尺寸计算作用在发电机上垂直力Fh的经验值范围，按照公式(19)确定上下两个方向电磁力的范围：Fe+Fh-Mg＝Ma(19)向上运动时，电磁力方向向下，电磁力范围0～Fup，采用具有模糊控制器的变步长MPPT算法从最大电磁力逐渐减小寻找最大功率对应电磁力；向下运动时，电磁力方向向上，电磁力范围0～Fdown，同样采用具有模糊控制器的变步长MPPT算法寻找最大功率对应电磁力；步骤2、采用模糊控制器，该模糊控制器的输入量为相邻两次的功率差及功率差对时间的微分，建立模糊控制规则，得到输出量电磁力变化步长；当相邻两次的功率差ΔPi＜0时，取此时电磁力作为最大功率点对应的电磁力。3.根据权利要求2所述的一种直驱式波浪发电最大功率跟踪算法，其特征在于：所述模糊控制器输入量的隶属度函数采用高斯函数的形式，输出量的隶属度函数采用三角函数形式，该模糊规则，采用正大PL、正中PM、正小PS、零ZO、负小NS、负中NM、负大NL描述输入输出量的大小。4.基于权利要求1至3任意一项所述的一种直驱式波浪发电最大功率跟踪算法的跟踪系统，其特征在于：包括永磁同步直线发电机、功率电路、检测电路和控制电路；所述功率电路包括三相可控整流器和Buck-Boost变换器，所述三相可控整流器的输入端与永磁同步直线发电机电能输出端相连，且该三相可控整流器的输出端经直流母线电容后接Buck-Boost变换器，该Buck-Boost变换器的输出端与负载相连；所述检测电路包括三相输入电流检测电路、输出电流电压检测电路和基于线性霍尔的动子位置检测...

【专利技术属性】
技术研发人员：余海涛，沈天骄，曾成，王震东，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32