【畢業(yè)學(xué)位論文】波浪能獨立穩(wěn)定發(fā)電控制系統(tǒng)研究-流體機械及工程

分類號 密級 編號 中國科學(xué)院研究生院 碩士學(xué)位論文 波浪能獨立穩(wěn)定發(fā)電控制系統(tǒng)研究 張 峰 指導(dǎo)教師 吳必軍 副研究員 博士 中國科學(xué)院廣州能源研究所 鄭永紅 研究員 博士 中國科學(xué)院廣州能源研究所 申請學(xué)位級別 碩士 學(xué)科專業(yè)名稱 流體機械及工程 論文提交日期 論文答辯日期 培養(yǎng)單位 中國科學(xué)院廣州能源研究所 學(xué)位授予單位 中國科學(xué)院研究生院 答辯委員會主席 波浪能獨立穩(wěn)定發(fā)電控制系統(tǒng)研究 摘 要 采用蓄能穩(wěn)壓方式把不穩(wěn)定波浪能變成穩(wěn)定的能量輸出是一種非常有創(chuàng)意性的設(shè)想，建立在蓄能穩(wěn)壓系統(tǒng)上的自動控制系統(tǒng)是實現(xiàn)能量平穩(wěn)輸出的關(guān)鍵。為了研究波浪能獨立穩(wěn)定發(fā)電系統(tǒng)的控制特性， 本文根據(jù)蓄能穩(wěn)壓的特點， 從實物仿真和計算機仿真兩方面對自動控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究， 并針對真實系統(tǒng)經(jīng)常存在的安全性、有效性問題，設(shè)計了負(fù)載智能配置系統(tǒng)。 實物仿真方面， 本文基于蓄能穩(wěn)壓系統(tǒng)建立了自動控制系統(tǒng)： 設(shè)計了仿真系統(tǒng)的控制接口圖， 選用了合適的控制元件； 采用 制算法， 編寫了 制軟件； 在不同輸入方式下， 對實物仿真系統(tǒng)做了實驗研究。 計算機仿真方面， 本文根據(jù)硬件設(shè)備的物理特性， 建立了實物仿真系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和 型，并采用單神經(jīng)元 制算法對 型做了計算機仿真。此外，負(fù)載智能配置系統(tǒng)方面， 本文敘述了其設(shè)計思想和實現(xiàn)方法， 并給出了實海況試驗結(jié)果。 仿真系統(tǒng)的實驗研究和 型的計算機仿真都取得了滿意的控制效果， 其設(shè)計思想已應(yīng)用于真實系統(tǒng)的設(shè)計。 負(fù)載智能配置系統(tǒng)已應(yīng)用于真實系統(tǒng)中， 實海況試驗結(jié)果表明， 該系統(tǒng)能使用電設(shè)備避免起始峰值電壓可能造成的破壞，并減少能量的無用損失，確保真實系統(tǒng)安全有效運行。 關(guān)鍵詞：波浪能；仿真；蓄能穩(wěn)壓；單神經(jīng)元 載控制 u t is to to by In to of on to of in of is As of up a on it to of up of to of ID to on As of an of is in of a of on of to to 目 錄 第 1 章 緒 論 . 1 言 . 波 浪能裝 置工作 原理 . 浪能裝 置發(fā)電 輸出技 術(shù)研究 現(xiàn)狀 . 文選題 的背景 和目的 . 文主要 工作 . 2 章 仿 真系統(tǒng)自 動控制原 理與設(shè)計 . 7 真系統(tǒng) 原理與 組成 . 仿真系統(tǒng) 原理 . 結(jié)構(gòu)組成 . 變頻調(diào)速 原理 . 算機控 制子系 統(tǒng)設(shè)計 . 設(shè)計目標(biāo) . 設(shè)計方案 . 工作原理 . 11 件組成 . 測量參數(shù) 的處 理 . 真系統(tǒng) 的控制 算法 . 反饋控制 原理 . 制 原理 . 數(shù)字 制 算法 . 件設(shè)計 . 章小結(jié) . 3 章 計算機仿真的模型 . 量輸入 子系統(tǒng) . 數(shù)學(xué)模型 . 型 . 能穩(wěn)壓 子系統(tǒng) . 數(shù)學(xué)模型 . 型 . 電輸出 子系統(tǒng) .學(xué)模型 . 型 . 統(tǒng)的模 型 . 數(shù)學(xué)模型 . 型 . 算機仿 真的控 制算法 . 單神經(jīng)元 模型 . 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 的學(xué) 習(xí)規(guī)則 . 單神經(jīng) 元 制算法 . 單神經(jīng)元 比例 系數(shù) K 的修正 . 章小結(jié) . 4 章 真與實驗研究 .真 . 參數(shù)取值 . 仿真曲線 . 真系統(tǒng) 的實驗 研究 . 章小結(jié) . 5 章 負(fù) 載控制的 設(shè)計和實 現(xiàn) . 載控制 設(shè)計思 想 . 載智能 配置系 統(tǒng)組成 原理 . 驗結(jié)果 . 章小結(jié) . 6 章 總 結(jié)與展望 . 結(jié) . 題與展 望 . 考文獻(xiàn) . 謝 . 士期間發(fā) 表論文 . 章 緒論 第 1 章 緒 論 言 能源問題與人們?nèi)粘Ｉ睢?環(huán)境、 經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類的未來密切相關(guān)。 隨著礦物燃料 （如煤、 石油、 天然氣等） 的日趨枯竭及全球環(huán)境的日益惡化， 可再生能源的開發(fā)利用不斷受到世界各國的關(guān)注和重視。 從經(jīng)濟(jì)技術(shù)的可行性和可持續(xù)發(fā)展的角度考慮，可再生能源的開發(fā)利用具有重要戰(zhàn)略意義。 海洋波浪能是一種可再生能源， 它具有資源分布廣、 能量密度大、 無污染等優(yōu)點1,2,3， 吸引著許多國家的科學(xué)家和工程人員去研究開發(fā)。 經(jīng)過科研人員多年的努力， 有些小型波力裝置已小規(guī)模化生產(chǎn)， 有幾座大型波力裝置已開始商業(yè)化運行，現(xiàn)階段發(fā)電是波浪能開發(fā)利用的主要形式。 浪能裝置工作原理 關(guān)于波浪能發(fā)電的設(shè)想極多，其裝置千變?nèi)f化 ，但波浪能裝置一般包括兩部分： 能量吸收系統(tǒng)和能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)， 先由能量吸收系統(tǒng)吸收波浪能， 再通過能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將波浪能轉(zhuǎn)換成電能輸出5下面介紹五種研究最多的波浪能裝置的工作原理。 1振蕩水柱式（振蕩水柱波浪能裝置通常指采用氣室俘獲波浪能的裝置。 氣室是一個下方開口的結(jié)構(gòu)， 當(dāng)波浪作用在開口時， 氣室內(nèi)的水柱就會上下運動 （振蕩水柱因此而得名） ，從而俘獲波浪的能量。典型的振蕩水 柱技術(shù)由氣室、空氣葉輪、發(fā)電機構(gòu)成，振蕩水柱推動氣室內(nèi)空氣往復(fù)運動，通過葉輪，驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。目前，世界上大部分波浪能裝置采用的是振蕩水柱技術(shù)2 2擺式 (擺式波浪能裝置通過擺體來俘獲波浪能。 在波浪的作用下， 擺體作前后或上下擺動， 將波浪能轉(zhuǎn)換成擺軸的動能。 與擺軸相聯(lián)的通常是液壓裝置， 它將擺的動能轉(zhuǎn)換成液力泵的動能， 再帶動發(fā)電機發(fā)電。 擺體的運動很適合波浪大推力和低頻的特性。 因此， 擺式裝置的轉(zhuǎn)換效率較高， 但機械和液壓機構(gòu)的維護(hù)較為困難。 擺式裝置的另一優(yōu)點是可以方便地與相位控制技術(shù)相結(jié)合。 相位控制技術(shù)可1波浪能獨立穩(wěn)定發(fā)電控制系統(tǒng)研究 以使波能裝置吸收到裝置迎波寬度以外的波浪能， 從而大大提高裝置的效率2,7。 3. 閥式(閥式波浪能裝置通過漂浮在水面的、 類似木筏的、 端部鉸接的若干浮體俘獲波浪能， 再通過液壓系統(tǒng)驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。 閥式裝置只能利用每節(jié)浮體之間的角位移吸收波浪能。 因此， 對于不能引起較大的角位移的波浪， 該裝置的效率就很低了。 另外， 液壓系統(tǒng)的阻尼也是影響裝置效率重要參數(shù)。 當(dāng)阻尼太大時， 裝置太硬， 浮體間角位移太小， 無法有效吸收波浪能； 反之， 當(dāng)阻尼太小時， 裝置太軟， 浮體間角位移雖大， 轉(zhuǎn)換成的液壓能卻不多， 也不能有效吸收波浪能。 液壓系統(tǒng)的最佳阻尼與波高有關(guān)。 因此， 閥式裝置通常只在某一個設(shè)計波況附近有較高的轉(zhuǎn)換效率。 另外， 閥式裝置沿波浪傳遞方向放置， 即便是在設(shè)計波況下， 其單位體積下俘獲波浪能的能力不強。 其優(yōu)點是具有較好的整體性， 抗波浪沖擊能力較強； 采用液壓方式傳遞能量， 具有較好的能量傳遞效率； 采用了能量緩沖器，發(fā)電穩(wěn)定性較好2。 4. 聚波水庫式 (聚波水庫式 （又稱收縮坡道式） 波浪能裝置利用喇叭型的收縮坡道來俘獲波浪能。 坡道與海連通的一面開口寬， 然后逐漸收縮通至貯水庫。 波浪在逐漸變窄的坡道中， 波高不斷地被放大， 直至波峰溢過導(dǎo)浪墻， 將波浪能轉(zhuǎn)換成勢能貯存在貯水庫中。 收縮波道具有聚波器和轉(zhuǎn)能器的雙重作用。 水庫與外海間的水頭落差可達(dá) 3入水庫的水的勢能通過水輪 發(fā)電機轉(zhuǎn)換成電能。聚波水庫式波浪能裝置的優(yōu)點是一級轉(zhuǎn)換沒有活動部件， 可靠性好， 維護(hù)費用低， 系統(tǒng)出力穩(wěn)定。不足之處是電站建造對地形有要求，不易推廣4 5. 振蕩浮子式（振蕩浮子式波浪能裝置近年來發(fā)展最為活躍。該類裝置采用浮子俘獲波浪能， 通過與浮子連接的液壓裝置或機械裝置將波浪能轉(zhuǎn)換成某種的機械能， 再通過發(fā)電機轉(zhuǎn)換成電能， 或通過其它設(shè)備制造淡水或冰。 振蕩浮子技術(shù)發(fā)展迅速的原因是： 相對于其它俘獲波浪能的系統(tǒng)， 振蕩浮子制造最為簡單； 可以采用液壓系統(tǒng)或機械系統(tǒng)傳遞能量， 效率比振蕩水柱裝置高； 采用液壓系統(tǒng)， 能量容易匯集， 形成大規(guī)模發(fā)電系統(tǒng)； 采用液壓系統(tǒng)， 可以發(fā)電， 也可以輸出非電力的動力，實現(xiàn)一機多用2,9。 2第 1 章 緒論 浪能裝置發(fā)電輸出技術(shù)研究現(xiàn)狀 波浪能裝置的能量來源是不穩(wěn)定的波浪能， 這一特點導(dǎo)致現(xiàn)階段波浪能利用技術(shù)未能使電能輸出達(dá)到穩(wěn)定的水平19 為了應(yīng)用這種不穩(wěn)定的能量， 往往采用發(fā)電上網(wǎng)的方式， 世界上現(xiàn)已建成或在建的波能裝置幾乎都采用或計劃采用這種方式，如表 1英國的 、 大利亞的國的 100 表 1界 各國最新波浪能裝置 裝置 簡介 類別 英國 0,11波浪能電站 裝機容量 500 2000 年建成，并網(wǎng)供電 振蕩水柱式 澳大利亞 2,13波浪能裝置 2005 年 3 月安裝機組，預(yù)計年發(fā)電量為 500 過 11電纜同當(dāng)?shù)氐碾娋W(wǎng)相連 振蕩水柱式 蘇格蘭 4,15波浪能裝置 裝置由三個模塊組成，每個模塊的裝機容 量 為250裝機容量為 750是世界上第一座進(jìn)行商業(yè)示范運行的飄浮式波浪能電站， 并網(wǎng)供電 振蕩水柱式 歐洲六國 6,17裝置 預(yù)計 2006 年投入商業(yè)運行，計劃的裝機容量為4計電價為 元 /網(wǎng)供電 聚波水庫式 愛爾蘭 0,12波浪能裝置 2003 年 3 月 水進(jìn)行組裝實驗， 從2003 年 4 月開始， 行了為期三年的試驗，預(yù)計把電送上岸的電價為 3分 /蕩浮子式 美國8波浪能裝置 單個裝置裝機容量為 2050 多個裝置構(gòu)成的群可滿足兆瓦級用戶的需求， 預(yù)計該裝置發(fā)電運轉(zhuǎn)成本對于 100模的電站為 3分 /模的電站為 7 10 美分 /振蕩浮子式 中國 100式 波力電站23于廣東汕尾， 2001 年建成， 裝置包括氣室主體、透平發(fā)電機組和輸配電控制系統(tǒng)等部分， 采用并網(wǎng)振蕩水柱式 3波浪能獨立穩(wěn)定發(fā)電控制系統(tǒng)研究 供電方式 中國 1000,31國家 “十五” 863 項目， 裝置包括振蕩浮子、 蓄能穩(wěn)壓裝置、 發(fā)電機及控制系統(tǒng)等， 將采用獨立供電方式 振蕩浮子式 波浪能電站一般建在邊遠(yuǎn)海岸線或海島上， 遠(yuǎn)離國家電網(wǎng)或地方電網(wǎng)， 其輸電成本往往很高， 對于波能資源貧乏的中國其輸電成本更高， 制約了波能電站的發(fā)展9,27。如果能量能就地供應(yīng)，形成一個獨 立的小型波浪發(fā)電系統(tǒng)，為小型用戶如漁村、 守島部隊提供電力， 將會大大加快波浪能利用的發(fā)展。 而電力系統(tǒng)的電壓和頻率的穩(wěn)定是保證電能正常供應(yīng)的兩大指標(biāo)， 不同用戶對供電的兩大指標(biāo)的要求不同， 照明、 電阻爐等只要求電壓穩(wěn)定， 而電動機等動力設(shè)備對電壓和頻率都要求穩(wěn)定。 因此發(fā)展獨立的適合用戶可直接使用的波浪能穩(wěn)定發(fā)電技術(shù)是波浪能走向使用的關(guān)鍵。 關(guān)于獨立運行的波浪能發(fā)電的發(fā)電系統(tǒng)， 國內(nèi)蔣念東等人進(jìn)行了一些研究， 實驗表明， 在采用恒負(fù)載條件下， 負(fù)載電壓和電流的波動都很大，電壓變化范圍大約在 55100V25,28,33之間，電流變化范圍大約在 1224遠(yuǎn)未滿足獨立穩(wěn)定運行的要求。 到目前為止， 世界上沒有一座波浪能電站采用獨立穩(wěn)定運行方式，關(guān)于波浪能電站獨立穩(wěn)定運行技術(shù)有待進(jìn)一步研究。 文選題的背景和目的 近幾十年來， 世界各國以波浪能裝置為對象開展了一系列針對性的研究， 在這些研究中， 提高效率、 降低成本的課題占多數(shù)， 而對提高波能裝置穩(wěn)定性的研究卻反應(yīng)甚少87。 在目前， 波能裝置工作時的不穩(wěn)定性， 已成為制約波能裝置從實驗研究向?qū)嶋H應(yīng)用發(fā)展的瓶頸2,12。 中國科學(xué)院廣州能源研究所海洋能實驗室在游亞戈首席科學(xué)家的帶領(lǐng)下， 認(rèn)識到要加速海洋波浪能的應(yīng)用進(jìn)程，必須要研 究波浪能裝置的獨立穩(wěn)定發(fā)電技術(shù)，創(chuàng)造性地提出了采用蓄能穩(wěn)壓方式實現(xiàn)波浪穩(wěn)定發(fā)電的設(shè)想。 基于這一設(shè)想的波浪能獨立穩(wěn)定發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計是一個全新的方案， 未有相關(guān)文獻(xiàn)提供參考。 因此， 作為系統(tǒng)在真實環(huán)境下進(jìn)行全面測試的依據(jù)， 在實物設(shè)計前進(jìn)行相應(yīng)的仿真研究是非常必要的， 基于仿真系統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)的設(shè)計是仿真研究的關(guān)鍵問題之一。 設(shè)計的自動控制系統(tǒng)必須具備保證蓄能穩(wěn)壓系統(tǒng)能量輸出的穩(wěn)定性和安全性、保證電力輸出的安全性和有效性等重要功能。 4第 1 章 緒論 文主要工作 本文在國家“ 863”計劃項目、中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程 項目、廣東省科技計劃項目的資助下， 進(jìn)行了波浪能裝置獨立穩(wěn)定發(fā)電控制技術(shù)的研究， 具體內(nèi)容如下： 1波浪能獨立穩(wěn)定發(fā)電系統(tǒng)（即真實系統(tǒng)） 的自動控制仿真研究：設(shè)計了仿真系統(tǒng)的控制接口圖，選用了合適的控制元件；采用 制算法，編寫了制軟件； 在不同形式輸入方式下， 對實物仿真系統(tǒng)做了自動控制實驗研究。自動控制實驗研究中，根據(jù)仿真系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，繪制了運行時的功率、電壓、壓力曲線。 2實物仿真系統(tǒng)的計算機仿真研究：根據(jù)流 體力學(xué)、液壓傳動、電力拖動的基本原理，建立了仿真系統(tǒng)的時域模型和相應(yīng)的 型，并采用單神經(jīng)元 制算法，在 境下對仿真系統(tǒng)的 型做了計算機仿真。 3真實系統(tǒng)中負(fù)載優(yōu)化設(shè)計：針對獨立穩(wěn)定 波浪能電站經(jīng)常存在的發(fā)電間歇性和沖擊性特點， 在真實系統(tǒng)中引入了負(fù)載智能配置系統(tǒng)， 該系統(tǒng)采用純電阻方式作為發(fā)電機的基本負(fù)載來消除電壓尖峰的影響， 當(dāng)電壓尖峰過后， 系統(tǒng)自動減少或除去基本負(fù)載，使電能盡最大可能用在可用負(fù)載上。 4對全文做出總結(jié)和展望。 5波浪能獨立穩(wěn)定發(fā)電控制系統(tǒng)研究 6第 2 章 仿真 系統(tǒng)自動控制原理與設(shè)計 第 2 章 仿真系統(tǒng)自動控制原理與設(shè)計 真系統(tǒng)原理與組成 真系統(tǒng)工作原理 波浪能獨立穩(wěn)定發(fā)電系統(tǒng) （真實系統(tǒng)） 主要由能量輸入子系統(tǒng)、 蓄能穩(wěn)壓子系統(tǒng)、 發(fā)電輸出子系統(tǒng)和計算機控制子系統(tǒng)組成， 其工作原理如圖 2示。 其中， 能量輸入子系統(tǒng)是通過波浪能吸收裝置把波浪能轉(zhuǎn)換為不穩(wěn)定的液壓能； 蓄能穩(wěn)壓子系統(tǒng)起到蓄能和穩(wěn)壓的作用； 發(fā)電輸出子系統(tǒng)是把液壓能轉(zhuǎn)換為電能輸出， 它由發(fā)電機和負(fù)載等組成； 計算機控制子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的調(diào)控工作， 實現(xiàn)把不穩(wěn)定的能量輸入變成穩(wěn)定的能量輸出。 人機交互控制閥發(fā) 電輸出子 系統(tǒng)能 量輸入子 系統(tǒng)控制閥計算機 控制子系 統(tǒng)蓄能穩(wěn) 壓子系統(tǒng)圖 2浪 能獨立穩(wěn)定發(fā)電系統(tǒng)工作原理圖 顯然， 真實系統(tǒng)的能量來源是不穩(wěn)定的波浪能。 為了模擬不穩(wěn)定的波浪能輸入，能量輸入子系統(tǒng)（見圖 2由變頻器、電動機及液壓泵組成的子系統(tǒng)來代替，其原理為：電動機與液壓泵同軸相連，采用變頻方式改變電動機的轉(zhuǎn)速，從而改變液壓泵的轉(zhuǎn)速， 液壓泵轉(zhuǎn)速的改變使得泵內(nèi)油液的壓力也隨之變化， 因此可以得到不穩(wěn)定的能量輸入。 此外， 實物仿真系統(tǒng)的其它部分 （計算機控制子系統(tǒng)、蓄能穩(wěn)壓子系統(tǒng)、發(fā)電輸出子系統(tǒng)）與真實系統(tǒng)中工作原理幾乎一樣。 真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成 7波浪能獨立穩(wěn)定發(fā)電控制系統(tǒng)研究 根據(jù) 仿真原理，實物仿真系統(tǒng)采用圖 2結(jié)構(gòu)。 2021318 1917161312141511 10 98765412真 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 圖 2的數(shù)字代表的元器件如下： 1 2 3 3 5 6 7 8 9 10 11 12 13 13 15 16 17 18 19 20 21該仿真系統(tǒng)的工作流程是： 電動機 （ 3） 運轉(zhuǎn)時， 通過變頻器 （ 1） 改變供電電源 （ 2） 的頻率， 使得電動機 （ 3） 的轉(zhuǎn)速改變， 從而模擬系統(tǒng)輸入的不穩(wěn)定波浪能； 液壓泵 （ 4） 在電動機 （ 3） 的驅(qū)動下運行， 抽取油箱 （ 21） 中的工質(zhì) （液壓油） 經(jīng)單向閥 （ 6） 、 精過濾器 （ 10） 注入蓄能器 （ 13） 或經(jīng)過先導(dǎo)式電磁溢流閥（ 14）流經(jīng)液壓馬達(dá)（ 15） ，液壓馬達(dá)（ 15）帶動發(fā)電機（ 16）發(fā)電。電動機8第 2 章 仿真 系統(tǒng)自動控制原理與設(shè)計 （ 3） 驅(qū)動液壓泵 （ 4） 所輸入的能量為輸入能量， 當(dāng)輸入能量的平均值和發(fā)電機負(fù)載 （ 17） 消耗的能量相當(dāng)時， 輸入能量在蓄能器的調(diào)節(jié)下， 使流經(jīng)液壓馬達(dá) （ 15）的能量基本保持穩(wěn)定， 且在液壓馬達(dá) （ 15） 正 常工作輸出的能量范圍之內(nèi)， 系統(tǒng)實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定發(fā)電。 當(dāng)輸入能量的平均值不能保證發(fā)電機負(fù)載 （ 17） 的額定輸出能量時， 先導(dǎo)式電磁溢流閥 （ 14） 關(guān)閉， 液壓馬達(dá) （ 15） 停止工作， 液壓泵 （ 4）輸入的能量全部進(jìn)入蓄能器（ 13） ，這樣使得蓄能器（ 13）中的能量連續(xù)增加。當(dāng)能量增加到某一設(shè)定值時，先導(dǎo)式電磁溢流閥（ 14）又打開，液壓馬達(dá)（ 15）以設(shè)定的流量輸出， 帶動發(fā)電機 （ 16） 發(fā)電， 在液壓馬達(dá) （ 15） 工 作過程中， 蓄能器 （ 13） 中的能量將減少， 最后達(dá)到某一設(shè)定值， 先導(dǎo)式電磁溢流閥 （ 14）又關(guān)閉，液壓泵（ 4）又對蓄能器（ 13）補充能量，往復(fù)對蓄能器（ 13）進(jìn)行充放能量， 系統(tǒng)實現(xiàn) 0電方式。 當(dāng)輸入能量很大而負(fù)載 （ 17） 消耗的能量一定時，在液壓泵（ 4）的作用下，進(jìn)入蓄能器（ 13）的平均能量大于流出蓄能器的能量而使蓄能器的能量增加到某設(shè)定值，節(jié)流閥（ 9）打開，溢流部分能量。當(dāng)蓄能器（ 13）中的能量因溢流而減少到某一設(shè)定值時，節(jié)流閥（ 9）關(guān)閉，此種狀態(tài)下， 系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定發(fā)電， 輸入的能量有一定損失。 設(shè)計節(jié)流閥管路一方面對系統(tǒng)有保護(hù)作用，另一方面不至于損失過多的能量。 參考圖 22在 仿真系統(tǒng)中， 變頻器 （ 1） 、 交流電源 （ 2） 、 電動機 （ 3）構(gòu)成能量輸入子系統(tǒng)， 液壓馬達(dá) （ 15） 、發(fā) 電 機 （ 16） 、負(fù) 載（ 17） 構(gòu)成發(fā)電輸出子系統(tǒng)，而其余元件：液壓泵（ 4） 、壓力表（ 5） 、單向閥（ 6） 油箱（ 21）則構(gòu)成蓄能穩(wěn)壓子系統(tǒng)。 系統(tǒng)中的工質(zhì) （液壓油） 是能量的載體， 系統(tǒng)輸入輸出能量的大小與液壓回路的工作壓力和流量有關(guān)。在仿真系統(tǒng)中，為確保工作安全，設(shè)計了直動溢流閥 （ 8） 的管路， 當(dāng)節(jié)流閥不能有效保護(hù)系統(tǒng)時， 直動溢流閥 （ 8）自動打開， 實現(xiàn)對仿真系統(tǒng)的最高級別的保護(hù)； 另外設(shè)計了先導(dǎo)式電磁溢流閥 （ 7）的管路， 以便在不需要系統(tǒng)工作時， 用來快速卸荷。 壓力表 （ 5） 、 真空壓力表 （ 20） 、壓力傳感器（ 11）用來監(jiān)測各段管路的壓力。 動機變頻調(diào)速的原理電動機的轉(zhuǎn)速公式： 160 (1 )(1 )f = 式中 9波浪能獨立穩(wěn)定發(fā)電控制系統(tǒng)研究 1n 從式（ 2以看出，要改變電動機的轉(zhuǎn)速，可從下列三個方面著手： 1）改變電動機所接電源的頻率 以改變 ，稱變頻調(diào)速； 改變電動機定子繞組的磁極對數(shù) ， 以改變定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速 ，稱變極調(diào)速； 變電動機的轉(zhuǎn)差率 。 變頻調(diào)速特性基本保持了異步電動機固有特性轉(zhuǎn)差率小的特點， 具有效率高、 范圍寬、 精度高、 可實現(xiàn)無級調(diào)速 （只要 連續(xù)可調(diào)） ，是仿真系統(tǒng)中最理想的調(diào)速方式37 算機控制子系統(tǒng)設(shè)計 計目標(biāo) 1）能量不穩(wěn)定輸入。因為通過工質(zhì)（液壓油 ）輸入的能量同蓄能穩(wěn)壓系統(tǒng)的壓力、液壓泵的排量、電動機的轉(zhuǎn)速有關(guān)，所以擬采用手動 /自動方式控制電動機的電力頻率以改變電動機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)不穩(wěn)定能量輸入的仿真； 2）蓄能穩(wěn)壓子系統(tǒng)內(nèi)的壓力不是恒壓，系統(tǒng) 壓力會隨著輸入能量的不同而變化，為了確保能量穩(wěn)定輸出必須對液壓馬達(dá)的排量進(jìn)行控制； 3） 為了研究系統(tǒng)的控制特性， 仿真系統(tǒng)不考慮隨機負(fù)載對系統(tǒng)控制的影響； 4）系統(tǒng)的保護(hù)和能量損失的最小化。要求實 驗裝置儲存的能量在超過設(shè)計的容量時必須快速釋放能量， 且釋放能量不能對系統(tǒng)造成破壞性沖擊； 當(dāng)系統(tǒng)能量通過溢流達(dá)到安全狀態(tài)時，溢流工作自動結(jié)束； 5）實現(xiàn) 0電方式。當(dāng)來波能量小于液壓馬達(dá)最低穩(wěn)定能量輸出時，要實現(xiàn)時斷時續(xù)的能量輸出方式，以優(yōu)化能量輸出質(zhì)量，減少能量的損失； 6）蓄能量和工作壓力的監(jiān)視； 7）具備多種輔助功能，比如聲光報警、數(shù)據(jù)采集等； 計方案 計算機控制子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)兩方面的工作： 一方面測量 （采集） 系統(tǒng)的壓力、流量、 輸出電壓、 變頻器頻率等數(shù)據(jù)， 另一方面根據(jù)測得的數(shù)據(jù)發(fā)出控制信號控制蓄能穩(wěn)壓子系統(tǒng)的運行。 根據(jù)波浪能轉(zhuǎn)換要求把不穩(wěn)定的能量輸入變成穩(wěn)定的10第 2 章 仿真 系統(tǒng)自動控制原理與設(shè)計 能量輸出和蓄能穩(wěn)壓的特點， 本文設(shè)計的計算機控制子系統(tǒng)采用負(fù)反饋閉環(huán)控制方案， 方框圖如圖 2示。 在控制子系統(tǒng)中， 發(fā)電機電壓為控制量， 液壓馬達(dá)的開度 （變量） 為操作量， 整個波浪能獨立穩(wěn)定發(fā)電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作由計算機控制子系統(tǒng)來完成。 實際輸出 電壓發(fā)電 機控制 器 馬達(dá) 開度電壓 反饋圖 2制 方案示意圖 作原理 根據(jù) 方案，進(jìn)一步設(shè)計得到計算機控制子系統(tǒng)工作原理圖（見圖2。 為 了模擬真實系統(tǒng)在各種條件下的反映， 記錄系統(tǒng)的運行狀態(tài)， 保護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定運行， 計算機控制子系統(tǒng)使用了三種信號， 分別是模擬量采集信號、 輸出的數(shù)字信號、開關(guān)信號（分別對應(yīng)于采集控制卡的 A/D、 D/A、 I/O 接口） 。其中，模擬量采集信號是控制子系統(tǒng)采集的參數(shù) （經(jīng) A/D 接口采集進(jìn)來） ， 輸出的數(shù)字信號是計算機發(fā)出的數(shù)字調(diào)節(jié)增量 （從 D/A 接口發(fā)送出去） ， 開關(guān)信號是計算機接受 /發(fā)出的 0令（從 I/O 接口接受 /發(fā)送） 。 系統(tǒng)工作時， 電動機的電源頻率、 液壓管路的壓力、 流量等參數(shù)， 通過傳感器及相應(yīng)的變送器變換成統(tǒng)一的模擬量采集信號， 送到采集控制卡的 A/D 接口，計算機通過時鐘時間控制，定時采集這些模擬量采集信號，然后對其進(jìn)行換算、存儲， 并將發(fā)電機輸出電壓的模擬量采集信號與預(yù)設(shè)參數(shù)進(jìn)行比較， 通過控制算法（詳見 ）運算得到液壓馬達(dá)閥門的開度（數(shù)字信號） ，將該數(shù)字信號送到 D/A 變換器變換成連續(xù)的模擬量，通過模擬量來控制液壓馬達(dá)的閥門開度，以