柔性直流输电风浪混合发电装置的制作方法

本实用新型公开了一种柔性直流输电风浪混合发电装置，是一种应用于广阔海洋，为偏远海岛、沿海区域以及过往轮船提供电能的新型发电装置。

背景技术：

随着世界能源危机和环境污染的日益严重，海洋风能以及波浪能等新能源受到世界各国的青睐，我国也在“全国海洋经济规划发展纲要”中明确提出加大海洋资源开发，为我国经济发展增添新动力。然而，电力供给困难等问题，极大限制了远洋资源的开发利用。风能和波浪能作为清洁能源，海上蕴含量极大，同时海上风能和波浪能天然耦合，具有诸多互补特性，已成为各国科研人员的重要研究方向。

目前，海上风电和波浪能发电设备均已取得了较快发展，但均各自独立运行，无法有效发挥二者能量的良好互补特点，且传统海上风电的塔架构建于海底，海水的高盐度以及海水波浪和潮汐运动，极易造成塔架腐蚀和扭曲，严重影响塔架使用寿命，并且塔架的安装和维护成本较高；移动式的海上风力发电系统虽可解决塔架安装等问题，但风电平台的稳定控制需要风电予以调整，极大降低了风电系统的发电功率。同时，当前波浪能发电设备的关键部件多潜入水中，波浪捕获基点极易受波浪而波动，严重影响波浪捕获效率，同时设备的密闭性要求较高，波浪能量传输某种程度上也制约了风电和波浪能系统的推广应用。

技术实现要素：

本实用新型的技术任务是针对上述技术的不足，提出的一种新型柔性直流输电风浪混合发电装置。

本实用新型解决上述技术问题采用的技术方案为：柔性直流输电风浪混合发电装置包括垂直轴风能子系统、鼠笼式塔架平台、8个波浪能子系统、功率调控单元以及柔性直流输电站；所述垂直轴风能子系统为可移动式风力发电系统，包括捕获能量的风机桨叶、机电转化的发电机以及机舱偏航装置，主动偏航调控风能和塔架平台仰角；鼠笼式塔架平台为风浪混合发电装置的鼠笼型可移动式支撑平台，被动调控塔架仰角；8个波浪能子系统倒挂在塔架平台下端，根据风机桨叶迎风，设置为3个桨叶侧波浪能子系统、3个尾翼侧波浪能子系统以及2个正交侧波浪能子系统，正交侧波浪能子系统最大波浪能捕获，3桨叶侧波浪能子系统和3尾翼侧波浪能子系统受控波浪能捕获以主动调控塔架倾角；功率调控单元是垂直轴风能子系统与波浪能子系统的最大能量捕获和工作模式变换的控制单元；柔性直流输电站汇流风浪捕获能量，并经送端站BOOST变流器馈送至直流电网。

鼠笼式塔架平台包括圆形平台、刚性椭球形浮体和鼠笼式支撑架，鼠笼式塔架平台上端为圆形平台，底端为刚性椭球形浮体，经鼠笼式支撑架刚性联结一体，支撑风浪混合发电装置重量；圆形平台中心安装垂直轴风能子系统的塔架，塔架底部配置功率调控单元以及柔性直流输电站，以塔架底座为中心，均匀分布8个波浪能子系统，倒挂在圆形平台底部；刚性椭球形浮体被动平抑塔架平台仰角。

波浪能子系统包括圆柱体浮子、曲柄联杆Ⅰ、变速内轮、变速外轮、曲柄联杆Ⅱ、直线电机、浮子缆绳、波浪能机舱舱壁和制动器；所述圆柱体浮子在海浪浮力和激振力作用下，上下垂直运动捕获波浪能；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与直线电机动子的高速运动互相转化；所述直线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，直线电机因波浪子系统的波浪能捕获和塔架倾角主动调控功能，分别工作在发电模式和电动模式，运行在发电模式时，直线电机动子在圆柱体浮子、曲柄联杆Ⅰ、变速内轮、变速外轮以及曲柄联杆Ⅱ的共同推动下高速运动，定子切割磁力线发电，将波浪能转化为电能；运行在电动模式时，直线电机动子在电能驱动下高速运动，经曲柄联杆Ⅱ、变速外轮、变速内轮和曲柄联杆Ⅰ，反向驱动圆柱体浮子运动，改变圆柱型浮子的浸润体积和浮力，主动调控塔架倾角；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，主动调控塔架倾角。

功率调控单元包括1个风能PWM整流器，8个波浪能PWM变流器、8个BUCK-BOOST变流器；所述1个风力PWM整流器是垂直轴风能子系统功率控制单元，通过PWM占空比调制实现风能最大捕获和功率控制；所述8个波浪能PWM变流器是波浪能子系统的功率控制环节，存在整流和逆变两种状态，分别对应波浪能子系统的发电模式和电动模式，并通过PWM占空比调控发电模式波浪能子系统的捕获功率和电动模式波浪能子系统的浸润体积；所述8个BUCK-BOOST变流器是波浪能子系统的升降压环节，进行波浪能子系统发电模式时的BOOST升压汇流，以及波浪能子系统电动模式时，BUCK-BOOST变流器运行在BUCK降压状态，将风浪汇流直流母线输出电能降压，输送至逆变状态PWM变流器和直线电机。

柔性直流输电站包括风浪汇流直流母线和送端站变流器；所述风浪汇流直流母线是垂直轴风能子系统和波浪能子系统耦合汇流母线，母线电压由送端站变流器控制稳定；所述送端站变流器为BOOST变流器，以电网调度功率以及风浪汇流直流母线电压恒定为目的，将风浪产生电能，馈送至柔性直流输电电网。

本实用新型带来的有益效果是：

1)将风能子系统和波浪子系统一体化设计，综合应用风力发电和波浪能发电互补作用，凭借波浪子系统快速的动态响应，平抑风能的波动性和间歇性问题，提高供电可靠性和电能质量，极大降低风机偏航次数，提高了垂直轴风能子系统使用寿命。

2)采用主被动协同的塔架平台仰角控制，塔架底部椭球体被动调控塔架仰角，尾翼侧波浪子系统、桨叶侧波浪子系统以及风机机舱偏航协同调控风机塔架平衡稳定，提高了风浪混合发电装置可靠性。

3)创新性将波浪子系统倒挂在塔架平台下侧，提高波浪子系统捕获基点的稳定，同时发电设备远离海水，极大降低了系统对密闭性和刚度的要求，同时创新性采用波浪能子系统的电动模式改变圆柱体浮子的浸润体积，主动平抑塔架平台仰角。

4)运用柔性直流输电技术，省却了传统风电三相网侧PWM变流器，采用BUCK-BOOST变流器，完成波浪子系统和风电子系统的双向能量流动，结合双向PWM变流器，完成波浪子系统最大功率捕获以及电动调整波浪浮力，确保风机塔架平衡仰角稳定，降低了变流器设备成本，提升了整体协调可靠性。

附图说明

图1柔性直流输电风浪混合发电装置机械结构正视图。

图2柔性直流输电风浪混合发电装置功率调控单元硬件拓扑图。

图3鼠笼式塔架平台俯视图。

图4波浪能子系统剖面图。

图5柔性直流输电风浪混合发电装置工作流程图。

图中标号说明：1.风机桨叶，2.塔架，3.桨叶中轴，4.风机机舱，5.固定螺栓，6.圆形平台，7.鼠笼式支撑架，8.浮子缆绳，9.圆柱体浮子，10.柔性直流输电站，11.调控单元，12.刚性椭球形浮体，13.电缆通孔，14.直线电机定子，15.直线电机动子，16.曲柄联杆Ⅱ，17.变速外轮，18.变速内轮，19.曲柄联杆Ⅰ，20.波浪能能机舱舱壁，21.风能PWM整流器，22.波浪能PWM变流器，23.BUCK-BOOST变流器，24.电压传感器，25.电流传感器，26.风浪汇流直流母线，27.送端站变流器，28.制动器。

变量说明：θ塔架倾角，θmax塔架最大倾角，α风向偏移角，β偏航起动角，c风能捕获系数，ρw为空气密度，vw为风速，A风机桨叶扫略面积，h塔架高度，ρs海水密度，g重力加速度，S圆柱浮子的截面积，hmax圆柱浮子的最大浸入深度，L1～L3尾翼侧波浪能发电子系统的主动调控的力臂，Pwmax当前风向偏移角下风能子系统最大捕获功率，Psmax波浪能子系统总最大捕获功率，PN电网调度功率。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本实用新型进一步说明。

本实用新型所公布的柔性直流输电风浪混合发电装置(如图1)包括鼠笼式塔架平台(包括圆形平台6、刚性椭球形浮体11、鼠笼式支撑架7)、垂直轴风能子系统(包括风机桨叶1、桨叶中轴3、风机机舱4、塔架2)、8个波浪能子系统(包括圆柱体浮子9、曲柄联杆Ⅰ19、变速内轮18、变速外轮17、曲柄联杆Ⅱ16、直线电机定子14、直线电机动子15、浮子缆绳8、波浪能机舱舱壁20、制动器28固定螺栓5)、功率调控单元10(包括风能PWM整流器21、波浪能PWM变流器22、BUCK-BOOST变流器23、电压传感器24、电流传感器25)、柔性直流输电站11(包括风浪直流母线26、送端站变流器27)。

风能的间歇性和波动性极易导致输出功率波动，同时风力机较大的转动惯量使得其调控输出功率的动态响应速度远远慢于波浪子系统，为确保风力波浪能混合发电装置的输出功率恒定和电能质量，优先调控波浪能捕获子系统。系统实时检测风向偏移角α、塔架倾角θ、波高以及波速，实时根据PN、θmax、α、β、Pwmax、Psmax判断风浪混合发电装置的工作模式，系统存在风能最大波浪能受控捕获、风能波浪能最大捕获以及风机偏航波浪能捕获三种工作模式，工作流程判定如图5所示。

当θ>θmax或者倒悬式波浪能子系统存在制动锁存状态时，系统运行在塔架倾角主动调控模式；

当θ≤θmax、Pwmax+Psmax>PN，且倒悬式波浪能子系统无制动锁存状态时，系统运行在风浪最大捕获模式；

当θ≤θmax，Pwmax+Psmax<PN，α>β,且倒悬式波浪能子系统无制动锁存状态时，系统运行在偏航波浪能最大捕获模式。

1.塔架倾角主动调控

当塔架倾角θ大于塔架最大倾角θmax或者波浪能子系统存在制动锁存状态时，3个尾翼侧波浪能子系统、3个桨叶侧波浪能子系统以及风能子系统，协同完成塔架倾角主动调控。电网调度功率由3个桨叶侧波浪能子系统、2个正交侧波浪能子系统和风能子系统协同提供。

当时，塔架倾角由3个尾翼侧波浪能子系统和3个桨叶侧波浪能子系统协同完成塔架倾角主动调控。3个尾翼侧波浪能子系统运行在电动模式，风浪汇流直流母线26输出电能，经BUCK-BOOST变流器23降压和波浪能PWM变流器22逆变，驱动直线电机动子15高速运动，经曲柄联杆Ⅱ16、变速外轮17、变速内轮18和曲柄联杆Ⅰ19驱动圆柱体浮子9向下垂直运动，增加浮子浸润体积，直至圆柱体浮子9完全浸没，提供最大浮力，主动平抑塔架倾角；3个桨叶侧波浪能子系统运行发电模式，实现塔架倾角主动调控，动态调控圆柱体浮子9的波动位移，圆柱体浮子9捕获的波浪能经曲柄联杆Ⅰ19、变速内轮18、变速外轮17和曲柄联杆Ⅱ16驱动直线电机动子15高速运动，直线电机定子14切割磁力线发电，经波浪能PWM变流器22整流和占空比调节，控制波浪能捕获和浮子的波动位移，以实现塔架倾角主动调控的目标，直至圆柱体浮子9浸润体积最小。调控后直流电，经BUCK-BOOST变流器23升压，汇流至风浪汇流直流母线26。当塔架仰角θ小于塔架最大倾角θmax时，经制动器28制动锁存上述圆柱体浮子9当前位置，塔架仰角主动调控完成。

当时，波浪能子系统已无能力完成塔架倾角主动调控，此时风能子系统偏航侧风，降低风机桨叶所致塔架倾覆力矩，塔架倾角主动调控由3个尾翼侧波浪能子系统、3个桨叶侧波浪能子系统以及风能子系统协同完成。3个尾翼侧波浪能子系统运行在电动模式，风浪汇流直流母线26输出电能，经BUCK-BOOST变流器23降压和波浪能PWM变流器22逆变，驱动直线电机动子15高速向下运动，经曲柄联杆Ⅱ16、变速外轮17、变速内轮18和曲柄联杆Ⅰ19驱动圆柱体浮子9向下垂直运动，增大圆柱体浮子9的浸润体积，直至达到最大浮力，此时圆柱体浮子9完全浸入水中，由制动器28制动锁存当前圆柱体浮子9位置；3个桨叶侧波浪能子系统也运行在电动模式，风浪汇流直流母线26输出电能，经BUCK-BOOST变流器23降压和波浪能PWM变流器22逆变，驱动直线电机动子15向上高速运动，经曲柄联杆Ⅱ16、变速外轮17、变速内轮18和曲柄联杆Ⅰ19驱动圆柱体浮子9向上垂直运动，减小圆柱体浮子9的浸润体积，直至达到最小浮力，此时圆柱体浮子9完全脱离海水，由制动器28制动锁存当前圆柱体浮子9位置；风能子系统风机机舱4开始偏航侧风，逐步减小塔架倾覆力矩。当塔架仰角θ小于塔架最大倾角θmax时，风机机舱4偏航侧风结束，塔架仰角主动调控完成。

在风能子系统中，风机桨叶1实时捕获风能，经桨叶中轴3驱动风机机舱4内发电机发电，输送至风能PWM整流器21进行优化转速的跟踪控制，实现有效风速下的风能最大捕获，调控后直流电汇流至风浪汇流直流母线26。

2个正交侧波浪能子系统运行在发电模式，圆柱体浮子9上下垂直运动，经曲柄联杆Ⅰ19、变速内轮18、变速外轮17和曲柄联杆Ⅱ16驱动直线电机动子15高速运动，直线电机定子14切割磁力线发电，经波浪能PWM变流器22整流和占空比调节，实现波浪能最大捕获；调控后直流电，经BUCK-BOOST变流器23升压，汇流至风浪汇流直流母线26。风浪汇流直流母线26上的电能，经送端站变流器27升压，输送至柔性直流电网。

2.风浪最大捕获

当塔架倾角θ小于塔架最大倾角θmax，波浪能子系统中无制动锁存状态，当前风浪总捕获功率不满足调度功率且风向偏移角α小于偏航起动角β时，塔架仰角完全由刚性椭球形浮体12被动调控实现，风能子系统和8个波浪能子系统全部最大捕获。

在风能子系统中，风机桨叶1实时捕获风能，经桨叶中轴3驱动风机机舱4内的发电机发电，输送至风能PWM整流器21进行占空比控制，进行优化转速的跟踪，实现有效风速下的最大风能捕获，调控后直流电汇流至风浪汇流直流母线26。

8个波浪能子系统均运行发电模式，圆柱体浮子9在波浪作用下上下垂直运动，经曲柄联杆Ⅰ19、变速内轮18、变速外轮17和曲柄联杆Ⅱ16驱动直线电机动子15高速运动，直线电机定子14切割磁力线发电，经波浪能PWM变流器22整流和占空比调节，实现波浪能最大捕获；调控后直流电，经BUCK-BOOST变流器23升压，汇流至风浪汇流直流母线26。

风浪汇流直流母线26上的电能，经送端站变流器27升压，输送至柔性直流电网。

3.偏航波浪最大捕获

当塔架倾角θ小于塔架最大倾角θmax，波浪能子系统中无制动锁存状态，当前风浪总捕获功率无法满足调度功率，且风向角大于偏航起动角时，塔架倾角完全由刚性椭球形浮体12被动调控，风能子系统偏航迎风并实现最大捕获控制，8个波浪能子系统全部实现最大功率捕获，共同满足电网调度功率。

在风能子系统中，风机机舱4偏航迎风，增大风能最大捕获功率，同时塔架倾角逐步增大，电压传感器24和电流传感器25实时测量风能PWM整流器21输出的电流和电压，计算当前状态下风浪总捕获功率；当风浪总捕获功率等于电网调度功率或者塔架倾角等于塔架最大倾角时，风机机舱4偏航迎风结束。

在整个风机机舱4偏航迎风过程中，风机桨叶1实时捕获风能，经桨叶中轴3驱动风机机舱4内的发电机发电，输送至风能PWM整流器21占空比调制，进行优化转速的跟踪控制，实现有效风速下的风能最大捕获，调控后直流电汇流至风浪汇流直流母线26。

8个波浪能子系统均运行最大捕获模式，圆柱体浮子9在波浪作用下上下垂直运动，经曲柄联杆Ⅰ19、变速内轮18、变速外轮17和曲柄联杆Ⅱ16驱动直线电机动子15高速运动，直线电机定子14切割磁力线发电，经波浪能PWM变流器22整流和占空比调节，实现波浪能最大捕获；调控后直流电，经BUCK-BOOST变流器23升压，汇流至风浪汇流直流母线26。

风浪汇流直流母线26上的电能，经送端站变流器27升压，输送至柔性直流电网。