一种双向发电的潮流能发电机组及其系统的制作方法

本发明涉及潮流能发电机组领域，特别是涉及一种双向发电的潮流能发电机组及其系统。

背景技术

潮流能发电在新能源发电领域中已成为新的组成部分，大规模的潮流能发电运行将会在未来成为新能源的补充。而我国海岸线比较长，有着丰富的潮流能量，在石化能源日益紧张的今日，潮流能将突显新能源重要的组成作用。

目前我国潮流能还多处于研究状态，实际的潮流能方式并未真正广泛应用，各种潮流能发电装置多处于技术探索和理论样机试验阶段；因此潮流能发电的研究将有重要意义。

目前进入试验阶段或设计阶段的机组，大部分秉承“水下风机”的概念，采用类似于风电机组机舱的结构，并对机舱进行整体密封。部分设计受水轮机结构影响，采用两个单向定桨距水轮作为潮流能的捕获装置。

整体密封结构的机舱舱体体积大，由于内部部件不具有独立水下防护结构，对密封的要求也较高，大尺寸机舱整体密封及结构成型技术难度大。定桨距机组在虽然实现了双向潮流能的捕捉，但机组叶轮利用率仅有50％，体积大，传动结构复杂。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种能够双向捕获潮流能、且机组叶轮利用率高的能双向发电的潮流能发电机组及其系统。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一方面，本发明提供一种双向发电的潮流能发电机组，包括机组主控系统、海流计及依次连接的变桨系统、主轴、齿轮箱、发电机和与变流器；

所述海流计用于测量潮流流向，并反馈给主控系统，所述主控系统用于根据潮流流向和预设的变桨策略进行变桨控制；

所述变桨系统包括桨叶，所述主控系统与变桨系统连接，用于控制桨叶角度使桨叶正面对准潮流流向；

所述变流器配有双向控制器，所述双向控制器具有正、反向状态机，用于根据涨潮、退潮时发电机放入正、反转输出进行自动调整状态。

进一步地，所述桨叶可沿其叶根部几何轴线的360°旋转变桨用于对潮流能进行双向捕捉。

进一步地，所述桨叶的数量至少为两个，在同一平面内等角度设置。

进一步地，桨叶采用具有航空发动机翼型的外形。

进一步地，所述发电机为永磁同步发电机。

进一步地，所述变流器为具有四象限运行功能的全功率变流器；

和/或，所述主轴为金属空心轴；

和/或，所述齿轮箱为增速齿轮箱。

进一步地，还包括安全系统，用于检测危及机组安全运行的信号并根据检测信号控制机组是否停机。

进一步地，还包括故障监控系统，用于对潮流发电机组的桨叶旋转、发电过程中的故障监测并反馈给主控系统。

进一步地，还包括用于安装变桨系统及其桨叶的轮毂，所述轮毂的末端与所述主轴连接；

所述叶片与轮毂间、轮毂与主轴、主轴与齿轮箱、齿轮箱与发电机间均设有密封结构。

进一步地，还包括安装潮流能发电机组水下部分的海上平台，所述海上平台上设有升降平台，用于升降潮流能发电机组的水下部分。

进一步地，所述全功率变流器安装在水上平台上，所述水上平台上还设置有风速仪风向标。

进一步地，所述主控系统包括与海流计连接的分析模块，所述分析模块用于根据主轴旋转方向、转速及海流计测量数据准确评估潮流流向，所述分析模块采用多项式结合双向判断策略进行拟合计算。

另一方面，提供一种双向发电的潮流能发电机组的控制系统，包括桨叶360°变桨策略、潮流流向双向判断策略、双向控制策略和/或转矩控制策略及及存储用于实现相应策略的计算机程序的存储介质。

由于采用上述技术方案，本发明至少具有以下优点：

(1)本发明根据海水潮汐现象采用双向控制方式，配合转矩控制、360度智能变桨等技术，实现了对海水潮汐能源的双向捕捉，在机组整体效率、体积及潮流能利用率上，优于目前单向定桨控制，可以更好地捕获潮流能，实现能量高效利用。

(2)本发明的潮流能发电机组结构简单，体积较小，可根据需要采用分布式设置，单台或多台机组接入区域配电网络，解决海岛、沿海偏远地区、海上作业平台等对电力有需求但单独架设供电网络费用高、技术难度大的问题。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明的双向潮流能发电机组在涨潮状态下的工作原理示意图；

图2是本发明的双向潮流能发电机组在退潮状态下的工作原理示意图；

图3是本发明的双向潮流能发电机组的工作流程示意图；

图4是本发明的双向潮流能发电机组的双向判断及转矩控制逻辑示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本发明提供一种双向潮流能发电机组的的实施例，可以在涨潮、退潮双向捕捉潮流能，如图1至图4所示，包括机组主控系统、海流计5及依次连接的变桨系统、主轴2、齿轮箱3、发电机4和与变流器7；

海流计5用于测量潮流流向，并反馈给主控系统，主控系统用于根据潮流流向和预设的变桨策略进行变桨控制；

变桨系统包括桨叶1，主控系统与变桨系统连接，主控系统将控制策略传递给变桨系统，用于控制桨叶1角度使桨叶正面对准潮流流向；

变流器7配有双向控制器，双向控制器具有正、反向状态机，用于根据涨潮、退潮时发电机放入正、反转输出进行自动调整状态。

本发明在使用时，考虑到潮流能方向一般只有两个方向(涨潮或退潮)，通过海流计的测量反馈给主控系统，主控系统通过判断潮流能的流向，并根据预设的变桨策略控制变桨系统，调整桨叶变换角度，使桨叶正面对准涨潮或退潮的潮流流向，保证桨叶能够在机组设计的功率及载荷范围内，最大程度吸收潮流能，变桨系统通过主轴将吸收的潮流能能量传递给齿轮箱，发电机将齿轮箱传递的机械能转化为电能，通过变流器输出给电网，变流器配有双向控制器，双向控制器具有正、反向状态机，可根据涨潮、退潮时发电机正、反转输出的三相电能相序不同，自动调整状态，保证向电网输出电能的相位、相序、频率始终与电网相同。变流器可通过控制发电机电磁转矩，来控制发电机与桨叶转速，从而将桨叶转速控制在安全范围内。本发明通过海流计测量涨潮、退潮的潮流能流向，通过变换桨叶的角度，配合双向控制器，形成上流向发电状态与下发电状态，实现对潮流能的双向捕捉，叶轮利用率高，利用率甚至接近100％。

为了良好的完成变桨系统的指令，桨叶1可沿其叶根部几何轴线的360°旋转变桨用于对潮流能进行双向捕捉。

进一步地，桨叶1的数量可以至少为两个，在同一平面内等角度设置，桨叶数量根据机组需求设定，优选桨叶数量为2个时，在轮毂上同一平面内间隔180度对称布置；采用2个以上叶片时，在轮毂上同一平面内等角度均布。

为了最大程度吸收潮流能能量，桨叶1可以采用具有航空发动机翼型的外形。

为了更好的利用潮流能发电，发电机4可以为永磁同步发电机。永磁同步发电机的轴伸端通过联轴器与齿轮箱相连，定子侧绕组通过电缆与变流器相连。主要功能是将齿轮箱传递的机械能转化为电能，通过变流器输出给电网。

为了更好的配合永磁同步发电机，变流器7可以全功率变流器，优选为具有四象限运行功能的全功率变流器。

上述实施例中，主轴2可以为金属空心轴，材质优选为锻钢。用于将变桨系统吸收的潮流能量传递给齿轮箱。

上述实施例中，齿轮箱3可以为增速齿轮箱，主要功能为转速、转矩变换。低速轴与主轴相连，高速轴与发电机相连，用于将叶轮的低转速转化为发电机需要的高转速。

进一步地，还包括安全系统，用于检测危及机组安全运行的信号并根据检测信号控制机组是否停机。该安全系统独立于主控系统，且优先级高于机组所有模块。当安全系统检测到危及机组安全运行的信号后，可不通过主控系统，直接控制机组各部件直接向停机状态转化，及时保护机组安全。并结合故障监控系统，及时对潮流发电机组的桨叶旋转、发电过程中的故障监测，实现机组的高效、安全运行。

进一步地，还包括用于安装变桨系统及其桨叶1的轮毂10，轮毂10的末端与主轴2连接；主要用于安装桨叶及变桨系统，具有用于减少流体阻力的子弹头形外形。轮毂末端设有法兰盘，用于和主轴相连。轮毂为空心壳体结构，材质优选铸钢，也可采用不锈钢、高强度高分子或铸铁等其他材质。

叶片与轮毂10间、轮毂10与主轴2、主轴2与齿轮箱3、齿轮箱3与发电机4间均设有密封结构，可防止海水进入各部件内部。

进一步地，还包括安装潮流能发电机组水下部分的海上平台，海上平台上设有升降平台，用于升降潮流能发电机组的水下部分。

潮流能机组分为机组水上部分和机组水下部分。机组水上部分包括基座、控制柜6、变流器7、变压器8等设备，所有设备均安装在海上平台上，连接方式优选为紧固件连接或焊接；水上平台上还设置有风速仪风向标。用于测量海上风速及风向，安装于海上平台最高点，主要为运行监控人员提供机组所在海域的实时风速风向，以便维护人员根据风速风向选择维护时间，保证机组升到海平面以上时，海上天气对维护工作不造成有害影响。

机组水上部分和机组水下部分之间，设备通过电缆进行连接，机组水下部分的机组则通过海上平台上的升降机进行连接；机组水下部分主要包括海流计、轮毂、叶片、主轴、齿轮箱、发电机等设备。

海上平台，用于安装整个潮流能发电机组。基座上有升降平台，机组水下部分安装于升降平台上。在发电状态时，将机组水下部分整体浸到海水中；在维修状态时，将机组水下部分整体升高到海平面以上。

电缆，用于连接基座上的变流器、控制柜等设备与位于海面以下的机组部件。电缆分为控制电缆、电力电缆两类，采用柔性、耐扭电缆，保证机组电缆在随洋流波动、受叶片尾流影响以及机组升降维护过程中，始终处于可靠连接状态。

进一步地，主控系统包括与海流计连接的分析模块，分析模块用于根据主轴旋转方向、转速及海流计5测量数据准确评估潮流流向，分析模块采用多项式结合双向判断策略进行拟合计算。海流计主要测量潮水流动的方向及流速，具有3d剖面流速、流向测量功能，分析模块根据海流特征，采用多项式结合双向判断策略，进行传递函数修正计算，为机组提供潮流状态，如图4所示，主控系统根据最终计算结果进行变桨控制。现有的主要根据海流计的监测数据为依据判断潮流流向，判断不够准确，本发明依据的主控系统根据多项式结合双向判断策略，综合考虑主轴转向和转速评估潮流流向更加准确，从而使变桨控制更加准确。

另一方面，提供一种双向发电的潮流能发电机组的控制系统，包括桨叶360°变桨策略、潮流流向双向判断策略、双向控制策略和/或转矩控制策略及及存储用于实现相应策略的计算机程序的存储介质，用于实现上述实施例中的变桨控制、潮流流向判断、双向控制及转矩控制。

本发明的工作流程图见图3，具体的：

1)待机状态下，通过基座的升降机，将机组水下部分整体浸置于海水中；

2)海流计将测得的海水流速、流向数据自动传递给主控系统，主控系统的分析模块通过综合判断潮流能状态，再根据预先设定的状态值自动启动；并将数据送到变桨系统进行桨叶控制；

3)变桨系统控制桨叶开桨，进行桨叶角度变换，从而实现桨叶正面对准潮流能来向；

4)依靠海洋潮流的定向流动推动该装置的桨叶旋转，通过控制桨叶的角度调整桨叶吸收潮流能量的数值；

5)桨叶通过潮流能获得的升力，将潮流能转化为桨叶旋转的动能，再将该动能传到装置主轴带动主轴旋转；

6)主轴将能量传递给齿轮箱，齿轮箱通过转速变换后，带动永磁同步发电机旋转发电；发电机转化的电能通过电缆，连接到位于海面以上的平台，传递给全功率变流器；

7)变流器控制发电机电磁转矩，来控制发电机与桨叶转速，从而控制桨叶转速在一定安全范围内。同时，将电机发的电能变换为与电网同频、同相位、同幅值、同初相角的电能送入电网，完成潮流能发电过程。

8)当海流计检测到潮水流速、流向低于机组的切入设定或高于机组的切出设定时，主控系统可以执行停机指令，使机组正常停机。

另外，本发明的安全系统独立于主控系统，且优先级高于机组所有模块。当安全系统检测到危及机组安全运行的信号后，可不通过主控系统，直接控制机组各部件直接向停机状态转化，及时保护机组安全。

本发明利用潮流流向计测量海水流向、流速，通过变桨系统实现对潮汐能的双向捕捉，在涨潮、退潮时均可进行发电，并能根据水流大小实现对潮汐能定量的捕捉。并通过主控系统、安全系统及故障监控系统实现机组的高效、安全运行。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。