一种用于满足交直流独立供电的波浪能发电系统及其运行控制方法与流程

本发明属于波浪能发电控制技术领域，涉及一种用于满足交直流独立供电的波浪能发电系统及其运行控制方法。

背景技术：

波浪能发电(wavepowergeneration)即利用海浪运动的机械能转换为电能输出，是目前海洋能发电应用和研究的热点之一。波浪能在开发过程中对环境影响最小，是品位最高的海洋能源，有着广阔的商用前景。全球波浪能流储量平均可达1～10tw，英国海岸线可开采的波浪能储量每年接近50twh，挪威海岸线为23twh，日本和美国西海岸的海岸线估计有10～15twh和25twh可开发的波浪能资源。我国大陆海岸线长达一万八千公里，波浪能总储量高达7～17twh，其中渤海、黄海和东海占1twh，在清洁可再生能源中具有得天独厚的开发潜力。

目前对于波浪能发电技术的研发与应用多聚焦于波浪能发电装置本体，重点在于突破波浪能发电装置的最大能量捕获技术、波浪能发电装置在恶劣海况下的生存技术。目前，大规模波浪能发电的成本还难以与常规能源发电竞争，但特殊用途的小功率、独立性的波浪能发电，已在导航灯浮标、灯桩、灯塔等上获得推广应用。在边远海岛，小型波浪能发电已可与柴油发电机组发电竞争。

由于波浪能发电系统的广域分散性导致并网汇流送出的成本较高，因此波浪能发电系统的就地独立供电将是波浪能开发应用最为经济可行的一种方式。通过波浪能发电系统的就地独立部署，可为偏远海岛、海洋牧场、海洋平台等场景提供清洁、持续的电力供给，进而带动海洋资源开发、海洋养殖、海岛建设等相关产业的发展，并可为我国海防军事提供持续、可靠性的电力保障支持。

现有的波浪能发电独立供电技术方案中，普遍将波浪能发电装置与储能系统、光伏系统进行协同开发，没有考虑不同场景下不同类型交直流负荷的用电需求。同时，现有的技术方案没有考虑光、储等分布式电源以及交直流负荷与波浪能发电装置的一体化融合，从而导致了系统的组网及运行控制难度大，缺乏统一的模块化、标准化方案。

技术实现要素：

为解决现有技术中的不足，本申请提供一种用于满足交直流独立供电的波浪能发电系统及其运行控制方法，将波浪能发电装置、光伏系统、储能系统以及交直流负荷用电系统进行一体化融合，满足独立海岛、海洋牧场、海洋平台等场景提供清洁、持续、可靠的电力供给需求，达到“海能海用、就地取能”的目的，进而带动我国海洋经济的发展。

为了实现上述目标，本申请采用如下技术方案：

一种用于满足交直流独立供电的波浪能发电系统，所述波浪能发电系统包括波浪能捕获驱动装置、永磁同步发电机、机侧变流器、储能系统、直流负荷、网侧变流器和交流负荷；

所述波浪能捕获驱动装置驱动永磁同步发电机运行发电；

所述机侧变流器的交流侧与永磁同步发电机的定子输出侧连接；

所述机侧变流器用于控制永磁同步发电机的定子电流；

所述机侧变流器与网侧变流器的直流侧互联；

所述储能系统、直流负荷并联接入机侧变流器与网侧变流器之间；

所述网侧变流器的交流侧为就地的交流负荷提供交流母线。

本发明进一步包括以下优选方案：

优选地，所述波浪能捕获驱动装置、永磁同步发电机以及机侧变流器均安置于波浪能发电装置的本体装置中。

优选地，所述网侧变流器和储能系统均就近与各类用电场景中的交直流负荷就地部署。

优选地，所述机侧变流器与网侧变流器的直流侧通过直流母线互联；

所述储能系统、直流负荷并联接入直流母线。

优选地，所述机侧变流器与网侧变流器之间的直流母线采用海底电缆。

优选地，所述波浪能发电系统还包括直流光伏系统，直流光伏系统与储能系统和直流负荷并联接入直流母线。

优选地，所述直流光伏系统就近与各类用电场景中的交直流负荷就地部署。

优选地，所述直流光伏系统运行于最大能量捕获模式。

优选地，所述永磁同步发电机运行于最大功率点跟踪(maximumpowerpointtracking，mppt)模式；

所述机侧变流器运行于p/q模式，用于实现对波浪能的最大能量捕获；

所述储能系统运行于恒定电压输出模式，用于维持直流母线的电压稳定，进而保障机侧变流器与网侧变流器的稳定运行以及直流负荷的可靠供电；

所述网侧变流器运行于v/f模式，输出频率及幅值稳定的三相电压，保障交流负荷的持续、稳定运行。

优选地，所述机侧变流器和网侧变流器均采用三相半桥vsr结构。

优选地，所述三相半桥vsr结构包括第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管、第五功率开关管、第六功率开关管；

第一续流二极管、第二续流二极管、第三续流二极管、第四续流二极管、第五续流二极管、第六续流二极管；

直流滤波电容；

以及第一交流三相滤波电感、第二交流三相滤波电感、第三交流三相滤波电感；

所述第一功率开关管、第三功率开关管和第五功率开关管的漏极均接到直流侧直流滤波电容的正极；

第一功率开关管、第三功率开关管和第五功率开关管的源极分别与第二功率开关管、第四功率开关管和第六功率开关管的漏极相连接；

第二功率开关管、第四功率开关管和第六功率开关管的源极均接到直流侧直流滤波电容的负极；

所述第一续流二极管、第三续流二极管、第五续流二极管、第二续流二极管、第四续流二极管和第六续流二极管分别反并联在第一功率开关管、第三功率开关管、第五功率开关管、第二功率开关管、第四功率开关管和第六功率开关管的漏--源极之间；

所述第一交流三相滤波电感、第二交流三相滤波电感、第三交流三相滤波电感为交流侧滤波电感；

所述第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管、第五功率开关管、第六功率开关管的通断控制，用于实现所述三相半桥vsr结构整流状态、逆变状态的转换及直流侧电压、交流侧有功/无功功率的控制。

优选地，所述储能系统采用蓄电池组储能，蓄电池组并联接入buck-boost双向斩波器的低压侧；

所述buck-boost双向斩波器的高压侧并联接入直流母线，蓄电池组通过buck-boost双向斩波器进行充放电控制。

优选地，所述buck-boost双向斩波器包括储能电感、第七功率开关管、第八功率开关管和第七续流二极管、第八续流二极管；

蓄电池组的正极经储能电感接到第七功率开关管的漏极和第八功率开关管的源极；

所述第七功率开关管的源极接入蓄电池组的负极，第八功率开关管的漏极接入直流母线；

所述第七续流二极管、第八续流二极管分别反并联到第七功率开关管、第八功率开关管的漏--源极之间；

所述第七功率开关管及第八功率开关管的通断控制，用于实现能量在低压侧与高压侧之间的双向调节。

优选地，所述储能系统中，buck-boost双向斩波器的控制逻辑为：

将来源于直流母线的电压采样值udc与直流母线的电压控制目标udc_ref进行比较；

通过pi环节得到buck-boost双向斩波器的电感电流控制目标值；

经过实际电感电流il的比较，再经pi环节，得到相应的脉冲信号；

得到的脉冲信号输送至buck-boost双向斩波器的功率开光管，进而实现对直流母线电压的恒定控制。

优选地，所述机侧变流器的运行控制逻辑为：

采用dq旋转坐标系下的有功、无功解耦控制算法，将永磁同步发电机的实时转速n与最大能量捕获所需的转速目标值n_ref进行比较；

通过pi环节，得到有功电流指令目标isq_ref；

结合无功电流的指令目标isd_ref，分别通过pi环节，计算得出旋转坐标系下的电压的控制目标值vsd_ref和vsq_ref；

经过park矩阵变换，计算出两相静止坐标系下的电压控制目标；

再通过svpwm信号调制算法得到脉冲信号，进而输出至机侧变流器中的功率开关管中，最终实现对永磁同步发电机设定转速目标值n_ref的跟踪，实现波浪能的最大能量捕获。

优选地，所述网侧变流器的运行控制逻辑为：

网侧变流器运行v/f模式，控制系统实时采样网侧变流器输出的三相交流电压值；

经与三相交流电压目标值的比较后，经pi环节，得到输出电流在两相旋转坐标系下的控制目标值；

再经pi环节以及svpwm信号调制算法得到脉冲信号，进而输出至网侧变流器中的功率开关管中，产生幅值、频率稳定的三相电压，保障交流负荷的用电需求。

一种上述的用于满足交直流独立供电的波浪能发电系统的运行控制方法，所述方法包括：

所述波浪能捕获驱动装置驱动永磁同步发电机运行发电；

所述机侧变流器运行于mppt模式，控制永磁同步发电机的定子电流，实现对波浪能的最大能量捕获；

所述储能系统中，蓄电池组经buck-boost型双向斩波器控制运行于恒电压输出模式，控制机侧变流器与网侧变流器之间直流母线电压的稳定，保障机侧变流器与网侧变流器的稳定运行以及直流负荷的可靠供电；

所述网侧变流器运行于v/f模式，输出幅值、频率稳定的三相电压，保障交流负荷的稳定运行。

本申请所达到的有益效果：

(1)本发明将波浪能发电装置、储能系统、光伏系统以及交直流负荷进行了一体化、模块化融合与封装，极大提升了系统运行的协同性与稳定性，且不需要额外的能量管理系统，降低了用户的运行管理难度。

(2)本发明实现了波浪能发电系统、储能系统以及光伏系统的协同开发，能够独立为就地的交直流多样化负荷提供持续、清洁、可靠的电力供给，有助于带动海洋经济与海洋产业的发展。

附图说明

图1是本申请一种用于满足交直流独立供电的波浪能发电系统的结构图；

图2是本申请实施例中三相半桥vsr结构图；

图3是本申请实施例中buck-boost双向斩波器结构图；

图4是本申请实施例中机侧变流器的控制逻辑图；

图5是本申请实施例中buck-boost双向斩波器控制逻辑图；

图6是本申请实施例中网侧变流器控制逻辑图；

其中，附图标记的含义如下：

1-波浪能捕获驱动装置；2-永磁同步发电机；3-机侧变流器；4-直流母线；5-储能系统；6-直流负荷；7-直流光伏系统；8-网侧变流器；9-交流负荷；

g1-第一功率开关管；g2-第二功率开关管；g3-第三功率开关管；g4-第四功率开关管；g5-第五功率开关管；g6-第六功率开关管；g7-第七功率开关管；g8-第八功率开关管；

d1-第一续流二极管；d2-第二续流二极管；d3-第三续流二极管；d4-第四续流二极管；d5-第五续流二极管；d6-第六续流二极管；d7-第七续流二极管；d8-第八续流二极管；

c1-直流滤波电容；

l1-第一交流三相滤波电感；l2-第二交流三相滤波电感；l3-第三交流三相滤波电感；l4-储能电感。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。

本申请设计了一种用于满足交直流独立供电的波浪能发电系统结构与运行控制方法，提出了波浪能发电装置与储能系统5、光伏系统(采用直流光伏系统7)以及交直流用电负荷的一体化、模块化组网拓扑及其运行控制方法。

所述波浪能发电装置采用永磁同步发电装置，包括波浪能捕获驱动装置1、永磁同步发电机2以及背靠背变流器，所述背靠背变流器包括机侧变流器3以及网侧变流器8。

具体的：

图1是本申请一种用于满足交直流独立供电的波浪能发电系统的结构图，如图1所示，本申请的一种用于满足交直流独立供电的波浪能发电系统，包括：

波浪能捕获驱动装置1、永磁同步发电机2、机侧变流器3、直流母线4、储能系统5、直流负荷6、网侧变流器8和交流负荷9；

所述波浪能捕获驱动装置1驱动永磁同步发电机2运行发电；

所述机侧变流器3的交流侧与永磁同步发电机2的定子输出侧连接；

所述机侧变流器3用于控制永磁同步发电机2的定子电流；

所述机侧变流器3与网侧变流器8的直流侧通过直流母线4互联；

所述储能系统5和直流负荷6并联接入直流母线4；

所述网侧变流器8的交流侧为就地的交流负荷9提供交流母线；

本申请实施例中，永磁同步发电机2运行于mppt模式；

所述机侧变流器3运行于p/q模式，用于实现对波浪能的最大能量捕获；

所述储能系统5运行于恒定电压输出模式，用于维持直流母线4的电压稳定，进而保障机侧变流器3与网侧变流器8的稳定运行以及直流负荷6的可靠供电；

所述网侧变流器8运行于v/f模式，输出频率及幅值稳定的三相电压，保障交流负荷9的持续、稳定运行。

所述波浪能发电系统还包括直流光伏系统7；

所述直流光伏系统7与储能系统5、直流负荷6并联接入直流母线4；

所述直流光伏系统7均就近与各类用电场景中的交直流负荷就地部署；

所述直流光伏系统7运行于最大能量捕获模式。

所述波浪能捕获驱动装置1、永磁同步发电机2以及机侧变流器3均安置于波浪能发电装置的本体装置中；

所述网侧变流器8、储能系统5均就近与各类用电场景中的交直流负荷就地部署；

所述机侧变流器3与网侧变流器8之间的直流母线4采用海底电缆。

所述机侧变流器3和网侧变流器8均采用三相半桥vsr结构。

图2是本申请实施例中三相半桥vsr结构图，如图2所示，所述三相半桥vsr结构包括第一功率开关管g1、第二功率开关管g2、第三功率开关管g3、第四功率开关管g4、第五功率开关管g5、第六功率开关管g6；

第一续流二极管d1、第二续流二极管d2、第三续流二极管d3、第四续流二极管d4、第五续流二极管d5、第六续流二极管d6；

直流滤波电容c1；

以及第一交流三相滤波电感l1、第二交流三相滤波电感l2、第三交流三相滤波电感l3；

所述第一功率开关管g1、第三功率开关管g3和第五功率开关管g5的漏极均接到直流侧直流滤波电容c1的正极；

所述第一功率开关管g1、第三功率开关管g3和第五功率开关管g5的源极分别与第二功率开关管g2、第四功率开关管g4和第六功率开关管g6的漏极相连接；

所述第二功率开关管g2、第四功率开关管g4和第六功率开关管g6的源极均接到直流侧直流滤波电容c1的负极；

所述第一续流二极管d1、第三续流二极管d3、第五续流二极管d5、第二续流二极管d2、第四续流二极管d4和第六续流二极管d6分别反并联在第一功率开关管g1、第三功率开关管g3、第五功率开关管g5、第二功率开关管g2、第四功率开关管g4和第六功率开关管g6的漏--源极之间；

所述第一交流三相滤波电感l1、第二交流三相滤波电感l2、第三交流三相滤波电感l3为交流侧滤波电感；

所述第一功率开关管g1、第二功率开关管g2、第三功率开关管g3、第四功率开关管g4、第五功率开关管g5、第六功率开关管g6的通断控制，用于实现所述三相半桥vsr结构整流状态、逆变状态的转换及直流侧电压、交流侧有功/无功功率的快速精确控制。

所述储能系统5采用蓄电池组储能；

所述蓄电池组并联接入buck-boost双向斩波器的低压侧；

所述buck-boost双向斩波器的高压侧并联接入直流母线，蓄电池组通过buck-boost双向斩波器进行充放电控制。

图3是本申请实施例中buck-boost双向斩波器结构图，如图3所示，所述buck-boost双向斩波器包括储能电感l4、第七功率开关管g7、第八功率开关管g8和第七续流二极管d7、第八续流二极管d8；

蓄电池组的正极经储能电感l4接到第七功率开关管g7的漏极和第八功率开关管g8的源极；

所述第七功率开关管g7的源极接入蓄电池组的负极，第八功率开关管g8的漏极接入直流母线3；

所述第七续流二极管d7、第八续流二极管d8分别反并联到第七功率开关管g7、第八功率开关管g8的漏--源极之间；

所述第七功率开关管g7及第八功率开关管g8的通断控制，用于实现能量在低压侧与高压侧之间的快速、精确双向灵活调节。

图4是本申请实施例中机侧变流器的控制逻辑图，如图4所示，所述机侧变流器3的运行控制逻辑为：

采用dq旋转坐标系下的有功、无功解耦控制算法，将永磁同步发电机2的实时转速n与最大能量捕获所需的转速目标值n_ref进行比较；

通过pi环节，得到有功电流指令目标isq_ref；

结合无功电流的指令目标isd_ref(一般设定为0，即单位功率因数运行)，分别通过pi环节，计算得出旋转坐标系下的电压的控制目标值vsd_ref和vsq_ref；

经过park矩阵变换，计算出两相静止坐标系下的电压控制目标；

再通过svpwm信号调制算法得到脉冲信号，进而输出至如图2所示的机侧变流器3中的功率开关管中，最终实现对永磁同步发电机2设定转速目标值n_ref的跟踪，实现波浪能的最大能量捕获。

图5是本申请实施例中buck-boost双向斩波器控制逻辑图；

如图5所示，储能系统5中，buck-boost双向斩波器的控制逻辑为：

将来源于直流母线4的电压采样值udc与直流母线4的电压控制目标udc_ref进行比较；

通过pi环节得到buck-boost双向斩波器的电感电流控制目标值；

经过实际电感电流il的比较，再经pi环节，得到相应的脉冲信号；

得到的脉冲信号输送至如图3所示的buck-boost双向斩波器的功率开光管，进而实现对直流母线电压的恒定控制。

通过采用上述控制方法，蓄电池组经buck-boost双向斩波器控制为维持直流母线4电压的稳定，会自动补偿波浪能发电输出、直流光伏系统7输出与交直流负荷用电需求之间的功率差额，保持系统的持续、可靠运行。

图6是本申请实施例中网侧变流器控制逻辑图；

如图6所示，所述网侧变流器8的运行控制逻辑为：

网侧变流器8运行v/f模式，控制系统实时采样网侧变流器8输出的三相交流电压值(由三相静止坐标系转换为两相旋转坐标系)；

经与三相交流电压目标值(由三相静止坐标系转换为两相旋转坐标系)的比较后，经pi环节，得到输出电流在两相旋转坐标系下的控制目标值；

再经pi环节以及svpwm信号调制算法得到脉冲信号，进而输出至如图2所示的网侧变流器8中的功率开关管中，产生幅值、频率稳定的三相电压，保障交流负荷的用电需求。

在本申请波浪能发电系统中，机侧变流器3、储能系统5、网侧变流器8分别运行于上述预先设定好的控制目标与控制逻辑，即可实现波浪能的最大能量捕获与交直流多样负荷持续可靠供电的需求，无需额外的能量管理调度系统的运行控制，极大降低的系统的运行管理难度，适于在海洋偏远地区的独立供电运行。

一种上述的用于满足交直流独立供电的波浪能发电系统的运行控制方法，所述方法包括：

所述波浪能捕获驱动装置1驱动永磁同步发电机2运行发电；

所述机侧变流器3运行于mppt模式，控制永磁同步发电机2的定子电流，实现对波浪能的最大能量捕获；

所述储能系统5中，蓄电池组经buck-boost型双向斩波器控制运行于恒电压输出模式，控制机侧变流器3与网侧变流器8之间直流母线4电压的稳定，保障机侧变流器3与网侧变流器8的稳定运行以及直流负荷6的可靠供电；

所述网侧变流器8运行于v/f模式，输出幅值、频率稳定的三相电压，保障交流负荷9的稳定运行。

综上所述，本申请将波浪能发电装置、储能系统、光伏系统以及交直流负荷进行了一体化、模块化融合与封装，极大提升了系统运行的协同性与稳定性，且不需要额外的能量管理系统，降低了用户的运行管理难度。

本申请实现了波浪能发电系统、储能系统以及光伏系统的协同开发，能够独立为就地的交直流多样化负荷提供持续、清洁、可靠的电力供给，有助于带动海洋经济与海洋产业的发展。

本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。