本发明属于波力发电领域，具体涉及一种全电气波浪能发电实验系统。
背景技术
伴随科技的发展和现代化水平的提高，人类对一次能源的消耗量与日俱增。煤、石油、天然气等传统能源正面临枯竭，全球性的能源危机促使世界各国加大了对波浪能、风能等可再生能源的研究力度。海洋被认为是地球上最后的资源宝库。海洋表面水层中含有巨大的能量，而且可以不断地得到补充，取之不尽、用之不竭，因此成为了新的研究热点。我国海洋资源储量极其丰富，具有很高的开发和利用价值。研究波浪能发电对我国解决沿海地区的电力紧缺局面、建设与保护祖国孤岛以及实现海上强国之梦都具有重要的现实意义。
波浪能发电技术是通过波浪能吸收装置，将波浪能首先转换为机械能，再转换成电能。波浪发电机组现场研究实验存在很多缺点和不便，设备庞大、建造和维护耗资巨大，所以实验室的研究实验显得尤为重要。实验室研究可快速有效地对新技术、新设计、新产品进行试验、测试和验证，及早发现设计问题及安全隐患，从而达到降低技术风险、减少产品开发费用、缩短研究周期等目的。但是，现有的实验装置大多将波浪发电机组成比例缩小到实验级别进行模拟，一般包括造波水槽、设计制造的波浪能转换装置、数据采集系统等。这些实验装置需要占用大量的空间，装置建造繁琐，计算复杂，每种波浪能转换装置都需要重新进行相应的制造，人力成本、时间成本、经济成本巨大，实验失败的风险更高，不具有普遍适用性。
技术实现要素：
本发明针对以上问题，提供一种全电气波浪能发电实验系统，该实验系统拟采用相对简单的方法——全电气化等效电路模型，代替繁琐复杂的实验装置及设备，准确地实现对波浪能发电装置的实验模拟。技术方案如下：
一种全电气波浪能发电实验系统，包括用来模拟点吸收式单自由度波浪发电装置的模拟电路、异步电动机、永磁同步发电机和控制器，其特征在于，
所述的模拟电路，包括浮子的物理参数单元、浮子与入射波浪相互作用的单元、动力输出单元pto和连接线部分；
所述浮子的物理参数单元包括：第一电感(l1)、第一电容(c1)和第一直流电源(us1)；所述的第一电感(l1)由浮子质量mb等效，第一电容(c1)由浮子偏离平衡位置的位移引起静水力的可变部分ρgs等效，第一直流电源(us1)由浮子端受到的弹簧预紧力ρgvproload等效；
其中，所述第一直流电源(us1)的正极性端与第一电容(c1)的第一端连接；所述第一电容(c1)第二端与第一电感(l1)的第一端连接。
所述浮子与入射波浪相互作用单元包括：第一交流电源(us1)、第二交流电源(us1′)、第二电感(l2)、第三电感(l2′)、第一电阻(r1)、第二电阻(r1′)；所述第一交流电源(us1)由缆绳张紧状态下入射波对浮子的作用力fe作为驱动力等效，第二交流电源(us1′)由缆绳松弛状态下入射波对浮子的作用力fe作为驱动力等效，第二电感(l2)由缆绳张紧状态下的附加质量ma等效，第三电感(l2′)由缆绳松弛状态下的附加质量ma′等效，第一电阻(r1)由缆绳张紧状态下的辐射阻尼系数b等效，第二电阻(r1′)由缆绳松弛状态下的辐射阻尼系数b′等效；
其中，所述第一交流电源(us1)的两端分别连接第一电感(l1)的第二端和第二电感(l2)的第一端；所述第二电感(l2)的第二端连接第一电阻(r1)的第一端；所述第一电阻(r1)的第二端连接第一开关(s1)；所述第二交流电源(us1′)的两端分别连接第一电感(l1)的第二端和第三电感(l2′)的第一端；所述第三电感(l2′)的第二端连接第二电阻(r1′)的第一端；所述第二电阻(r1′)的第二端连接第二开关(s1′)；从所述的第一直流电源的正极性端引出端口ⅰ；
所述浮子的动力输出单元(pto)包括：第一可变电阻(r2)、第二电容(c2)、第三电容(c3)、第四电感(l3)、第二直流电源(us2)、第三直流电源(us3)、第四直流电源(us4)；所述的第一可变电阻(r2)由转子与定子部分重叠的面积(也称为有效面积比aact)等效，第二电容(c2)由回缩弹簧的弹簧系数ks等效，第三电容(c3)由止动弹簧的弹簧系数kend-stop等效，第四电感(l3)由转子质量mt等效，第二直流电源(us2)由转子端受到的弹簧预紧力fpreload等效，第三直流电源(us3)由转子的重力mtg等效，第四直流电源(us4)止动弹簧产生的压缩力kend-stopues等效。
其中，所述第二直流电源(us2)的负极性端连接第一直流电源(us1)的正极性端；所述第三直流电源(us3)的正极性端和第一可变电阻(r2)的第一端连接第二直流电源(us2)的正极性端；所述第四直流电源(us4)的正极性端连接第一可变电阻(r2)的第二端；所述第三电容(c3)的第一端连接第四直流电源(us4)的负极性端；所述第二电容(c2)的两端分别连接第三开关(s2)的和第四电感(l3)的第一端；所述第四电感(l3)的第二端连接第四开关(s3)；从所述第三直流电源(us3)的负极性端引出端口ⅲ；从所述第三电容(c3)的第二端引出端口ⅳ；从所述第一可变电阻(r2)的第二端引出端口ⅴ。
所述连接线部分作为桥梁连接上述三个主要部分，主要包括第四电容(c4)；所述第四电容(c4)由缆绳张紧时建模为弹簧的弹簧系数kline等效。
其中，所述第一直流电源的负极性端连接第四电容(c4)的第一端；从所述第四电容(c4)的第二端引出端口ⅱ。
所述第一开关(s1)可以置于端口ⅱ，表示连接线张紧状态下的浮子与波浪相互作用的情况；所述第二开关(s1′)可以置于端口ⅰ，表示连接线松弛状态下的浮子与波浪相互作用的情况；所述第三开关(s2)可以置于端口ⅱ或端口ⅲ，分别对应直线发电机转子在连接线的作用下提升和在转子重力作用下降落的情况；所述第四开关(s3)可以置于端口ⅳ或端口ⅴ，分别对应转子压缩止动弹簧和没有碰到止动弹簧的情况。开关s1、s2、s3通过连接不同的电路，得到装置不同的工作状态。
优选地，控制器采用基于自抗扰控制的异步电动机矢量控制算法，并加入除法环节，通过异步电动机转速、磁链、电流闭环实现输出转速控制，在电流闭环中，将检测到的三相电流进行静止3/2变换和旋转变换，得到dq坐标系下的定子电流isd和isq，分别与由转速调节器和磁链调节器输出的dq坐标系下的参考电流isd*和isq*比较，通过定子电流励磁分量调节器和定子电流转矩分量调节器构成电流闭环控制，四个调节器除磁链调节器使用pi调节以外，其余的均采用自抗扰控制器。
本发明通过简单的全电气模拟方法，实现了波浪能发电实验装置的简化，全电气模拟模块将波浪能转换装置等效成相应的电路模型，将波浪信息等效成电源，输出相应的电信号作为异步电动机的给定输入；由dsp控制器控制异步电动机的输出转矩随着给定输入变换，模拟波浪能转换装置输出的机械能，带动永磁同步发电机发电；输出电能通过dsp控制，经过相应的整流逆变过程供给负载，从而模拟整个波浪能发电的过程。本实验系统简化了繁琐复杂的实验装置，结构简单，易于实现，便于安装和维护，经济成本，对实验室研究及教学提供了便利；异步电动机采用带除法环节的矢量控制系统，调速范围较宽。通过这个环节使ist*增大，尽可能保证电磁转矩不变，消去对象中固有的乘法环节，实现转矩与磁链的动态解耦，降低转子磁链发生波动时对电磁转矩的影响。矢量控制系统采用自抗扰控制器，摒弃了传统的速度传感器，消除了转子电阻以及其他不确定扰动对系统稳定性的影响，而且对噪声有一定的抑制，提高了系统的抗扰能力和鲁棒性。
附图说明
图1是全电气波浪能发电实验系统示意图。
图中：1为异步电动机，将电信号转换为机械信号；2为变速齿轮箱，使异步电动机输出的机械转矩成比例地变化，以满足永磁同步发电机的输入需求；3为永磁同步发电机，能量转换的核心部分；4为数字信号处理(dsp)控制器，控制电动机的机械输出和发电机的电气输出。
图2是带除法环节的异步电动机矢量控制系统结构图。
图中：5为转速调节器，采用自抗扰控制器(adrc)；6为转子磁链调节器，采用pi控制器；7为定子电流励磁分量调节器，采用自抗扰控制器(adrc)；8为定子电流转矩分量调节器，采用自抗扰控制器(adrc)；9为除法环节，用以消除对象中的乘法环节，实现转矩与转子磁链的动态解耦。
图3是点吸收式单自由度波浪发电装置的等效电路图。
具体实施方式
参照图1、图2，根据相应的等效方法，将复杂的机械结构，在不改变本身性质的基础上，尽可能把复杂问题简化处理，用集总参数的基本电气元件描述系统的参考系、激振源、惯性、弹性和阻尼性。然后将不同类型、不同自由度的波浪能转换装置转化为对应的全电气化等效电路模型。
在等效电路模型中，“地”在系统中有且只有一个，作为系统的惯性参考系。激振源为系统提供外力或速度，是系统的能量来源。对于质量元件以及弹簧元件，能够起到储存以及释放机械能的作用。而对于阻尼元件，它的作用不是给系统提供机械能，相反，它能将机械能转变成势能、电能、电磁能等。由于力(或力矩)和速度(或角速度)集中反映了机械系统中的两种独立的储能形式(势能和动能)和物质运动形式(动量转移和位置变化)，类似于电压和电流在电系统中的地位(分别反映电场能和磁场能，电荷和磁链的运动)，因此将此二者作为机械系统的两个独立变量，用于各种机械元件的建模。机械工程学中，定义阻抗为激励与响应的比值。由于真实系统中作为激励的一般是定力源，响应一般是元件的位移、速度或加速度，因此规定：定力源与位移之比为位移阻抗，定力源与速度之比为速度阻抗，定力源与加速度之比为加速度阻抗，阻抗的倒数为导纳。旋转量的阻抗和导纳的定义依此类推。具体的等效原则如下：
力(f)→电压(u)
速度(v)→电流(i)
质量(m)→电感(l)
阻尼系数(c)→电阻(r)
刚度系数(k)→电容倒数(1/c)
然后，将设置或收集的波浪(既可以是规则波也可以是不规则波)信息，通过相应的等效原则转化为电源信号供给等效电路。等效电路输出的电压电流，模拟波浪能转换装置中输出的力或速度信息，作为参考信号，输入到由dsp矢量控制器4控制的异步电动机1，作为异步电动机1的输入参考转矩。电动机1输出的转矩通过变速齿轮箱2传输给永磁同步发电机3。如图1所示的波浪能转换装置的全电气模拟电路完全替代了波浪能转换装置将波浪能转化为机械能的部分，实现了其全电气模拟实验。由于波浪的随机性，发电机3发出的电能一般不能直接供给负载，需要经过三相pwm整流逆变过程，转化为负载能直接利用的电能，该整流逆变过程也通过dsp控制器4来进行控制。
图1中所述的dsp控制器4的主要功能如图2所示，其中，系统采用基于自抗扰控制的异步电动机矢量控制算法，并加入了除法环节，通过异步电动机转速(转换成电压信号)、磁链、电流闭环实现输出转速控制。在电流闭环中，该控制系统将检测到的三相电流(检测其中两相即可)进行静止3/2变换和旋转变换，得到dq坐标系下的定子电流isd和isq，分别与由转速调节器(asr)5和磁链调节器(aψr)6输出的dq坐标系下的参考电流isd*和isq*比较，通过定子电流励磁分量调节器(acmr)7和定子电流转矩分量调节器(actr)8构成电流闭环控制，四个调节器除磁链调节器6使用pi调节以外，其余的均采用自抗扰控制器(adrc)。经过定子电流励磁分量调节器7和定子电流转矩分量调节器8分别输出dq坐标系下的定子电压的给定值usd*和usq*，经过反旋转变换得到静止两相坐标系下的定子电流的给定值usα*和usβ*，再经过svpwm控制逆变器输出三相电压。磁链扩张状态观测器(eso)通过静止两相坐标系下的电流isα、isβ估计定子磁链幅值的观测值
得到
图1中所述的波浪能转换装置的全电气模拟电路的举例——点吸收式单自由度波浪能转换装置如图3所示。本发明的基于受力分析的点吸收式单自由度的波浪能发电装置的等效电路，主要包括浮子的物理参数单元、浮子与入射波浪相互作用的单元和动力输出单元(pto)三个部分，通过连接线部分进行连接。整个电路由电源、开关、电阻、电容和电感等元器件组成。
所述浮子的物理参数单元包括：第一电感(l1)、第一电容(c1)和第一直流电源(us1)；所述的第一电感(l1)由浮子质量mb等效，第一电容(c1)由浮子偏离平衡位置的位移引起静水力的可变部分ρgs等效，第一直流电源(us1)由浮子端受到的弹簧预紧力ρgvproload等效。
其中，所述第一直流电源(us1)的正极性端与第一电容(c1)的第一端连接；所述第一电容(c1)第二端与第一电感(l1)的第一端连接。
所述浮子与入射波浪相互作用单元包括：第一交流电源(us1)、第二交流电源(us1′)、第二电感(l2)、第三电感(l2′)、第一电阻(r1)、第二电阻(r1′)；所述第一交流电源(us1)由缆绳张紧状态下入射波对浮子的作用力fe作为驱动力等效，第二交流电源(us1′)由缆绳松弛状态下入射波对浮子的作用力fe作为驱动力等效，第二电感(l2)由缆绳张紧状态下的附加质量ma等效，第三电感(l2′)由缆绳松弛状态下的附加质量ma′等效，第一电阻(r1)由缆绳张紧状态下的辐射阻尼系数b等效，第二电阻(r1′)由缆绳松弛状态下的辐射阻尼系数b′等效。
其中，所述第一交流电源(us1)的两端分别连接第一电感(l1)的第二端和第二电感(l2)的第一端；所述第二电感(l2)的第二端连接第一电阻(r1)的第一端；所述第一电阻(r1)的第二端连接第一开关(s1)；所述第二交流电源(us1′)的两端分别连接第一电感(l1)的第二端和第三电感(l2′)的第一端；所述第三电感(l2′)的第二端连接第二电阻(r1′)的第一端；所述第二电阻(r1′)的第二端连接第二开关(s1′)；从所述的第一直流电源的正极性端引出端口ⅰ。
所述浮子的动力输出单元(pto)包括：第一可变电阻(r2)、第二电容(c2)、第三电容(c3)、第四电感(l3)、第二直流电源(us2)、第三直流电源(us3)、第四直流电源(us4)；所述的第一可变电阻(r2)由转子与定子部分重叠的面积(也称为有效面积比aact)等效，第二电容(c2)由回缩弹簧的弹簧系数ks等效，第三电容(c3)由止动弹簧的弹簧系数kend-stop等效，第四电感(l3)由转子质量mt等效，第二直流电源(us2)由转子端受到的弹簧预紧力fpreload等效，第三直流电源(us3)由转子的重力mtg等效，第四直流电源(us4)止动弹簧产生的压缩力kend-stopues等效。
其中，所述第二直流电源(us2)的负极性端连接第一直流电源(us1)的正极性端；所述第三直流电源(us3)的正极性端和第一可变电阻(r2)的第一端连接第二直流电源(us2)的正极性端；所述第四直流电源(us4)的正极性端连接第一可变电阻(r2)的第二端；所述第三电容(c3)的第一端连接第四直流电源(us4)的负极性端；所述第二电容(c2)的两端分别连接第三开关(s2)的和第四电感(l3)的第一端；所述第四电感(l3)的第二端连接第四开关(s3)；从所述第三直流电源(us3)的负极性端引出端口ⅲ；从所述第三电容(c3)的第二端引出端口ⅳ；从所述第一可变电阻(r2)的第二端引出端口ⅴ。
所述连接线部分作为桥梁连接上述三个主要部分，主要包括第四电容(c4)；所述第四电容(c4)由缆绳张紧时建模为弹簧的弹簧系数kline等效。
其中，所述第一直流电源的负极性端连接第四电容(c4)的第一端；从所述第四电容(c4)的第二端引出端口ⅱ。
所述第一开关(s1)可以置于端口ⅱ，表示连接线张紧状态下的浮子与波浪相互作用的情况；所述第二开关(s1′)可以置于端口ⅰ，表示连接线松弛状态下的浮子与波浪相互作用的情况；所述第三开关(s2)可以置于端口ⅱ、ⅲ，分别对应直线发电机转子在连接线的作用下提升和在转子重力作用下降落的情况；所述第四开关(s3)可以置于端口ⅳ、ⅴ，分别对应转子压缩止动弹簧和没有碰到止动弹簧的情况。开关s1、s2、s3通过连接不同的电路，得到装置不同的工作状态，参照表1。
表1单自由度波浪发电装置的工作状态