用于调整波浪发电设备中的质量和旋轮转子的转矩的方法和系统与流程

本发明涉及一种用于就转矩方面调整波浪发电设备的转子的方法和系统。围绕竖直轴转动的转子的转矩是部分地或完全地由电动机器产生的力矩来补偿的。

申请人的更早的国际专利申请wo2013/156674a2披露了一种用于优化本体倾斜度和力矩的协调的解决方案。在那里，本体被塑造成被淹没在水下足够深度的竖直或倾斜的墙壁。通过利用波浪的内流，建立了在本体的倾斜中的、也可以利用水平加速度引起的力矩的阶段。这对于以符合波浪表面的方向的方式来浮动的本体是不可能的。由倾斜和加速度产生的力矩现在总结为死质量转矩。在使用旋轮(spinningwheel)的情况下，旋轮产生的转矩和死质量产生的转矩在转子的回转过程中交替并且每个转矩在该回转过程中工作两次，由此产生通常以约90°的间隔重复的转矩并且努力使转子朝相同的转动方向转动。这种安排对于在水平方向较长的本体是有益的。

申请人的更早的国际申请wo2014/001627a1和wo2015/040277a1披露了一种波浪发电设备，其中本体具有的水平长度大小范围与其高度相同。在这种情况下，可以用通过其将本体设置成回旋运动的安排来进一步增强操作，即，使转子轴的这种倾斜能够围绕理论竖直轴线抵抗转子轴来回斜地回转。因此，转子倾斜转动力矩始终可用。同样，旋轮产生的力矩在整个回转中是连续的。

先前已知通过调整如发电机的电动机器的负载来调整补偿力矩。然而，待补偿的转矩非线性地波动并且方式难以预料。这使得补偿调整具有挑战性，并且调整设备复杂且昂贵。

本发明的目的是提供一种方法和系统，通过该方法和系统可以以比以前更简单、更容易且更有效的方式来调整力矩，由此改进波浪发电设备的运行可靠性和性能输出，同时简化调整系统。本发明的具体目的还是使得能够将基于旋轮力的补偿因数添加到基于质量力确定的补偿因数上。

这个目的是通过本发明的发明基于所附权利要求1中介绍的特征来达到的。该目的也通过权利要求8所介绍的系统特征来达到的。在从属权利要求中介绍了本发明的优选实施例。

本发明的方法和系统特别适用于能够为转子轴产生尽可能纯净的回旋运动的波浪发电设备。所定义的回旋运动和本发明的力矩调整的组合可以用于使得在甚至不规则的波浪中也能够实现连续的转动运动和连续的能量产生。换言之，本发明可以用于改进波浪发电设备在各种不同波浪状况下的输出性能和工作能力。

因此，在本发明中已经实现了为补偿力矩的调整创造条件，其方式例如为使转子的旋转速度可以维持相对恒定，从而使得容易使旋转速度与现有波浪条件同步。本发明特别适用于波浪发电设备，其中本体平面的倾斜既在与该平面垂直的方向上又在与该平面平行的方向上同时发生，组合运动由此产生回旋运动。在这种背景下，回旋运动是指转子轴的锥形运动路径，这种锥形具有圆形形式以外的截面，例如椭圆形。结果，响应于波浪的流动，本体和转子轴具有其主要在转动方向上围绕竖直轴线回转或转动的倾斜方向。波浪周期决定了本体倾斜方向的旋转速度。

此外，本发明还能够利用本申请人的更早的专利申请wo2013/156674a2中披露的益处，即倾斜和水平加速度在倾斜/重力和运动加速度的力矩彼此强化的这样的阶段中彼此重合。此外，可以如所希望地将旋轮力的力矩用作转子的转动均衡器。这样做的结果是高且相对一致的力矩和高输出性能。

配备有本发明的补偿力矩调整的波浪发电设备，无论波浪大小如何，都以高效率和相当一致的方式发电，因为典型的自然波浪的长度/高度尺寸差不多是恒定的。

现在将参考附图甚至更加精确地展示和描述本发明，在附图中：

图1示出了用于执行本发明的方法的系统图；

图2展示了将本发明的调整应用于图1的系统中的转子；

图3a示出了在与图2的加速度向量相差的转子滞后在-pi-pi的角范围内时根据转子滞后完全补偿力矩的调整曲线图或补偿因数b；

图3b示出了一个斜坡k，其可以用于在波浪发电设备正在发电的情况下在希望时使滞后倍增，即转子具有为正的滞后角；

图3c示出了根据滞后乘以图3b的因数确定的补偿曲线图；

图3d示出了附加倍增因数(s)，其取决于转子的角速度，并且补偿因数b可以与其相乘来保持转子速度接近目标速度，即对应于平均波浪周期的速度；

图3e示出了用于禁止转子朝负方向旋转的一个斜坡；

图4示出了与图1类似的与飞轮部分的补偿有关的系统图。

在图1中以原理示意图示出了本发明的调整系统的一个优选实现方式。转子2和本体1在结构上可以属于任何已知类型，例如属于在以上引用的申请中描述的类型。这些不构成本发明的目的，不再进一步讨论。

本体1的淹没部分的竖直尺寸通常大于截面的水平尺寸。优选地，本体的高度的超过80％在水下，并且本体1的尺寸被确定成在竖直方向上延伸到大幅度存在波浪运动的深度。本体1漂浮在水上，并系泊的方式使得当本体与波前w接触时，本体来回摆动或进行回旋运动。

转子2被支撑在本体上以围绕竖直轴5转动。转子包括臂3，该臂的一端通过轴承安装在竖直轴上，而另一端承载具有的质量用字母m表示的重质量4。质量4沿着路径6、例如沿顺时针方向循环。转子2驱动发电机7，该发电机通过变换器8向输出线路9供给电力。转子产生有待补偿的力矩，应调整转子以便使转子的角位置和角速度关于本体的移动是有利的。本体的加速度向量的方向与转子的方向之间的差异产生转子轴5的转矩。

在这种安排中，转子2能够不仅利用本体的倾斜(回旋)和重力产生的转动力矩，而且还利用水平加速度、即投影到转子的转动平面上的加速度向量产生的力矩。俯仰方向上的加速度与波浪传播方向平行。在最大加速度时，转子的方向与加速度向量之间的相位角是它应是的样子(优选为30-90度)，这个力矩以及时方式在正确方向上工作。

加速度传感器11被定位成基本上与转子2的轨迹6齐平，例如邻近轨迹或靠近竖直轴5。加速度传感器11优选地是用于测量x、y和z方向上的加速度的3d加速度传感器、并且关于旋轮转子(图4)而言是加速度和倾斜速度传感器21(惯性传感器)。加速度数据和关于转子的角位置的信息通过信号路径12、13和14传送到包括在信号处理单元19中的框15中，在该框中计算补偿力矩以用于基本调整。对于基本调整，将在彼此垂直的方向上测量本体1的给定点的加速度accx和accy，这些方向与转子的轨道平面是同一方向，并且将建立测得的加速度的、具有大小为和方向为αacc的向量vxy。进一步监测转子2的方向，即角位置α，并根据加速度向量vxy的方向αacc确定及其滞后αlag。通过此信息确定可用于调整补偿力矩的补偿因数b。补偿因数b的子因数包括加速度向量vxy的大小和滞后角的正弦值(sinαlag)。

因此，从以下公式获得补偿因数b

在图3a中展示了由此建立的补偿因数b(基本调整曲线图/基线)与滞后αlag之间的关系。因此，转子滞后可以始终表示为-pi-pi范围内的角度。当+/-pi改变符号时，补偿因数b为零。

当考虑到转子的质量m和臂3的长度e时，结果是有用的补偿力矩

tcomp＝b·m·e(2)

在如发电机7的电动机器中使用这个补偿力矩tcomp使得能够对转子转矩进行部分或完全补偿。在图1的系统中，基于传感器数据，在单元15中计算补偿因数b和补偿力矩(公式2)。

如果如此使用补偿因数b，即具有100％的效果，则即使本体的加速度波动，补偿力矩也努力保持转子的旋转速度不变。

补偿因数b可以乘以一因数(图3b)，其中0代表根本无补偿，1代表100％补偿，而1以上的值代表过补偿，由此使转子进一步落在本体倾斜方向后面，即滞后趋于增大。

如果希望波浪发电设备始终发电，则当转子沿顺时针方向(正速度)旋转时，可以使滞后角为负时的补偿因数为零，并且可以将正的滞后角与图3b在所示的斜坡相乘。因此，用于确定补偿因数b的滞后角(αlag)乘以斜坡型校正因数k，该滞后角从值0变到值pi时，该校正因数的值减小。校正因子k优选地被选择成其方式为使得校正后的补偿因数bk努力将转子驱动到在1/3pi-¹/2pi的范围内的滞后角(αlag)。这在图3c中更精确地示出，其中补偿曲线图bk在理想条件下努力将转子驱动到与图3c中呈现的曲线图的交叉点相对应的滞后。

可以通过使用从波浪状况传感器18获得的关于波浪高度的信息来确定倍增因数k。可以实验式地搜索就波浪高度或其他波浪信息而言的倍增因数k的最佳值。

此外，可以通过保持转子速度接近目标速度，即对应于平均波浪周期的速度，来改进补偿调整。因此，补偿因数b可以乘以与速度相关的附加倍增因数s，该附加倍增因数是通过监测转子的角速度和平均波浪周期而获得的。转子的角速度和平均波浪周期可以直接从测量本体的加速度的加速度传感器或从分开的波浪状况传感器18获得。图3d描绘了与速度相关的附加倍增因数s的实例，其例如是二次函数。

因此，可以通过电动机器来补偿转子的转矩(其同时是使发电机7转动的力矩)为：

当ω>0时，t(αlag，ω)＝b(αlag)·m·e·k(αlag)·s(ω)(3)

将根据波浪状况非线性变化的这个力矩的幅值作为沿着线10的调节变量被供给到变换器8，该变换器努力将力矩维持在与调整变量相匹配的值。

通过根据图3e中呈现的斜坡就可以阻止转子在负方向上的转动，并且由此加快重新启动。在这种情况下，供给到电动机器的力矩是：

当ω≤0时，t＝r·ω。(4)

补偿调整应进一步涉及到输入旋轮力。这将参照图4进行讨论。在图4中，发电机7对于旋轮和质量转子部分而言是共同的。惯性传感器21测量的本体的旋转速度是较早描述的回旋运动。惯性传感器21将本体的旋转速度测量为分量，即围绕x、y和z轴线的转动。(在这种情况下，主要是围绕水平x轴和y轴，并且z分量可以忽略)。在信号处理和计算单元(25)中建立了旋转速度的x和y向角速度(avx和avy)的结果，并且计算转子的所建立的结果角速度与方向(α)之间的角偏差(laggyro)。

如上所述处理质量力。旋轮力以相应的方式进行处理，但是必须以本体倾斜的旋转速度avx-y(来自惯性传感器21)来代替vx-y加速度，并且必须用旋轮力代替质量，该旋轮力取决于旋轮的惯性i和旋转速度ωs。因此，基于旋轮力的补偿因数为

其中

av＝从惯性传感器21获得的本体的转动运动或回旋运动的角速度。因此，平方根表达式是x和y向角速度的结果；

laggyro＝av结果与转子的方向α之间的角偏差；并且

ωs＝旋轮的旋转速度。

通过使补偿因数bav与旋轮的惯性i相乘来获得旋轮力的补偿力矩。

应注意，公式中使用的滞后laggyro现在是根据本体的旋转向量(来自惯性传感器)与转子方向之间的角度计算的。

前述公式中已经检查过的是补偿因数的绝对值。随着转子在选择的运行方向上旋转，这一力矩被作为与旋转方向相反的量递送给控制器。因此，问题是关于发电。这也适用于旋轮部分，只要旋轮具有的旋转方向使得旋轮的顶边缘沿对于转子而言所期望的旋转方向行进即可。

如果在上述情况不同的条件下期望使用补偿，则公式(1)和(5)中存在的正弦规则可以被标记以负号。因此，问题并非在于发电，而是作为电机的转子来运行，这可以偶尔地用于改进动作的连续性。

质量力的补偿力矩(包括可能的调整加权)和旋轮力的补偿力矩(包括可能的调整加权)最终被加和并且递送到发电机7。

从旋轮24到达发电机7的轴处的力矩是根据旋轮的参数计算的。这一力矩可以作为反转矩被递送到发电机7，即便全时全载也是如此。在这种情况下，滞后是通过质量转子的补偿系数来调整的。如果期望的话，可以通过以类似于图1的方式将与地点相关的递增或递减倍增因数计算进入旋轮部分的补偿因数来提高滞后的可调整性。在图4的调整图中，可以在框26中计算这些可能的附加调整倍增因数。旋轮的质量和转子中存在的所有外围设备当然作为质量转子部分的“质量”起作用。