一种波浪能发电装置能量转换分层优化控制系统和方法与流程

本申请涉及波浪能发电技术领域，尤其涉及一种波浪能发电装置能量转换分层优化控制系统和方法。

背景技术：

由于深远海域海岛距离陆地主电网长，海上输电建设成本高，难以与陆地主电网实现并网，导致远离陆地的深远海域，海岛存在着供电方式单一、供电成本高等问题。

波浪能是海洋能中的其中一种，其由海洋表面的波浪运动所产生，由波动水中质点运动产生的动能和波面相对平均水面的垂直位移所具有的势能所构成。利用波浪能发电可部分替代深远海域海岛的柴油发电，为海岛提供可再生的清洁电能，助力深远海海岛开发建设。

波浪是一种随机发生的周期性运动，因此波浪能发电存在着很强的间歇性和不稳定性。为实现电能与波浪能的随机性和间歇性的解耦，波浪能发电装置通常在波浪能-电能转换过程中增加液压蓄能环节，形成了液压能量转换系统。在目前的采用波浪能-液压能-电能转换环节的波浪能发电装置中，更注重于发电装置的系统可靠性和对恶劣海洋环境的适应性，而能量转换系统各级的自动控制技术还有待提高，波浪能发电的能量转换效率、能量转换过程的可控性、电能输出稳定性和可控性还存在很大的提升空间。

技术实现要素：

本申请提供了一种波浪能发电装置能量转换分层优化控制系统和方法，用于有效提高波浪能发电装置能量转换效率、能量转换过程的可控性、电能输出稳定性和可控性。

有鉴于此，本申请第一方面提供了一种波浪能发电装置能量转换分层优化控制系统，包括自上而下连接的分层控制层、功能控制层和功能实现层；

所述分层控制层，用于接收海岛微电网的电能调度指令，对所述功能控制层进行管控和将波浪能发电装置的实时运行状况上送到海岛微电网的监控系统；

所述功能控制层，用于接收所述分层控制层的控制指令和所述功能实现层上送的控制状态数据，对所述功能实现层进行管控；

所述功能实现层包括波浪能俘获系统控制单元、液压能量转换系统控制单元和电能变换系统控制单元；

所述波浪能俘获系统控制单元，用于基于波浪能-液压能最优阻尼匹配原则，根据波浪数据自动调节液压蓄能压力，在大浪状态下通过加大液压蓄能压力来提高吸波浮体受到的阻尼，在小浪状态下减小液压蓄能压力来降低吸波浮体受到的阻尼；

所述液压能量转换系统控制单元，用于对变排量液压马达的排量阀门进行控制，根据液压蓄能压力确定启动液压马达的数量，并根据功率输出指令调节液压马达的输出排量；

所述电能变换系统控制单元，用于根据所述功能控制层的功率输出指令控制波浪能发电装置电能变换系统的电能输出，通过变流器和储能系统的配合对波浪能发电装置电能变换系统的电能质量和功率特性进行控制。

可选地，所述功能实现层还包括结构应力监测单元和装置倾斜监测单元；

所述结构应力监测单元，用于对波浪能发电装置结构的受力情况进行监测，将恶劣海况下的波浪能发电装置结构受力异常状况进行告警，并上送波浪能发电装置的结构安全状况；

所述装置倾斜监测单元，用于对波浪能发电装置在海面的漂浮平衡状况进行监测，将恶劣海况下波浪能发电装置整体平衡异常状况进行告警，并上送波浪能发电装置的平衡安全状况。

可选地，所述功能实现层还包括消防监控单元和温湿监控单元；

所述消防监控单元，用于对波浪能发电装置的消防系统进行监控，上送所述消防系统的监控数据，并在所述消防系统异常时进行告警；

所述温湿监控单元，用于对波浪能发电装置的舱室温湿度进行监控，上送所述温湿监控数据，并在所述舱室温湿异常时进行告警。

可选地，所述功能实现层还包括闭路电视监控单元和视频存储单元；

所述闭路电视监控单元，用于获取设置在波浪能发电装置关键位置处的监控摄像头采集的图像和视频数据；

所述视频存储单元，用于存储所述图像和视频数据。

可选地，所述功能控制层包括智能能量监控模块、装置结构安全监控模块、消防与温湿监控模块和闭路电视监控模块；

所述智能能量监控模块用于管理所述波浪能俘获系统控制单元、所述液压能量转换系统控制单元和所述电能变换系统控制单元；

所述装置结构安全监控模块用于管理所述结构应力监测单元和所述装置倾斜监测单元；

所述消防与温湿监控模块用于管理所述消防监控单元和所述温湿监控单元；

所述闭路电视监控模块用于管理所述闭路电视监控单元和所述视频存储单元。

本申请第二方面提供了一种波浪能发电装置能量转换分层优化控制方法，包括：

接收海岛微电网的电能调度指令；

获取波浪数据，基于波浪能-液压能最优阻尼匹配原则，根据所述波浪数据和所述电能调度指令自动调节液压蓄能压力，在大浪状态下通过加大液压蓄能压力来提高吸波浮体受到的阻尼，在小浪状态下减小液压蓄能压力来降低吸波浮体受到的阻尼；

根据所述液压蓄能压力控制启动液压马达的数量，并根据所述电能调度指令的功率输出指令调节液压马达的输出排量；

根据所述功率输出指令控制波浪能发电装置电能变换系统的电能输出，通过变流器和储能系统的配合对波浪能发电装置电能变换系统的电能质量和功率特性进行控制；

将所述波浪能发电装置的实时运行状况上送到海岛微电网的监控系统。

可选地，还包括：

获取所述波浪能发电装置结构的受力情况的监测数据，将恶劣海况下的所述波浪能发电装置结构受力异常状况进行告警，并获取所述波浪能发电装置的结构安全状况；

获取所述波浪能发电装置在海面的漂浮平衡状况的监测数据，将恶劣海况下波浪能发电装置整体平衡异常状况进行告警，并获取波浪能发电装置的平衡安全状况；

将所述波浪能发电装置的所述结构安全状况及所述平衡安全状况上送至所述海岛微电网的监控系统。

可选地，还包括：

对波浪能发电装置的消防系统进行监控，上送所述消防系统的监控数据，并在所述消防系统异常时进行告警；

对波浪能发电装置的舱室温湿度进行监控，上送温湿监控数据，并在所述舱室温湿异常时进行告警。

可选地，还包括：

获取设置在波浪能发电装置关键位置处的监控摄像头采集的图像和视频数据，对所述图像和视频数据进行存储。

可选地，还包括：将所述视频和图像数据上送至所述海岛微电网的监控系统

从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：

本申请中提供了一种波浪能发电装置能量转换分层优化控制系统，包括自上而下连接的分层控制层、功能控制层和功能实现层；

所述分层控制层，用于接收海岛微电网的电能调度指令，对所述功能控制层进行管控和将波浪能发电装置的实时运行状况上送到海岛微电网的监控系统；

所述功能控制层，用于接收所述分层控制层的控制指令和所述功能实现层上送的控制状态数据，对所述功能实现层进行管控；

所述功能实现层包括波浪能俘获系统控制单元、液压能量转换系统控制单元和电能变换系统控制单元；

所述波浪能俘获系统控制单元，用于基于波浪能-液压能最优阻尼匹配原则，根据波浪数据自动调节液压蓄能压力，在大浪状态下通过加大液压蓄能压力来提高吸波浮体受到的阻尼，在小浪状态下减小液压蓄能压力来降低吸波浮体受到的阻尼；

所述液压能量转换系统控制单元，用于对变排量液压马达的排量阀门进行控制，根据液压蓄能压力确定启动液压马达的数量，并根据功率输出指令调节液压马达的输出排量；

所述电能变换系统控制单元，用于根据所述功能控制层的功率输出指令控制波浪能发电装置电能变换系统的电能输出，通过变流器和储能系统的配合对波浪能发电装置电能变换系统的电能质量和功率特性进行控制。

本申请提供的波浪能发电装置能量转换分层优化控制系统，采用三层系统架构，第一层为分层控制层，为最高层，第二层为功能控制层，第三层为功能实现层，分层控制层负责接收海岛微电网的电能调度指令，并对功能控制层进行管理，同时也将波浪能发电装置的实时运行状况上送给海岛微电网的监控系统，功能控制层负责接收分层控制层的控制指令，并对功能实现层进行统一管理，功能实现层的波浪能俘获系统控制单元采用波浪能-液压能最优阻尼匹配技术，可根据波浪的大小状况自动调节液压蓄能压力，在大浪下通过加大液压蓄能压力而提高吸波浮体受到的阻尼，小浪下通过减小液压蓄能压力而降低吸波浮体受到的阻尼，从而实现大小浪状况下吸波浮体对波浪能俘获效率的提高；液压能量转换系统控制单元对变排量液压马达的排量阀门进行控制，一方面根据液压蓄能器内部压力确实启动液压马达的数量，另一方面则根据功率输出要求调节液压马达的输出排量，从而提高液压马达功率输出的连续性和可控性；电能变换系统控制单元根据功能控制层的功率指令控制波浪能发电装置电能变换系统的电能输出，通过变流器及储能系统的配合对波浪能发电装置的电能质量和功率特性进行控制；波浪能俘获系统控制单元、液压能量转换系统控制单元、电能变换系统控制单元的控制状态均上送到功能控制层，由功能控制层根据功率匹配关系进行统一管理，从而实现波浪能俘获系统、液压能量转换系统以及电能变换系统之间的功率匹配及运行优化，提高波浪能发电装置的波浪能-液压能-电能多级能量转换系统的效率及可控性，从而提高波浪能发电装置电能输出的可控性和稳定性，有利于波浪能发电装置从海岛微电网的并网协调运行。因此，本申请提供的波浪能发电装置能量转换分层优化控制系统能够有效提高波浪能发电装置能量转换效率、能量转换过程的可控性、电能输出稳定性和可控性。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例中提供的一种波浪能发电装置能量转换分层优化控制系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例1

为了便于理解，请参阅图1，本申请提供的一种波浪能发电装置能量转换分层优化控制系统的一个实施例，包括自上而下连接的分层控制层、功能控制层和功能实现层；

分层控制层，用于接收海岛微电网的电能调度指令，对功能控制层进行管控和将波浪能发电装置的实时运行状况上送到海岛微电网的监控系统；

功能控制层，用于接收分层控制层的控制指令和功能实现层上送的控制状态数据，对功能实现层进行管控；

功能实现层包括波浪能俘获系统控制单元、液压能量转换系统控制单元和电能变换系统控制单元；

波浪能俘获系统控制单元，用于基于波浪能-液压能最优阻尼匹配原则，根据波浪数据自动调节液压蓄能压力，在大浪状态下通过加大液压蓄能压力来提高吸波浮体受到的阻尼，在小浪状态下减小液压蓄能压力来降低吸波浮体受到的阻尼；

液压能量转换系统控制单元，用于对变排量液压马达的排量阀门进行控制，根据液压蓄能压力确定启动液压马达的数量，并根据功率输出指令调节液压马达的输出排量；

电能变换系统控制单元，用于根据功能控制层的功率输出指令控制波浪能发电装置电能变换系统的电能输出，通过变流器和储能系统的配合对波浪能发电装置电能变换系统的电能质量和功率特性进行控制。

需要说明的是，波浪的大小由波浪特性决定，波浪特性取决于三个参量：波高、波长和波周期，大浪和小浪的等级区分可根据实际情况由波浪特性来确定，在此不做具体的划分。

本申请实施例中提供的波浪能发电装置能量转换分层优化控制系统，采用三层系统架构，第一层为分层控制层，为最高层，第二层为功能控制层，第三层为功能实现层，分层控制层负责接收海岛微电网的电能调度指令，并对功能控制层进行管理，同时也将波浪能发电装置的实时运行状况上送给海岛微电网的监控系统，功能控制层负责接收分层控制层的控制指令，并对功能实现层进行统一管理，功能实现层的波浪能俘获系统控制单元采用波浪能-液压能最优阻尼匹配技术，可根据波浪的大小状况自动调节液压蓄能压力，在大浪下通过加大液压蓄能压力而提高吸波浮体受到的阻尼，小浪下通过减小液压蓄能压力而降低吸波浮体受到的阻尼，从而实现大小浪状况下吸波浮体对波浪能俘获效率的提高；液压能量转换系统控制单元对变排量液压马达的排量阀门进行控制，一方面根据液压蓄能器内部压力确实启动液压马达的数量，另一方面则根据功率输出要求调节液压马达的输出排量，从而提高液压马达功率输出的连续性和可控性；电能变换系统控制单元根据功能控制层的功率指令控制波浪能发电装置电能变换系统的电能输出，通过变流器及储能系统的配合对波浪能发电装置的电能质量和功率特性进行控制；波浪能俘获系统控制单元、液压能量转换系统控制单元、电能变换系统控制单元的控制状态均上送到功能控制层，由功能控制层根据功率匹配关系进行统一管理，从而实现波浪能俘获系统、液压能量转换系统以及电能变换系统之间的功率匹配及运行优化，提高波浪能发电装置的波浪能-液压能-电能多级能量转换系统的效率及可控性，从而提高波浪能发电装置电能输出的可控性和稳定性，有利于波浪能发电装置从海岛微电网的并网协调运行。因此，本申请提供的波浪能发电装置能量转换分层优化控制系统能够有效提高波浪能发电装置能量转换效率、能量转换过程的可控性、电能输出稳定性和可控性。

实施例2

本申请提供的一种波浪能发电装置能量转换分层优化控制系统的另一个实施例，包括自上而下连接的分层控制层、功能控制层和功能实现层；

分层控制层，用于接收海岛微电网的电能调度指令，对功能控制层进行管控和将波浪能发电装置的实时运行状况上送到海岛微电网的监控系统；

功能控制层，用于接收分层控制层的控制指令和功能实现层上送的控制状态数据，对功能实现层进行管控；

功能实现层包括波浪能俘获系统控制单元、液压能量转换系统控制单元和电能变换系统控制单元；

波浪能俘获系统控制单元，用于基于波浪能-液压能最优阻尼匹配原则，根据波浪数据自动调节液压蓄能压力，在大浪状态下通过加大液压蓄能压力来提高吸波浮体受到的阻尼，在小浪状态下减小液压蓄能压力来降低吸波浮体受到的阻尼；

液压能量转换系统控制单元，用于对变排量液压马达的排量阀门进行控制，根据液压蓄能压力确定启动液压马达的数量，并根据功率输出指令调节液压马达的输出排量；

电能变换系统控制单元，用于根据功能控制层的功率输出指令控制波浪能发电装置电能变换系统的电能输出，通过变流器和储能系统的配合对波浪能发电装置电能变换系统的电能质量和功率特性进行控制。

功能实现层还包括结构应力监测单元和装置倾斜监测单元；

结构应力监测单元，用于对波浪能发电装置结构的受力情况进行监测，将恶劣海况下的波浪能发电装置结构受力异常状况进行告警，并上送波浪能发电装置的结构安全状况；

装置倾斜监测单元，用于对波浪能发电装置在海面的漂浮平衡状况进行监测，将恶劣海况下波浪能发电装置整体平衡异常状况进行告警，并上送波浪能发电装置的平衡安全状况。

功能实现层还包括消防监控单元和温湿监控单元；

消防监控单元，用于对波浪能发电装置的消防系统进行监控，上送消防系统的监控数据，并在消防系统异常时进行告警；

温湿监控单元，用于对波浪能发电装置的舱室温湿度进行监控，上送温湿监控数据，并在舱室温湿异常时进行告警。

功能实现层还包括闭路电视监控单元和视频存储单元；

闭路电视监控单元，用于获取设置在波浪能发电装置关键位置处的监控摄像头采集的图像和视频数据；

视频存储单元，用于存储图像和视频数据。

功能控制层包括智能能量监控模块、装置结构安全监控模块、消防与温湿监控模块和闭路电视监控模块；

智能能量监控模块用于管理波浪能俘获系统控制单元、液压能量转换系统控制单元和电能变换系统控制单元；

装置结构安全监控模块用于管理结构应力监测单元和装置倾斜监测单元；

消防与温湿监控模块用于管理消防监控单元和温湿监控单元；

闭路电视监控模块用于管理闭路电视监控单元和视频存储单元。

本申请实施例中，设置三层控制架构，结构简单、层次及功能分明、监控效率高，还设置了装置结构安全监控模块，包括结构应力监控单元及装置倾斜监控单元，分别对波浪能发电装置结构的受力情况及装置在海面的漂浮平衡状况进行监测，将恶劣海况下装置结构受力及装置整体平衡等异常状况进行告警，及时向运维人员反馈装置的生存状况，大大降低装置结构破损及倾覆的风险，提高波浪能发电装置在海上的生存能力。

实施例3

本申请中还提供了一种波浪能发电装置能量转换分层优化控制方法的实施例，该波浪能发电装置能量转换分层优化控制控制方法应用于上述波浪能发电装置能量转换分层优化控制控制系统实施例中的波浪能发电装置能量转换分层优化控制控制系统，包括以下步骤：

接收海岛微电网的电能调度指令；

获取波浪数据，基于波浪能-液压能最优阻尼匹配原则，根据波浪数据和电能调度指令自动调节液压蓄能压力，在大浪状态下通过加大液压蓄能压力来提高吸波浮体受到的阻尼，在小浪状态下减小液压蓄能压力来降低吸波浮体受到的阻尼；

根据液压蓄能压力控制启动液压马达的数量，并根据电能调度指令的功率输出指令调节液压马达的输出排量；

根据功率输出指令控制波浪能发电装置电能变换系统的电能输出，通过变流器和储能系统的配合对波浪能发电装置电能变换系统的电能质量和功率特性进行控制；

将波浪能发电装置的实时运行状况上送到海岛微电网的监控系统。

本申请实施例中提供的波浪能发电装置能量转换分层优化控制方法，采用三层系统架构，第一层为分层控制层，为最高层，第二层为功能控制层，第三层为功能实现层，分层控制层负责接收海岛微电网的电能调度指令，并对功能控制层进行管理，同时也将波浪能发电装置的实时运行状况上送给海岛微电网的监控系统，功能控制层负责接收分层控制层的控制指令，并对功能实现层进行统一管理，功能实现层的波浪能俘获系统控制单元采用波浪能-液压能最优阻尼匹配技术，可根据波浪的大小状况自动调节液压蓄能压力，在大浪下通过加大液压蓄能压力而提高吸波浮体受到的阻尼，小浪下通过减小液压蓄能压力而降低吸波浮体受到的阻尼，从而实现大小浪状况下吸波浮体对波浪能俘获效率的提高；液压能量转换系统控制单元对变排量液压马达的排量阀门进行控制，一方面根据液压蓄能器内部压力确实启动液压马达的数量，另一方面则根据功率输出要求调节液压马达的输出排量，从而提高液压马达功率输出的连续性和可控性；电能变换系统控制单元根据功能控制层的功率指令控制波浪能发电装置电能变换系统的电能输出，通过变流器及储能系统的配合对波浪能发电装置的电能质量和功率特性进行控制；波浪能俘获系统控制单元、液压能量转换系统控制单元、电能变换系统控制单元的控制状态均上送到功能控制层，由功能控制层根据功率匹配关系进行统一管理从而实现波浪能俘获系统、液压能量转换系统以及电能变换系统之间的功率匹配及运行优化，提高波浪能发电装置的波浪能-液压能-电能多级能量转换系统的效率及可控性，从而提高波浪能发电装置电能输出的可控性和稳定性，有利于波浪能发电装置从海岛微电网的并网协调运行。因此，本申请提供的波浪能发电装置能量转换分层优化控制系统能够有效提高波浪能发电装置能量转换效率、能量转换过程的可控性、电能输出稳定性和可控性。

进一步地，还包括：

获取波浪能发电装置结构的受力情况的监测数据，将恶劣海况下的波浪能发电装置结构受力异常状况进行告警，并获取波浪能发电装置的结构安全状况；

获取波浪能发电装置在海面的漂浮平衡状况的监测数据，将恶劣海况下波浪能发电装置整体平衡异常状况进行告警，并获取波浪能发电装置的平衡安全状况；

将波浪能发电装置的结构安全状况及平衡安全状况上送至海岛微电网的监控系统。

进一步地，还包括：

对波浪能发电装置的消防系统进行监控，上送消防系统的监控数据，并在消防系统异常时进行告警；

对波浪能发电装置的舱室温湿度进行监控，上送温湿监控数据，并在舱室温湿异常时进行告警。

进一步地，还包括：

获取设置在波浪能发电装置关键位置处的监控摄像头采集的图像和视频数据，对图像和视频数据进行存储。

进一步地，还包括：将视频和图像数据上送至海岛微电网的监控系统。

本申请实施例中的波浪能发电装置能量转换分层优化控制方法，在波浪能发电装置能量转换分层优化控制系统实施例中的系统中执行，能够取得与波浪能发电装置能量转换分层优化控制系统相同的效果，在此不再进行赘述。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，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申请各实施例技术方案的精神和范围。