一种波浪能发电装置电能变换系统和控制方法

技术领域

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电能变换系统和控制方法。

背景技术

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，尤其是波浪能发电装置电能变换系统的能量转换过程的可控性、电能输出的稳定性和可控性需进一步提高。

发明内容

本申请提供了一种波浪能发电装置电能变换系统和控制方法，用于有效提高波浪能发电装置电能变换系统的能量转换过程的可控性、电能输出的稳定性和可控性。

有鉴于此，本申请第一方面提供了一种波浪能发电装置电能变换系统，包括液压蓄能装置、液压马达组、发电机组、整流器组、并网逆变器、升压变压器、锂电池储能装置和电能变换系统控制器；

所述液压蓄能装置通过液压母管连接所述液压马达组，所述液压马达组的液压马达与所述发电机组的发电机一一对应连接，所述发电机组的发电机与所述整流器组的整流器一一对应连接，所述整流器组通过直流母线连接所述并网逆变器，所述并网逆变器连接所述升压变压器，所述升压变压器的高压侧通过海底电缆连接海岛微电网，所述锂电池储能装置的输入端与所述直流母线连接，输出端与所述升压变压器的低压侧连接；

所述电能变换系统控制器用于接收所述海岛微电网的电网调度系统发送的调度指令，实时获取所述液压蓄能装置的液压值，当所述液压值达到阈值后，控制所述液压马达启动，带动所述发电机发电，对所述直流母线的电压进行监测，对所述整流器的直流输出电压进行调控，使得所述直流母线的电压维持稳定；

所述电能变换系统控制器还用于监测所述升压变压器的低压侧电压，根据所述低压侧电压控制所述并网逆变器的输出电压，使得交流电压维持稳定；

所述电能变换系统控制器还用于在所述发电机组发出的电能不足时，控制所述锂电池储能装置的锂电池组放电，协同所述并网逆变器维持交流电压稳定，当所述发电机组发出的电能多余时，控制所述锂电池储能装置的锂电池组充电，协同所述整流器维持所述直流母线电压稳定。

可选地，所述电能变换系统控制器还用于：

当所述锂电池组的电量下降至第一电量百分比时，控制所述锂电池组停止放电，当所述发电机发电时，优先向所述锂电池组充电，直至所述锂电池组的电量达第二电量百分比，当所述锂电池组的电量达第二电量百分比，将所述发电机所发的电输送到所述升压变压器，当所述发电机所发电能不足时，通过锂电池储能装置补足，当所述发电机所发电能有余，则继续向锂电池储能装置充电。

可选地，所述第一电量百分比为30％。

可选地，所述第二电量百分比为70％。

可选地，所述当所述液压值达到阈值后，控制所述液压马达启动，带动所述发电机发电，包括：

当所述液压值达到第一阈值时，启动第一额定功率的第一发电机对应的第一液压马达，带动所述第一发电机发电，在所述第一发电机发电过程中，所述液压蓄能装置持续将波浪能转换成液压能；

当所述液压值达到第二阈值时，启动第二额定功率的第二发电机对应的第二液压马达，带动所述第二发电机发电，在所述第一发电机和所述第二发电机发电过程中，所述液压蓄能装置持续将波浪能转换成液压能；

当所述液压值达到第三阈值时，启动第三额定功率的第三发电机对应的第三液压马达，带动所述第三发电机发电，在所述第一发电机、所述第二发电机和所述第三发电机发电过程中，所述液压蓄能装置持续将波浪能转换成液压能；

其中，所述第一阈值小于所述第二阈值，所述第二阈值小于所述第三阈值。

可选地，所述整流器组为IGBT整流器组。

可选地，所述锂电池储能装置包括：DC/DC变换器、所述锂电池组、储能变流器和储能系统控制单元；

所述DC/DC变换器的输入侧与所述直流母线连接，用于将所述直流母线的电压转换成预设的电压等级，从而把由波浪能转换而来的电能存储到锂电池组中；

所述锂电池组的输出端与所述储能变流器的输入端连接，所述储能变流器的输出端与所述升压变压器的低压侧连接，通过所述储能变流器将存储在所述锂电池组中的电能变换到所述升压变压器低压侧；

所述储能系统控制单元用于接收所述电能变换系统控制器的控制指令，根据所述控制指令对所述DC/DC变换器、所述锂电池组和所述储能变流器进行控制。

本申请第二方面提供了一种波浪能发电装置电能变换控制方法，所述波浪能发电装置电能变换控制方法应用于如第一方面任一种所述的波浪能发电装置电能变换控制系统，包括：

接收海岛微电网的电网调度系统发送的调度指令；

实时获取液压蓄能装置的液压值，当液压值达到阈值后，控制液压马达启动，带动发电机发电；

实时监测直流母线的电压，对整流器的直流输出电压进行调控，使得所述直流母线的电压维持稳定；

实时监测升压变压器的低压侧电压，根据所述低压侧电压控制并网逆变器的输出电压，使得交流电压维持稳定；

实时监测发电机组的发电电能，在所述发电机组发出的电能不足时，控制锂电池储能装置的锂电池组放电，协同所述并网逆变器维持交流电压稳定，当所述发电机组发出的电能多余时，控制所述锂电池储能装置的锂电池组充电，协同所述整流器维持所述直流母线电压稳定。

可选地，所述实时获取液压蓄能装置的液压值，当液压值达到阈值后，控制液压马达启动，带动发电机发电，包括：

所述实时获取液压蓄能装置的液压值；

当所述液压值达到第一阈值时，启动第一额定功率的第一发电机对应的第一液压马达，带动所述第一发电机发电，在所述第一发电机发电过程中，所述液压蓄能装置持续将波浪能转换成液压能；

当所述液压值达到第二阈值时，启动第二额定功率的第二发电机对应的第二液压马达，带动所述第二发电机发电，在所述第一发电机和所述第二发电机发电过程中，所述液压蓄能装置持续将波浪能转换成液压能；

当所述液压值达到第三阈值时，启动第三额定功率的第三发电机对应的第三液压马达，带动所述第三发电机发电，在所述第一发电机、所述第二发电机和所述第三发电机发电过程中，所述液压蓄能装置持续将波浪能转换成液压能；

其中，所述第一阈值小于所述第二阈值，所述第二阈值小于所述第三阈值。

可选地，还包括：

实时监测锂电池储能装置的锂电池组的电量，当所述锂电池组的电量下降至第一电量百分比时，控制所述锂电池组停止放电，当所述发电机发电时，优先向所述锂电池组充电，直至所述锂电池组的电量达第二电量百分比，当所述锂电池组的电量达第二电量百分比，将所述发电机所发的电输送到所述升压变压器，当所述发电机所发电能不足时，通过锂电池储能装置补足，当所述发电机所发电能有余，则继续向锂电池储能装置充电。

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电能变换系统，包括液压蓄能装置、液压马达组、发电机组、整流器组、并网逆变器、升压变压器、锂电池储能装置和电能变换系统控制器；

所述液压蓄能装置通过液压母管连接所述液压马达组，所述液压马达组的液压马达与所述发电机组的发电机一一对应连接，所述发电机组的发电机与所述整流器组的整流器一一对应连接，所述整流器组通过直流母线连接所述并网逆变器，所述并网逆变器连接所述升压变压器，所述升压变压器的高压侧通过海底电缆连接海岛微电网，所述锂电池储能装置的输入端与所述直流母线连接，输出端与所述升压变压器的低压侧连接；

所述电能变换系统控制器用于接收所述海岛微电网的电网调度系统发送的调度指令，实时获取所述液压蓄能装置的液压值，当所述液压值达到阈值后，控制所述液压马达启动，带动所述发电机发电，对所述直流母线的电压进行监测，对所述整流器的直流输出电压进行调控，使得所述直流母线的电压维持稳定；

所述电能变换系统控制器还用于监测所述升压变压器的低压侧电压，根据所述低压侧电压控制所述并网逆变器的输出电压，使得交流电压维持稳定；

所述电能变换系统控制器还用于在所述发电机组发出的电能不足时，控制所述锂电池储能装置的锂电池组放电，协同所述并网逆变器维持交流电压稳定，当所述发电机组发出的电能多余时，控制所述锂电池储能装置的锂电池组充电，协同所述整流器维持所述直流母线电压稳定。

本申请提供的波浪能发电装置电能变换系统，电能变换系统控制器从海岛微电网获得调度指令，通过对液压马达、整流器、并网逆变器和锂电池储能装置进行协同控制，实现整个电能变换系统在发电期间内的功率匹配及电压稳定，有效地提高了波浪能发电装置电能变换系统的能量转换过程的可控性、电能输出的稳定性和可控性。

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用户员来讲，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电能变换系统的结构示意图。

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。

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电能变换系统的一个实施例，包括液压蓄能装置、液压马达组、发电机组、整流器组、并网逆变器、升压变压器、锂电池储能装置和电能变换系统控制器；

液压蓄能装置通过液压母管连接液压马达组，液压马达组的液压马达与发电机组的发电机一一对应连接，发电机组的发电机与整流器组的整流器一一对应连接，整流器组通过直流母线连接并网逆变器，并网逆变器连接升压变压器，升压变压器的高压侧通过海底电缆连接海岛微电网，锂电池储能装置的输入端与直流母线连接，输出端与升压变压器的低压侧连接；

电能变换系统控制器用于接收所述海岛微电网的电网调度系统发送的调度指令，实时获取液压蓄能装置的液压值，当液压值达到阈值后，控制液压马达启动，带动发电机发电，对直流母线的电压进行监测，对整流器的直流输出电压进行调控，使得直流母线的电压维持稳定；

电能变换系统控制器还用于监测升压变压器的低压侧电压，根据低压侧电压控制并网逆变器的输出电压，使得交流电压维持稳定；

电能变换系统控制器还用于在发电机组发出的电能不足时，控制锂电池储能装置的锂电池组放电，协同并网逆变器维持交流电压稳定，当发电机组发出的电能多余时，控制锂电池储能装置的锂电池组充电，协同整流器维持直流母线电压稳定。

需要说明的是，本申请实施例中的波浪能发电装置电能变换系统如图1所示，由液压蓄能装置、液压马达组、发电机组、整流器组、直流母线、并网逆变器、锂电池储能装置、升压变压器和电能变换系统控制器组成，整流器组的整流器可选为IGBT整流器，发电机组由n个额定功率分别为P1，P2，…，Pn(其中P1≤P2≤…≤Pn)的发电机G1，G2，…，Gn组合而成，每个发电机由1个对应的液压马达驱动，液压马达通过液压蓄能装置输出的高压液压油所驱动，并带动与之同轴连接的发电机发电，液压蓄能装置的作用为将波浪能俘获装置在波浪作用下产生运动的机械能转换成液压能存储起来。每个发电机的交流输出端与一个对应的IGBT整流器连接，IGBT整流器将发电机发出的交流电转换成直流电，多个IGBT整流器的直流侧通过直流母线汇流。直流母线既与多个IGBT整流器连接，同时还与并网逆变器的直流输入侧和锂电池储能装置的直流输入侧连接。并网逆变器的直流侧与直流母线连接，其交流侧与升压变压器的低压侧连接，并网逆变器将直流母线的直流电转换成交流电，通过升压变压器将交流电压等级提高到10kV。锂电池储能装置由DC/DC变换器、锂电池组、储能变流器和储能系统控制单元组成，锂电池储能装置的直流输入侧与直流母线连接，通过DC/DC变换器，将直流母线的电压转换成合适的电压等级，从而把由波浪能转换而来的电能存储到锂电池组中。锂电池储能装置的交流输出侧与升压变压器的低压侧连接。升压变压器的低压侧与并网逆变器的交流侧连接，还与锂电池储能装置的交流输出侧连接，其高压侧与海底电缆连接。升压变压器将并网逆变器和锂电池储能装置的交流输出侧的电压等级提高到10kV，通过海底电缆将电能输送至海岛微电网。电能变换系统控制器从海岛微电网的电网调度系统获得调度指令，通过对液压马达、整流器、并网逆变器、锂电池储能装置进行协同控制，实现整个电能变换系统在波浪能装置一个发电期间内的功率匹配及电压稳定。

本申请实施例提供的波浪能发电装置电能变换系统，电能变换系统控制器从海岛微电网获得调度指令，通过对液压马达、整流器、并网逆变器和锂电池储能装置进行协同控制，实现整个电能变换系统在发电期间内的功率匹配及电压稳定，有效地提高了波浪能发电装置电能变换系统的能量转换过程的可控性、电能输出的稳定性和可控性。

进一步地，本申请实施例中的发电机组采用梯次发电的方式进行发电。对液压蓄能装置的液压值设置n个液压阈值，其中，第一阈值K1<第二阈值K2<…<第n阈值Kn，当液压蓄能装置中液压值达到第一阈值K1时，启动额定功率为P1的发电机G1对应的液压马达，带动发电机G1发电，发电机G1发电过程中，液压蓄能装置持续持续将波浪能转换成液压能；当液压蓄能装置中液压值达到第二阈值K2时，则启动额定功率为P2的发电机G2对应的液压马达，带动发电机G2发电，在发电机G1和发电机G2发电过程中，液压蓄能装置持续将波浪能转换成液压能，当液压蓄能装置中的液压值达到第三阈值K3时，则启动额定功率为P3的发电机G3对应的液压马达，带动发电机G3发电。如此类推，采用梯次发电的方式，可以实现波浪能发电装置在小浪、中浪和大浪下均能有效发电，实现波浪状况与发电功率的灵活匹配。在具体应用时，发电机组可以由3个额定功率分别50kW、100kW及150kW的发电机G1、G2及G3组合而成。液压蓄能装置设置3个液压阈值，分别为20Mpa、35Mpa及50Mpa。在波浪能发电装置的一个发电期间内，发电机组采用梯次发电的方式：当液压蓄能装置中液压值达到第一阈值20Mpa时，启动额定功率50kW的发电机G1对应的液压马达，带动发电机G1发电；在发电机G1发电过程中，若液压值达到第二阈值35Mpa，则启动额定功率100kW的发电机G2对应的液压马达，带动发电机G2发电；在发电机G1和G2发电过程中，若液压值达到第三阈值50Mpa，则启动额定功率为150kW的发电机对应的液压马达，带动发电机G3发电。

电能变换系统控制器从海岛微电网调度系统接收电力调度指令后，实时获取液压蓄能装置的液压值，当压力值达到阈值后，电能变换系统控制器给液压马达的控制单元下发启动指令，带动发电机发电。电能变换系统控制器还对直流母线的电压进行监测，通过整流器的控制单元对整流器的直流输出电压进行调控，维持直流母线电压的稳定。电能变换系统控制器还对升压变压器低压侧电压进行监测，通过并网逆变器的控制单元实现交流电压的稳定。当发电机组发出的电能不足时，电能变换系统控制器通过储能装置控制单元控制锂电池储能装置放电，协同并网逆变器维持交流电压稳定；当发电机组发出的电能多余时，电能变换系统控制器通过储能装置控制单元控制锂电池储能装置充电，协同整流器维持直流母线电压稳定。具体应用时，当锂电池储能装置电量下降至30％时，锂电池储能装置停止放电，在此情况下，当发电机发电时，优先向锂电池储能装置充电，直至其电量达70％；当锂电池储能装置电量达70％后，则将发电机所发的电输送至海岛微电网。当发电机所发电能不足，则由锂电池储能装置补足；当发电机所发电能有余，则继续向储能装置充电。

本申请中还提供了一种波浪能发电装置电能变换控制方法的实施例，该波浪能发电装置电能变换控制方法应用于上述波浪能发电装置电能变换控制系统实施例中的波浪能发电装置电能变换控制系统，包括以下步骤：

接收海岛微电网的电网调度系统发送的调度指令；

实时获取液压蓄能装置的液压值，当液压值达到阈值后，控制液压马达启动，带动发电机发电；

实时监测直流母线的电压，对整流器的直流输出电压进行调控，使得直流母线的电压维持稳定；

实时监测升压变压器的低压侧电压，根据低压侧电压控制并网逆变器的输出电压，使得交流电压维持稳定；

实时监测发电机组的发电电能，在发电机组发出的电能不足时，控制锂电池储能装置的锂电池组放电，协同并网逆变器维持交流电压稳定，当发电机组发出的电能多余时，控制锂电池储能装置的锂电池组充电，协同整流器维持所述直流母线电压稳定。

进一步地，实时获取液压蓄能装置的液压值，当液压值达到阈值后，控制液压马达启动，带动发电机发电，包括：

实时获取液压蓄能装置的液压值；

当液压值达到第一阈值时，启动第一额定功率的第一发电机对应的第一液压马达，带动所述第一发电机发电，在所述第一发电机发电过程中，液压蓄能装置持续将波浪能转换成液压能；

当液压值达到第二阈值时，启动第二额定功率的第二发电机对应的第二液压马达，带动第二发电机发电，在第一发电机和所述第二发电机发电过程中，液压蓄能装置持续将波浪能转换成液压能；

当液压值达到第三阈值时，启动第三额定功率的第三发电机对应的第三液压马达，带动第三发电机发电，在第一发电机、第二发电机和第三发电机发电过程中，液压蓄能装置持续将波浪能转换成液压能；

其中，第一阈值小于第二阈值，第二阈值小于第三阈值。

实时监测锂电池储能装置的锂电池组的电量，当锂电池组的电量下降至第一电量百分比时，控制锂电池组停止放电，当发电机发电时，优先向锂电池组充电，直至锂电池组的电量达第二电量百分比，当锂电池组的电量达第二电量百分比，将发电机所发的电输送到升压变压器，当发电机所发电能不足时，通过锂电池储能装置补足，当发电机所发电能有余，则继续向锂电池储能装置充电。

本申请实施例中提供的波浪能发电装置电能变换控制方法与上述波浪能发电装置电能变换系统所取得的效果一致，在此不再进行赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，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)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(英文全称：Read-OnlyMemory，英文缩写：ROM)、随机存取存储器(英文全称：Random Access Memory，英文缩写：RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

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。