一種船用風(fēng)光混合發(fā)電裝置和控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種船用風(fēng)光混合發(fā)電裝置和控制方法，所述發(fā)電裝置包括漂浮于水上的船體，推進所述船體前進的船舶動力裝置，為所述動力裝置供電的交流電網(wǎng)，與所述交流電網(wǎng)相連的蓄電池，以及為交流電網(wǎng)回饋電能的風(fēng)力發(fā)電機和太陽能電池板。所述控制方法，包括一種船用風(fēng)光混合發(fā)電裝置的并網(wǎng)控制方法以及一種船用風(fēng)光混合發(fā)電裝置的跟蹤控制方法。本發(fā)明風(fēng)光混合發(fā)電裝置可以節(jié)約能源和保護環(huán)境。在太陽能發(fā)電裝置中加入太陽能偏航裝置，提高了太陽能的利用率。風(fēng)光混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID并網(wǎng)控制方法增強了風(fēng)光混合并網(wǎng)系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。DSP強大的運算功能提高了并網(wǎng)控制器的運行速度。
【專利說明】一種船用風(fēng)光混合發(fā)電裝置和控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種船用風(fēng)光混合發(fā)電裝置和控制方法，屬于船舶電氣設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，石化能源作為船舶主要動力源，資源消耗迅速，環(huán)境污染嚴重，21世界我們即將面臨新的能源和環(huán)境危機，這就迫切要求我們提高對可再生清潔能源的開發(fā)利用。而對于航行于海上的船舶，有大量的風(fēng)能、太陽能等清潔能源未得到有效利用，如何將這些清潔能源有效應(yīng)用于船舶行業(yè)成為亟待解決的問題。同時隨著可再生能源的開發(fā)，清潔能源利用率的最大化也成為了人們不斷關(guān)注的問題。
[0003]風(fēng)光混合發(fā)電是解決能源危機的有效途徑之一。然而，風(fēng)光混合發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)尚不成熟，傳統(tǒng)的PID控制方法在風(fēng)光混合發(fā)電并網(wǎng)過程中的缺陷日益突出，PID控制器僅僅局限于并網(wǎng)裝置工作在線性穩(wěn)態(tài)工作點，一旦偏離穩(wěn)態(tài)工作點，控制效果將大大降低。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制方法可以通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對PID參數(shù)進行自動調(diào)整，可以克服傳統(tǒng)PID控制方法的不足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為解決上述問題，本發(fā)明提出了一種船用風(fēng)光混合發(fā)電裝置和控制方法。
[0005]按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，一種船用風(fēng)光混合發(fā)電裝置，包括漂浮于水上的船體，推進所述船體前進的船舶動力裝置，為所述動力裝置供電的交流電網(wǎng)，與所述交流電網(wǎng)相連的蓄電池，以及為交流電網(wǎng)回饋電能的風(fēng)力發(fā)電機和太陽能電池板。
[0006]所述船舶動力裝置包括推進電機和螺旋槳，所述螺旋槳和推進電機相連，所述推進電機與交流電網(wǎng)相連。
[0007]所述風(fēng)力發(fā)電機位于船體艉部甲板中間，其迎風(fēng)面正對船體船艏，并經(jīng)整流裝置與風(fēng)機并網(wǎng)器相連，所述風(fēng)機并網(wǎng)器與交流電網(wǎng)相連。
[0008]所述太陽能電池板以45°角傾斜置于風(fēng)力發(fā)電機兩側(cè)并與太陽能偏航裝置相連，所述太陽能電池板與太陽能并網(wǎng)器相連，所述太陽能并網(wǎng)器與交流電網(wǎng)相連。
[0009]所述風(fēng)機并網(wǎng)器和太陽能并網(wǎng)器構(gòu)成風(fēng)光混合并網(wǎng)器，風(fēng)光混合并網(wǎng)器由逆變模塊、變壓模塊、濾波模塊以及風(fēng)光混合PQ控制器依次串接構(gòu)成，上述風(fēng)光混合PQ控制器由功率控制模塊、電流控制模塊、d-q變換模塊以及正弦脈沖寬度調(diào)制模塊依次串接構(gòu)成。
[0010]所述太陽能偏航裝置包括光電傳感器、單片機控制模塊、驅(qū)動器、步進電機和傳動機構(gòu)，所述光電傳感器與單片機控制模塊連接，所述單片機控制模塊與驅(qū)動器連接，所述驅(qū)動器與步進電機連接，所述步進電機與傳動機構(gòu)連接，所述傳動機構(gòu)與太陽能電池板連接。[0011 ] 所述光電傳感器包括光學(xué)通路和光電元件。
[0012]所述傳動機構(gòu)是齒輪傳動機構(gòu)或鏈條傳動機構(gòu)。
[0013]一種船用風(fēng)光混合發(fā)電裝置的并網(wǎng)控制方法，所述方法如下:風(fēng)力發(fā)電機產(chǎn)生的電壓經(jīng)整流裝置產(chǎn)生的電壓和太陽能電池板產(chǎn)生的電壓，分別經(jīng)逆變、變壓和濾波后回饋至交流電網(wǎng)，再由交流電網(wǎng)給動力裝置或蓄電池供電。
[0014]一種船用風(fēng)光混合發(fā)電裝置的跟蹤控制方法，光電傳感器測量太陽能電池板光軸和太陽入射光線間的偏差，當(dāng)偏差超過設(shè)定閾值時，光電傳感器將發(fā)送太陽能電池板電壓信號并經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換給單片機控制模塊，將單片機控制模塊對數(shù)據(jù)進行處理后得到的控制信號給驅(qū)動器控制步進電機動作，調(diào)節(jié)太陽能電池板的角度；所述控制信號包括方向信號和角度信號。
[0015]本發(fā)明的優(yōu)點在于:風(fēng)光混合發(fā)電裝置可以節(jié)約能源和保護環(huán)境。在太陽能發(fā)電裝置中加入太陽能偏航裝置，提高了太陽能的利用率。風(fēng)光混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID并網(wǎng)控制方法增強了風(fēng)光混合并網(wǎng)系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。DSP強大的運算功能提高了并網(wǎng)控制器的運行速度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明的船舶動力裝置配置示意圖。
[0017]圖2為本發(fā)明的太陽能偏航裝置結(jié)構(gòu)圖。
[0018]圖3為本發(fā)明的單片機控制模塊電路圖。
[0019]圖4為本發(fā)明的風(fēng)光混合并網(wǎng)器結(jié)構(gòu)圖。
[0020]圖5為本發(fā)明的改進的PQ控制器的結(jié)構(gòu)圖。
[0021]圖6為本發(fā)明的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NNPID控制器結(jié)構(gòu)圖。
[0022]圖7為本發(fā)明的4-6-3結(jié)構(gòu)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)圖。
[0023]圖1中:1、風(fēng)力發(fā)電機，2、太陽能電池板，3、船體，4、蓄電池，50、風(fēng)機并網(wǎng)器，51、太陽能并網(wǎng)器，6、推進電機，7、螺旋槳，8、光電傳感器，9、單片機控制模塊，10、驅(qū)動器，11、步進電機，12、傳動機構(gòu)，13、整流裝置，14、交流電網(wǎng)。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合具體附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0025]一種船用風(fēng)光混合發(fā)電裝置和控制方法，包括如下步驟:
[0026](a)、搭建風(fēng)光混合發(fā)電及并網(wǎng)控制的裝置結(jié)構(gòu)，如圖1所示，混合發(fā)電裝置主要包括，漂浮于水上的船體3，推進船體3前進的船舶動力裝置，為所述動力裝置供電的交流電網(wǎng)，與所述交流電網(wǎng)相連的蓄電池4，以及為交流電網(wǎng)回饋電能的風(fēng)力發(fā)電機I和太陽能電池板2。船舶動力裝置包括推進電機6和螺旋槳7，螺旋槳7和推進電機6相連，推進電機6與交流電網(wǎng)相連。風(fēng)力發(fā)電機I置于船體艉部甲板中間并將迎風(fēng)面正對船艏，并經(jīng)整流裝置13與風(fēng)機并網(wǎng)器相連，太陽能電池板2以45°角傾斜置于風(fēng)力發(fā)電機兩側(cè)并與太陽能偏航裝置相連，上述太陽能電池板2與太陽能并網(wǎng)器51相連，太陽能并網(wǎng)器51與交流電網(wǎng)14相連。
[0027]如圖2所示，太陽能偏航裝置包括光電傳感器8、單片機控制模塊9、驅(qū)動器10、步進電機11、傳動機構(gòu)12。光電傳感器8與單片機控制模塊9連接，單片機控制模塊9與驅(qū)動器10連接，驅(qū)動器10與步進電機11連接，步進電機11與傳動機構(gòu)12連接，傳動機構(gòu)12與太陽能電池板2連接。[0028]單片機控制模塊電路如圖3所示，上述光電傳感器8輸出的電壓信號經(jīng)差分放大器進行放大，電壓放大信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路傳送到單片機，由單片機對數(shù)字信號數(shù)據(jù)進行米集和計算，輸出角度偏差值。
[0029]光電傳感器8測量光軸和太陽入射光線間的偏差，當(dāng)偏差超過設(shè)定閾值時，光電傳感器將發(fā)送電壓信號并經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換給單片機控制模塊9，由單片機對數(shù)據(jù)進行處理，單片機控制模塊9產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號給驅(qū)動器10，驅(qū)動器10驅(qū)動步進電機11動作，步進電機11根據(jù)控制信號驅(qū)動傳動機構(gòu)12動作，傳動機構(gòu)12同時帶動太陽能電池板2轉(zhuǎn)動。光電傳感器8不斷檢測入射太陽光線在太陽能電池板上的信號偏差并輸入到單片機控制模塊9，重復(fù)上述過程一直減小偏差直到使太陽光線與系統(tǒng)光軸夾角小于設(shè)定閾值，實現(xiàn)對太陽方位角的偏航，提高太陽能利用率。傳動方式可以是齒輪傳動或鏈條傳動。
[0030](b)、描述了一種基于NNPID的風(fēng)光混合發(fā)電并網(wǎng)控制方法:設(shè)計一種風(fēng)光混合PQ控制器，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID調(diào)節(jié)電壓穩(wěn)定輸出。風(fēng)機和太陽能電池板產(chǎn)生的電壓分別經(jīng)風(fēng)光混合并網(wǎng)器回饋至交流電網(wǎng)，再由交流電網(wǎng)給蓄電池或船舶動力裝置供電。
[0031]風(fēng)光混合并網(wǎng)器的結(jié)構(gòu)如圖4所示，它們都包括逆變模塊、變壓模塊、濾波模塊以及風(fēng)光混合PQ控制器，所述逆變模塊的開關(guān)信號由風(fēng)光混合PQ控制器產(chǎn)生。風(fēng)機并網(wǎng)器50和太陽能并網(wǎng)器51通過TI的F2812DSP實現(xiàn)，主要完成風(fēng)光混合PQ控制器產(chǎn)生逆變模塊開關(guān)信號、電壓交直變換、大小變換以及電壓濾波等功能。風(fēng)機I產(chǎn)生的電壓經(jīng)整流裝置和太陽能電池板2產(chǎn)生的電壓經(jīng)DSP逆變、變壓和濾波后回饋至交流電網(wǎng)，再由交流電網(wǎng)給動力裝置或蓄電池4供電。
[0032]上述風(fēng)光混合PQ控制器結(jié)構(gòu)如圖5所示，風(fēng)光混合PQ控制器由TI的F2812DSP實現(xiàn)，采用SPWM作為風(fēng)光混合PQ控制策略的調(diào)制方式，通過采用NNPID改進的風(fēng)光混合PQ控制器對風(fēng)光混合發(fā)電裝置進行并網(wǎng)控制。它包括功率因數(shù)控制、電流控制、dq2/3變換以及正弦脈沖寬度調(diào)制等環(huán)節(jié)。輸出信號作為逆變模塊開關(guān)信號。
[0033]風(fēng)光混合PQ控制中的有功功率參考值Pref由MPPT提供，再通過Qref/Pref = tan Θ，得到無功功率參考值QMf，因為Uq=0，可以算出母線d-q軸電流參考值Itof和，將其作為電流控制的輸入。
[0034]將參考電流與逆變器輸出d-q軸電流Id和I,進行比較，其差值經(jīng)過NNPID控制器輸出Vdpm和Vqpm ;通過弓丨A電流狀態(tài)反饋來實現(xiàn)dq解耦控制，q軸電流經(jīng)過Zf得到Vd，d軸電流經(jīng)SZf得到V,，其中，Zf = coLf，co為角頻率，Lf為逆變輸出電壓與交流電網(wǎng)間的等效電感；經(jīng)電網(wǎng)電壓Ud和Uq前饋補償后的輸出為ed和e,，ed和e,經(jīng)過dq2/3變換后，得到調(diào)制信號Uref。最后經(jīng)正弦脈沖寬度調(diào)制產(chǎn)生逆變模塊開關(guān)輸入信號。
[0035]其中，上述NNPID控制器結(jié)構(gòu)如圖6所示，輸入為功率控制模塊輸出的d軸電流參考值Itof，控制器輸出為VdPID。本實施例用到兩個相同4-6-3結(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。采用帶有平滑因子的負梯度算法對權(quán)值進行調(diào)整，網(wǎng)絡(luò)輸出得到比例、積分、微分系數(shù)。將逆變器輸出d軸電流Id與母線d軸電流參考值Idref進行比較，其差值再經(jīng)NNPID控制器得到輸出VdPID。括號中q軸相應(yīng)的變量與前面所述過程類似。
[0036]如圖7所示，本文神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為4-6-3，其中，I = 1，2，3。
[0037]輸入層神經(jīng)元輸入為:
【權(quán)利要求】
1.ー種船用風(fēng)光混合發(fā)電裝置，其特征是，包括漂浮于水上的船體(3)，推進所述船體(3)前進的船舶動カ裝置，為所述動カ裝置供電的交流電網(wǎng)(14)，與所述交流電網(wǎng)相連的蓄電池(4)，以及為交流電網(wǎng)(14)回饋電能的風(fēng)カ發(fā)電機(I)和太陽能電池板(2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船用風(fēng)光混合發(fā)電裝置，其特征在于:所述船舶動カ裝置包括推進電機(6 )和螺旋槳(7 )，所述螺旋槳(7 )和推進電機(6 )相連，所述推進電機(6 )與交流電網(wǎng)(14)相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船用風(fēng)光混合發(fā)電裝置，其特征在于:所述風(fēng)カ發(fā)電機(I)位于船體(3)艉部甲板中間，其迎風(fēng)面正對船體(3)船艏，并經(jīng)整流裝置(13)與風(fēng)機并網(wǎng)器(50)相連，所述風(fēng)機并網(wǎng)器(50)與交流電網(wǎng)(14)相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的船用風(fēng)光混合發(fā)電裝置，其特征在于:所述太陽能電池板(2)以45°角傾斜置于風(fēng)カ發(fā)電機(I)兩側(cè)并與太陽能偏航裝置相連，所述太陽能電池板(2)與太陽能并網(wǎng)器(51)相連，所述太陽能并網(wǎng)器(51)與交流電網(wǎng)(14)相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的船用風(fēng)光混合發(fā)電裝置，其特征在于:所述風(fēng)機并網(wǎng)器(50)和太陽能并網(wǎng)器(51)構(gòu)成風(fēng)光混合并網(wǎng)器，所述風(fēng)光混合并網(wǎng)器由逆變模塊、變壓模塊、濾波模塊以及風(fēng)光混合PQ控制器依次串接構(gòu)成，上述風(fēng)光混合PQ控制器由功率控制模塊、電流控制模塊、d-q變換模塊以及正弦脈沖寬度調(diào)制模塊依次串接構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的船用風(fēng)光混合發(fā)電裝置，其特征在于:所述太陽能偏航裝置包括光電傳感器(8)、單片機控制模塊(9)、驅(qū)動器(10)、步進電機(11)和傳動機構(gòu)(12)，所述光電傳感器(8)與單片機控制模塊(9)連接，所述單片機控制模塊(9)與驅(qū)動器(10)連接，所述驅(qū)動器(10)與步進電機(11)連接，所述步進電機(11)與傳動機構(gòu)(12)連接，所述傳動機構(gòu)(12)與太陽能電池板(2)連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的船用風(fēng)光混合發(fā)電裝置，其特征在于:所述光電傳感器(8)包括光學(xué)通路和光電元件。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的船用風(fēng)光混合發(fā)電裝置，其特征在于:所述傳動機構(gòu)(12)是齒輪傳動機構(gòu)或鏈條傳動機構(gòu)。
9.一種如權(quán)利要求1所述的船用風(fēng)光混合發(fā)電裝置的并網(wǎng)控制方法，其特征是所述方法如下:風(fēng)カ發(fā)電機(I)產(chǎn)生的電壓經(jīng)整流裝置(13)產(chǎn)生的電壓和太陽能電池板(2)產(chǎn)生的電壓分別經(jīng)逆變、變壓和濾波后回饋至交流電網(wǎng)(14)，再由交流電網(wǎng)(14)給動カ裝置或蓄電池(4)供電。
10.一種如權(quán)利要求1所述的船用風(fēng)光混合發(fā)電裝置的跟蹤控制方法，其特征是:光電傳感器(8)測量太陽能電池板(2)光軸和太陽入射光線間的偏差，當(dāng)偏差超過設(shè)定閾值吋，光電傳感器(8 )將發(fā)送太陽能電池板(2 )電壓信號并經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換給單片機控制模塊(9 )，將單片機控制模塊(9)對數(shù)據(jù)進行處理后得到的控制信號給驅(qū)動器(10)控制步進電機(11)動作，調(diào)節(jié)太陽能電池板(2)的角度；所述控制信號包括方向信號和角度信號。
【文檔編號】F03D9/00GK103457289SQ201310363120
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年8月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月19日
【發(fā)明者】李泰 , 曾慶軍, 侯小燕, 李春華, 杜昭平, 王玉龍, 趙黎 申請人:江蘇科技大學(xué)