本實用新型屬于波浪能發電技術領域，涉及一種振蕩浮子波浪能發電系統，同時還涉及其測控系統。

背景技術：

能源一直是關乎我國經濟發展的重要議題。最然我國經濟在保持了多年高速增長之后，逐漸進入經濟增長放緩的階段，但是對能源的需求量一直有增無減，特別是在化石能源(煤炭，石油，天然氣等)的供需關系上，始終未能達到一種供需平衡的狀態，這也就導致了某些行業(例如煤炭行業)的嚴重產能過剩，而某些行業(例如石油行業)的供少于求。化解傳統化石能源供需矛盾的一大措施就是開發和利用新型清潔可再生能源，還可以在一定程度上緩解由于消耗化石能源所導致的環境污染問題。在諸多新型清潔能源中，海洋能源以其儲量豐富的特點，受到廣泛關注。

占地球面積70.9％的海洋，蘊藏著極大的能量，其中波浪能的儲備尤為可觀，成為世界在新能源開發方面重點關注的方向之一。據估計，世界海洋中的波浪能理論儲量可達30億千瓦。我國近海的波浪能資源也相當豐富，但總體特征是周期較短、波高較小、能流密度較低。現階段對波浪能的開發與利用的最普遍的方式是將其轉化為電能。因此設計行之有效的波浪發電裝置的測控系統，與波浪發電裝置相配合，可以有效克服我國近海波浪能資源的上述弊端帶來的不利影響，實現波浪能到電能的高效率轉化和利用。

振蕩浮子波浪能發電系統是常用的波浪能發電系統，其原理為：浮子漂浮在海面上，隨波浪浮動，推動液壓缸運動從而帶動發電機發電。常見的為單浮子波浪能發電系統，即只有一套浮子和液壓缸系統，這種系統吸收波浪能的能力有限，發電能力有限；為了更好的發揮發電系統吸收能量的能力，設計多浮子是一個較好的選擇，例如：中國專利201110337128.3公開了一種多振蕩浮子式波浪能液壓發電裝置，通過多組振蕩浮子組同時吸收波浪能、液壓發電裝置集中發電。現有技術中的浮子波浪能發電系統都缺少一套有效的測控系統，發電系統穩定性、效率都還有很大的提升空間。

技術實現要素：

本實用新型的目的在于針對現有技術的不足與不完善之處，提供一種可更好的俘獲波浪能量、適應波浪和潮位變化、發電效果穩定的振蕩浮子波浪能發電系統及其測控系統。

本實用新型的技術方案為：組合型振蕩浮子波浪能發電裝置及其測控系統，包括發電裝置及測控系統，發電裝置包括第一級能量轉換系統，包括浮子發電組，每個浮子發電組均包 括潛浮平臺及設置在潛浮平臺上的振蕩浮子，振蕩浮子下方經潛浮平臺及配重結構固定在海底；第二級能量轉換系統：包括液壓缸和油箱，液壓缸的液壓桿接至振蕩浮子的上端面；第三級能量轉換系統：包括液壓馬達及發電機，液壓馬達驅動發電機發電；

第一級能量轉換系統包括至少一組浮子發電組和浪潮檢測裝置，浪潮檢測裝置用于檢測浪高和潮位高低；

第二級能量轉換系統還包括液壓蓄能系統；

第三級能量轉換系統包括電能輸出系統，包括并網支路和負載支路，發電機輸出端分別接并網支路和負載支路；

液壓蓄能系統包括由至少一個蓄能器構成的蓄能器組，每個液壓缸的有桿腔和無桿腔及油箱均經一個獨立的蓄能單向閥組連接至每個蓄能器入口，形成儲能支路，每個儲能支路上均安裝蓄能單向閥；每個蓄能器出口接一電磁閥、一釋能單向閥、一流量傳感器，形成釋能支路，多條釋能支路均接入釋能回路，釋能回路上安裝液壓馬達、總電磁閥，總電磁閥安裝在蓄能器出口與液壓馬達之間，液壓馬達驅動發電機發電；每個蓄能器均接一壓力傳感器；

蓄能單向閥組包括兩條支路，每條支路上包括兩個同向單向閥，液壓缸的有桿腔和無桿腔分別接入每條支路上、兩個單向閥之間，油箱接入兩條支路的一個并聯點，兩條支路的另一個并聯點接入儲能支路；

測控系統包括第一級能量轉換測控單元、第二級能量轉換測控單元、第三級能量轉換測控單元和主控制器；

第一級能量轉換測控單元包括第一級數據采集系統，用于采集浮子運動位移并傳遞到主控制器；

第二級能量轉換測控單元包括第二級數據采集系統，用于采集電磁閥、總電磁閥的狀態信息，及流量傳感器、壓力傳感器的數據信息，并傳遞到主控制器；

第三級能量轉換測控單元包括第三級數據采集系統，用于采集發電機輸出電流、電壓、負載支路吸收功率、電量信息；并傳遞到主控制器。

作為優選：潛浮平臺上安裝豎向導向桿，振蕩浮子插入豎向導向桿。

作為優選：第一級能量轉換系統還包括浪潮檢測裝置，浪潮檢測裝置包括潮位觀測筒及液位計，觀測筒底部頂端和底端均具有開口，且頂端開口的面積大于底端開口的面積；液位計有兩個，分別位于潮位觀測筒內側和外側；液位計的測量信息反饋到第一級數據采集系統，并傳遞到主控制器。

作為優選：第二級能量轉換系統還包括潮位適應系統，包括潮位調節油缸及豎立在振蕩浮子上的潮位桿；液壓缸為兩級可伸縮雙作用液壓缸，潮位調節油缸為三級可伸縮雙作用液 壓缸，總電磁閥為三位四通電磁閥，潮位桿上間隔安裝上位磁鐵和下位磁鐵；導向桿上安裝有磁性傳感器，豎向位置介于上位磁鐵和下位磁鐵之間，潮位調節油缸的油缸桿與液壓缸的無桿腔串接，潮位調節油缸的有桿腔和無桿腔分別接到總電磁閥的下閥位和上閥位。

作為優選：每個浮子發電組包括一個潛浮平臺，同一潛浮平臺上設置有多個浮子，每個振蕩浮子均連接一套獨立的潮位適應系統。

作為優選：負載支路包括至少一組星形電阻，每組星形電阻的三條支路分別經支路開關接發電機的三相輸出端，一組星形電阻對應一個接觸器開關，用于控制該組星形電阻中三個支路開關的通斷。

作為優選：并網支路包括至少一條匯合海纜和一條上岸海纜，匯合海纜由其的浮子發電組連接至上岸海纜所在的浮子發電組，上岸海纜連接至市電電網。

本實用新型的有益效果為：

1、本實用新型的發電裝置由多組陣列式浮子發電系統代替傳統的單浮子發電系統，以多點能量吸收代替傳統的單點能量吸收，可實現瞬時俘獲波浪能量的最大化，可測控系統配合組合型振蕩浮子波浪發電裝置，可以有效克服我國近海波浪能資源的波浪周期較短、波高小、能流密度低的諸多弊端，實現波浪能到電能的最大效率轉化和利用。

2、設計并開發了高/低速數據采集系統，依托于硬件架構，特別是基于“狀態機”思想的軟件實現方法，實現了對諸如浪高、浮子運動位移等快速變化過程量的高速數據采集與數據無損存儲。

3、設計并開發了一種浪潮檢測裝置，與上述數據采集系統相配合，實現了對浪、潮的有效實時監測，為測控系統提供及時、準確的海況信息，而且最大限度降低了開發成本。

4、在控制層面，涉及對第一級能量轉換到第三級能量轉換的過程控制，具體來說：

在第二級能量轉換的控制上，設計并開發了一種“潮位自適應控制系統”，可以有效克服潮位變化(潮差)所帶來的減小液壓缸有效作用行程嚴重問題，從而保證了第一級能量轉換的可靠進行；

在第二級能量轉換的控制上，設計并開發了液壓蓄能控制系統，可依據當前觀測到的海況，自動調整蓄能與放能控制策略，既能大幅提高第二級能量轉換效率，又保證了液壓系統的結構安全。同時設計了報警機制與故障診斷機制，進一步確保裝置實際還是運行的可靠性；

在第三級能量轉換的控制上，設計了兩種對電能的處理方式，電能既可以在發電平臺上進行卸荷，評估負載變化對發電機出力的影響以及對第三級能量轉換效率的影響；又可以通過海底電纜傳輸至岸上，在上岸之前，特別設計了兩平臺電能的匯合控制系統，提高了海底電纜的利用率，大大降低了開發成本，上岸后依據設計的電力變換及其控制系統，真正實現 了電力并網設計。

5、考慮裝置的離岸且無人值守運行狀態，設計并開發了遠程無線網絡通信系統，依托通信鏈路以及監控軟件，真正實現了對海上兩個100kW發電平臺的網絡化監控和管理，確保裝置的海試運行的可靠性、安全性。

附圖說明

圖1為發電裝置結構示意圖。

圖2為一個浮子發電組中浮子安裝結構示意圖。

圖3為蓄能器組結構示意圖。

圖4為浪潮檢測裝置結構示意圖。

圖5為潮位適應系統結構示意圖。

圖6為潮位適應系統工作流程圖

圖7為發電裝置能量轉換示意圖。

圖8為兩潛浮平臺發電裝置結構連接示意圖。

圖9為發電機并網電力變換結構示意圖。

圖10為發電機帶電阻負載結構示意圖。

圖11為負載支路結構示意圖。

圖12為電能匯合上岸宏觀示意圖。

圖13為電能匯合控制電路原理圖。

圖14為發電機帶并網電力變換設備電路原理圖。

圖15為Sepic變換電路閉環控制原理圖。

圖16為測控系統結構示意圖。

圖17數據采集系統結構示意圖。

圖18數據采集狀態跳轉圖。

圖19為本地有線網絡監控該系統結構示意。

圖20為無線通信系統近距離模式通信鏈路結構圖。

圖21為無線通信系統中距離模式通信鏈路結構圖。

圖22為無線通信系統遠距離模式通信鏈路結構圖。

圖23為遠程無線網絡監控系統宏觀結構示意圖。

圖24為光伏不間斷供電系統結構示意。

其中：1-振蕩浮子，2-液壓缸，3-油箱，4-液壓馬達，5-發電機，6-蓄能單向閥組，7-蓄 能器，8-蓄能單向閥，9-電磁閥，10-釋能單向閥，11-總電磁閥，111-上閥位，112-中閥位，113-下閥位，12-溢流閥，13-潛浮平臺，14-纜繩，15-配重結構，16-海床，17-發電平臺，18-豎向導向桿，19-流量傳感器，20-壓力傳感器，21-壓力表，22-壓力繼電器，23-調速閥，24-潮位觀測筒，251-液位計I，252-液位計II，26-潮位調節油缸，27-潮位桿，281-上位磁鐵，282-下位磁鐵，29-磁性傳感器，301-匯合海纜，302-上岸海纜

具體實施方式

以下結合附圖對本實用新型的具體實施方式進行進一步的描述。

如圖1和圖2所示，組合型振蕩浮子波浪能發電裝置及其測控系統，包括發電裝置及測控系統，發電裝置包括第一級能量轉換系統，包括浮子發電組，每個浮子發電組均包括潛浮平臺13及設置在潛浮平臺13上的振蕩浮子1，振蕩浮子1下方經潛浮平臺13及配重結構15固定在海底；第二級能量轉換系統：包括液壓缸2和油箱3，液壓缸2的液壓桿接至振蕩浮子1的上端面；第三級能量轉換系統：包括液壓馬達4及發電機5，液壓馬達4驅動發電機5發電。

第二級能量轉換系統還包括液壓蓄能系統；如圖1和圖3所示，圖3為示意圖，所示的發電裝置為四個潛浮平臺13的發電裝置。潛浮平臺13及振蕩浮子1的數量可根據發電容量設計。液壓蓄能系統包括由至少一個蓄能器7構成的蓄能器組，每個液壓缸2的有桿腔和無桿腔及油箱3經一個組獨立的蓄能單向閥組6連接至每個蓄能器7入口，形成儲能支路，每個儲能支路上均安裝蓄能單向閥8；每個蓄能器7出口接一電磁閥9、一釋能單向閥10、一流量傳感器19，形成釋能支路，多條釋能支路均接入釋能回路，釋能回路上安裝液壓馬達4、總電磁閥11，總電磁閥11安裝在蓄能器7出口與液壓馬達4之間，液壓馬達4驅動發電機5發電；每個蓄能器7均接一壓力傳感器20。

蓄能單向閥組6包括兩條支路，每條支路上包括兩個同向單向閥，如圖1中所示的結構，支路一上安裝單向閥K1和單向閥K2，支路二上安裝單向閥K3和單向閥K4，液壓缸2的有桿腔和無桿腔分別接入每條支路上、兩個單向閥之間，即，液壓缸2的有桿腔接入單向閥K1和單向閥K2之間，無桿腔接入單向閥K3和單向閥K4之間。油箱3接入兩條支路的一個并聯點；兩條支路的另一個并聯點接入儲能支路。

為了更好的發揮振蕩浮子波浪能發電裝置吸收能量的能力，設計了多組浮子發電組；本實施例中的發電裝置包括兩組浮子發電組，每組浮子發電組包括一個潛浮平臺13，其中一個潛浮平臺13上安裝四組浮子，另一個潛浮平臺13上安裝五組浮子，每個振蕩浮子1均連接一套獨立的潮位適應系統；每個浮子發電組的裝機容量均可達到100KW。如圖2所示，一個 潛浮平臺13上安裝有兩個振蕩浮子1，每個振蕩浮子1都連接與其對應的液壓缸2、油箱3、液壓馬達4及發電機5等。

為了保證振蕩浮子1運動的穩定性，在潛浮平臺1上安裝豎向導向桿18，振蕩浮子1插入豎向導向桿18中，沿豎向導向桿18的方向運動。

發電裝置的工作原理是：振蕩浮子1在波浪的推動下沿著豎向導向桿18做垂直自由度下的振蕩運動，實現波浪能到浮子振蕩機械能的第一級能量轉換；振蕩浮子1頂部與液壓缸2的活塞桿剛性連接，浮子振蕩運動時推動活塞桿做功，進而液壓缸2輸出液壓油，通過單向閥組6向蓄能器組里的每個蓄能器7充油蓄能。控制系統將設定蓄能器7的閾值，待蓄能器7的蓄能壓力達到設定的閾值后控制電磁閥9開啟，蓄能器7積蓄的液壓能量釋放，推動液壓馬達4旋轉，實現蓄能器7存儲液壓能到液壓馬達4旋轉機械能的第二級能量轉換；液壓馬達4與發電機5同軸相連，液壓馬達4旋轉時帶動發電機5運轉，產生電能。發電機5輸出電能可由負載直接消耗或并網，實現液壓馬達4旋轉機械能到電能的第三級能量轉換。整個裝置的能量轉換過程示意圖如圖7所示。能量俘獲系統實現第一級能量轉換，能量轉換系統實現第二級和第三級能量轉換。

液壓蓄能系統的工作原理(工作流程)是：多個振蕩浮子1在波浪的推動下做垂直自由度下的振蕩運動，振蕩浮子1頂部與液壓缸2的活塞桿剛性連接，振蕩浮子1振蕩運動時推動活塞桿做功，進而液壓缸2輸出液壓油，多個液壓缸2輸出的液壓油通過蓄能單向閥組6進行匯集，然后向蓄能器組里充油蓄能。采用的為雙作用液壓缸，其有桿腔和無桿腔均與油箱3、蓄能器組相接，構造了雙向循環液壓系統，可以保證振蕩浮子1上升或下降都可有效向蓄能器7里充油蓄能，提高了能量轉換效率。對應于圖3，蓄能器組中的多個蓄能器7同步充油蓄能，壓力同步上升。待蓄能器7壓力達到設定的蓄能壓力上限閾值后，控制電磁閥9開啟，實現能量釋放，液壓油推動液壓馬達4運轉。與液壓馬達4連通的油路還連接有溢流閥12和調速閥，用于防止液壓油的溢流及控制液壓油的流速。

在液壓蓄能系統的主回路和各支路安裝了多個壓力傳感器20和流量傳感器19以檢測各蓄能支路的蓄能器7壓力和放油流量。每個蓄能器7還加裝了壓力繼電器22和壓力表21，壓力繼電器22可在檢測到蓄能器壓力達到某個報警值上、下限時給出開關量報警信號。上述壓力傳感器和流量傳感器的輸出信號可由圖17所示的數據采集系統的模擬量電流采集接口進行實時采集。

所謂測控系統，最基本的是要實現兩大功能：監測與控制。這兩大功能是由圖16中所示的主控制器來實現的。主控制器集成在控制室內，設置于發電平臺17上。

測控系統的架構可分為：被控對象層：第一級能量轉換到第三級能量轉換的能量傳遞過 程。本地控制層：核心為主控制器，涉及對第一級能量轉換到第三級能量轉換的本地過程監測與控制。調度管理層：包括監控上位機，與主控制器之間進行通信，實現對被控現場各環節運行狀態的實時網絡化監控、調度與管理。

對于被控對象層，測控系統完成的主要工作時系統工作過程中的數據采集，多路傳感器實時檢測第一級到第三級能連轉換環節中的過程參數。包括第一級能量轉換測控單元、第二級能量轉換測控單元、第三級能量轉換測控單元。

第一級能量轉換測控單元包括第一級數據采集系統，用于采集振蕩浮子1運動位移、液位計I251和液位計II252采集的液位值并傳遞到主控制器；第二級能量轉換測控單元包括第二級數據采集系統，用于采集電磁閥9、總電磁閥11的狀態信息，及流量傳感器19、壓力傳感器20的數據信息，并傳遞到主控制器；第三級能量轉換測控單元包括第三級數據采集系統，用于采集發電機5輸出電流、電壓、負載支路吸收功率、電量信息；并傳遞到主控制器。

除此之外，測控系統還涉及對諸如環境溫濕度、光伏不間斷供電系統的各項過程參數的采集(例如太陽能板輸出電壓、電流，蓄電池電壓、電流，逆變器輸出電壓、電流等)。

主控制器可實現兩種數據采集模式：高速數據采集模式(采樣率可達1MHz)和低速數據采集模式(采樣率不超過100Hz)。高速采集模式適用于采集諸如振蕩浮子1運動位移、發電機5輸出電壓瞬時值、發電機5輸出瞬時電流瞬時值等快速變化的過程參數；低速采集模式適用于采集諸如液壓回路壓力、流量、環境溫濕度、負載溫度、光伏系統過程參數等慢速變化的過程參數。采集的數據既可以存儲在本地監控工控機的硬盤中，又可以通過遠程無線網絡監控系統進行遠程數據文件的訪問和提取。

之所以設計高、低兩種模式，是考慮到只采用高速數據采集模式，對于像環境溫濕度等慢速變化的過程參數的采集實際上是一種冗余，而且諸多參數同步高速采樣，勢必導致本地監控工控機的硬盤空間隨著裝置的一天天海試運行而越發不足，即便通過遠程無線網絡監控系統提取數據傳文件，也會因數據存儲量過大而限制了提取效率。

為了提高采集精度，裝置布放的傳感器均采用4～20mA輸出(電流型輸出傳感器要比電壓型輸出傳感器在克服干擾方面性能優越)。圖17為高/低速數據采集系統的硬件架構，主控制器對外提供模擬量電流采集接口，共有AI0-AI31三十二個采集通道,其中AIn和AIn+1構成一個差分采集通道，n＝0,2,4,…30；也可AIn和COM構成一個單端采集通道，n＝0～31。

上述各通道用于采集傳感器輸出的4～20mA信號，經過內部的4～20mA轉1～5V轉接電路，轉換為電壓信號再經過AD轉換后，通過RJ45接口并基于TCP/IP協議將各通道采集量上傳至本地監控工控機。高、低速兩種數據采集模式的采集系統硬件架構是相同的。

為了實現高速數據采集，特別設計基于“狀態機”思想的數據采集方法，軟件集成了TCP/IP 協議，使得工控機與主控制器可通過RJ45接口并基于TCP/IP協議實現全雙工通信。所謂“狀態機”思想，是指利用狀態跳轉的思路來完成某個功能，而不再是傳統軟件采用的基于“順序編程模式”的流程化設計思想。

“狀態機”的設計思想，區別于傳統的順序流程化設計思想，采用的是一種數據采集狀態跳轉的思想。如圖18所示，數據采集狀態跳轉流程為：首先設定采樣頻率，高速和低速數據采集模式的采樣頻率是不同的，每次執行數據采集任務是，首先進行參數初始化；基于“狀態機”的數據采集方法以時間為基準，每一天采集的數據文件存儲在當天的數據存儲文件中。當當前時刻≥00:00:00時，采集數據，打開以日期為單位的數據存儲文件；對接收到的數據進行處理，存儲在數據存儲文件中，當當前時刻≥23:59:59時，停止采集進程，關閉數據存儲文件。

基于上述“狀態機”編程思想，在LabVIEW開發環境下編寫了主控制器數據采集軟件，與圖17所示硬件系統相配合，實現對多項過程參數的同步高速數據采集。

軟件提供了人機交互接口，便于進行軟件功能測試。考慮到裝置在海上實際運行時，處于無人值守的狀態，因此實際運行時觸發軟件數據采集進程開始與結束的“事件”為對當前系統時刻的判斷，每天存儲一個數據文件(.tdms格式)。

特別需要指出的是，實現高速數據采集必須保證完整無損存儲這些采集到的數據，這就涉及到對采集數據的高速存儲，傳統的數據存儲文件格式(.xls，.xlsx，.dat，.txt等)亦或是數據庫存儲模式(Access、Oracle數據庫等)都不再適用。因此，主控制器數據采集軟件特別對Windows的文件系統(NTFS)的底層驅動作了修改，以實現高速數據存儲。

試驗證明，基于“狀態機”思想編寫的上位機軟件，可以實現工控機操作系統的高速進程切換，進而實現高速數據采集。圖7為上位機數據采集軟件的“狀態機”實現模式。

對于測控系統的本地控制層的主控制器，包括潮位自適應控制單元、液壓蓄能控制單元、并網控制單元、負載控制單元。

(1)潮位自適應控制單元。

為了能夠準確獲取裝置布放海域的海況信息(浪高、潮位)，傳統的技術方法是在指定海域布放一種稱為“浪、潮觀測儀”的海洋觀測精密儀器，造價極其昂貴(高達數十萬)。為了節省成本，同時又能夠準確獲取海況信息，設計了浪潮檢測裝置，如圖4所示。使用投入式液位計作為檢測元件，在振蕩浮子1的導向桿18旁焊接一個潮位觀測筒24，潮位觀測筒24上下開孔，上開孔面積大于下開孔面積，形成上下貫通的結構，類似一個連通器。這種結構可保證不論潮位觀測筒24外的海面再怎么劇烈波動，潮位觀測筒24內一直保持靜水位，也就是與當前潮位持平，即潮位觀測筒24內的潮位不受外界波浪的影響。利用這種原理，設置 了兩個液位計，潮位觀測筒24內的投入式液位計251就可以實時檢測當前潮位，記為H_T，再基于上述數據采集系統，就可以完整記錄當前海域的潮位變化。在潮位觀測筒24外布放另一個投入式液位計252，該液位計與潮位觀測筒24內的液位計處在相同的基面上，這樣的話，該液位計實際檢測到的是海水的水位，記為H_S，再基于上述數據采集系統，就可以完整記錄當前海域的水位變化。液位計251和液位計252測得的液位信息反饋到上位機，考慮到任意時刻，海水的水位實際上是潮位疊加波浪形成的，上位機根據公式(1)，就可以得到波浪的浪高了，記為H_W。

H_W＝H_S-H_T (1)

測控系統對第一級能量轉換的控制體現在利用控制系統的硬件結構和控制方法來克服潮位變化減小了液壓缸有效作用行程的不利影響。以青島近海海域為例，一天24小時潮位都在漲、落變化，每天的潮差(最高潮位與最低潮位的水位之差)平均可達3米，最大潮差可達4米以上。如前，海水的水位實際上是潮位疊加波浪形成的，考慮一種極端情況，也就是一天內不出現波浪，海水水面完全靜止，那么振蕩浮子1也會隨著潮位的漲、落而上浮或者下降。因為振蕩浮子1頂端與液壓缸活塞桿相連接，這樣的話，液壓缸活塞桿至少也會有3米以上的行程。可是液壓缸2的缸筒卻是固定不動的，這樣一來，直接造成的后果是：漲潮時，液壓缸活塞桿的上作用行程縮短，有頂缸的危險；落潮時，液壓缸活塞桿的下作用行程縮短，有脫缸的危險。

傳統的解決方案是加長液壓缸缸筒的長度，單在某些潮位差較大的海域，液壓缸缸筒的長度至少要在5米左右。但是這種液壓缸，不僅加工難度大，結構強度不可保證，而且還會影響整個發電裝置的結構穩定性。

本系統設計了潮位適應系統，以解決以上問題。如圖5所示，潮位適應系統，包括潮位調節油缸26及豎立在振蕩浮子1上的潮位桿27；液壓缸2為兩級可伸縮雙作用液壓缸，潮位調節油缸26為三級可伸縮雙作用液壓缸，總電磁閥11為三位四通電磁閥，包括上閥位111、中閥位112和下閥位113，潮位桿27上間隔安裝上位磁鐵281和下位磁鐵282；導向桿18上安裝有磁性傳感器29，豎向位置介于上位磁鐵281和下位磁鐵282之間，潮位調節油缸26的油缸桿與液壓缸2的無桿腔串接，潮位調節油缸26的有桿腔和無桿腔分別接到總電磁閥的下閥位113和上閥位111。

如圖6所示，潮位適應系統的工作原理(工作流程)是：總電磁閥11的閥芯默認接通在中閥位112，即不向潮位調節油缸26內供油。磁性傳感器29位于導向桿18上，不隨浪潮的 波動而運動；漲潮時，振蕩浮子1上浮，磁性傳感器29檢測下位磁鐵282，磁性傳感器29的輸出端口1輸出高電平信號給控制器，控制器內置計數器的計數值+1，考慮到振蕩浮子1會隨波浪振動，為防止誤判斷，控制器在檢測算法上做了保護，也就是在設定的時間間隔內，當且僅當計數器的計數值≥3時，才認為潮位上漲，否則計數器值清零，等待下一次高電平信號的到來。檢測到潮位上漲后，控制器給出三位四通電磁閥的線圈A的驅動信號，總電磁閥11的下閥位113接通，潮位調節液壓缸26的有桿腔進油，無桿腔出油(液壓油來自于蓄能器組)，在液壓力的驅動下，潮位調節液壓缸26的活塞桿收縮，而該活塞桿與液壓缸2的外缸筒連接，因此可提升液壓缸2外缸筒，待提升設定的時間后，線圈A斷電，三位四通閥的閥芯重新回到中閥位112，油路斷開，提升結束。達到的效果是：不會出現之前由于漲潮導致液壓缸2活塞桿上作用行程縮短的不利后果了。造成頂缸，破壞液壓缸2。

同理，落潮時，振蕩浮子1下降，磁性傳感器29檢測到上位磁鐵281，磁性傳感器的輸出端口2輸出高電平信號給控制器，控制器內置計數器的計數值+1，仍然是在設定的時間間隔內，當且僅當計數器的計數值≥3時，才認為潮位下落，否則計數器值清零，等待下一次高電平信號的到來。檢測到潮位下落后，控制器給出三位四通電磁閥的線圈B的驅動信號，總電磁閥11的上閥位111接通，潮位調節液壓缸26的無桿腔進油，有桿腔出油(液壓油來自于蓄能器組)，在液壓力的驅動下，潮位調節液壓缸29的活塞桿伸長，而該活塞桿與液壓缸2的外缸筒連接，因此可下放液壓缸2外缸筒，待下放設定的時間后，線圈B斷電，三位四通閥的閥芯重新回到中閥位112，油路斷開，下放結束。達到的效果是：不會出現之前由于落潮導致液壓缸2活塞桿下作用行程縮短的不利后果了。

潮位自適應控制系統有手動和自動兩種工作模式，上面敘述的是自動工作模式。手動模式是指可以利用遠程無線網絡監控系統，人為下發控制指令到控制器，然后控制器按照指令給出三位四通電磁閥的線圈的驅動信號。實現液壓缸2缸筒的提升或下放的人為手動操控。

(2)液壓蓄能控制單元

通過主控制器設定浪高上限閾值H_H、浪高下限閾值H_L、蓄能壓力上限閾值P_H、蓄能壓力下限值P_L，主控制器可依據采集到的壓力、流量以及海況監測系統的檢測結果，設定不同的能量釋放控制策略，主控制器依據公式(1)得到當前海域的浪高信息，并在一定的時間間隔內，統計出浪高的平均值，當浪高平均值大于設定的浪高閾值時，認為當前海域的波浪功率較大，可進行較高能量等級的蓄能。鑒于此，測控系統會提高蓄能壓力上限閾值P_H，同時為了確保蓄能器組在能量釋放階段不會對液壓馬達4、閥控組件等設備造成較大沖擊，測控系統會自動控制電磁閥組依次開啟。具體來說，達到設定的蓄能壓力上限閾值P_H后，首先控制 蓄能器組中的電磁閥1開啟，蓄能器1釋放能量。隨著能量的逐漸釋放，蓄能器1壓力逐漸減小，當減小到設定的蓄能壓力下限閾值P_L時，控制電磁閥2開啟，蓄能器2釋放能量。隨著能量的逐漸釋放，蓄能器2壓力逐漸減小，當減小到設定的蓄能壓力下限閾值P_L時，控制電磁閥3開啟，蓄能器3釋放能量。待蓄能器3的壓力減小到蓄能壓力下限閾值P_L后，控制電磁閥1,2,3同時關閉，至此完成能量釋放的整個過程。

同理，依據公式(1)得到當前海域的浪高信息，并在一定的時間間隔內，統計出浪高的平均值，當浪高平均值在一定時間間隔內一直低于浪高下限閾值H_L，認為當前海域的波浪功率較小，只能進行較低能量等級的蓄能。鑒于此，測控系統會降低蓄能壓力上限閾值p_H，同時為了保證釋放階段的最大效率能量釋放，測控系統會自動控制電磁閥組同步開啟。具體來說，達到設定的蓄能壓力上限閾值P_H后，控制電磁閥1,2,3同時開啟，三個蓄能器同步進行能量釋放，壓力也同步下降。當壓力下降到蓄能壓力下限閾值P_L后，控制電磁閥1,2,3同時關閉，至此完成能量釋放的整個過程。

需要指出的是，上述兩個過程中，電磁閥組的控制策略是不同的，原因是，在浪高一段時間內一直高于其設定的浪高閾值時，蓄能器組蓄能壓力已經達到上限，若同時開始電磁閥組中的電磁閥，瞬間釋放的能量非常大，容易造成系統部件的損壞。

上述為液壓蓄能系統的自動工作模式的工作流程，還設計了手動工作模式。手動模式是指可以利用遠程無線網絡監控系統，人為下發控制指令到控制器，然后控制器按照指令控制電磁閥1,2,3的啟、閉，實現蓄能器1,2,3的手動能量釋放。

考慮到液壓蓄能系統工作在高蓄能壓力的情況下，會存在一定的潛在危險，因此特別設計了保護措施。圖3中三個流量傳感器19的作用一是進行蓄能器放油時的流量檢測，而是用來進行故障診斷。例如，當電磁閥1關閉時，流量傳感器1檢測到的流量理應為0，但是如果此時采集到當前流量大于設定的流量閾值q_H時，認為管路存在泄壓、漏油等故障，因此控制器會立即發出報警信號，再通過遠程無線網絡監控系統上傳報警信息到遠程監控中心。

液壓蓄能系統的設計有以下優點：

不再采用液壓缸輸出液壓油直接驅動液壓馬達的“直驅型”結構，而是在液壓缸與液壓馬達之間增加了由蓄能器組、閥控組件以及多路傳感器構成的蓄能穩壓環節，可以有效克服我國近海海域波浪能量密度低這一弊端，先進行能量蓄積，蓄積到一定階段再進行能量釋放。不僅可以大幅提高發電機的輸出功率，提高波浪能到電能的能量轉換效率，而且可以最大限 度保持能量釋放階段液壓馬達的平穩運轉，進而液壓馬達帶動發電機平穩運轉，發電機輸出電力大幅穩定(穩壓穩頻)。這是“直驅型”結構所遠遠不能達到的；

測控系統可依據海況對能量釋放控制策略進行自動調整，既保證了能量轉換效率，又保證了系統實際海試的安全運行；

在實現基本的蓄能與放能控制的同時，設計了報警機制與故障診斷機制，并基于遠程無線網絡監控系統上傳至監控中心，切實保證了無人值守海上發電平臺的的安全可靠運行。

(3)并網控制、負載控制單元

發電裝置最終的目的是獲取電能，將電能輸出。本系統中電能輸出系統屬于第三級能量轉換系統，包括并網支路和負載支路；即，獲得的電能具有兩種輸送途徑，一種是經由并網支路并入市電電網，其結構和原理如圖9所示；另一種是經由負載支路消耗，其結構和原理如圖10所示。

發電機輸出電能直接在平臺上通過電阻消耗的設計考慮是：1)測控系統可通過監測不同負載電阻下，發電機的輸出電壓、電流以及輸出功率，評估不同負載下裝置的能量轉換效率；2)如果發生海底電纜斷裂，或者岸上電力集成管理系統出現故障，需要進行檢修，發電機輸出電能就不具備上岸傳輸條件，這時候可以利用負載直接在平臺上卸荷。

負載支路包括至少一組星形電阻，每組星形電阻的三條支路分別經支路開關接發電機5的三相輸出端，一組星形電阻對應一個接觸器開關，用于控制該組星形電阻中三個支路開關的通斷。通過控制各組星形電阻接入的阻值來控制負載阻值。

如圖11所示，本實施例中使用了3組三相對稱星形電阻，阻值分別為10Ω，40Ω和160Ω。每組星形電阻分別對應接觸控制器KM1、KM2、KM3，測控系統輸出或切斷KM1，KM2和KM3三個接觸器線圈的驅動信號，進而控制KM1，KM2和KM3三個接觸器常開觸點的閉合或斷開，實現負載的接入發電機4、斷開發電機4，以及不同阻值負載的切換。通過控制接觸器觸點的開閉，可以組合出多種阻值的負載：7.62Ω(10Ω//40Ω//160Ω＝7.62Ω)，8Ω(10Ω//40Ω＝8Ω)，9.41Ω(10Ω//160Ω＝9.41Ω)，10Ω，32Ω(40Ω//160Ω＝32Ω)，40Ω，160Ω。這實際上是一種“多段分級”的負載設計思想。所謂“多段”是指采用了多組電阻并聯的方式來構造盡可能多的負載組合，而“分級”是指不同阻值負載的功率等級各不相同，負載阻值越小，功率等級越高。這樣選擇電阻，一是可以實現前面的評估不同負載下裝置的能量轉換效率，二是通過選用不同功率等級的負載電阻，最大限度降低了系統的開發成本。

蓄能器壓力低、蓄能閾值低，蓄能器的驅動能力就會低，直接造成了液壓馬達驅動大電機的能力低，此時，需要控制負載阻值調整到較大，使電流較小，從而減小電磁阻力。相反，當蓄能器壓力高、蓄能閾值高時，需要控制負載阻值調到較小，使電流較大，增大電磁阻力。

相比負載耗能的方式，發電機輸出電能的入市并網，是更具實用價值的處理方式，其實現方式是通過海底電纜傳輸至岸上進行并網。如圖12所示，在上岸之前，首先將兩座發電平臺的電力輸出在一個平臺上利用測控測控系統進行匯合。如圖12所示。將其中一個平臺的的發電機5輸出電力通過匯合海纜301輸送至另一個平臺上，然后與另一平臺發電機5的輸出電力進行平臺匯合后，最終通過上岸海纜302傳輸至岸上。

這種兩平臺電能首先進行匯合的設計思想具有諸多優勢和獨創性：

考慮到青島近海海域，海況的特性是波高小，周期短，能流密度低，因此裝置實際海試運行時，需要長時間進行蓄能(長達數小時)，但是能量的釋放過程是極其短暫的(幾分鐘)，這樣一來，海底電纜的利用率就極低。考慮到海底電纜的生產成本高昂、鋪設難度巨大、維護成本高，將兩平臺電能在一個平臺上進行匯合后，再通過一根海底電纜傳輸上岸，不僅提高了電纜的利用率，而且最大限度降低了裝置的生產成本和施工難度；

電能通過一根海底電纜傳輸上岸，在岸上只需使用一套電力變換設備對電能進行二次處理后即可進行并網，降低了岸上電力集成管理系統的開發成本。

圖13為電能匯合控制結構示意圖，每一臺發電機4的輸出三相電通過大功率三相交流電子開關進行通、斷。三相交流電子開關的的三個支路結構一致，均采用了晶閘管雙向反并聯結構。圖16中的主控制器依據發電機三相電輸出主回路的電壓傳感器和電流傳感器的檢測結果，進行三相交流電的過零點判斷，并依據判斷結果給出晶閘管的觸發控制信號，控制晶閘管的導通與關斷，進而實現發電機輸出電能的通、斷控制。使用三相交流電子開關是考慮到電子開關相對于傳統的機械開關，導通與關斷沒有延時，可進行高頻率的導通、關斷，而且不像機械開關的機械觸點那樣存在機械磨損。

如前，測控系統在實現兩平臺輸出電能的匯合控制時，需要與第二級能量轉換的控制相協調。為了保證匯合控制的安全可靠進行，任意時刻需要確保有且只有一個平臺的液壓蓄能系統進行能量釋放。為此設計了兩平臺通信機制，即在圖12所示的海纜(匯合)中，增加了兩根通信線，兩個平臺的測控系統的主控制器可通過通信線互相傳輸通信信號。具體來說，4浮子平臺的液壓蓄能系統不論是在手動還是在自動工作模式下，在進行能量釋放的前一瞬間，通過通信線給出信號，且該信號一直保持到液壓蓄能系統的能量釋放結束。5浮子平臺的主控制器在接收到該信號后，立刻閉鎖液壓蓄能系統(將圖3中電磁閥1,2,3全部關閉)，并且基于主控制內部的控制邏輯，禁用部分人機交互功能，也即是說，即便此時希望通過遠程監控系統人為開啟圖3中的電磁閥1,2,3都是不可能的。當4浮子平臺的液壓蓄能系統完成能量釋放后，斷開該通信信號，隨后5浮子平臺主控制器解除對液壓蓄能系統的閉鎖，開啟被禁用的人機交互功能。同理，5浮子平臺依然是基于上述通信機制，與4浮子平臺進行通信， 然后4浮子平臺并進行相應的控制(閉鎖液壓蓄能系統，禁用部分人機交互功能)。

圖14為發電機帶并網電力變換設備時的電路原理圖。采用了AC/DC—DC/DC—DC/AC—AC/AC的拓撲結構。電能匯合后經上岸海纜302傳輸至岸上，首先通過EMI濾波器濾除高頻諧波，提高電能質量；然后通過三相不可控全波整流，將三相交流電整流成直流電，實現AC/DC變換；整流后，使用Sepic變換電路進行二次穩壓，也就是DC/DC變換，基于閉環控制可實現寬范圍直流電壓輸入下的穩壓輸出；蓄電池組并聯在直流母線上，一是可以吸收發電機的輸出電能，二是起到穩定和支撐直流母線電壓的作用；測控系統會實時監測蓄電池組的荷電狀態(State of Charge，簡寫為SOC)，當SOC≥0.9時，認為蓄電池組即將進入過充狀態，此時測控系統會控制圖14中所示的卸荷電阻接入直流母線，吸收多余電能，同時發電機會因為卸荷電阻的接入而減速制動，確保蓄電池不會過充，保障了蓄電池的安全、健康運行；DC/DC變換后，使用逆變器實現DC/AC變換，將直流電逆變成交流電；隨后通過變壓器實現AC/AC變換，變換得到與市電的電壓等級一致的交流電，即可進行后續的并網。

對應于圖14中的DC/DC變換電路(Sepic變換電路)，圖15為該電路的閉環控制系統結構圖。

閉環控制系統的結構雙閉環串級控制系統，外環為電壓環，內環為電流環，測控系統的主控制器實現了圖15中所示的PI控制算法。如前，裝置的液壓蓄能系統已經能夠大幅提很高發電機輸出電力的平穩性，再加上測控系統實現的閉環控制，能夠進一步穩定DC/DC變換電路的直流電壓輸出。裝置實際運行時，可以基于遠程監控系統設定期望的直流電壓輸出，也就是圖15中的V_ref，然后測控系統就可基于圖15所示的電路結構與控制算法，控制圖15中的電壓輸出，實現V_out＝V_ref。確保了DC/DC變換電路的穩定直流電壓輸出，再加上蓄電池的支撐，就可以保證后續DC/AC逆變器輸出交流電的穩壓穩頻。

對于測控系統的調度管理層，可分為本地有線網絡監控系統和遠程無線網絡監控系統。

本地有線網絡監控系統：在裝置下水海試之前，需要對設計的測控系統進行反復的測試，以確保功能的可靠性。此時可以通過本地有線網絡監控系統來實現對測試過程的實時網絡化監控。日后裝置的海上維護，科研人員也可在控制室內利用本地有線網絡監控系統對測控系統的各項功能進行調試維護。本地有線網絡監控系統的通信鏈路結構圖如圖19所示，其實質是通過工業交換機，將主控制器跟本地監控工控機接入同一個局域網，本地監控工控機通過監控軟件，掌握整個裝置各環節的運行狀態，例如液壓回路的壓力、流量，亦或是電力變換系統的電壓、電流等。也可通過監控軟件下發控制指令到控制器，實現諸如測控系統工作模 式的手/自動切換、控制參數的設定等。

遠程無線網絡監控系統：考慮到裝置海試運行的無人值守狀態，在本地有線網絡監控系統的基礎之上，設計并開發了遠程無線網絡監控系統，用以遠程實時監控海上裝置的運行狀態。遠程無線網絡監控系統依據通信距離分為三種模式：近距離模式(監控距離≤100米)，中距離模式(監控距離≤10km)，遠距離模式(監控不受距離限制)。圖20-圖22分別為三種通信模式的通信鏈路結構圖。

對應于圖20，近距離模式下的無線網絡監控的通信距離在100m之內。本地監控工控機與主控制器接入同一個局域網后，在工業交換機上連接WIFI路由器以實現局域網絡的無線擴展，使得裝置周圍100米范圍內覆蓋WIFI信號。監控計算機連接WIFI后即可接入該局域網，依然是通過圖20所示監控軟件，與主控制器基于TCP/IP協議進行全雙工通信，實現對第一級能量轉換到第三級能量轉換的過程監控。數據采集系統采集數據存儲在本地監控工控機的硬盤里，通過圖20所示的通信鏈路可以實現對數據存儲文件的遠程訪問和提取。在本地監控工控機上建立一個FTP服務器并開通訪問權限，所有的采集數據存儲文件都放在指定的路徑下，然后基于圖20所示的通信鏈路，科研人員可以直接登陸FTP服務器，訪問指定路徑下的數據存儲文件，還可以直接復制數據存儲文件到監控計算機上，方便快捷。

對應于圖21，中距離模式下的無線網絡監控的通信距離在10km之內，主要適用于科研人員在臨海的碼頭對整個裝置進行遠程監控，當然，中距離模式也可實現近距離監控(只要保證距離≤10km)。本地監控工控機與主控制器接入同一個局域網后，在工業交換機上連接無線網橋，無線網橋可發射并接受高頻無線微波(5.8GHz)，這種高頻微波就相當于信息的載波。在岸上也布放一個無線網橋，與裝置控制室內的無線網橋進行點對點連接，岸上的無線網橋接入路由器，這樣一來，監控計算機和網絡錄像機通過路由器即可接入本地監控工控機與主控制器所在的局域網。通過監控軟件，監控計算機與主控制器基于TCP/IP協議進行全雙工通信，實現對第一級能量轉換到第三級能量轉換的過程監控。同時，網絡錄像機可實時記錄并存儲攝像頭采集的視頻信息，方便科研人員隨時查看裝置的海上運行情況。基于這種中距離模式的遠程監控，科研人員可也可以按照之前敘述的方式，隨時訪問和提取本地監控工控機硬盤里存儲的數據文件。

上述兩種監控模式實際上實現的是局域網絡監控。對應于圖22，遠距離模式下的無線網絡監控的通信距離不再受距離的限制，主要適用于科研人員在遠離海岸的實驗室對整個裝置進行遠程監控，當然，遠距離模式也可實現近、中距離監控。本地監控工控機與主控制器接入同一個局域網后，在工業交換機上連接GPRS-DTU(GPRS數據傳輸單元)，GPRS-DTU首先接入GPRS骨干網，也就是經常說的“手機網”。GPRS骨干網隨后通過GPRS服務器與公 網Internet實現網際互連。在Internet上架設了一臺數據服務器，也就是所謂的“云端服務器”，這實際上相當于一個“數據中轉站”，監控計算機也接入Internet后就可以經由數據服務器下發控制指令到主控制器，同時主控制器也可經由數據服務器實時上傳數據到監控計算機，實現的依然是基于TCP/IP協議的全雙工通信，通過監控軟件。這種遠距離模式實際上實現的是局域網與廣域網的網際互連，屬于當前非常流行的“云管理”模式。

基于上述三種模式，可以得到如圖23所示遠程無線網絡監控系統的宏觀結構示意圖，真正實現了對兩座海上發電平臺的網絡化遠程管理與調度。

測控系統的正常運行需要用到電能，設計并開發了光伏不間斷供電系統，用以滿足裝置測控系統的用電需求。光伏不間斷供電系統的結構如圖24所示。整個測控系統的電能來源為鉛酸蓄電池組，蓄電池組接入逆變器，逆變器輸出單相220V，50Hz交流電，作為測控系統的供電電源。為了能夠及時補充消耗的蓄電池電量，使用太陽能板通過充電控制器給蓄電池組充電。考慮到裝置在海上有可能遇到連續陰雨天氣的情況，太陽板長時間不能有效給蓄電池組充電，蓄電池組的電量將會消耗殆盡。因此在逆變器的功能設計上，除了最基本的逆變功能外，增加了市電切換功能，即當逆變器監測到蓄電池組電壓低于設定的電壓閾值時，可自動控制市電切入，這里的市電是通過海底電纜將岸上的市電引到發電平臺上的。一旦市電切入逆變器，逆變器自動轉換到“市電輸出”模式，而不再是“逆變”模式。當蓄電池電壓恢復后，逆變器又可以自動跳轉回到“逆變”模式。光伏不間斷供電系統，切實保障了海上運行時，測控系統的有可靠供電。