开发波能变换器控制系统设计的五大挑战

控制系统洞察

• Oscilla Power公司想要一种波能转换器，可以消除能量捕获和转换的低效率。
• 他们面临着一些挑战，如在偏远的海洋环境中可靠运行和最大限度地提高能源效率。

---

作为可再生能源的来源，地球上的海洋还有未开发的潜力。当海浪能与风能和太阳能相结合时，将使真正的24/7可再生能源成为可能。科裕电力开始开发一种可持续可靠的波浪能转换器(WEC)，可以经济地利用这种资源。

Oscilla不仅想要创建一个可以将波转换为电的WEC。相反，他们希望他们的原型Triton-C能够消除其他正在测试的WECs中存在的能量捕获和转换效率低下的问题，这样他们的系统就可以在未来用于公用事业规模的能源生产。为此，Oscilla Power决定将多模式点吸收器和三个独立的静压液压传动系统结合在一起。通过实验室中的原型，他们知道这种设计可以通过漂浮物上的所有六个自由度提取能量，从而增加从海浪中捕获的能量。他们还确定，拥有三个独立的传动系统将提供一种可靠、灵活和高效的方法，将海浪的振荡机械能转化为电能。

这种设计，加上恶劣的海上环境，以及在浮子上操作的固有空间和重量限制，提出了几个非常复杂的控制问题，Oscilla Power在将原型带出实验室之前需要解决这些问题。当他们计划制造Triton-C的第一个非实验室原型时，他们走近了应用控制工程(ACE)讨论其独特的控制和通信组合所面临的挑战。

首先，为了最大限度地捕获波浪能量，WEC需要自主协调来自多个来源的大量数据。其次，为了优化发电，WEC需要一个紧密的控制回路，可以传递波浪状况数据并调整发电机电机。第三，他们需要一个可靠的机载网络来保护过程系统，同时允许与各种第三方设备进行互操作，并允许与岸上的冗余通信路径。最后，由于这将是Oscilla Power的第一个大规模原型，因此获取高质量和准确的数据来证明该模型是至关重要的。在项目开发过程中需要克服五个挑战。

挑战1:在偏远的海洋环境中作业

除了确保所选的控制设备能够执行所需的高级控制功能外，集成商还必须首先确定设备是否能够满足在海上环境中自主运行的挑战。这意味着硬件必须足够坚固，以应对环境挑战，如盐水和高温和湿度，同时还必须足够紧凑，以适应浮子上的狭小空间，而不会增加太多重量。

为了满足这些需求并实现所需的高级控制功能，两家公司选择了一个硬件平台，其中包括可编程逻辑控制器(PLC)、工业PC和人机界面(HMI)。

为了帮助满足空间和重量要求，集成商为主控制柜和三个传动系统远程I/O柜选择了一个小型NEMA 4X设计，如图1所示。

决定将主控制器和三个传动系统控制器分开放置，以减少整个浮子所需的布线数量，减轻控制系统的整体重量。为了确保系统的安全，保护系统在海洋中自主运行时不被篡改，所有的机柜都配备了安全锁和以太网供电(POE)安全摄像头。

挑战2:最大限度地提高波浪能量效率

Oscilla Power的目标是通过最大限度地利用入射波产生的能量，使大规模的波浪能生产成为可能。为了做到这一点，需要进行高级计算，以便控制系统能够确定发电机所需的理想转矩。为了实现这个功能，Oscilla选择了一个实时硬件仿真系统。系统进行计算所需的一些信息在本地控制系统中是可用的。然而，有关该地区天气和波浪状况的数据只能从互联网上获得。

积分器开发了一系列定制的Python脚本来收集这些信息，并将其推送到本地控制系统和模拟系统。仿真系统内的先进算法消耗这些数据并计算出发电机最有效的转矩，然后由PLC收集，然后提供给运动控制中心(MCC)来调整发电机的需求转矩。

挑战3:跨多个独特平台执行安全通信

WEC有许多机载系统，PLC必须与这些系统通信，由于这些系统是无人驾驶的，因此团队需要能够随时监控原型机的所有方面。来自车载系统的数据集中到PLC中，并在本地可视化(图2)。

通过从岸上连接到控制系统或备份蜂窝连接的光纤通信电缆，团队可以通过远程桌面使用该接口。当浮标上出现异常情况时，控制系统还通过本地安装的应用程序通过文本或电子邮件通知原型团队。这些条件包括浮子的位置、强风和浮子的一般运动。

在浮标上，有多个通信协议，必须适应从WEC操作所需的各个子系统收集信息。PLC控制系统、传动系统和发电机控制柜都基于同一制造商的技术，因此可以通过容错环中的Profinet进行通信。然而，浮子上的其他系统需要几个额外的通信网关来与控制系统连接。

Modbus网关用于与多个机载系统以及陆上配电系统进行交互。浮标上的系统包括与上面提到的模拟器的双向通信和电池管理系统，该系统使用从海浪收集的一小部分电力来维持控制系统。来自陆上配电系统的数据也由PLC监控。这包括一个自动转换开关(ATS)，一个电表和电源管理系统。

CANbus网关被配置来监控主电容器组，这有助于调节输送到岸上的电力，以及机载GPS，这对于了解浮子是否停留在预期位置至关重要。

确保通信安全是原型机设计的首要任务。大多数系统(包括与岸上的光纤连接)都是在一个封闭的基础设施上，然而使用备份蜂窝网络意味着需要额外考虑外部对船上系统的威胁。

该网络被划分为三个虚拟局域网(vlan):控制系统、交换机管理和车载摄像头。这些vlan被防火墙保护，防火墙只允许WEC操作所需的流量。使用防火墙设备管理的虚拟专用网络(VPN)来保护对WEC网络的访问。

挑战4:高速数据收集和报告

数据收集，尤其是在原型阶段，对于证明该技术在海洋环境中的可行性至关重要。收集到的数据可能会导致操作变化和未来的增强，随着这项技术走向大规模部署，这些改进将被使用。作为该系统的一部分，规范要求机载仪器的采集速率达到10ms。然后需要将这些数据置于背景中，并将其呈现给与原型相关的研究团队。

积分器在机载计算机上设置一个单独的虚拟历史服务器来收集和托管数据。选择历史学家软件以所需的速率收集所需的数据。该软件还有一个模块，允许集成商开发面向公共和私人的仪表板(图3)，这样研究团队就可以看到他们监控WEC所需的数据，而普通公众也可以看到WEC在现场的表现。图3显示了正在开发的仪表板示例。

挑战5:在全球大流行期间实施和测试复杂的原型

由于这项工作的高潮发生在COVID-19大流行的高峰期，集成商需要开发一种创造性的方法来进行工厂验收测试(FAT)，以消除旅行和面对面的接触。远程FAT执行依赖于视频和屏幕共享，与位于北美两端的参与者执行完全见证的测试协议。在准备发射和在太平洋进行为期一年的测试期间，这些技术今天仍被用于对系统进行更改。

成功地从小型坦克测试到全尺寸原型部署

该集成商满足了Oscilla在一个紧凑的控制系统中执行远程控制、数据采样、通信和高级操作任务的要求。因此，利用Oscilla先进的液压传动系统设计，Triton-C原型机可以从所有波浪驱动运动中高效捕获能量，并实现低功率变异性的高效能量转换。

在这个多阶段的设计和部署过程中，两家公司在设计的各个方面建立了合作伙伴关系，包括确定适当的控制系统平台，制定设计规范，并实现在恶劣环境下提供可靠性能的控制系统。

该集成商将继续提供远程支持，并帮助确保这种WEC技术能够提供具有成本竞争力的、公用事业规模的能源，补充现有的可再生能源，帮助减少社会对化石燃料的依赖。

Chris Hudson是应用控制工程公司．由Chris Vavra编辑，web内容经理，CFE媒体和技术，cvavra@cfemedia.com．

您是否具有本内容中提到的主题的经验和专业知识?你应该考虑为我们的CFE媒体编辑团队做出贡献，并获得你和你的公司应得的认可。点击在这里开始这个过程。