一种基于傅氏分析和改进灰狼算法的波浪发电装置功率控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于傅氏分析和改进灰狼算法的波浪发电装置功率控制方法，在保留灰狼优化算法最本质特征基础上，增加全新的精英狼搜索策略和狼群整体展开策略，优化包围圈形成策略、狼群搜索猎物方式和狼群结构，确保改进灰狼算法能避免因浮子水动力非线性陷入局部最优。引入傅氏分析法分解海洋入射波和电机运动部件响应，对浮子捕获频率范围内的每个波浪分量，使用改进灰狼算法求解对应的最佳电机控制参数，最大限度地捕获其携带的功率，从而实现最大功率点跟踪。

A Power Control Method for Wave Power Generator Based on Fourier Analysis and Improved Grey Wolf Algorithms

【技术实现步骤摘要】
一种基于傅氏分析和改进灰狼算法的波浪发电装置功率控制方法
本专利技术涉及波浪发电装置功率控制的
，尤其涉及到一种基于傅氏分析和改进灰狼算法的波浪发电装置功率控制方法。
技术介绍
为了实现波浪发电装置(WaveEnergyConverter，WEC)最大功率点跟踪控制(MaximumPowerPointTracking，MPPT)，国内外学者提出了人工智能算法的应用。传统的群智能算法有遗传算法、粒子群算法(ParticleSwarmOptimization，PSO)等，然而这些算法在求解复杂优化问题时，收敛速度慢、易陷入局部最优，限制了最大功率点跟踪技术性能的进一步提升。为此，本专利技术提出一种基于傅氏分析和改进灰狼算法的控制方案。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于傅氏分析和改进灰狼算法的波浪发电装置功率控制方法。在保留灰狼优化算法(Greywolfoptimizer，GWO)最本质特征基础上，增加全新的精英狼搜索策略和狼群整体展开策略，优化包围圈形成策略、狼群搜索猎物方式和狼群结构，确保改进灰狼算法(ModifiedGreyWolfOptimizer,MGWO)能避免因浮子水动力非线性陷入局部最优。引入傅氏分析法分解海洋入射波和电机运动部件响应，对浮子捕获频率范围内的每个波浪分量，使用改进灰狼算法求解对应的最佳电机控制参数，最大限度地捕获其携带的功率，从而实现最大功率点跟踪。为实现上述目的，本专利技术所提供的技术方案为：一种基于傅氏分析和改进灰狼算法的波浪发电装置功率控制方法，包括以下步骤：S1：进行波浪发电装置的最大功率点跟踪控制分析，求出可改变波浪发电装置平均输出功率的直线电机电磁力控制参数；S2：对灰狼算法进行改进，提高其寻优能力；S3：将通过步骤S2改进后的灰狼算法应用于波浪发电装置最大功率点跟踪控制中，避免直线电机电磁力控制参数陷入局部最优；S4：引入傅氏分析法分解海洋入射波和电机运动部件响应，对浮子捕获频率范围内的每个波浪分量，使用改进后的灰狼算法求解对应的最佳直线电机电磁力控制参数，最大限度地捕获其携带的功率，从而实现最大功率点跟踪。进一步地，所述步骤S1中，求出波浪发电装置平均输出功率的具体步骤如下：S1-1：进行波浪发电装置浮子的水动力分析：浮子随波浪入射而上下运动，由系缆牵引直线电机运动；假定浮子处于水深为h的理想流体中，建立坐标系，并令无波浪时水面z(x,y)＝0；实际海洋入射波可视为一系列不同频率正弦波分量的叠加；波浪中浮子受到的水动力为：fwt＝fs+fr+fb；(1)(1)式中，fs为浮子受到的波浪激励力，fr为浮子受到的辐射力，fb为浮子受到的静水恢复力；其中，浮子受到的波浪激励力：(3)式中，为入射角为0的科钦函数；S为浮子表面；V为浮子体积；为入射波速度势；为浮子在波浪作用下发生垂荡，产生辐射波速度势和辐射波流体动压力，Whi为浪高系数；浮子受到的辐射力：浮子受到的静水恢复力：fb＝-ρgSwz(t)＝-kSz(t)；(5)S1-2：进行波浪发电装置功率点跟踪优化分析：根据牛顿定律，波浪发电装置运动部件动力学方程为：式(2)中，fwt(t)为水动力，fv(t)为流体粘滞力，ff(t)为摩擦力，fg(t)为直线电机电磁力，m为运动部件质量，为浮子运动加速度；浮子处于理想流体中时，忽略研究对象流体粘滞力和摩擦力，将(4)，(5)，(1)代入(2)得到可得：式(6)中，z(t)为浮子运动位移；当且仅当直线电机存在恰当电磁力时，可使能量从波浪馈入电网，记直线电机电磁力fg(t)为：式(7)中，Rg、kc、kl为直线电机电磁力控制参数；波浪发电装置捕获的瞬时功率为：波浪频率会影响波浪发电装置输出功率，将式(8)代入式(7)，并进行傅里叶变换，从频域分析运动部件响应：式(8)中Ra(ω)为附加阻力，ma(ω)为附加质量，z(jω)为浮子在频域的速度，Fs(jω)为浮子在频域的水动力；不计直线电机铁芯磁滞涡流损耗，波浪发电装置平均输出功率为复功率的实部：联立式(9)和(10)，得波浪发电装置平均输出功率为：式(11)中，m、kS为常数，Ra(ω)、ma(ω)与频率存在非线性关系。进一步地，所述步骤S2的具体过程如下：S2-1：精英狼竞选：狼群依次对当前精英狼层级进行挑战，竞选适应度最优的前四只灰狼为一级精英狼As(1)和二级精英狼As(2)、As(3)、As(4)，调整人工狼群层级结构为：一、二级精英狼和普通狼；改善冗余的狼群结构，使普通狼能更迅速响应精英狼的指令，提高收敛速度；S2-2：精英狼搜索：精英狼间两两随机配对，按式(12)搜索最优猎物：式(12)中，As(k)、As(l)表示精英狼k、l当前所在位置；Ahz(k)、Ahz(l)表示精英狼k、l交流猎物位置信息后预期前往的位置；Sprl1、Sprl2为[-1,1]内的随机数；S2-3：形成包围圈：普通狼A(i)在精英狼As(w)启发下确定包围区域，具体用下式(13)表示：式(13)中，As(w)表示精英狼所在位置；Dsw表示精英狼As(w)给普通狼A(i)指定包围圈的半径；Xw表示精英狼As(w)给普通狼A(i)指定的搜索区域；Rw表示[0,1]内的随机数；Yr表示权限系数，为[-1,1]内的随机数；w＝1、2、3、4；i＝1,2,…,Nw；Nw为狼群灰狼数目；S2-4：搜索猎物：普通狼A(i)按式(14)前往对应区域搜索猎物：A(i)＝We1X1+We2X2+We3X3+We4X4；(14)式(13)中We1、We2、We3、We4为精英狼支配权重系数，We1＝0.55、We2＝0.2、We3＝0.15、We4＝0.1；S2-5狼群展开：狼群所有成员在搜索空间按式(15)展开，为下一轮捕猎做好准备：Acz(i,j)＝rA(i,j)+(1-r)A(i,k)(15)式(15)中，A(i,j)、A(i,k)为灰狼A(i)的第j、k维变量；Acz(i，j)为灰狼A(i)第j维变量按上式改变后的预期位置；r为[0,1]的随机数。进一步地，所述步骤S3的具体步骤如下：S3-1：设定狼群灰狼数目Nw，最大循环次数Nmc，变量数目Nd及变量的上、下限；S3-2：设定循环计数器Cou＝1，在解空间内随机初始化狼群位置，一、二级精英狼适应度设定为最小值；S3-3：狼群对当前精英狼发起挑战，竞选适应度最优前四只狼为一级精英狼As(1)，二级精英狼As(2)、As(3)、As(4)；输出一级精英狼As(1)为直线电机电磁力控制参数；S3-4：精英狼两两随机配对，执行式(12)的搜索过程，检查精英狼位置参数是否在解空间内，将越限参数设定为最近的边界值，比较预期位置和当前位置适应度值，保留较优位置进行后续操作；S3-5：普通狼A(i)接收精英狼指令，按式(13)确定包围圈半径以及对指定区域形成包围圈；S3-6：普通狼A(i)根据不同精英狼指令支配权重系数，按式(14)对指定区域进行搜索；S3-7：狼群中每个灰狼个体所有变量两两随机配对，按式(15)搜索解空间，灰狼个体仅保留当前位置与预期位置中较优的一个参与下一轮迭代；S3-8：循环计数器Cou＝Cou+1，若Cou<Nmc，程序转移至S3-3，否则，程序转移本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于傅氏分析和改进灰狼算法的波浪发电装置功率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：进行波浪发电装置的最大功率点跟踪控制分析，求出可改变波浪发电装置平均输出功率的直线电机电磁力控制参数；S2：对灰狼算法进行改进，提高其寻优能力；S3：将通过步骤S2改进后的灰狼算法应用于波浪发电装置最大功率点跟踪控制中，避免直线电机电磁力控制参数陷入局部最优；S4：引入傅氏分析法分解海洋入射波和电机运动部件响应，对浮子捕获频率范围内的每个波浪分量，使用改进后的灰狼算法求解对应的最佳直线电机电磁力控制参数，最大限度地捕获其携带的功率，从而实现最大功率点跟踪。

【技术特征摘要】
1.一种基于傅氏分析和改进灰狼算法的波浪发电装置功率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：进行波浪发电装置的最大功率点跟踪控制分析，求出可改变波浪发电装置平均输出功率的直线电机电磁力控制参数；S2：对灰狼算法进行改进，提高其寻优能力；S3：将通过步骤S2改进后的灰狼算法应用于波浪发电装置最大功率点跟踪控制中，避免直线电机电磁力控制参数陷入局部最优；S4：引入傅氏分析法分解海洋入射波和电机运动部件响应，对浮子捕获频率范围内的每个波浪分量，使用改进后的灰狼算法求解对应的最佳直线电机电磁力控制参数，最大限度地捕获其携带的功率，从而实现最大功率点跟踪。2.根据权利要求1所述的一种基于傅氏分析和改进灰狼算法的波浪发电装置功率控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，求出波浪发电装置平均输出功率的具体步骤如下：S1-1：进行波浪发电装置浮子的水动力分析：浮子随波浪入射而上下运动，由系缆牵引直线电机运动；假定浮子处于水深为h的理想流体中，建立坐标系，并令无波浪时水面z(x,y)＝0；实际海洋入射波可视为一系列不同频率正弦波分量的叠加；波浪中浮子受到的水动力为：fwt＝fs+fr+fb；(1)(1)式中，fs为浮子受到的波浪激励力，fr为浮子受到的辐射力，fb为浮子受到的静水恢复力；其中，浮子受到的波浪激励力：(3)式中，为入射角为0的科钦函数；S为浮子表面；V为浮子体积；为入射波速度势；为浮子在波浪作用下发生垂荡，产生辐射波速度势和辐射波流体动压力，Whi为浪高系数；浮子受到的辐射力：浮子受到的静水恢复力：fb＝-ρgSwz(t)＝-kSz(t)；(5)S1-2：进行波浪发电装置功率点跟踪优化分析：根据牛顿定律，波浪发电装置运动部件动力学方程为：式(2)中，fwt(t)为水动力，fv(t)为流体粘滞力，ff(t)为摩擦力，fg(t)为直线电机电磁力，m为运动部件质量，为浮子运动加速度；浮子处于理想流体中时，忽略研究对象流体粘滞力和摩擦力，将(4)，(5)，(1)代入(2)得到可得：式(6)中，z(t)为浮子运动位移；当且仅当直线电机存在恰当电磁力时，可使能量从波浪馈入电网，记直线电机电磁力fg(t)为：式(7)中，Rg、kc、kl为直线电机电磁力控制参数；波浪发电装置捕获的瞬时功率为：波浪频率会影响波浪发电装置输出功率，将式(8)代入式(7)，并进行傅里叶变换，从频域分析运动部件响应：(jω)2(m+ma(ω)+k1)z(jω)＝Fs(jω)-jω(Ra(ω)+Rg)z(jω)-(ks+kc)z(jω)；(9)式(8)中Ra(ω)为附加阻力，ma(ω)为附加质量，z(jω)为浮子在频域的速度，Fs(jω)为浮子在频域的水动力；不计直线电机铁芯磁滞涡流损耗，波浪发电装置平均输出功率为复功率的实部：联立式(9)和(10)，得波浪发电装置平均输出功率为：式(11)中，m、kS为常数，Ra(ω)、ma(ω)与频率存在非线性关系。3.根据权利要求1所述的一种基于傅氏分析和改进灰狼算法的波浪发电装置功率控制方法，其特征在于，所述步骤S2对灰狼算法进行改进，改进后的灰狼算法应用于步骤S3中；步骤S2的具体过程如下：S2-1：精英狼竞选：狼群依次对当前精英狼层级进行挑战，竞选适应度最优的前四只灰狼为一级精英狼As(1)和二级精英狼As(2)、As(3)、As(4)，调整人工狼群层级结构为：一、二级精英狼和普通狼；改善冗余的狼群结构，使普通狼能更迅速响应精英狼的指令，提高收敛速度；S2-2：精英狼搜索：精英狼间两两随机配对，按式(12)搜索最优猎物：式(12)中，As(k)、As(l)表示精英狼k、l当前所在位置；Ahz(k)、Ahz(l)表示精英狼k、l交流猎物位置信息后预期前往的位置；Sprl1、Sprl2为[-1，1]内的随机数；S2-3：形成包围圈：普通狼A(i)在精英狼As(w)启发下确定包围区域，具体用下式(13)表示：式(13)中，As(w)表示精英狼所在位置；Dsw表示精英狼As(w)给普通狼A(i)指定包围圈的半径；Xw表示精英狼As(w)给普通狼A(i)指定的搜索区域；Rw表示[0，1]内的随机数；Yr表示权限系数，为[-1，1]...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢思灵，杨俊华，熊锋俊，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东,44