波浪能独立发电系统容量规划方法技术方案

本发明专利技术公开了一种波浪能独立发电系统容量规划方法，利用设计海域的海况统计资料以及波浪能发电装置模型样机的模型幅值响应算子RAO

【技术实现步骤摘要】
波浪能独立发电系统容量规划方法
本专利技术属于波浪能发电领域，具体涉及一种波浪能独立发电系统容量规划方法。
技术介绍
海上设备尤其是海洋浮标的供电系统本质上是一套独立发电系统。该系统结构上一般包括直流母线、发电单元、蓄电池、交直流负载和一系列用于功率变换的电力电子元件。如果海洋浮标仅利用波浪能发电，那么该系统又可以称为波浪能独立发电系统。波浪能独立发电系统的特征在于发电单元仅为波浪能发电装置。在已知交直流负载的前提下，建造小型波浪能独立发电系统的成本主要来自于波浪能发电装置以及蓄电池。因此其设计和应用之初，必须先根据交直流负载的用电需求和设计海域的波浪能资源状况，统一规划波浪能发电装置和蓄电池的容量，以便既能满足交直流负载的供电可靠性，又能保证系统建造的低成本。然而，目前还少有相关文献对该统一规划的过程进行详细说明。比如，文献《Dimensioningmethodologyforenergystoragedevicesandwaveenergyconverterssupplyingisolatedloads》(《IETRenewablePowerGeneration》，2016年，第10卷，第10期，1468-1476页)仅仅是先通过多目标优化波浪能发电装置的配置，然后在此基础上由发电功率和负载功率的差值估算所需要的蓄电池容量，并未开展统一的容量规划。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种波浪能独立发电系统容量规划方法，该方法综合考虑实际的负载用电需求、设计海域海况和模型特性参数，统一规划波浪能发电装置和蓄电池的容量，使得规划结果既能满足经济性要求，又能保证供电可靠性要求。本专利技术所采用的技术方案是：一种波浪能独立发电系统容量规划方法，利用设计海域的海况统计资料(或称为海况统计表)以及波浪能发电装置模型样机的模型幅值响应算子RAOm和模型俘获宽度比CWRm，计算波浪能发电装置的瞬时发电功率的时域曲线，并基于瞬时发电功率的时域曲线和瞬时负载功率的时域曲线(或称为负荷曲线)，以最小化波浪能发电装置和蓄电池的总建造成本C为目标，规划波浪能发电装置的迎波面宽度b和额定发电功率Pw_rate以及蓄电池的额定容量Eb_rate。进一步地，上述方法具体包括以下16个步骤：S1、根据设计海域海况统计表中的各海况发生频率，随机抽取海况仿真连续不规则波时域波形，仿真时长近似为波浪能独立发电系统的运行寿命；S2、根据上跨零点划分波浪序列，分解出若干个单波，单波数记为m；S3、设置N组波浪能发电装置的迎波面宽度b和额定发电功率Pw_rate；S4、令n＝1，i＝1；S5、搜索第n组b和Pw_rate；S6、统计第i个单波的波高Hi和周期Ti；S7、利用第n组的b，以及模型幅值响应算子RAOm和模型俘获宽度比CWRm，计算第i个单波对应的波浪能发电装置的时均发电功率Pw_av，i和最大速度Vmax，i；S8、利用Pw_av，i和Vmax，i，计算第i个单波对应的波浪能发电装置的瞬时发电功率Pw，i(t)，并绘制Pw，i(t)的时域曲线；S9、利用第n组的Pw_rate，削去Pw，i(t)＞Pw_rate时产生的多余能量Ee，i，并计算设置额定发电功率后的瞬时发电功率Pw，i2(t)和时均发电功率Pw_av，i2；S10、引入瞬时负载功率Pl(t)，从中截取出第i个单波对应时段内的瞬时负载功率Pl，i(t)，绘制Pl，i(t)的时域曲线，并计算第i个单波对应时段内的时均负载功率Pl_av，i；S11、根据Pw，i2(t)和Pl，i(t)的关系，计算第i个单波对应时段内蓄电池充放电量Eb，i，Eb，i≥0表示蓄电池充电，否则表示放电；S12、判断i是否小于m，如果i＜m，则i＝i+1，并返回S6，否则执行S13；S13、计算蓄电池瞬时电量Eb(t)，并绘制Eb(t)的时域曲线，取Eb(t)时域曲线的上下限之差为蓄电池最大净充放电量Eb_max，基于Eb_max计算第n组b和Pw_rate对应的蓄电池额定容量Eb_rate；S14、基于第n组b和Pw_rate，及对应的Eb_rate，计算对应的波浪能发电装置和蓄电池的总建造成本C；S15、判断n是否小于N，如果n＜N，则n＝n+1，并返回S5，否则执行S16；S16、比选出N个情况下最小的C，并以该C对应的b，Pw_rate，Eb_rate作为容量规划结果。进一步地，所述步骤S1具体包括以下7个步骤：1)获取设计海域海况统计表，设计海域海况统计表所统计的历史信息的时长设为波浪能独立发电系统的运行寿命，设计海域海况统计表中的某一海况被表征为一组特定的有义波高Hs和峰值周期Tp，设计海域海况统计表中的每一格表示对应海况的发生频率，所有海况的发生频率之和为100％；2)设置随机数生成器，随机数生成区域为0-100；3)按照先有义波高Hs再峰值周期Tp的顺序，或先峰值周期Tp再有义波高Hs的顺序遍历设计海域海况统计表中的各海况，其中发生频率为0％的海况自动跳过，并同步设置各海况对应的随机数生成子区域，随机数生成子区域的大小为对应海况的发生频率*100；4)将波浪能独立发电系统的运行寿命等分成若干个时段，并利用随机数生成器按时段序号顺序生成0-100内的随机数数列，根据随机数数列中各随机数所在的随机数生成子区域选取各时段对应的海况；5)利用波浪谱函数Sω(ω)仿真各时段的浪高时域波形h(t)，波浪谱函数Sω(ω)的形状由各时段对应海况的有义波高Hs和峰值周期Tp以及谱类型确定，浪高时域波形h(t)的仿真时长略大于对应时段的时长，h(t)的计算公式为：其中，M表示将波浪频率ω分成M等份，Δω为每等份的长度，ωj为第j(1≤j≤M)等份中所有波浪频率ω的均值，π为圆周率，randj为ωj对应的一个0-1之间的随机数；6)从各时段的浪高时域波形h(t)中截取出对应时段的特征波形，各特征波形的起点和终点都是零点，即浪高h＝0的点，且各特征波形中介于起点和下一时刻零点之间的各点的浪高h＞0，各特征波形中介于终点和上一时刻零点之间的各点的浪高h＜0，各特征波形的时长约为对应时段的时长，正负误差的绝对值不高于对应时段海况的峰值周期Tp；7)按照时段顺序首尾相连各时段的特征波形，最终形成连续不规则波时域波形。进一步地，所述步骤S2具体包括以下2个步骤：1)统计上跨零点，即连续不规则波时域波形中一类特殊的零点，介于该零点和下一时刻零点之间的点的浪高h＞0，或介于该零点和上一时刻零点之间的点的浪高h＜0；2)以相邻两个上跨零点之间的一段连续不规则波时域波形为一个单波，将连续不规则波时域波形划分成若干个单波，单波数记为m，所有单波按时间先后顺序组成波浪序列。进一步地，所述步骤S6具体包括以下3个步骤：1)确定第i个单波，第i个单波为在第i个上跨零点ai和第i+1个上跨零点本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种波浪能独立发电系统容量规划方法，其特征在于：利用设计海域的海况统计资料以及波浪能发电装置模型样机的模型幅值响应算子RAO

【技术特征摘要】
1.一种波浪能独立发电系统容量规划方法，其特征在于：利用设计海域的海况统计资料以及波浪能发电装置模型样机的模型幅值响应算子RAOm和模型俘获宽度比CWRm，计算波浪能发电装置的瞬时发电功率的时域曲线，并基于瞬时发电功率的时域曲线和瞬时负载功率的时域曲线，以最小化波浪能发电装置和蓄电池的总建造成本C为目标，规划波浪能发电装置的迎波面宽度b和额定发电功率Pw_rate以及蓄电池的额定容量Eb_rate。


2.如权利要求1所述的波浪能独立发电系统容量规划方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1、根据设计海域的海况统计资料中的各海况发生频率，随机抽取海况仿真连续不规则波时域波形，仿真时长近似为波浪能独立发电系统的运行寿命；
S2、根据上跨零点划分波浪序列，分解出若干个单波，单波数记为m；
S3、设置N组波浪能发电装置的迎波面宽度b和额定发电功率Pw_rate；
S4、令n＝1，i＝1；
S5、搜索第n组b和Pw_rate；
S6、统计第i个单波的波高Hi和周期Ti；
S7、利用第n组的b以及模型幅值响应算子RAOm和模型俘获宽度比CWRm，计算第i个单波对应的波浪能发电装置的时均发电功率Pw_av，i和最大速度Vmax，i；
S8、利用Pw_av，i和Vmax，i，计算第i个单波对应的波浪能发电装置的瞬时发电功率Pw，i(t)，并绘制Pw，i(t)的时域曲线；
S9、利用第n组的Pw_rate，削去Pw，i(t)＞Pw_rate时产生的多余能量Ee，i，并计算设置额定发电功率后的瞬时发电功率Pw，i2(t)和时均发电功率Pw_av，i2；
S10、引入瞬时负载功率Pl(t)，从中截取出第i个单波对应时段内的瞬时负载功率Pl，i(t)，绘制Pl，i(t)的时域曲线，并计算第i个单波对应时段内的时均负载功率Pl_av，i；
S11、根据Pw，i2(t)和Pl，i(t)的关系，计算第i个单波对应时段内蓄电池充放电量Eb，i，Eb，i≥0表示蓄电池充电，否则表示放电；
S12、判断i是否小于m，如果i＜m，则i＝i+1，并返回S6，否则执行S13；
S13、计算蓄电池瞬时电量Eb(t)，并绘制Eb(t)的时域曲线，取Eb(t)时域曲线的上下限之差为蓄电池最大净充放电量Eb_max，基于Eb_max计算第n组b和Pw_rate对应的蓄电池额定容量Eb_rate；
S14、基于第n组b和Pw_rate以及对应的Eb_rate，计算对应的波浪能发电装置和蓄电池的总建造成本C；
S15、判断n是否小于N，如果n＜N，则n＝n+1，并返回S5，否则执行S16；
S16、比选出N个情况下最小的C，并以该C对应的b、Pw_rate、Eb_rate作为容量规划结果。


3.如权利要求2所述的波浪能独立发电系统容量规划方法，其特征在于：在步骤S1中，包括以下步骤，
1)获取设计海域的海况统计资料，海况统计资料所统计的历史信息的时长设为波浪能独立发电系统的运行寿命，海况统计资料中的某一海况被表征为一组特定的有义波高Hs和峰值周期Tp，海况统计资料中的每一格表示对应海况的发生频率，所有海况的发生频率之和为100％；
2)设置随机数生成器，随机数生成区域为0-100；
3)按照先有义波高Hs再峰值周期Tp的顺序，或先峰值周期Tp再有义波高Hs的顺序遍历设计海域海况统计表中的各海况，其中发生频率为0％的海况自动跳过，并同步设置各海况对应的随机数生成子区域，随机数生成子区域的大小为对应海况的发生频率*100；
4)将波浪能独立发电系统的运行寿命等分成若干个时段，并利用随机数生成器按时段序号顺序生成0-100内的随机数数列，根据随机数数列中各随机数所在的随机数生成子区域选取各时段对应的海况；
5)利用波浪谱函数Sω(ω)仿真各时段的浪高时域波形h(t)，波浪谱函数Sω(ω)的形状由各时段对应海况的有义波高Hs和峰值周期Tp以及谱类型确定，浪高时域波形h(t)的仿真时长略大于对应时段的时长，h(t)的计算公式为，



其中，M表示将波浪频率ω分成M等份，Δω为每等份的长度，ωj为第j(1≤j≤M)等份中所有波浪频率ω的均值，π为圆周率，randj为ωj对应的一个0-1之间的随机数；
6)从各时段的浪高时域波形h(t)中截取出对应时段的特征波形，各特征波形的起点和终点都是零点，即浪高h＝0的点，且各特征波形中介于起点和下一时刻零点之间的各点的浪高h＞0，各特征波形中介于终点和上一时刻零点之间的各点的浪高h＜0，各特征波形的时长约为对应时段的时长，正负误差的绝对值不高于对应时段海况的峰值周期Tp；
7)按照时段顺序首尾相连各时段的特征波形，最终形成连续不规则波时域波形。


4.如权利要求2所述的波浪能独立发电系统容量规划方法，其特征在于：在步骤S2中，包括以下步骤，
1)统计上跨零点，即连续不规则波时域波形中一类特殊的零点，介于该零点和下一时刻零点之间的点的浪高h＞0，或介于该零点和上一时刻零点之间的点的浪高h＜0；
2)以相邻两个上跨零点之间的一段连续不规则波时域波形为一个单波，将连续不规则波时域波形划分成若干个单波，单波数记为m，所有单波按时间先后顺序组成波浪序列。


5.如权利要求2所述的波浪能独立发电系统容量规划方法，其特征在于：在步骤S6中，包括以下步骤，
1)确定第i个单波，第i个单波为在第i个上跨零点ai和第i+1个上跨零点ai+1之间的一段连续不规则波时域波形；
2)计算第i个单波的波高Hi...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈启卷，岳旭辉，郑阳，耿大洲，徐磊，高功正，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42