基于阵列式磁力丝杠复合波浪发电系统的功率控制方法技术方案

基于阵列式磁力丝杠复合波浪发电系统的功率控制方法，包括：阵列式磁力丝杠复合波浪发电系统的波浪激励力预测模型、并基于预测所得数据对阵列式磁力丝杠复合波浪发电系统进行最大功率跟踪的混合控制策略。具体步骤为：首先，将测量得到浮筒的实时位置和速度参数输入预测模型中，从而获得阵列式磁力丝杠复合波浪发电系统的波浪激励力预测值；接着，然后根据预测数据与阵列式磁力丝杠复合波浪发电系统的发电端机械参数模型，升压转换器参数模型及负载端参数模型相结合，设计出一种基于阵列式波浪激励力预测的最大功率混合跟踪算法，从而最大限度地捕获波浪能，并将其转换为电能。并将其转换为电能。并将其转换为电能。

【技术实现步骤摘要】
基于阵列式磁力丝杠复合波浪发电系统的功率控制方法


[0001]本专利技术涉及波浪能发电
，特别涉及基于阵列式磁力丝杠复合波浪发电系统的功率控制方法。

技术介绍

[0002]随着全球能源需求量的不断增加，许多非可再生能源的有效利用期限越来越短，能源问题变得越发严重，并且燃烧化石能源会产生大量导致温室效应的二氧化碳等产物，造成全球气候变暖，使得寻找清洁的可再生能源成为国家可持续发展的重点。
[0003]波浪能量潜力巨大，且具有以下优点：(1)能量容量大，开发利用价值大；(2)可为离岸岛屿提供稳定能源；(3)可在全年大多数时间运行。这为我国的波浪能发电提供了必要的需求基础。
[0004]但由于波浪通常情况下浪程低，不稳定，传统的波浪能发电机转换效率低，故需要一种可靠的追踪最大功率点到波浪发电系统控制算法，同时结合现阶段到商用波浪发电机大多为矩阵式排列，波场因阵列波浪能转换器的衍射和辐射波的存在而变得复杂，这对波浪激励力的预测提出来更高的挑战。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对现有技术中的不足，提供基于阵列式磁力丝杠复合波浪发电系统的功率控制方法；以针对商用波浪能发电装置通常的阵列式排列，提出阵列式磁力丝杠复合波浪发电系统的波浪激励力预测算法，可对阵列排列式中的发电装置提供准确的波浪激励力预测，接着基于预测数据，建立阵列式磁力丝杠复合波浪发电系统最大功率混合跟踪算法。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]一种基于阵列式磁力丝杠复合波浪发电系统的功率控制方法，包括以下步骤：
[0008]S1：建立波浪激励力预测模型，并根据该模型预测阵列式磁力丝杠复合波浪发电系统中的波浪激励力；
[0009]S2：结合步骤S1预测的数据，利用功率混合跟踪算法对阵列式磁力丝杠复合波浪发电系统中发电端参数模型、升压转换器参数模型以及负载端参数模型中的任一一个或多个进行对应控制，实现整体波浪发电系统的最大功率跟踪。
[0010]为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
[0011]进一步地，步骤S1的具体内容为：
[0012]S1.1：建立波浪激励力估计模型，并根据该模型估计阵列式磁力丝杠复合波浪发电系统中的波浪激励力；所述该模型包括时间迭代和测量迭代两部分，具体表示如下：
[0013]时间迭代：
[0014][0015][0016]式中，表示时间迭代下波浪发电系统中发电机k时刻的估计状态，所述估计状态包括有激励力，其用于计算下述测量迭代中的包括有激励力，其用于计算下述测量迭代中的表示测量迭代下波浪发电系统中发电机k
‑
1时刻的估计状态，所述估计状态包括有激励力；表示发电机中辐射力k
‑
1时刻的估计值；表示时间迭代下k时刻的误差协方差，其用于计算下述测量迭代中的P
k
；P
k
‑1表示测量迭代下k
‑
1时刻的误差协方差；参数A是系统矩阵、参数B是输入矩阵；
[0017]测量迭代：
[0018][0019][0020][0021]式中，K
k
表示k时刻的增益系数，其用于计算测量迭代中的P
k
和P
k
表示测量迭代下k时刻的误差协方差，其用于返回至时间迭代中并作为上一时刻的P
k
‑1以计算下一时刻的以计算下一时刻的表示测量迭代下波浪发电系统中发电机k时刻的估计状态，其用于返回至时间迭代中并作为上一时刻的以计算下一时刻的参数y
k
表示发电机k时刻的位置及速度的测量值；参数Q和R均表示过程协方差矩阵；参数H表示观测矩阵；
[0022]基于上述内容得出，在时间迭代中当前时刻所计算出的结果用于参与计算测量迭代中当前时刻的结果计算，而测量迭代中当前时刻所计算出的结果又作为上一时刻参与到时间迭代下一时刻的结果计算中，如此进行循环迭代，最终求得在测量迭代下某一预测时刻的其中体现了某一预测时刻下发电机激励力的估计状态；
[0023]S1.2：建立波浪激励力预测模型，并根据该模型预测阵列式磁力丝杠复合波浪发电系统中的波浪激励力；该模型具体表示如下：
[0024][0025]式中，为阵列式磁力丝杠复合波浪发电系统中发电机设备b的波浪激励力预测值，其中b＝{1...n}；表示为阵列式中发电机设备b在k
‑
i时间节点的激励力估计值；为阵列中一个发电机设备u的波浪激励力估计值，其通过步骤S1.1中构建的波浪激励力估计模型得出；h1为发电机b的模型阶数；h2为阵列初发电机以外设备的模型阶数；和均表示系数；将该公式简化为：
[0026][0027]式中，其表示包含阵列式中所有发电机设备的波浪激励力预测值；表示各发电机设备的波浪激励力估计值，表示回归系数。
[0028]进一步地，在步骤S1.1中，矩阵是基于n个具有f个频率的浮筒阵列的系统矩阵，其具体表示为：
[0029][0030]式中，0
*,*
表示*乘*的空向量；I
*，*
表示*乘*个单位矩阵；K
H
表示为静水刚度矩阵；
[0031]式中，矩阵具体表示如下：
[0032]M＝M+A
∞
[0033][0034]其中，M表示为一个n
×
n的对角矩阵；A
∞
表示为一个对称矩阵，其对角线项为浮筒的频率附加质量，非对角项为无穷频率下浮筒相互作用的附加质量；1
1,nf
表示为1
×
nf向量；0
1,nf
表示为1
×
nf的空向量；
[0035]式中，矩阵具体表示如下：
[0036][0037]其中，0
n,n
表示为n
×
n的空向量；I
n,n
表示n
×
n个单位矩阵；w1‑
w
f
表示对应频率的浮筒阵列中过程噪声；
[0038]在步骤S1.1中，观测矩阵H定义为：
[0039]H＝[I
2n,2n 0
2n,2nf
]T
[0040]式中，I
2n,2n
表示2n
×
2n个单位矩阵；0
2n,2nf
表示为2n
×
2n的空向量；
[0041]在步骤S1.1中，输入矩阵B定义为：
[0042]B＝[0
n,n M
‑
1 0
n,nf 0
n,nf
]T
[0043]式中，0
n,n
和0
n,nf
分别表示为n
×
n的空向量和n
×
nf的空向量。
[0044]进一步地，在步骤S1.2中，发电机设备的波浪激励力估计值具体表示本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于阵列式磁力丝杠复合波浪发电系统的功率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：建立波浪激励力预测模型，并根据该模型预测阵列式磁力丝杠复合波浪发电系统中的波浪激励力；S2：结合步骤S1预测的数据，利用功率混合跟踪算法对阵列式磁力丝杠复合波浪发电系统中发电端参数模型、升压转换器参数模型以及负载端参数模型中的任一一个或多个进行对应控制，实现整体波浪发电系统的最大功率跟踪。2.根据权利要求1所述的一种基于阵列式磁力丝杠复合波浪发电系统的功率控制方法，其特征在于，步骤S1的具体内容为：S1.1：建立波浪激励力估计模型，并根据该模型估计阵列式磁力丝杠复合波浪发电系统中的波浪激励力；所述该模型包括时间迭代和测量迭代两部分，具体表示如下：时间迭代：时间迭代：式中，表示时间迭代下波浪发电系统中发电机k时刻的估计状态，所述估计状态包括有激励力，其用于计算下述测量迭代中的有激励力，其用于计算下述测量迭代中的表示测量迭代下波浪发电系统中发电机k
‑
1时刻的估计状态，所述估计状态包括有激励力；表示发电机中辐射力k
‑
1时刻的估计值；表示时间迭代下k时刻的误差协方差，其用于计算下述测量迭代中的P
k
；P
k
‑1表示测量迭代下k
‑
1时刻的误差协方差；参数A是系统矩阵、参数B是输入矩阵；测量迭代：测量迭代：测量迭代：式中，K
k
表示k时刻的增益系数，其用于计算测量迭代中的P
k
和P
k
表示测量迭代下k时刻的误差协方差，其用于返回至时间迭代中并作为上一时刻的P
k
‑1以计算下一时刻的以计算下一时刻的表示测量迭代下波浪发电系统中发电机k时刻的估计状态，其用于返回至时间迭代中并作为上一时刻的以计算下一时刻的参数y
k
表示发电机k时刻的位置及速度的测量值；参数Q和R均表示过程协方差矩阵；参数H表示观测矩阵；基于上述内容得出，在时间迭代中当前时刻所计算出的结果用于参与计算测量迭代中当前时刻的结果计算，而测量迭代中当前时刻所计算出的结果又作为上一时刻参与到时间迭代下一时刻的结果计算中，如此进行循环迭代，最终求得在测量迭代下某一预测时刻的其中体现了某一预测时刻下发电机激励力的估计状态；S1.2：建立波浪激励力预测模型，并根据该模型预测阵列式磁力丝杠复合波浪发电系
统中的波浪激励力；该模型具体表示如下：式中，为阵列式磁力丝杠复合波浪发电系统中发电机设备b的波浪激励力预测值，其中b＝{1...n}；表示为阵列式中发电机设备b在k
‑
i时间节点的激励力估计值；为阵列中一个发电机设备u的波浪激励力估计值，其通过步骤S1.1中构建的波浪激励力估计模型得出；h1为发电机b的模型阶数；h2为阵列初发电机以外设备的模型阶数；和均表示系数；将该公式简化为：式中，其表示包含阵列式中所有发电机设备的波浪激励力预测值；表示各发电机设备的波浪激励力估计值，表示回归系数。3.根据权利要求2所述的一种基于阵列式磁力丝杠复合波浪发电系统的功率控制方法，其特征在于，在步骤S1.1中，矩阵是基于n个具有f个频率的浮筒阵列的系统矩阵，其具体表示为：式中，0
*,*
表示*乘*的空向量；I
*，*
表示*乘*个单位矩阵；K
H
表示为静水刚度矩阵；式中，矩阵具体表示如下：具体表示如下：其中，M表示为一个n
×
n的对角矩阵；A
∞
表示为一个对称矩阵，其对角线项为浮筒的频率附加质量，非对角项为无穷频率下浮筒相互作用的附加质量；1
1,nf
表示为1
×
nf向量；0
1,nf
表示为1
×
nf的空向量；
式中，矩阵具体表示如下：其中，0
n,n
表示为n
×
n的空向量；I
n,n
表示n
×
n个单位矩阵；w1‑
w
f
表示对应频率的浮筒阵列中过程噪声；在步骤S1.1中，观测矩阵H定义为：H＝[I
2n,2n 0
2n,2nf
]
T
式中，I
2n,2n
表示2n
×
2n个单位矩阵；0
2n,2nf
表示为2n
×
2n的空向量；在步骤S1.1中，输入矩阵B定义为：式中，0
n,n
和0
n,nf
分别表示为n
×
n的空向量和n
×
nf的空向量。4.根据权利要求2所述的一种基于阵列式磁力丝杠复合波浪发电系统的功率控制方法，其特征在于，在步骤S1.2中，发电机设备的波浪激励力估计值具体表示为：式中，矩阵中各参数表示各个发电机在各自在不同时刻下的估计值；在步骤S1.2中，回归系数具体表示为：式中，矩阵中各参数表示各个发电机在各自不同时刻下的对应系数；其中，回归系数的最优取值与成本函数J
LS
相关联，当成本函数J
LS
取最小值时，的取值最优，所述成本函数J
LS
表达式为：
式中，其中r＝h1+h2(n
‑
1)，且表示包含所有发电机在k时刻估计的激励力值；N
tr
表示为维度为N
tr
的迭代数据。5.根据权利要求1所述的一种基于阵列式磁力丝杠复合波浪发电系统的功率控制方法，其特征在于，步骤S2的具体内容为：结合步骤S1预测数据，建立发电机的机械模型以及电气模型，并确定两种模型之间的关系；建立升压转换器中输入电压和输出电压之间的关系；基于发电机机械模型和电气模型之间的关系，以及升压转换器中输入电压和输出电压之间的关系，利用功率混合跟踪算法对发电端参数模型进行对应控制，以实现整体波浪发电系统的最大功率跟踪；基于升压转换器中输入电压和输出电压之间的关系，利用功率混合跟踪算法对升压转换器参数模型或负载端参数模型进行对应控制，以实现整体波浪发电系统的最大功率跟踪。6.根据权利要求5所述的一种基于阵列式磁力丝杠复合波浪发电系统的功率控制方法，其特征在于，所述结合步骤S1预测数据，建立发电机的机械模型以及电气模型，并确定两种模型之间的关系具体内容为：建立发电机的机械模型如下：y＝C
′
x式中，x表示为发电机的状态向量的线性项；y表示为发电机的状态向量的非线性项；f
ex
(t)表示为通过波浪激励力预测模型得到的激励力预测值；f
u
(t)表示为发电机产生的控制力；A
′
、B
′
、C
′
、Θ均表示为状态空间矩阵；其中，矩阵A
′
定义为：式中，m表示运动部件总质量；m
∞
表示无穷频率下附加质量的状态向量；A
rd
，B
rd
和C
rd
分别表示辐射力的输入和输出矩阵；α
v
表示粘性阻力系数、C
bc
表示浮力系数、C
rs
表示弹簧恢复系数；其中，矩阵B
′
定义为：
其中，矩阵C
′
定义为：C＝[0 1 01×
(n+2)
]其中，矩阵Θ定义为：式中，ρ表示海水密度；A
w
表示发电机中浮筒淹没表面积；C
dr
表示阻尼系数、C
es
表示发电机的弹性系数、z
l
表示发电机中浮筒最大允许行程、表示单位阶跃函数、α
c
表示库仑系数、α
s
表示静摩擦系数、z
s
表示速度阈值；x1为发电机的浮筒运动的位移，x2为发电机浮筒运动的速度；建立发电机的电气模型步骤如下：首先对发电机线圈中垂直的净通量ψ(t)进行建模：式中，表示磁极之间的最大磁通量和节距、τ表示磁极之间的节距、z(t)表示浮筒的位移；然后根据净通量ψ(t)，确定发电机线圈中的感应电动势e(t)：式中，N表示每相的线圈匝数；最后建立发电机的电气模型如下：式中，i
s
(t)表示发电机中的定子相电流；v
s
(t)、R
s
、L
s
和ω
e
(t)分别表示为磁力丝杠复合波浪发电机机侧端输出电压、定子电阻、定子电感和电角速度；其中，ω
e
(t)定义如下：
根据建立的发电机的机械模型和电气模型，确定两者之间的模型关系为：式中，φ
pm
表示永磁体产生的总磁通量；i
sq
(t)是i
s
(t)在d
‑
q旋转坐标系下的二次分量；k为齿轮传动比，定义为转子角速度与传动轴线速度之比，T
e
为磁力丝杠的电磁扭矩。7.根据权利要求6所述的一种基于阵列式磁力丝杠复合波浪发电系统的功率控制方法，其特征在于，所述建立升压转换器中输入电压和输出电压之间的关系具体内容为：式中，v
lo
(t)表示升压转换器的输出电压；v
dc
(t)表示升压转换器的输入电压；d(t)表示升压转换器的输出占空比。8.根据权利要求7所述的一种基于阵列式磁力丝杠复合波浪发电系统的功率控制方法，其特征在于，所述的基于发电机机械模型和电气模型之间的关系，以及升压转换器中输入电压和输出电压之间的关系，利用功率混合跟踪算法对发电端参数模型进行对应控制，以实现整体波浪发电系统的最大功率跟踪；其具体内容为：(一)、针对阵列式磁力丝杠复合波浪发电系统发电侧的机械功率P
m
(t)：P
m
(t)定义为：将上述公式与发电机机械模型和电气模型关系公式结合，将P
m
(t)化简为：基于升压转换器中输入电压和输出电压之间的关系，得出升压转换器的输入与输出电流以及占空比d(t)之间的关系为：式中，i
dc
(t)表示升压转换器的输出电流；i
lo
(t)表示升压转换器的输入电流；由P
m
(t)公式以及i
dc
(t)公式分析得出，P
m

【专利技术属性】
技术研发人员：江乐天，夏涛，魏宇，赵学辰，李登，张陈晨，
申请(专利权)人：南京工程学院，
类型：发明
国别省市：