计及弱磁效应的直驱式波浪发电系统变系数模型预测控制策略

为提高波浪发电系统(wave energy converter,WEC)能量捕获效率,并保证其在运行过程中满足系统的各种约束条件,该文以平均捕获功率最优为目标,提出计及弱磁效应的直驱式波浪发电系统变系数模型预测控制(model predictive control,MPC)策略。针对波浪激励力过大导致的变流器输出电压过调制问题,将弱磁控制引入优化算法,在满足发电机弱磁极限的前提下增大发电系统的运行范围,提高WEC的能量捕获效率。此外,基于仿真分析,发现了规则波下MPC目标函数的正则系数与平均捕获功率的对应关系。在此基础上,引入快速傅里叶变换(fast Fourier transformation,FFT)与叠加定理,构建了适用于不规则波输入的直驱式WEC变系数MPC控制策略。仿真结果表明,在不规则波浪下,所提方案能在满足系统约束条件的同时,有效提高能量捕获效率。

基于模型预测的直驱式波浪发电机机侧最优功率控制技术

直驱式波浪发电系统具有结构简单、成本低、效率高等优点,得到了国内外学者的广泛关注。该文以直驱式波浪发电系统为研究对象,分析并建立了直驱式波浪发电装置的水动力数学模型和永磁直线电机的动态数学模型。推导了基于模型预测的功率控制策略用于直驱式波浪发电系统。在功率控制策略中从功率捕获策略和功率跟踪控制策略展开研究以实现将波浪能转换为电能并汇入直流母线。重点围绕功率捕获策略开展基于模型预测控制技术研究,分别从控制策略、预测区间和成本函数三个角度分析了基于模型预测的最优功率捕获策略。建立了仿真模型并进行仿真分析,结果表明,采用基于模型预测的最优功率捕获策略可有效提高不规则波下发电机从波浪发电系统捕获能量。此外,采用以直流母线功率汇入最大为目标的成本函数可以有效地提高发电机输入直流侧能量,具有重要的实用价值。最后通过实验室模拟平台进行了实验测试。

一种串联式双浮体直驱式波浪发电系统的设计与试验研究

针对传统的直驱式波浪发电系统安装不便以及俘获波浪能能力弱的问题,文章提出了一种漂浮串联式双浮体直驱式波浪发电系统。该系统的两个浮体水平漂浮在波浪中,Halbach永磁直线发电机的初级与次级分别安装在两个浮体之间的侧面,两个浮体均可俘获波浪能,提升了系统的波浪能俘获能力。该系统还具有结构简单、易于制造与维护的优点。文章利用制作的原型样机在波浪水槽中进行了试验。试验结果表明,在波高为16 cm,浮体吃水为16 cm,在波浪周期从1.2 s增大到2.4 s的波况下,原型样机的平均发电功率在1.8 s处取得最大值6.54 W。比较双浮体原型样机与单浮体样机后发现,在波浪周期较大的范围内,双浮体原型样机输出的平均发电功率一直高于单浮体样机。

基于模糊滑模控制的直驱式波浪发电装置最大功率控制方法

海洋波浪能是一种新型清洁能源,为提高直驱式波浪发电系统的发电功率和波浪能转换效率,针对目前普遍使用的比例-积分-微分(PID)控制方法存在输出纹波较大、系统稳定性较差的问题,提出基于模糊滑模控制的最大功率控制方法,根据运行状态实时调整趋近律参数,在实现最大功率跟踪的同时削弱输出纹波,减小跟踪误差,提高系统控制品质。文中以永磁直线发电机(PMLG)作为发电装置,建立系统动力学模型,并通过快速傅里叶变换方法预估不规则波浪主频,设计满足最大功率策略的期望电流跟踪曲线;在此基础上,将常规PID、滑模控制方法与所提出的模糊滑模最大功率控制方法进行仿真对比,结果表明:模糊滑模控制方法在功率上有所提升且具有更好的准确性和稳定性。

直驱式波浪发电系统的输出功率平滑控制策略

由于波浪的波动性和随机性,直驱式波浪发电系统的输出功率时刻波动。为满足并网要求,必须对输出功率进行平滑控制。将储能系统应用于波电输出功率平滑,选择具有响应速度快、循环寿命长特点的超级电容器储能系统,提出了2种功率平滑控制策略:一种基于低通滤波原理,通过滤除输出功率中的高频分量来平滑波动;另一种基于波电功率预测技术,滚动预测输出平均功率,克服了传统方法中平均功率难以获取的缺点。通过在理想波浪和实际波浪条件下的仿真,验证了所提出策略的有效性。

直驱式波浪发电系统浮子形状与排布优化研究

提出通过浮子形状和排布结构的优化,提高直驱式波浪发电系统(DDWEC)的能量吸收效率,并改善输出功率波动问题。文中推导分析了DDWEC水动力模型,提出了水动力参数的优化原则,根据优化原则提出了浮子形状的优化措施,采用WAMIT软件仿真验证了对提高能量吸收效率的有效性;同时,基于浮子优化结果,在考虑浮子间互相影响的情况下,通过波浪发电场的排布结构优化,改善了DDWEC功率波动的问题,削弱了遮蔽效应等浮子间的影响,提高了波浪发电场的能量吸收效率。

结合储能的直驱式波浪发电实验平台开发

开发了结合储能的直驱式波浪发电实验平台。搭建了原动机模拟平台,实现对波浪运动的模拟;研发了直线发电机及控制系统平台,实现对模拟波浪驱动下的最优能量捕获控制;搭建了基于超级电容的储能功率补偿和控制平台,实现对直驱式波浪发电功率波动的补偿。对各部分电路和控制系统进行调试,完成了原动机模拟、最优能量捕获和储能控制补偿实验。基于此平台可开展直驱式波浪发电和储能的各类实验和测试。

直驱式波浪发电系统的状态切换控制方法

通过对直驱式波浪发电系统的功率捕获优化方法进行研究,文中提出一种基于直线发电机的状态切换控制方法。即基于直驱式波浪发电系统中直线发电机在空载状态的速度比发电状态时的速度高的特点,控制直线发电机使其在空载状态和发电状态之间进行切换,从而提高发电机在发电状态时的运行速度,最终实现捕获功率的进一步提高。与其他功率捕获优化方法进行对比的结果表明,文中提出的方法在功率捕获上表现出优异的性能。

基于滑模控制的直驱式波浪发电系统MPPT控制策略

为提高直驱型波浪发电系统的功率捕获和转换能力,通过分析系统运动方程,建立其数学模型。依据波浪入射频率和幅值,构造系统最优功率输出条件,计算q轴电流参考值,应用滑模变结构控制算法实时跟踪参考电流。针对发电系统中含有的未知干扰,引入鲁棒控制,使发电机状态亦能保持实时跟踪最优参考值。仿真结果表明,不论是否有干扰存在,所提控制方案都能实现最优参考电流跟踪和最大功率捕获跟踪,系统鲁棒性提高。

直驱式波浪发电系统的经济模型预测控制

对于随机海浪环境下的最大功率捕获,现有控制方法没有考虑系统模型的非线性、损耗及物理约束等条件,基于经济模型预测控制,提出一种波浪发电系统功率优化方案。采用普罗尼线谱估计方法拟合海浪辐射力,基于水动力方程和电机状态方程建立波浪发电系统数学模型。在考虑电机功率损耗条件下,以最大波能捕获为经济指标,求解符合系统约束的最优电磁力。采用电流矢量和空间脉宽调制策略实现最大波能捕获控制。仿真结果表明,所提方案响应速度快,鲁棒性强,可使波浪能转换装置运行在合理范围,波浪能利用率提高,机体劳损减小。

直驱式波浪发电系统的哈密顿建模和无源性控制

由于波浪的随机特性,采用传统PID控制器实现的波浪发电系统动态性能较差,无法快速实现最大功率捕获。为此,提出一种用于封闭型直驱式波浪发电系统的哈密顿建模方法和无源性控制方案,以保证系统在波浪随机变化过程中能快速实现最大功率捕获。首先建立了系统的动力学模型和直线发电机模型,通过哈密顿框架对系统模型进行重构。根据重构的哈密顿模型的结构特点,通过修改互联矩阵的方法,消除哈密顿模型中存在的强耦合。以系统的误差能量函数作为李雅普诺夫函数,使用李雅普诺夫稳定理论和注入阻尼的方法设计无源控制器。仿真对比结果表明,所设计的控制器能有效改善系统跟踪最大功率点过程中的动态性能和稳定性能。

基于机网变流器协同的波浪发电系统控制策略

为实现波浪发电系统的高效平稳入网,以直驱式波浪发电装置为例,建立其数学模型和并网结构。将装置输出功率分解为平均分量和波动分量,从发电系统主动式控制的角度,进一步提出了阻尼控制和阻尼弹力控制下的最优策略,以使其高效运行。通过直流侧储能配置及机侧和网侧变流器的协同控制,实现电能的平稳入网。仿真结果表明,阻尼弹力控制较于阻尼控制,发电效率更高同时波动更大,直流侧储能及机网侧协同控制可有效平抑功率波动,为波浪发电系统的入网控制设计提供参考。

直驱型波浪发电系统的混沌运动及反步滑模变控制

为研究直驱式波浪发电系统的混沌现象及混沌控制问题,根据直线电机双轴数学模型,将系统转化为类Lorenz混沌方程。通过数值法计算最大Lyapunov指数谱,证明在特定参数和工况下,电机系统会出现混沌运动。通过构造状态反馈解耦,降低混沌系统阶数。采用反步法构造虚拟控制量,针对虚拟控制量设计滑模控制器,构造控制律进行混沌控制,提出反步滑模变控制方案。稳定性分析中,根据Lyapunov稳定性理论,证明了系统的全局一致渐进收敛。仿真结果表明,所设计反步滑模变控制器能使直线电机系统迅速脱离混沌状态,在抑制传统滑模控制中抖振现象的同时,保留了滑模变结构的强鲁棒性,具有一定的优越性。

基于混沌飞蛾捕焰算法的波浪发电系统最大功率跟踪

针对水动力参数非线性导致直驱式波浪发电系统控制效果不佳问题,文章采用混沌飞蛾捕焰优化控制算法解决。该算法初期引入具有非周期性和遍历性的混沌算子,采用多精英组合的直线捕焰模式寻优;后期结合火焰自适应机制,采用螺旋捕焰方式,求解最优电磁力,控制直线发电装置,提高捕获效率。通过ANSYS软件进行浮子的水动力数值计算,结合改进算法寻求系统最优负载。仿真结果表明,在波浪周期变化时,混沌飞蛾捕焰算法能有效提高全局搜索能力和求解精度,增加系统输出功率。

基于生物控制算法的波浪发电系统控制策略

针对直驱式波浪发电系统输出功率以及经过PWM整流得到的直流电压波动较大问题,基于睾丸性激素反馈调节原理,设计了一种基于生物智能控制算法的控制器,对直驱式波浪发电系统结构及直驱式波浪发电PWM整流器和逆变器控制策略进行了阐述。Matlab/Simulink仿真结果表明,基于生物智能控制算法的新型控制器较传统PI控制器响应速度快、超调量小、稳定性好。

基于变步长爬山法的波浪能发电装置MPPT研究

针对直驱式波浪发电系统中boost电路的最大功率跟踪(MPPT)问题,首先基于Froude-Krylov理论法对波浪力进行计算,再对直驱式波浪捕获系统以及永磁同步直线电机(PMSLM)进行建模,针对系统的输出特性曲线无法精确建模的特性,提出变步长爬山法对系统进行优化。仿真结果表明,相较于固定步长爬山法,变步长法在一定的误差范围内使发电系统具有全局寻优功能和较高的跟踪速度,其输出功率显著提升且避免陷入局部最优。

基于波浪能和风能的多能发电系统建模及仿真分析

我国众多岛屿离大陆较远，市电难以覆盖或者成本过高，因地制宜，利用海岛周围丰富的风能、波浪能和太阳能，能满足海岛供电需求。然而这些可再生能源的能量密度较低且稳定性较差，容易出现供电不稳定的现象。针对此问题，采用波浪能和风能互补发电。使得系统能够稳定供电，提高电能质量。研究基于波浪能和风能建立多能互补发电系统，搭建了系统整体模型，分析并推导了风力发电机和直驱式波浪发电机的控制策略，分析了电网侧的逆变器控制策略。搭建了整体系统的PSCAD仿真模型，进行运行仿真分析，结果表明。采用风能和波浪能互补发电，输出电能平稳，可实现功率跟随。

基于改进狮群算法的最大功率跟踪控制研究

针对直驱式波浪发电系统在实际海域中输出功率低的问题,设计了基于改进狮群算法的最大功率跟踪控制方案。该算法引入Tent混沌映射、差分进化算法的变异机制和灰狼优化算法的捕猎机制对基础狮群算法(Lion Swarm Optimization,LSO)进行改进。仿真结果表明,在规则海浪的情况下,改进狮群算法的能量捕获率比基础狮群算法的能量捕获率高约17.46%,比遗传算法的能量捕获率高约5.99%。在非规则海浪的情况下,改进狮群算法的能量捕获率比基础狮群算法的能量捕获率提升了约23.16%,比遗传算法的能量捕获率提升了约18.15%。仿真结果证明该算法能够有效提高直驱式波浪发电系统的输出功率。