CN110594079A - 一种直驱式波浪发电系统最优功率控制方法 - Google Patents

一种直驱式波浪发电系统最优功率控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110594079A
CN110594079A CN201910791225.6A CN201910791225A CN110594079A CN 110594079 A CN110594079 A CN 110594079A CN 201910791225 A CN201910791225 A CN 201910791225A CN 110594079 A CN110594079 A CN 110594079A
Authority
CN
China
Prior art keywords
wave
current
power generation
generation system
control
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201910791225.6A
Other languages
English (en)
Inventor
卓叶林
杨俊华
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Guangdong University of Technology
Original Assignee
Guangdong University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Guangdong University of Technology filed Critical Guangdong University of Technology
Priority to CN201910791225.6A priority Critical patent/CN110594079A/zh
Publication of CN110594079A publication Critical patent/CN110594079A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B11/00—Parts or details not provided for in, or of interest apart from, the preceding groups, e.g. wear-protection couplings, between turbine and generator
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B11/00—Parts or details not provided for in, or of interest apart from, the preceding groups, e.g. wear-protection couplings, between turbine and generator
    • F03B11/008—Measuring or testing arrangements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B13/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates
    • F03B13/12—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates characterised by using wave or tide energy
    • F03B13/14—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates characterised by using wave or tide energy using wave energy
    • F03B13/16—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates characterised by using wave or tide energy using wave energy using the relative movement between a wave-operated member, i.e. a "wom" and another member, i.e. a reaction member or "rem"
    • F03B13/18—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates characterised by using wave or tide energy using wave energy using the relative movement between a wave-operated member, i.e. a "wom" and another member, i.e. a reaction member or "rem" where the other member, i.e. rem is fixed, at least at one point, with respect to the sea bed or shore
    • F03B13/1805—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates characterised by using wave or tide energy using wave energy using the relative movement between a wave-operated member, i.e. a "wom" and another member, i.e. a reaction member or "rem" where the other member, i.e. rem is fixed, at least at one point, with respect to the sea bed or shore and the wom is hinged to the rem
    • F03B13/181—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates characterised by using wave or tide energy using wave energy using the relative movement between a wave-operated member, i.e. a "wom" and another member, i.e. a reaction member or "rem" where the other member, i.e. rem is fixed, at least at one point, with respect to the sea bed or shore and the wom is hinged to the rem for limited rotation
    • F03B13/1815—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates characterised by using wave or tide energy using wave energy using the relative movement between a wave-operated member, i.e. a "wom" and another member, i.e. a reaction member or "rem" where the other member, i.e. rem is fixed, at least at one point, with respect to the sea bed or shore and the wom is hinged to the rem for limited rotation with an up-and-down movement
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B15/00—Controlling
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20—Hydro energy
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/30—Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Control Of Eletrric Generators (AREA)

Abstract

本发涉及一种直驱式波浪发电系统最优功率控制方法，包括：根据直驱式波浪发电系统的发电原理，通过受力分析和幅频特性曲线分析从波浪能获取最大功率的控制特性，利用电压前馈补偿方法解耦电压电流，降低系统阶数，得到PMSLM的d‑q轴数学模型；再利用反步法完成整个系统控制率设计和Lyapunov函数稳定性分析，证明实现最优功率跟踪的可行性；同时为解决变速系统常规控制方法中存在的控制精度不高、高频纹波含量大的问题。仿真结果表明，基于卡尔曼滤波的波浪发电系统反步法能实现最优功率控制策略，不仅具有较高的控制精度，还能有效滤除高频波纹和噪声；响应速度快、抗干扰能力强、鲁棒性强。

Description

一种直驱式波浪发电系统最优功率控制方法
技术领域
本发明涉及波浪发电领域，更具体地，涉及一种直驱式波浪发电系统最优功 率控制方法。
背景技术
海洋波浪能是一种存储量丰富的可再生清洁新能源，不同结构的波浪发电系 统适用于不同海况，波浪发电机有旋转式电机和直线式电机两种形式，直线发电 机利用波浪上下运动带动动子的运动，进而使变化的磁场在定子绕组产生电能； 波浪浮子和电机动子可视为一体，只需一级能量转换，体积小，效率高，实用性 强。与风能发电一样，波浪能也存在最大功率捕获点问题，理论上，当波浪能量 转换装置固有质量频率与波浪频率发生共振时，发电机可从波浪中捕获到最大功 率。
直驱式波浪发电系统是一个强耦合复杂非线性、以永磁同步直线电机 PMSLM为载体的系统。实际海洋中的波浪频率及幅值不断变化，常规PID控制 难以精确跟随。常规控制方法及其存在的主要问题如下：1.采用自适应遗传算法 优化PID参数，快速跟踪设定值并准确调整双轴间同步误差，动态性能好，鲁棒 性高。但由于波浪发电系统的时变性，每个采样点都需重新进行遗传算法迭代计 算，存储量大，控制速度慢，适用性不高。2.结合复合前馈PID控制的小波神经 网络方案，通过小波神经网络在线估计补偿系统干扰和模型不确定性，控制精度 较高，并能有效消除外界带来的不确定干扰。但小波函数的选择目前没有公认理 论，选择不合适，效果差别较大。3.滑模变结构及相应改进方法，抗干扰能力强 并能考虑非线性控制问题，可实现渐进稳定，在电机控制中应用广泛，但滑模控 制存在不可避免的抖振现象，并在背靠背波浪发电系统中表现更为明显。4.自适 应滤波反步法跟踪控制信号，补偿干扰。缺点是单纯的反步法难以保证稳定性。
为弥补现有的波浪发电系统控制方法存在的较大速度误差和时间延迟、高频 抖振的主要问题。寻求一种减小单纯反步法导数项及变换器中晶闸管快速通断动 作产生的高频纹波，减小噪声干扰和系统误差，确保信号跟随准确性，实现直驱 式波浪发电系统最大功率捕获控制的控制方法已经成为波浪发电领域亟需解决 的问题。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的直驱式波浪发电系统控制方法存在的较 大速度误差和时间延迟、高频抖振的缺陷，提供一种直驱式波浪发电系统最优功 率控制方法。
所述方法包括以下步骤：
S1：根据直驱式波浪发电系统发电原理，获取最大功率控制特性；
S2，利用电压前馈补偿方法对电机状态方程进行解耦，得到永磁同步直线电 机(Permanent magnet synchronous linear motor，PMSLM)的d-q轴数学模型；
S3：用反步法通过选择合适控制率，以实现最大波浪功率跟踪控制，并论证 其可行性；
S4：提出卡尔曼滤波方案，对常规反步法进行优化改进，设计基于卡尔曼滤 波的反步控制方法，搭建最优功率跟踪控制振荡浮子式波浪发电系统，实现直驱 式波浪发电系统的最优功率控制。
本发明根据直驱式波浪发电系统的发电原理，通过受力分析和幅频特性曲线 分析从波浪能获取最大功率的控制特性，利用电压前馈补偿方法解耦电压电流， 降低系统阶数，得到PMSLM的d-q轴数学模型；再利用反步法完成整个系统控 制率设计和Lyapunov函数稳定性分析，证明实现最优功率跟踪的可行性。同时 为解决变速系统常规控制方法中存在的控制精度不高、高频纹波含量大的问题。
优选地，S1具体为：
利用直驱式波浪发电系统的发电原理，将波浪能量转换装置进行模型等效， 列出等效模型方程并变换成幅值与相角形式，通过分析得出能量转换效率最大化 的条件，并给出功率计算表达式，提供了实现最大功率捕获的方法；包括以下步 骤：
S1.1：分析波浪能量转换装置受力情况，得出转换装置的水动力方程，即 PMSLM的机械运动方程：
S1.2：将波浪能量转换装置进行模型等效，列出等效模型方程并变换成幅值 与相角形式：
S1.3：分析得出能量转换效率最大化的条件，并给出功率计算表达式，实现 最大功率捕获。
优选地，PMSLM的机械运动方程为：
式中，m为运动部件质量和辐射力产生的附加质量之和(单位：kg)，Kn为流 体动力阻尼系数(单位：kg/s2)，Fe为PMSLM电磁力(单位：N)，K是装置弹簧常 数(单位：N/m)，x为浮子运动位移(单位：m)，Fd为浮体受到的波浪激励力(单位： N)；
优选地，S1.2具体为：
将直线电机电磁力用Fe＝Rgdx/dt代替，将波浪激励力近似为正弦波形；
波浪能量转换装置等效为线性弹簧、质量块和线性阻尼器的组合，则其运动 方程为：
式中，Rg为电机产生有功功率的阻尼系数(单位：kg/s2)；F0为波浪激励力幅 值(单位：N)；ω为波浪激励力角速度(单位：rad/s)；
求解该二阶方程并经变换得：
式中：Ast＝F0/K，A0为位移的运动 幅值。
由此可见，电机动子以正弦形式移动，与波浪激励力同频率并有一个相位差 (单位：度)，可得运动位移x无量纲的幅频特性曲线，即幅值比A0/Ast、相位 差及频率比ω/ω0分别和阻尼比ξ之间的关系曲线图。
优选地，S1.3具体为：
当浮子运动频率与波浪捕获装置固有频率相同且相位滞后于波浪激励力90° 时，两者发生机械共振，此时能量转换效率最大；
发电机瞬时功率为：
P＝uaia+ubib+ucic
式中，ua、ub、uc；ia、ib、ic分别对应电机a、b、c三相输出电压(单位：V) 和电流(单位：A)。
共振时，A0/Ast＝1/(2ξ)＝mω/(Rg+Kn)，K＝mω2，忽略PMSLG损耗，发电机 输出有功功率为：
当A0＝mωAst/(2Kn)，即Rg＝Kn，K＝mω2时，P有最大值；通过调节弹簧常数 K，使波浪装换装置始终处于不同波浪周期工况下的共振状态，实现最大波浪功 率捕获。
优选地，S2为利用电压前馈补偿方法对电机d-q轴数学模型进行解耦。对 模型进行降阶，使得控制更加简单，为利用反步法完成整个系统控制率设计和 Lyapunov函数稳定性分析奠定基础。具体为：
在不考虑直线电机磁路饱和，忽略端部效应，不计磁滞和涡流等损耗的情况 下，利用电压前馈补偿方法解耦电压电流，得到PMSLM的d-q轴数学模型：
再利用电压前馈补偿方法对耦合电压电流进行解耦，可以得到：
其中ud，uq，id，iq，Ld，Lq分别是d-q坐标系下定子电压、电流和电感(单 位：H)；ud0，uq0分别为解耦后d-q轴的等效电压；Rs是定子电阻(单位：Ω)；v 为速度(单位：m/s)，Ψf为永磁体磁链(单位：Wb)，τ为电机极距(单位：m)。
电机电磁力为：
其中，np为极对数。
优选地，S3旨在利用常规的反步法，通过选择合适控制率u* d0和u* q0，可 使整个系统保持稳定，并能准确跟踪设定值，从而实现最大波浪功率跟踪；具体 为：
控制电机电磁力与流体动力阻尼力保持一致，而电磁力与电流iq呈线性关 系，故通过控制iq实现；故设id*、iq*为电机d-q轴电流期望值，通过调节u* d0， u* q0，使id、iq精确跟踪设定值；
采用矢量控制策略，令id＝id*＝0，定义d、q轴电流的跟踪误差分别为e1、e2， 求导并结合PMSLM的d-q轴数学模型有：
针对id，构造d轴状态方程：
式中，k1为d轴控制增益，k1>0；构造d轴电流控制率和d轴子系统Lyapunov 函数：
式中，λ1为d轴子系统Lyapunov函数；
求导可得可知该子系统稳定；
同理，可构造q轴电流控制率和q轴子系统Lyapunov函数为：
式中，λ2为q轴子系统Lyapunov函数；k2为q轴控制增益，k2>0；
求导得：可知该子系统稳定；
由此可构造整个系统的Lyapunov函数：
求导得由此可见，选择合适控制率u* d0和u* q0，可使整个系统保持 稳定，并能准确跟踪设定值，从而实现最大波浪功率跟踪。
优选地，S4从电机动态方程出发，利用反步法为解耦后的每个子系统设计Lyapunov函数和中间虚拟控制量，最后完成整个系统控制率设计和Lyapunov函 数稳定性分析。同时为弥补常规反步法存在的高频波纹问题，利用卡尔曼滤波进 行滤波控制，并且搭建了基于滤波反步法的振荡浮子式波浪发电最优功率跟踪控 制系统。该系统为本发明提供了切实可行的实施方案。
卡尔曼滤波分为两个阶段：估计阶段，即应用上一时刻状态，预估当前状态； 更新阶段，即利用当前状态的实际测量值，优化预测值，获得更加精确的当前状 态值；
由耦合电压电流解耦后的表达式可得卡尔曼滤波的递推步骤：
(1)一步预测，包括状态一步预测和一步预测协方差阵：
式中：X＝[id iq]T，F＝diag([-Rs/Ld，-Rs/Lq])，B＝diag([1/Ld，1/Lq])，U＝[ud0uq0]T， T为采样周期，Q为系统误差的方差，k为第k时刻；
(2)卡尔曼滤波增益矩阵计算：
K(k+1)＝P(k+1|k)HT(k+1)*[H(k+1)P(k+1|k)HT(k+1)+R]-1
式中，H＝diag([1 1])，R为观测误差的方差；
(3)状态更新，包括状态变量更新和协方差阵更新：
式中，Y(k+1)为k+1时刻电流的观测值，I＝diag([1 1])。
优选地，最优功率跟踪控制振荡浮子式波浪发电系统包括：波浪能量转换装 置、发电机和控制系统；
波浪能量转换装置负责将海水波浪的波浪能转换为机械能，从而带动发电机 进行发电；
发电机负责将经波浪能量转换装置转换后的机械能转换为电能；
控制系统通过波浪装置运动部件固有频率与波浪频率，获取当前波浪参数条 件下发电系统能够输出最大功率的q轴理论电流值iq*，使用基于卡尔曼滤波的 反步法对发电机的电流进行跟踪控制，使得电流的期望值和实际值相同，从而获 得最大有功功率输出。
本发明中由波浪能量转换装置、发电机和控制系统三大部分组成了最优功率 跟踪控制振荡浮子式波浪发电系统。主要采用波浪能——机械能——电能的转换 方式。直接与海水接触的浮体随着波浪做起伏运动，将波浪能转换为浮体所持有 的机械能，最后由永磁同步直线电机将机械能转化为电能。依据共振原理，当波 浪装置运动部件固有频率与波浪频率主要频率接近时，功率跟踪控制振荡浮子式 波浪发电系统可实现波浪能更大功率捕获。通过理论推导，获取当前波浪参数条 件下发电系统能够输出最大功率的q轴理论电流值iq*。使用基于卡尔曼滤波的 反步法对发电机的电流进行跟踪控制，使得电流的期望值和实际值相同，从而获 得最大有功功率输出。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明不仅具有较高的控 制精度，还能有效滤除高频波纹和噪声。响应速度快、抗干扰能力强、鲁棒性强。
附图说明
图1为本实施例公开的直驱式波浪发电系统示意图。
图2为本实施例公开的波浪装换装置的力学模型示意图。
图3为本实施例公开的波浪能量转换模型的振幅比特性图。
图4为本实施例公开的波浪能量转换模型的相位滞后量特性图。
图5为本实施例公开的直驱式波浪发电系统模型图。
图6为本实施例公开的q轴期望电流和实际电流对比图。
图7为本明实施例公开的q轴跟踪电流误差对比图。
图8为本实施例公开的不同控制方法产生的有功功率平均值曲线图。
图9为本实施例公开的直驱式波浪发电系统最优功率控制方法流程图。
图中，1-发电机动子、2-浮子、3-系缆、4-发电机定子、1.1-线性弹簧、1.2-质量块、1.3-线性阻尼器。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实 际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理 解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
本实施例公开了一种直驱式波浪发电系统最优功率控制方法。如图9所示， 所述方法包括以下步骤：
S1，根据直驱式波浪发电系统发电原理，获取最大功率控制特性。
图1为直驱式发电系统示意图，直驱式发电系统包括：发电机动子1、浮子 2、系缆3、发电机定子4；
1、3、4组成了波浪能量转换装置，其中1为发电机动子，2为浮子、3为 系缆；1、4构成了发电机，其中，4为发电机定子；控制器(图中未画出)；浮 子2通过系缆3与发电机动子1连接；
根据波浪能量转换装置的受力情况可以看作为线性弹簧1.1、质量块1.2和 线性阻尼器1.3的组合；
根据直驱式发电系统发电原理，通过比较电机动子与波浪激励力的幅值、相 位、频率与阻尼比的关系，得出能量转换效率最大化的条件，为利用卡尔曼滤波 反步法实现最优功率控制奠定基础。
分析波浪能量转换装置受力，可得转换装置的水动力方程，同时也是PMSLM 的机械运动方程：
式中，m为运动部件质量和辐射力产生的附加质量之和(单位：kg)，Kn为流 体动力阻尼系数(单位：kg/s2)，Fe为PMSLM电磁力(单位：N)，K是装置弹簧常 数(单位：N/m)，x为浮子运动位移(单位：m)，Fd为浮体受到的波浪激励力(单位： N)。
直线电机电磁力可用Fe＝Rgdx/dt代替，故为分析方便，将波浪激励力近似 看作正弦波形。
如图2所示，波浪能量转换装置可看作线性弹簧1、质量块2和线性阻尼器 3的组合，则其运动方程为：
式中，Rg为电机产生有功功率的阻尼系数(单位：kg/s2)；F0为波浪激励力幅 值(单位：N)；ω为波浪激励力角速度(单位：rad/s)。
求解该二阶方程并经变换得：
式中：Ast＝F0/K，A0为位移的运动 幅值。
由此可见，电机动子以正弦形式移动，与波浪激励力同频率并有一个相位差 (单位：度)，可得运动位移x无量纲的幅频特性曲线，即幅值比A0/Ast、相位差 及频率比ω/ω0分别和阻尼比ξ之间的关系曲线图。
图3为波浪能量转换模型的振幅比特性图；
图4为波浪能量转换模型的相位滞后量特性图；
可以看出，当浮子运动频率与波浪捕获装置固有频率相同且相位滞后于波浪 激励力90°时，两者发生机械共振，此时能量转换效率最大。
发电机瞬时功率为：
P＝uaia+ubib+ucic (4)
式中，ua、ub、uc；ia、ib、ic分别对应电机a、b、c三相输出电压(单位：V) 和电流(单位：A)。
共振时，A0/Ast＝1/(2ξ)＝mω/(Rg+Kn)，K＝mω2，忽略PMSLG损耗，发电机 输出有功功率为：
当A0＝mωAst/(2Kn)，即Rg＝Kn，K＝mω2时，P有最大值；通过调节弹簧常数 K，使波浪装换装置始终处于不同波浪周期工况下的共振状态，实现最大波浪功 率捕获。
S2，利用电压前馈补偿方法对电机状态方程进行解耦，得到PMSLM的d-q 轴数学模型。
本步骤旨在建立直驱式波浪发电系统电机模型。
振荡浮子式直驱波浪发电系统电机定子固定在海床上，波浪冲击带动直线电 机动子往复运动，感应出变化幅值和频率的电压和电流信号。不考虑直线电机磁 路饱和，忽略端部效应，不计磁滞和涡流等损耗，同时为控制简单，利用电压前 馈补偿方法解耦电压电流，可得PMSLM的d-q轴数学模型：
为了控制简单，利用电压前馈补偿方法对耦合电压电流进行解耦，可以得到：
其中ud，uq，id，iq，Ld，Lq分别是d-q坐标系下定子d的电压、q轴的电压、 d轴的电流、q轴的电流、和d轴的电感、q轴的电感；ud0，uq0分别解耦后d轴 的等效电压和q轴等效电压；Rs是定子电阻(单位：Ω)；v为速度(单位：m/s)， Ψf为永磁体磁链(单位：Wb)，τ为电机极距(单位：m)。
电机电磁力为：
其中，np为极对数。
S3：用反步法通过选择合适控制率，以实现最大波浪功率跟踪控制，并论证 其可行性。
本步骤旨在利用常规的反步法，通过选择合适控制率u* d0和u* q0，可使整个 系统保持稳定，并能准确跟踪设定值，从而实现最大波浪功率跟踪。
为实现最佳控制，需控制电机电磁力与流体动力阻尼力保持一致，而电磁力 与电流iq呈线性关系，故可通过控制iq实现。设id*、iq*为电机d-q轴电流期望 值，通过调节u* d0，u* q0，可使id、iq精确跟踪设定值，采用矢量控制策略，令id＝id*＝0， 定义d、q轴电流的跟踪误差分别为e1、e2，求导并结合式(6)有：
针对id，构造d轴状态方程：
式中，k1为d轴控制增益，k1>0；构造d轴电流控制率和d轴子系统Lyapunov 函数：
式中，λ1为d轴子系统Lyapunov函数；求导可得可知该子系统稳 定。
同理，可构造q轴电流控制率和q轴子系统Lyapunov函数为：
式中，λ2为q轴子系统Lyapunov函数；k2为q轴控制增益，k2>0。
求导得：可知该子系统稳定。
由此可构造整个系统的Lyapunov函数：
求导得由此可见，选择合适控制率u* d0和u* q0，可使整个系统保持 稳定，并能准确跟踪设定值，从而实现最大波浪功率跟踪。
S4：提出卡尔曼滤波方案，对常规反步法进行优化改进，设计基于卡尔曼滤 波的反步控制方法，搭建最优功率跟踪控制振荡浮子式波浪发电系统，实现直驱 式波浪发电系统的最优功率控制。
本步骤旨在弥补上述实现最大波浪功率跟踪反步法存在的高频波纹问题，提 出了一种可实现实时计算最优估计的改进方案。并列出了卡尔曼滤波的具体实施 步骤以便理解及进行仿真操作验证其优越性。同时，搭建最优功率跟踪控制振荡 浮子式波浪发电系统，为基于卡尔曼滤波的波浪发电系统反步法最优功率控制方 法提供了技术支持。
其中，最优功率跟踪控制振荡浮子式波浪发电系统包括：波浪能量转换装置、 发电机和控制系统；
波浪能量转换装置负责将海水波浪的波浪能转换为机械能，从而带动发电机 进行发电；
发电机负责将经波浪能量转换装置转换后的机械能转换为电能；
控制系统通过波浪装置运动部件固有频率与波浪频率，获取当前波浪参数条 件下发电系统能够输出最大功率的q轴理论电流值iq*，使用基于卡尔曼滤波的 反步法对发电机的电流进行跟踪控制，使得电流的期望值和实际值相同，从而获 得最大有功功率输出。
卡尔曼滤波采用时域状态空间，可实现实时计算最优估计。反步法中导数项 和背靠背换流器控制策略中晶闸管开关动作，会产生较大高频纹波，对信号跟踪 精度和电机控制效果影响严重，故提出卡尔曼滤波方案。
卡尔曼滤波分为两个阶段：估计阶段，即应用上一时刻状态，预估当前状态； 更新阶段，即利用当前状态的实际测量值，优化预测值，获得更加精确的当前状 态值。
由式(7)可得卡尔曼滤波的递推步骤：
(1)一步预测，包括状态一步预测和一步预测协方差阵：
式中，X＝[id iq]T，F＝diag([-Rs/Ld，-Rs/Lq])，B＝diag([1/Ld，1/Lq])，U＝[ud0uq0]T， T为采样周期，Q为系统误差的方差，k为第k时刻。
(2)卡尔曼滤波增益矩阵计算：
K(k+1)＝P(k+1|k)HT(k+1)*[H(k+1)P(k+1|k)HT(k+1)+R]-1 (15)
式中，H＝diag([1 1])，R为观测误差的方差。
(3)状态更新，包括状态变量更新和协方差阵更新：
式中，Y(k+1)为k+1时刻电流的观测值，I＝diag([1 1])。
图5为直驱式波浪发电系统模型图；
根据图5系统模型图，基于卡尔曼滤波反步法，搭建最优功率跟踪控制振荡 浮子式波浪发电系统。参数选择为：Ld＝Lq＝0.0082H，Rs＝2.48Ω，m＝300kg，Φ ＝ψf/N＝0.147Wb，np＝4，Kn＝600kg/s2，其中N为绕组匝数。
通过仿真验证基于卡尔曼滤波反步法的优越性。
通过给定的变化频率和幅值的波浪激励力，模拟实际的波浪变化情况，对比 研究普通反步法、基于低通滤波反步法和基于卡尔曼滤波反步法三种控制策略对 直驱波浪发电系统的最优功率跟踪控制效果。
为验证所提方法跟踪给定值的精确性和鲁棒性，给定变化频率和幅值的波浪 激励力：在0～10s时，Fd＝2000sin(πt)；10s～22s时，Fd＝2000sin(πt/2)；22s～34s 时，Fd＝4000/3sin(πt/2)；
图6为q轴期望电流和实际电流对比；
图7为q轴跟踪电流误差对比；
由图6、7可知，反步法控制下的q轴电流跟踪曲线中含有大量纹波及抖振， 跟踪误差很大；基于低通滤波反步法跟踪精度高，跟踪误差小，但由于低通滤波 本身存在的相位延迟问题，导致系统产生的有功功率并非最大。卡尔曼滤波反步 控制方案，信号跟踪波形更加平滑，效果更好，跟踪误差约为反步控制的1/24， 低通滤波反步法的5/8，最高不到0.5A。在10s时波浪激励力突然转向和频率减 小及在22s时波浪激励力幅值变为原来的2/3后，所提方法仍能够快速反应并准 确跟随。
跟踪波浪发电最大功率捕获策略对应的最佳电流，同时为增强对比效果，将 速度放大500倍。
图8为不同控制方法产生的有功功率平均值；
图8对比了三种控制方法下系统输出有功功率的平均值，基于卡尔曼滤波反 步法下输出有功功率平均值分别比低通滤波反步法和普通反步法控制高出约 110w和115w，且普通反步法控制下的功率瞬时值含有大量高频纹波。
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限 制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非 是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明 的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施 方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进 等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种直驱式波浪发电系统最优功率控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1：根据直驱式波浪发电系统发电原理，获取最大功率控制特性；
S2，利用电压前馈补偿方法对电机状态方程进行解耦，得到永磁同步直线电机的d-q轴数学模型；
S3：用反步法通过选择合适控制率，以实现最大波浪功率跟踪控制，并论证其可行性；
S4：提出卡尔曼滤波方案，对常规反步法进行优化改进，设计基于卡尔曼滤波的反步控制方法，搭建最优功率跟踪控制振荡浮子式波浪发电系统，实现直驱式波浪发电系统的最优功率控制。
2.根据权利要求1所述的直驱式波浪发电系统最优功率控制方法，其特征在于，S1包括以下步骤：
S1.1：分析波浪能量转换装置受力情况，得出转换装置的水动力方程，即PMSLM的机械运动方程：
S1.2：将波浪能量转换装置进行模型等效，列出等效模型方程并变换成幅值与相角形式：
S1.3：分析得出能量转换效率最大化的条件，并给出功率计算表达式，实现最大功率捕获。
3.根据权利要求2所述的直驱式波浪发电系统最优功率控制方法，其特征在于，PMSLM的机械运动方程为：
式中，m为运动部件质量和辐射力产生的附加质量之和，Kn为流体动力阻尼系数，Fe为永磁同步直线电机的电磁力，K是装置弹簧常数，x为浮子运动位移，Fd为浮体受到的波浪激励力。
4.根据权利要求3所述的直驱式波浪发电系统最优功率控制方法，其特征在于，S1.2具体为：
将直线电机电磁力用Fe＝Rgdx/dt代替，将波浪激励力近似为正弦波形；
波浪能量转换装置等效为线性弹簧、质量块和线性阻尼器的组合，则其运动方程为：
式中，Rg为电机产生有功功率的阻尼系数；F0为波浪激励力幅值；ω为波浪激励力角速度；
求解该二阶方程并经变换得：
式中：Ast＝F0/K，A0为位移的运动幅值；
由此可见，电机动子以正弦形式移动，与波浪激励力同频率并有一个相位差可得运动位移x无量纲的幅频特性曲线，即幅值比A0/Ast、相位差及频率比ω/ω0分别和阻尼比ξ之间的关系曲线图。
5.根据权利要求4所述的直驱式波浪发电系统最优功率控制方法，其特征在于，S1.3具体为：
当浮子运动频率与波浪捕获装置固有频率相同且相位滞后于波浪激励力90°时，两者发生机械共振，此时能量转换效率最大；
发电机瞬时功率为：
P＝uaia+ubib+ucic
式中，ua、ub、uc；ia、ib、ic分别对应电机a、b、c三相输出电压和电流；
共振时，A0/Ast＝1/(2ξ)＝mω/(Rg+Kn)，K＝mω2，忽略永磁同步直线电机损耗，发电机输出有功功率为：
当A0＝mωAst/(2Kn)，即Rg＝Kn，K＝mω2时，P有最大值；通过调节弹簧常数K，使波浪装换装置始终处于不同波浪周期工况下的共振状态，实现最大波浪功率捕获。
6.根据权利要求5所述的直驱式波浪发电系统最优功率控制方法，其特征在于，S2具体为：
在不考虑直线电机磁路饱和，忽略端部效应，不计磁滞和涡流损耗的情况下，利用电压前馈补偿方法解耦电压电流，得到PMSLM的d-q轴数学模型：
再利用电压前馈补偿方法对耦合电压电流进行解耦，可以得到：
其中ud，uq，id，iq，Ld，Lq分别是d-q坐标系下定子电压、电流和电感；ud0，uq0分别为解耦后d-q轴的等效电压；Rs是定子电阻；v为速度，Ψf为永磁体磁链，τ为电机极距；
电机电磁力为：
其中，np为极对数。
7.根据权利要求6所述的直驱式波浪发电系统最优功率控制方法，其特征在于，S3具体为：
控制电机电磁力与流体动力阻尼力保持一致，而电磁力与电流iq呈线性关系，故通过控制iq实现；故设id*、iq*为电机d-q轴电流期望值，通过调节u* d0，u* q0，使id、iq精确跟踪设定值；
采用矢量控制策略，令id＝id*＝0，定义d、q轴电流的跟踪误差分别为e1、e2，求导并结合PMSLM的d-q轴数学模型有：
针对id，构造d轴状态方程：
式中，k1为d轴控制增益，k1>0；构造d轴电流控制率u* d0和d轴子系统Lyapunov函数：
式中，λ1为d轴子系统Lyapunov函数；
求导可得可知该子系统稳定；
同理，构造q轴电流控制率u* q0和q轴子系统Lyapunov函数为：
式中，λ2为q轴子系统Lyapunov函数；k2为q轴控制增益，k2>0；
求导得：可知该子系统稳定；
由此构造整个系统的Lyapunov函数：
求导得由此可见，选择合适控制率u* d0和u* q0，使整个系统保持稳定，并能准确跟踪设定值，从而实现最大波浪功率跟踪。
8.根据权利要求7所述的直驱式波浪发电系统最优功率控制方法，其特征在于，卡尔曼滤波分为两个阶段：估计阶段，即应用上一时刻状态，预估当前状态；更新阶段，即利用当前状态的实际测量值，优化预测值，获得更加精确的当前状态值；
由耦合电压电流解耦后的表达式可得卡尔曼滤波的递推步骤：
(1)一步预测，包括状态一步预测和一步预测协方差阵：
式中：X＝[id，iq]T，F＝diag([-Rs/Ld，-Rs/Lq])，B＝diag([1/Ld，1/Lq])，U＝[ud0uq0]T，T为采样周期，Q为系统误差的方差，k为第k时刻；
(2)卡尔曼滤波增益矩阵计算：
K(k+1)＝P(k+1|k)HT(k+1)*[H(k+1)P(k+1|k)HT(k+1)+R]-1
式中，H＝diag([1 1])，R为观测误差的方差；
(3)状态更新，包括状态变量更新和协方差阵更新：
式中，Y(k+1)为k+1时刻电流的观测值，I＝diag([1 1])。
9.根据权利要求8所述的直驱式波浪发电系统最优功率控制方法，其特征在于，最优功率跟踪控制振荡浮子式波浪发电系统包括：波浪能量转换装置、发电机和控制系统；
波浪能量转换装置负责将海水波浪的波浪能转换为机械能，从而带动发电机进行发电；
发电机负责将经波浪能量转换装置转换后的机械能转换为电能；
控制系统通过波浪装置运动部件固有频率与波浪频率，获取当前波浪参数条件下发电系统能够输出最大功率的q轴理论电流值iq*，使用基于卡尔曼滤波的反步法对发电机的电流进行跟踪控制，使得电流的期望值和实际值相同，从而获得最大有功功率输出。
CN201910791225.6A 2019-08-26 2019-08-26 一种直驱式波浪发电系统最优功率控制方法 Pending CN110594079A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910791225.6A CN110594079A (zh) 2019-08-26 2019-08-26 一种直驱式波浪发电系统最优功率控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910791225.6A CN110594079A (zh) 2019-08-26 2019-08-26 一种直驱式波浪发电系统最优功率控制方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110594079A true CN110594079A (zh) 2019-12-20

Family

ID=68855832

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910791225.6A Pending CN110594079A (zh) 2019-08-26 2019-08-26 一种直驱式波浪发电系统最优功率控制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110594079A (zh)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111336056A (zh) * 2020-03-18 2020-06-26 集美大学 一种带有大传动比能量传递系统的波浪能发电装置
CN111722110A (zh) * 2020-06-29 2020-09-29 北京理工大学 一种基于电压前馈电流反馈控制的永磁同步电机模拟器
CN112128046A (zh) * 2020-09-24 2020-12-25 南昌大学 一种波浪能发电装置
CN112761851A (zh) * 2021-01-26 2021-05-07 浙江水利水电学院 一种直驱式波浪能发电装置最大功率捕获控制方法
CN113090437A (zh) * 2021-04-26 2021-07-09 大连海事大学 一种基于弹簧共振辅助的直驱式波浪能发电最大波能精准跟踪控制方法
CN113359792A (zh) * 2021-05-27 2021-09-07 深圳市优必选科技股份有限公司 一种双足机器人控制方法、装置、双足机器人及存储介质
CN118376318A (zh) * 2024-06-21 2024-07-23 国网上海市电力公司 一种基于相位补偿的clcc换流器异频振动感知方法及系统

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1989340A (zh) * 2004-05-14 2007-06-27 海洋动力太平洋有限公司 波能转换装置
CN103217160A (zh) * 2013-04-22 2013-07-24 哈尔滨工程大学 一种船舶动力定位卡尔曼滤波方法
CN205594067U (zh) * 2016-03-30 2016-09-21 哈尔滨电机厂有限责任公司 适用于水轮机调速系统的智能频率信号转换装置
CN107800340A (zh) * 2017-11-23 2018-03-13 广东工业大学 一种波浪发电输出最大功率的控制方法及相关装置
CN110083057A (zh) * 2019-06-12 2019-08-02 哈尔滨工程大学 基于水翼运动姿态的pid控制方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1989340A (zh) * 2004-05-14 2007-06-27 海洋动力太平洋有限公司 波能转换装置
CN103217160A (zh) * 2013-04-22 2013-07-24 哈尔滨工程大学 一种船舶动力定位卡尔曼滤波方法
CN205594067U (zh) * 2016-03-30 2016-09-21 哈尔滨电机厂有限责任公司 适用于水轮机调速系统的智能频率信号转换装置
CN107800340A (zh) * 2017-11-23 2018-03-13 广东工业大学 一种波浪发电输出最大功率的控制方法及相关装置
CN110083057A (zh) * 2019-06-12 2019-08-02 哈尔滨工程大学 基于水翼运动姿态的pid控制方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
蔡浩然等: "傅氏分析反步法直驱型海浪发电系统功率优化控制", 《电测与仪表》 *
黄宝洲等: "波浪发电系统无速度传感器功率优化控制", 《新能源》 *

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111336056A (zh) * 2020-03-18 2020-06-26 集美大学 一种带有大传动比能量传递系统的波浪能发电装置
CN111336056B (zh) * 2020-03-18 2022-08-16 集美大学 一种带有大传动比能量传递系统的波浪能发电装置
CN111722110A (zh) * 2020-06-29 2020-09-29 北京理工大学 一种基于电压前馈电流反馈控制的永磁同步电机模拟器
CN111722110B (zh) * 2020-06-29 2021-09-03 北京理工大学 一种基于电压前馈电流反馈控制的永磁同步电机模拟器
CN112128046A (zh) * 2020-09-24 2020-12-25 南昌大学 一种波浪能发电装置
CN112761851A (zh) * 2021-01-26 2021-05-07 浙江水利水电学院 一种直驱式波浪能发电装置最大功率捕获控制方法
CN112761851B (zh) * 2021-01-26 2022-06-10 浙江水利水电学院 一种直驱式波浪能发电装置最大功率捕获控制方法
CN113090437A (zh) * 2021-04-26 2021-07-09 大连海事大学 一种基于弹簧共振辅助的直驱式波浪能发电最大波能精准跟踪控制方法
CN113359792A (zh) * 2021-05-27 2021-09-07 深圳市优必选科技股份有限公司 一种双足机器人控制方法、装置、双足机器人及存储介质
CN118376318A (zh) * 2024-06-21 2024-07-23 国网上海市电力公司 一种基于相位补偿的clcc换流器异频振动感知方法及系统

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110594079A (zh) 一种直驱式波浪发电系统最优功率控制方法
Xu et al. A review of sensorless control methods for AC motor drives
CN109560736B (zh) 基于二阶终端滑模的永磁同步电机控制方法
Tong et al. An SRF-PLL-based sensorless vector control using the predictive deadbeat algorithm for the direct-driven permanent magnet synchronous generator
CN104065320B (zh) 双馈风力发电机组无速度传感器控制方法
CN110311607B (zh) 一种反步滑模最大波能捕获方法
CN103312244A (zh) 基于分段式滑模变结构的无刷直流电机直接转矩控制方法
CN104980071A (zh) 一种无刷双馈电机独立发电系统的励磁控制装置
CN110445438B (zh) 一种基于扩展控制集的永磁同步电机预测磁链控制方法
CN113659904B (zh) 一种基于非奇异快速终端滑模观测器的spmsm无传感器矢量控制方法
CN103762921B (zh) 一种基于粒子群算法的不平衡电网下dfig的多目标控制方法
CN113193809A (zh) 一种改进二阶线性自抗扰的永磁同步电机控制方法
CN102545762B (zh) 直驱式波浪发电系统的控制方法
Kendouli et al. High performance PWM converter control based PMSG for variable speed wind turbine
Sahri et al. Enhanced direct power control strategy of a DFIG-based wind energy conversion system operating under random conditions
CN107800340A (zh) 一种波浪发电输出最大功率的控制方法及相关装置
CN108649852B (zh) 一种改进电流环的永磁同步电机控制方法
Echchaachouai et al. A two-level sensorless MPPT strategy using SRF-PLL on a PMSG wind energy conversion system
CN112761851B (zh) 一种直驱式波浪能发电装置最大功率捕获控制方法
CN112918635B (zh) 一种基于电流信号的海上浮式风电机组基础运动监测方法
Tai et al. Sizing and control of the electric power take off for a buoy type point absorber wave energy converter
Hao et al. Fractional-Order PI Controller for DFIG-Based Marine Tidal Current Applications
CN113206622B (zh) 一种基于海浪能发电能量传输系统的预测自抗扰控制策略
CN109586622A (zh) 基于滑模控制的水下推进器控制方法
Ngu et al. Control of a bristol cylinder for wave energy generation

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20191220