CN111597684B - 一种多自由度波浪能装置参数优化方法 - Google Patents

一种多自由度波浪能装置参数优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多自由度波浪能装置参数优化方法。包括几何定义模块，水动力计算模块，传动发电模块和迭代优化模块。首先在几何定义模块确定波浪能装置获能体几何，然后进入水动力计算模块获得装置获能体的水动力系数，在传动发电模块搭建多自由度波浪能发电装置的全过程仿真模型，最后进入迭代优化模块，确定目标函数、优化对象和优化算法，对波浪能装置各级参数进行迭代优化。本发明相比传统设计方法，考虑了各自由度之间相互耦合因素的影响，考虑了波浪能到电能各级能量转换系统之间相互耦合因素的影响，提高了模型精度和优化结果的可靠性；具有普适性，潜在的全局收敛性和有效性，适合应用于多种不同原理的多自由度波浪能装置优化设计中。

Description

一种多自由度波浪能装置参数优化方法
技术领域
本发明涉及多自由度波浪能发电技术领域，具体涉及一种多自由度波浪能装置参数优化方法。
背景技术
波浪能装置，是一种能吸收波浪能的发电装置。我国沿海波浪具有明显的宽谱特征，对波浪能捕获提出较高挑战。传统基于谱峰频率设计的波浪能装置捕获效率较低，导致开发陷入瓶颈。波浪能装置获能体应具有多方向、宽频响吸能优势，适应宽谱波浪能资源特性的特性。波浪能装置一般释放获能体三个及以上的自由度，波浪能量分别在垂荡(Heaving)、纵荡(Surging)、纵摇(Pitching)方向上进行原始分配以及二次分配从而被吸收。波浪能装置的设计过程比一般发电设备复杂得多。波浪能装置优化设计时需要综合考虑多个自由度上的获能性能，而这些自由度之间往往是相互耦合的；此外，波浪能装置分为多级能量转换系统，每个系统之间也往往是相互耦合的。因此，合理建模和有效优化是波浪能装置设计中的关键。但是，目前尚未有一个成熟可用的专注于波浪能优化设计的仿真平台可供使用。另外，传统的设计方法普遍存在无法同时考虑各自由度上的各级能量转换系统的各个参数，导致最终结果不是最优配置情况，从而降低了波浪能装置的发电效率。
发明内容
本发明的目的在于提供适用于多种不同原理的波浪能发电装置的一种多自由度波浪能装置参数优化方法，帮助解决传统设计方法难以实现最优的问题。
为达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的一种多自由度波浪能装置参数优化方法，包括四个模块：几何定义模块，水动力计算模块，传动发电模块和迭代优化模块；
模块一：几何定义模块
几何定义模块是由用户确定一组几何控制点和曲面约束条件，基于不同的曲面构建策略，完成波浪能装置的获能体几何定义，几何定义模块设置包括以下步骤：
A、输入脚本文件，确定几何控制点和曲面约束条件；
B、确定曲面构建策略，包括B样条曲面和NURBS样条曲面；
C、生成获能体几何曲面点集；
D、根据曲面点集文件，生成stl格式的波浪能装置获能体几何文件；
E、获能体外形的几何控制点坐标作为一级能量转换系统的优化变量参数，给定其几何约束条件，即几何控制点坐标的变化范围；
模块二：水动力计算模块
水动力计算模块是由几何定义模块生成的多自由度波浪能发电装置获能体的几何文件，调用水动力计算工具，完成波浪能装置的水动力系数计算；水动力计算模块设置包括以下步骤：
A、确定水动力计算工况参数，包括波浪个数，波浪频率范围，波向范围和输入波浪文件，仿真时间；
B、调用APDL建模工具，输入stl格式的波浪能装置获能体几何文件，生成dat格式的水动力计算输入文件；
C、调用AQWA水动力计算工具，输入dat格式的水动力计算输入文件，开始计算，得到获能体的水动力系数结果，包括波浪激振力系数、附加质量系数和辐射阻尼系数；
D、利用获能体的水动力系数计算结果，计算得到仿真时间内的时域波浪力，包括波浪激振力、波浪辐射力和恢复力；
模块三：传动发电模块
传动发电模块是在MATLAB/Simulink中搭建多自由度波浪能发电装置的传动发电部分模型，得到波浪能装置的时域响应和电能输出结果，传动发电模块设置包括以下步骤：
A、利用水动力计算模块中得到的水动力系数计算结果，根据波浪理论，计算仿真时间内的时域波浪力，包括波浪激振力、波浪辐射力和恢复力，作为传动发电模块的输入文件；
B、在MATLAB/Simulink中基于sim-mechanics工具搭建波浪能发电装置的机械传动系统，即二级能量转换系统，包括转动关节和平动关节，实现装置的机械运动传递能量；
C、在MATLAB/Simulink中基于power system工具搭建波浪能发电的电力传动系统，即三级能量转换系统；
模块四：迭代优化模块
迭代优化模块是基于已经搭建好的仿真模型，对目标波浪能装置设计参数进行优化，得到最佳参数配置，迭代优化模块设置包括以下步骤：
A、根据用户需求，通过输入脚本文件的形式设置优化目标函数；
B、选择优化算法，包括遗传算法，粒子群算法和差分进化算法，设置算法主要参数，包括选择策略，交叉率和变异率；
C、选择各级能量转换系统目标优化参数及搜索范围，包括几何定义模块、水动力计算模块和传动发电模块设置的所有参数；
D、设置迭代参数，包括种群大小和迭代次数；
E、开始迭代优化仿真，优化流程为首先对优化问题进行编码，把优化问题的求解的参数形式转换为基因码串的表现形式，产生初始种群编码，随机生成一定数量的个体组成初始群体，运行仿真获得目标适应度函数进化曲线并评估，重复对几何定义模块，水动力计算模块和传动发电模块中的目标优化参数进行设置并重新计算，获得最终优化结果，检测结果是否收敛。
所述几何定义模块生成曲面采用轴对称建模和关于中心平面对称的1/2对称建模两种方法。
所述水动力计算模块设计有错误报警和自动排错机制，水动力计算软件对几何文件精度要求高，平台将自动检查文件夹中是否生成标识文件，若没有生成，则说明迭代优化过程中生成的几何文件无效导致无法计算，平台将自动删除错误文件并重新生成新文件。
所述传动发电模块包括的发电机负载进行自定义，以满足用户定制需求，模型参数包括磁极间距，线圈电感，绕组电阻，转子直轴磁链，阻尼系数，并联电机数量和负载电阻。
所述传动发电模块通过设置多个并联的机械运动关节和电气元件，以实现多自由度能量吸收模型，自由度的数量由用户确定。
所述迭代优化模块根据用户需求选择考虑一个或同时考虑多个模块的设置参数，实现对波浪能发电装置多级能量转换全过程的参数优化。
本发明具有的有益效果是：
1)本发明涉及的优化方法，相比传统设计方法，考虑了各自由度之间相互耦合因素的影响，考虑了波浪能到电能各级能量转换系统之间相互耦合因素的影响，提高了模型精度和优化结果的可靠性；
2)本发明具有普适性，潜在的全局收敛性和有效性，适合应用于多种不同原理的多自由度波浪能装置优化设计中；
3)本发明弥补了我国尚缺的多自由度波浪能装置设计领域的优化设计方法。
附图说明
图1是本发明的结构图。
图2是本发明的曲面建模界面图。
图3是本发明的装置模型示意图。
图4是本发明的迭代优化流程图。
图5是本发明的控件界面。
图3中：1、平动关节；2、转动关节；3、获能体；4、一级能量转换系统(获能体外形几何参数)；5、二级能量转换系统(机械传动参数)；6，三级能量转换系统(电机参数)。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明的一种多自由度波浪能装置参数优化方法，是基于matlab编写的，可以调用多种计算工具，包括：几何定义模块，水动力计算模块，传动发电模块和迭代优化模块；
模块一：几何定义模块
几何定义模块是由用户确定一组几何控制点和曲面约束条件，基于不同的曲面构建策略，完成波浪能装置的获能体几何定义。
在本发明的实施例中，如图2所示，模块一几何定义模块的曲面建模界面的左上侧区域为文件和参数输入区，在本发明的实施例中，控制空间选择为立方体空间，采用1/2对称建模方法，采用准均匀B样条曲面，参数k为样条曲面横向阶数，数值为2，参数m为样条曲面纵向阶数，数值为1，控制点坐标数据文件包含有11个控制点坐标，点击生成样条曲面按钮，在曲面建模界面的右上侧区域显示曲面点集的图像，点击生成stl几何文件按钮，在曲面建模界面的右下侧区域显示stl几何模型的可视化图像。曲面建模界面的左下侧区域为控制台，输出显示操作信息。
几何定义模块设置包括以下步骤：
A、输入脚本文件，确定几何控制点和曲面约束条件；
B、确定曲面构建策略，包括B样条曲面和NURBS样条曲面；
C、生成获能体几何曲面点集；
D、根据曲面点集文件，生成stl格式的波浪能装置获能体几何文件；
E、获能体外形的几何控制点坐标作为一级能量转换系统的优化变量参数，给定其几何约束条件，即几何控制点坐标的变化范围。
模块二：水动力计算模块
水动力计算模块是由几何定义模块生成的多自由度波浪能发电装置获能体的几何文件，调用水动力计算工具，完成波浪能装置的水动力系数计算。水动力计算模块设置包括以下步骤：
A、确定水动力计算工况参数，包括波浪个数，波浪频率范围，波向范围和输入波浪文件，仿真时间；
B、调用APDL建模工具，输入stl格式的波浪能装置获能体几何文件，生成dat格式的水动力计算输入文件；
C、调用AQWA水动力计算工具，输入dat格式的水动力计算输入文件，开始计算，得到获能体的水动力系数结果，包括波浪激振力系数、附加质量系数和辐射阻尼系数；
D、利用获能体的水动力系数计算结果，计算得到仿真时间内的时域波浪力，包括波浪激振力、波浪辐射力、恢复力。
模块三：传动发电模块
传动发电模块是在MATLAB/Simulink中搭建多自由度波浪能发电装置的传动发电部分模型，得到波浪能装置的时域响应和电能输出结果。
在本发明的实施例中，如图3所示，波浪能发电装置具有三个自由度，分别是垂荡，纵荡和纵摇，具有三级能量转换系统。平动关节1实现垂荡和纵荡自由度运动，转动关节2实现纵摇自由度运动，获能体3形状为圆柱体，一级能量转换系统4包括获能体3的外形几何参数，二级能量转换系统5包括平动关节1和转动关节2的机械传动参数，三级能量转换系统6包括电机参数。
传动发电模块设置包括以下步骤：
A、利用水动力计算模块中得到的水动力系数计算结果，根据波浪理论，计算仿真时间内的时域波浪力，包括波浪激振力、波浪辐射力、恢复力，作为传动发电模块的输入文件；
B、在MATLAB/Simulink中基于sim-mechanics工具搭建波浪能发电装置的机械传动系统，即二级能量转换系统，包括转动关节和平动关节，实现装置的机械运动传递能量。
C、在MATLAB/Simulink中基于power system工具搭建波浪能发电的电力传动系统，即三级能量转换系统。
模块四：迭代优化模块
迭代优化模块是基于已经搭建好的仿真模型，对目标波浪能装置设计参数进行优化，得到最佳参数配置。
在本发明的实施例中，如图4所示，将各级能量转换系统参数包括获能体外形几何参数、机械传动参数和电机参数作为优化对象，将能量转换效率作为优化目标函数，选择遗传算法对参数形式的优化问题进行编码转换。迭代优化模块设置包括以下步骤：
A、根据用户需求，通过输入脚本文件的形式设置优化目标函数；
B、选择优化算法，包括遗传算法，粒子群算法和差分进化算法，设置算法主要参数，包括选择策略，交叉率和变异率。
C、选择目标优化参数及搜索范围，包括几何定义模块、水动力计算模块和传动发电模块设置的所有参数；
D、设置迭代参数，包括种群大小和迭代次数；
E、开始迭代优化仿真，优化流程为首先对优化问题进行编码，把优化问题的求解的参数形式转换为基因码串的表现形式，产生初始种群编码，随机生成一定数量的个体组成初始群体，运行仿真获得目标适应度函数进化曲线并评估，重复对几何定义模块，水动力计算模块和传动发电模块中的目标优化参数进行设置并重新计算，获得最终优化结果，检测结果是否收敛。
特别的，所述几何定义模块生成曲面采用轴对称建模和关于中心平面对称的1/2对称建模两种方法。
特别的，所述水动力计算模块设计有错误报警和自动排错机制，水动力计算软件对几何文件精度要求较高，平台将自动检查文件夹中是否生成标识文件，若没有生成，则说明迭代优化过程中生成的几何文件无效导致无法计算，平台将自动删除错误文件并重新生成新文件。
传动发电模块包括的发电机负载进行自定义，以满足用户定制需求。
如图5所示，在本发明的实施例中，界面左侧区域显示发电机负载模型自定义参数为磁极间距0.072m，线圈电感0.285H，绕组电阻4.58Ω，转子直轴磁链8Wb，阻尼系数100N/(m/s)，并联电机数量2000和负载电阻117Ω。完成发电机负载模型自定义设置后，点击开始仿真按钮，界面右侧区域实时输出仿真结果，包括输出功率图，三相电压图，三相电流图，位移图，速度图和一个周期内的转换能量与效率。
传动发电模块通过设置多个并联的机械运动关节和电气元件，以实现多自由度能量吸收模型，自由度的数量由用户确定，在本发明的实施例中，自由度数量为3。
迭代优化模块根据用户需求选择考虑一个或同时考虑多个模块的设置参数，实现对波浪能发电装置多级能量转换全过程的参数优化。

Claims (6)

1.一种多自由度波浪能装置参数优化方法，其特征在于，包括四个模块：几何定义模块，水动力计算模块，传动发电模块和迭代优化模块；
模块一：几何定义模块
几何定义模块是由用户确定一组几何控制点和曲面约束条件，基于不同的曲面构建策略，完成波浪能装置的获能体几何定义，几何定义模块设置包括以下步骤：
A、输入脚本文件，确定几何控制点和曲面约束条件；
B、确定曲面构建策略，包括B样条曲面和NURBS样条曲面；
C、生成获能体几何曲面点集；
D、根据曲面点集文件，生成stl格式的波浪能装置获能体几何文件；
E、获能体外形的几何控制点坐标作为一级能量转换系统的优化变量参数，给定其几何约束条件，即几何控制点坐标的变化范围；
模块二：水动力计算模块
水动力计算模块是由几何定义模块生成的多自由度波浪能发电装置获能体的几何文件，调用水动力计算工具，完成波浪能装置的水动力系数计算；水动力计算模块设置包括以下步骤：
A、确定水动力计算工况参数，包括波浪个数，波浪频率范围，波向范围和输入波浪文件，仿真时间；
B、调用APDL建模工具，输入stl格式的波浪能装置获能体几何文件，生成dat格式的水动力计算输入文件；
C、调用AQWA水动力计算工具，输入dat格式的水动力计算输入文件，开始计算，得到获能体的水动力系数结果，包括波浪激振力系数、附加质量系数和辐射阻尼系数；
D、利用获能体的水动力系数计算结果，计算得到仿真时间内的时域波浪力，包括波浪激振力、波浪辐射力和恢复力；
模块三：传动发电模块
传动发电模块是在MATLAB/Simulink中搭建多自由度波浪能发电装置的传动发电部分模型，得到波浪能装置的时域响应和电能输出结果，传动发电模块设置包括以下步骤：
A、利用水动力计算模块中得到的水动力系数计算结果，根据波浪理论，计算仿真时间内的时域波浪力，包括波浪激振力、波浪辐射力和恢复力，作为传动发电模块的输入文件；
B、在MATLAB/Simulink中基于sim-mechanics工具搭建波浪能发电装置的机械传动系统，即二级能量转换系统，包括转动关节和平动关节，实现装置的机械运动传递能量；
C、在MATLAB/Simulink中基于power system工具搭建波浪能发电的电力传动系统，即三级能量转换系统；
模块四：迭代优化模块
迭代优化模块是基于已经搭建好的仿真模型，对目标波浪能装置设计参数进行优化，得到最佳参数配置，迭代优化模块设置包括以下步骤：
A、根据用户需求，通过输入脚本文件的形式设置优化目标函数；
B、选择优化算法，包括遗传算法，粒子群算法和差分进化算法，设置算法主要参数，包括选择策略，交叉率和变异率；
C、选择各级能量转换系统目标优化参数及搜索范围，包括几何定义模块、水动力计算模块和传动发电模块设置的所有参数；
D、设置迭代参数，包括种群大小和迭代次数；
E、开始迭代优化仿真，优化流程为首先对优化问题进行编码，把优化问题的求解的参数形式转换为基因码串的表现形式，产生初始种群编码，随机生成一定数量的个体组成初始群体，运行仿真获得目标适应度函数进化曲线并评估，重复对几何定义模块，水动力计算模块和传动发电模块中的目标优化参数进行设置并重新计算，获得最终优化结果，检测结果是否收敛。
2.根据权利要求1所述的一种多自由度波浪能装置参数优化方法，其特征在于：所述几何定义模块生成曲面采用轴对称建模和关于中心平面对称的1/2对称建模两种方法。
3.根据权利要求1所述的一种多自由度波浪能装置参数优化方法，其特征在于：所述水动力计算模块设计有错误报警和自动排错机制，水动力计算软件对几何文件精度要求高，平台将自动检查文件夹中是否生成标识文件，若没有生成，则说明迭代优化过程中生成的几何文件无效导致无法计算，平台将自动删除错误文件并重新生成新文件。
4.根据权利要求1所述的一种多自由度波浪能装置参数优化方法，其特征在于：所述传动发电模块包括的发电机负载进行自定义，以满足用户定制需求，模型参数包括磁极间距，线圈电感，绕组电阻，转子直轴磁链，阻尼系数，并联电机数量和负载电阻。
5.根据权利要求1所述的一种多自由度波浪能装置参数优化方法，其特征在于：所述传动发电模块通过设置多个并联的机械运动关节和电气元件，以实现多自由度能量吸收模型，自由度的数量由用户确定。
6.根据权利要求1所述的一种多自由度波浪能装置参数优化方法，其特征在于：所述迭代优化模块根据用户需求选择考虑一个或同时考虑多个模块的设置参数，实现对波浪能发电装置多级能量转换全过程的参数优化。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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