JP7240716B2 - Wave power generator real-time control method and wave power generation system - Google Patents

Wave power generator real-time control method and wave power generation system Download PDF

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Description

本発明は、波や水面の上下動を利用して発電を行う波力発電機の実時間制御方法、及び波力発電システムに関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a real-time control method for a wave power generator that generates power using waves and vertical movements of a water surface, and a wave power generation system.

波力発電機は、水の上下動による可動部と、その可動部の動きを発電機に伝えるジグ機構と、電気を発生させる発電主体部によって構成され、波や水面の上下動に伴う発電主体部との相対変位を可動部で発生させ、その変位差を利用して電力が発生する。
波力発電機は、拘束条件(例えば、可動部の変位、制御力の制限)を満たしつつ発電量最大化を実現する必要がある。この問題は、拘束条件付き最適化問題とみることができ、様々な解法が存在する。しかし、従来の解法に基づく制御器を波力発電機の模型や実機に実装しても、サンプリング周期内に最適化の演算を完了できず、実装不可能になる場合が多い。
A wave power generator consists of a movable part that moves vertically, a jig mechanism that transmits the movement of the movable part to the generator, and a power generator that generates electricity. The moving part generates a relative displacement with respect to the part, and electric power is generated using the displacement difference.
A wave power generator needs to maximize the amount of power generation while satisfying constraint conditions (for example, displacement of movable parts, limits on control force). This problem can be viewed as a constrained optimization problem, and there are various solutions. However, even if a controller based on the conventional solution method is implemented in a model of a wave power generator or in an actual machine, the optimization calculation cannot be completed within the sampling period, and implementation becomes impossible in many cases.

ここで、特許文献1には、密閉ケーシングの内部に取り付けられたリニアモータ又は発電機として動作する電機機械を有する電力発生装置と、最適制御アルゴリズムを備えリニアモータや電力貯蔵装置と通信する制御システムと、密閉ケーシングに対するリニアモータ/発電機の磁界源の一等を測定するセンサと、空気バネ等により構成された復元力装置とを備えた波力発電機において、波と同調するように位置差を感知し、復元力を発生させることが開示されている。
また、特許文献2には、密閉浮遊要素と、その内部に配置された質量形成要素と、質量形成要素の動きをロックするロック手段とを備えた波エネルギーを電力に変換する装置において、質量形成要素を選択的にロック又はロック解除するようにロック手段を制御手段で制御し、水面変位との共振現象を発生させることが開示されている。
また、特許文献3には、プロセスモデルの形態を変更するモデル形式変更ブロックを含むモデル適応ネットワークと、多変数プロセスモデルを有するプロセスモデルブロック、及びプロセスの制御に用いられる操作変数信号を生成するMPCコントローラを含むMPC制御システムとを備えた適応型多変数プロセスコントローラにおいて、単一入力・単一出力の多プロセスモデルの適応に関して、多段階の制御を用いることが開示されている。
また、特許文献4には、フィードフォワード制御装置と、フィードバック制御装置とを備えた位置決めシステムにおいて、磁気ディスクのトラックアクセスを目的として、フィードバック、フィードフォワード制御を組み合わせ、高速に位置決めを行うことが開示されている。
Here, Patent Document 1 describes a power generation device having an electric machine that operates as a linear motor or generator mounted inside a closed casing, and a control system that includes an optimum control algorithm and communicates with the linear motor and the power storage device. and a wave power generator with a sensor for measuring the magnitude of the magnetic field source of the linear motor/generator with respect to the closed casing, and a restoring force device, such as an air spring, in which the position difference is synchronized with the wave. is disclosed to sense and generate a restoring force.
Further, Patent Document 2 discloses a device for converting wave energy into electric power, which includes a closed floating element, a mass forming element disposed inside the element, and locking means for locking the movement of the mass forming element. It is disclosed that the locking means is controlled by a control means to selectively lock or unlock the element to generate a resonance phenomenon with water surface displacement.
In addition, Patent Document 3 discloses a model adaptation network including a model format change block that changes the form of a process model, a process model block that has a multivariable process model, and an MPC that generates manipulated variable signals used to control the process. An adaptive multivariable process controller comprising an MPC control system including a controller is disclosed using multi-step control for adaptation of single-input, single-output multi-process models.
Further, Patent Document 4 discloses that, in a positioning system including a feedforward control device and a feedback control device, high-speed positioning is performed by combining feedback and feedforward control for the purpose of track access of a magnetic disk. It is

特表2015-524034号公報Japanese translation of PCT publication No. 2015-524034 特表2008-517197号公報Japanese Patent Publication No. 2008-517197 特開2005-202934号公報JP 2005-202934 A 特開昭54-12082号公報JP-A-54-12082

波力発電機に関する先行研究等では、上記の拘束条件付き最適化問題に対して、2次計画法を適用する例が多い。しかし、それらの例では、波力発電機の自由度を1自由度に限定したり、制約条件数を減らしたりすること等により問題を単純化している。そのため、従来技術を浮体式波力発電機にそのまま適用することはできない。その上、先行研究等のように問題を単純化しても実時間制御(リアルタイム制御)を行うことは難しく、実装時の性能及び安全性検証等が不十分であるため、実用化を阻害している。 In previous research on wave power generators, there are many examples of applying the quadratic programming method to the above-mentioned optimization problem with constraints. However, in those examples, the problem is simplified by limiting the degree of freedom of the wave power generator to one degree of freedom, reducing the number of constraints, and the like. Therefore, the prior art cannot be applied to the floating wave power generator as it is. In addition, it is difficult to perform real-time control (real-time control) even if the problem is simplified as in previous research, etc., and performance and safety verification at the time of implementation are insufficient, which hinders practical application. there is

また、特許文献1は、制御パラメータは、水面変位との共振現象を発生させることに注力しており、可動部及び発電主体部の自由度、その環境下での最適パラメータの導出方法については何ら開示されていない。
また、特許文献2は、発電出力を最大化させるための多段階化アルゴリズムを開示しているものではない。
また、特許文献3及び特許文献4は、最適制御を行う許容時間を前段階で求め、役割の異なる制御アルゴリズムの構成を変化させることについては開示されていない。
In addition, Patent Document 1 focuses on generating a resonance phenomenon with water surface displacement as a control parameter, and does not discuss the degree of freedom of the movable part and the power generation main part and the method of deriving the optimum parameter under that environment. Not disclosed.
Moreover, Patent Literature 2 does not disclose a multistage algorithm for maximizing power generation output.
Further, Patent Documents 3 and 4 do not disclose that the allowable time for optimal control is obtained in a previous step and the configuration of control algorithms with different roles is changed.

そこで本発明は、波力発電機に適用可能な拘束条件付き最適化問題をリアルタイムに解くことができ、高効率かつ安全性を確保した波力発電機の実用化に資する波力発電機の実時間制御方法、及び波力発電システムを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention is a wave power generator that can solve in real time an optimization problem with constraints applicable to a wave power generator, and that contributes to the practical use of a wave power generator that ensures high efficiency and safety. An object of the present invention is to provide a time control method and a wave power generation system.

請求項1記載に対応した波力発電機の実時間制御方法においては、波に対する可動部と発電主体部を有した多自由度をもつ波力発電機の実時間制御方法であって、多自由度をもつ波力発電機をモデルとする第1モデルを用いた第1モデル予測制御計算により第1モデルにおける多自由度の第1の制御パラメータ及び第1の状態変数の時系列を求め、波力発電機の発電量に影響の大きい自由度に限った第1の制御パラメータ及び第1の状態変数を波力発電機の第2モデルに適用し、第1モデル予測制御計算よりも自由度を減らした第2モデル予測制御計算により第2の制御パラメータ及び第2の状態変数の時系列を求めて最終の制御パラメータを導出し、最終の制御パラメータに基づいて波力発電機を制御することを特徴とする。
請求項1に記載の本発明によれば、多自由度系に対応した第1モデル予測制御計算(第一段階)と、発電量に影響の大きいものに限った自由度系に対応した第2モデル予測制御計算(第二段階)を組み合わせることにより、拘束条件付き最適化問題をリアルタイムで短時間のうちに解いて最終の制御パラメータを求めることができるため、求めた最終の制御パラメータに基づいて多自由度をもつ波力発電機の実時間制御を精度よく行い発電効率を向上させることができる。また、実装時の性能及び安全性検証等を十分に行うことが可能となるため、安全性を確保できる。
A real-time control method for a wave power generator corresponding to claim 1 is a real-time control method for a wave power generator having multiple degrees of freedom having a movable part and a power generation main part for waves, A time series of the first control parameter and the first state variable with multiple degrees of freedom in the first model is obtained by the first model predictive control calculation using the first model modeled on a wave power generator having a degree of freedom, and the wave Apply the first control parameter and the first state variable limited to the degree of freedom that has a large influence on the power generation amount of the power generator to the second model of the wave power generator, and apply the degree of freedom more than the first model predictive control calculation Obtaining the time series of the second control parameter and the second state variable by the reduced second model predictive control calculation, deriving the final control parameter, and controlling the wave power generator based on the final control parameter Characterized by
According to the present invention of claim 1, the first model predictive control calculation (first stage) corresponding to a multi-degree-of-freedom system and the second degree-of-freedom system corresponding to only those that have a large influence on the power generation amount By combining the model predictive control calculation (second stage), it is possible to solve the constrained optimization problem in real time in a short time and obtain the final control parameters. Real-time control of a wave power generator with multiple degrees of freedom can be performed with high accuracy, and power generation efficiency can be improved. In addition, since it is possible to sufficiently perform performance and safety verification at the time of mounting, safety can be ensured.

請求項2記載の本発明は、波力発電機の周囲の波による水面の変位に基づいて波予測を行い、波予測の結果を第1モデル予測制御計算に反映することを特徴とする。
請求項2に記載の本発明によれば、第1モデル予測制御計算の精度を向上させることができる。
According to the second aspect of the present invention, wave prediction is performed based on the displacement of the water surface due to the waves around the wave power generator, and the result of the wave prediction is reflected in the first model predictive control calculation.
According to the second aspect of the present invention, it is possible to improve the accuracy of the first model predictive control calculation.

請求項3記載の本発明は、波予測は、水面の変位の時系列データを基に時系列予測手法を用いて予測するものであることを特徴とする。
請求項3に記載の本発明によれば、波予測の精度を上げ第1モデル予測制御計算の精度をさらに向上させることができる。
The present invention according to claim 3 is characterized in that wave prediction is performed using a time-series prediction method based on time-series data of water surface displacement.
According to the third aspect of the present invention, it is possible to improve the accuracy of wave prediction and further improve the accuracy of the first model predictive control calculation.

請求項4記載の本発明は、第1モデル予測制御計算により、可動部と発電主体部との相対変位の変化に対する速度影響及び/又は相対変位影響を考慮した第1の制御パラメータ及び第1の状態変数を求めることを特徴とする。
請求項4に記載の本発明によれば、第1モデル予測制御計算の精度を向上させることができる。
According to the fourth aspect of the present invention, the first control parameter and the first control parameter that take into account the velocity effect and/or the relative displacement effect on the change in the relative displacement between the movable portion and the power generation main portion are determined by the first model predictive control calculation. It is characterized by obtaining state variables.
According to the fourth aspect of the present invention, it is possible to improve the accuracy of the first model predictive control calculation.

請求項5記載の本発明は、求めた第1の制御パラメータを用いて第1モデル予測制御計算を繰り返し、第1の制御パラメータ及び第1の状態変数の最適値の近似解を得ることを特徴とする。
請求項5に記載の本発明によれば、得られた第1の制御パラメータ及び第1の状態変数の最適値の近似解を第2モデル予測制御計算の初期値として用いることができるため、第2モデル予測制御計算の初期値をより良好なものとすることができる。
The present invention according to claim 5 is characterized by repeating the first model predictive control calculation using the obtained first control parameter to obtain an approximate solution of the optimum values of the first control parameter and the first state variable. and
According to the fifth aspect of the present invention, the obtained approximate solution of the optimum values of the first control parameter and the first state variable can be used as the initial value of the second model predictive control calculation. The initial values for the two-model predictive control calculations can be better.

請求項6記載の本発明は、第1モデル予測制御計算に当たって、可動部の発電主体部に対する機械的制約条件及び/又は波力発電機の内部消費エネルギーを考慮することを特徴とする。
請求項6に記載の本発明によれば、波力発電機の実時間制御を、機械的制約条件や内部消費エネルギーを考慮したものとすることができる。
The present invention according to claim 6 is characterized in that, in the first model predictive control calculation, mechanical constraints on the power generation main part of the movable part and/or the internal energy consumption of the wave power generator are taken into consideration.
According to the sixth aspect of the present invention, the real-time control of the wave power generator can take mechanical constraints and internal energy consumption into consideration.

請求項7記載の本発明は、第2モデル予測制御計算において、可動部と発電主体部との波力発電機の発電量に影響の大きい自由度に限った計算及び/又は求める解の探索範囲を限定する計算を行なうことを特徴とする。
請求項7に記載の本発明によれば、第2モデル予測制御計算を精度よくスピーディに行うことができる。
According to the seventh aspect of the present invention, in the second model predictive control calculation, the calculation and/or the search range of the solution to be obtained is limited to the degree of freedom that greatly affects the power generation amount of the wave power generator between the movable part and the power generation main part. It is characterized by performing a calculation to limit .
According to the seventh aspect of the present invention, the second model predictive control calculation can be performed accurately and speedily.

請求項8記載の本発明は、求めた第2の制御パラメータを用いて第2モデル予測制御計算を繰り返し、第2の制御パラメータ及び第2の状態変数の最適値を得ることを特徴とする。
請求項8に記載の本発明によれば、得られた第2の制御パラメータ及び第2の状態変数の最適値から導出した最終の制御パラメータに基づいて波力発電機を制御することができるため、波力発電機の実時間制御をより的確なものとすることができる。
The present invention according to claim 8 is characterized by repeating the second model predictive control calculation using the obtained second control parameter to obtain the optimum values of the second control parameter and the second state variable.
According to the eighth aspect of the present invention, the wave power generator can be controlled based on the final control parameter derived from the obtained second control parameter and the optimum value of the second state variable. , the real-time control of the wave power generator can be made more accurate.

請求項9記載の本発明は、第2モデル予測制御計算に当たって、可動部の発電主体部に対する機械的制約条件及び/又は波力発電機の内部消費エネルギーを考慮することを特徴とする。
請求項9に記載の本発明によれば、波力発電機の実時間制御を、機械的制約条件や内部消費エネルギーを考慮したものとすることができる。
A ninth aspect of the present invention is characterized in that, in the second model predictive control calculation, mechanical constraints on the power generating main part of the movable part and/or internal energy consumption of the wave power generator are taken into consideration.
According to the ninth aspect of the present invention, the real-time control of the wave power generator can take mechanical constraints and internal energy consumption into consideration.

請求項10記載の本発明は、第1モデル予測制御計算及び第2モデル予測制御計算を、波の1周期未満で完了するように時間制限をかけることを特徴とする。
請求項10に記載の本発明によれば、波力発電機の実時間制御の継続性をより強固なものとすることができる。
The present invention according to claim 10 is characterized in that the first model predictive control calculation and the second model predictive control calculation are completed in less than one cycle of the wave.
According to the tenth aspect of the present invention, the continuity of real-time control of the wave power generator can be made more robust.

請求項11記載の本発明は、波力発電機の制御は、最終の制御パラメータに基づいて可動部と発電主体部の相対運動を制御し、波力発電機の発電量の最大化を図る制御であることを特徴とする。
請求項11に記載の本発明によれば、発電量を最大化した波力発電機の実時間制御を実現することができる。
According to the eleventh aspect of the present invention, the control of the wave power generator controls the relative motion between the movable part and the main power generation part based on the final control parameters, and the control for maximizing the power generation amount of the wave power generator. It is characterized by
According to the eleventh aspect of the present invention, it is possible to realize real-time control of a wave power generator that maximizes the amount of power generation.

請求項12記載に対応した波力発電システムにおいては、波に対する可動部と発電主体部を有した多自由度をもつ波力発電機を、本発明の波力発電機の実時間制御方法を用いて制御することを特徴とする。
請求項12に記載の本発明によれば、多自由度系に対応した第1モデル予測制御計算(第一段階)と、発電量に影響の大きいものに限った自由度系に対応した第2モデル予測制御計算(第二段階)を組み合わせることにより、拘束条件付き最適化問題をリアルタイムに解いて最終の制御パラメータを求めることができるため、求めた最終の制御パラメータに基づいて多自由度をもつ波力発電機の実時間制御を精度よく行い発電効率を向上させることができる。また、実装時の性能及び安全性検証等を十分に行うことが可能となるため、安全性を確保できる。
In a wave power generation system corresponding to claim 12, a wave power generator having multiple degrees of freedom having a movable part for waves and a power generation main part is controlled using the real-time control method for a wave power generator of the present invention. It is characterized by controlling by
According to the present invention of claim 12, the first model predictive control calculation (first stage) corresponding to a multi-degree-of-freedom system and the second degree-of-freedom system corresponding to only those having a large influence on the power generation amount By combining the model predictive control calculation (second stage), it is possible to solve the optimization problem with constraints in real time and obtain the final control parameters, so it has multiple degrees of freedom based on the obtained final control parameters. Real-time control of the wave power generator can be accurately performed to improve power generation efficiency. In addition, since it is possible to sufficiently perform performance and safety verification at the time of mounting, safety can be ensured.

請求項13記載の本発明は、可動部の近傍の波の波高を計測する波高計測手段を備えたことを特徴とする。
請求項13に記載の本発明によれば、波高計測手段が計測した波高を波予測等に利用することができる。
A thirteenth aspect of the present invention is characterized by comprising wave height measuring means for measuring the height of waves in the vicinity of the movable portion.
According to the thirteenth aspect of the present invention, the wave height measured by the wave height measuring means can be used for wave prediction or the like.

請求項14記載の本発明は、波による波力の影響を計測する検力手段を備えたことを特徴とする。
請求項14に記載の本発明によれば、検力手段が計測した波力の影響を波予測やモデル予測制御計算等に利用することができる。
The present invention according to claim 14 is characterized in that it comprises a force-measuring means for measuring the influence of wave force caused by waves.
According to the fourteenth aspect of the present invention, the influence of the wave force measured by the power calibration means can be used for wave prediction, model predictive control calculation, and the like.

請求項15記載の発明は、可動部と発電主体部の相対変位を計測する相対変位計測手段を備えたことを特徴とする。
請求項15記載の本発明によれば、相対変位計測手段が計測した可動部と発電主体部の相対変位を波予測やモデル予測制御計算等に利用することができる。
A fifteenth aspect of the present invention is characterized by comprising relative displacement measuring means for measuring relative displacement between the movable portion and the power generation main portion.
According to the fifteenth aspect of the present invention, the relative displacement between the movable portion and the main power generation portion measured by the relative displacement measuring means can be used for wave prediction, model predictive control calculation, and the like.

請求項16記載の本発明は、波力発電機の姿勢を計測する姿勢計測手段を備えたことを特徴とする。
請求項16に記載の本発明によれば、姿勢計測手段が計測した波力発電機の姿勢を波予測やモデル予測制御計算等に利用することができる。
The present invention according to claim 16 is characterized by comprising attitude measuring means for measuring the attitude of the wave power generator.
According to the sixteenth aspect of the present invention, the attitude of the wave power generator measured by the attitude measuring means can be used for wave prediction, model predictive control calculation, and the like.

請求項17記載の本発明は、波力発電機は、可動部として電機子又は永久磁石が積層されたシャフトを有した回生運転と力行運転が可能なリニアPTO(パワー・テイク・オフ)であることを特徴とする。
請求項17に記載の本発明によれば、リニアPTOである波力発電機の実時間制御を精度よく行うことができる。
According to the seventeenth aspect of the present invention, the wave power generator is a linear PTO (power take-off) having a shaft on which armatures or permanent magnets are laminated as a movable part and capable of regenerative operation and power running operation. It is characterized by
According to the seventeenth aspect of the present invention, real-time control of a wave power generator, which is a linear PTO, can be accurately performed.

請求項18記載の本発明は、波力発電機は、可動部の動きを油圧に変換して利用する油圧式リニアPTO(パワー・テイク・オフ)であることを特徴とする。
請求項18に記載の本発明によれば、油圧式リニアPTOである波力発電機の実時間制御を精度よく行うことができる。
The present invention according to claim 18 is characterized in that the wave power generator is a hydraulic linear PTO (power take-off) that converts the movement of the movable part into hydraulic pressure and utilizes it.
According to the eighteenth aspect of the present invention, real-time control of a wave power generator, which is a hydraulic linear PTO, can be accurately performed.

請求項19記載の本発明は、波力発電機は、可動部として軸の周りに運動可能な浮体を有したPTO(パワー・テイク・オフ)であることを特徴とする。
請求項19に記載の本発明によれば、可動部として軸の周りに運動可能な浮体を有したPTOである波力発電機の実時間制御を精度よく行うことができる。
The present invention according to claim 19 is characterized in that the wave power generator is a PTO (power take off) having a floating body capable of moving around an axis as a movable part.
According to the nineteenth aspect of the present invention, real-time control of a wave power generator, which is a PTO having a floating body capable of moving about an axis as a movable part, can be performed accurately.

請求項20記載の本発明は、波に対する可動部と発電主体部の相対運動における可動部の端部の変位を制限する端部安全手段を備えたことを特徴とする。
請求項20に記載の本発明によれば、可動部の変位が予想を超える場合であっても、可動部の端部と発電主体部等との接触による破損を防止することができる。
According to a twentieth aspect of the present invention, an edge safety means is provided for limiting displacement of the edge of the movable portion in the relative motion between the movable portion and the power generating main portion with respect to waves.
According to the twentieth aspect of the present invention, even if the displacement of the movable portion exceeds expectations, it is possible to prevent damage due to contact between the end portion of the movable portion and the power generation main portion or the like.

本発明の波力発電機の実時間制御方法によれば、多自由度系に対応した第1モデル予測制御計算(第一段階)と、発電量に影響の大きいものに限った自由度系に対応した第2モデル予測制御計算(第二段階)を組み合わせることにより、拘束条件付き最適化問題をリアルタイムで短時間のうちに解いて最終の制御パラメータを求めることができるため、求めた最終の制御パラメータに基づいて多自由度をもつ波力発電機の実時間制御を精度よく行い発電効率を向上させることができる。また、実装時の性能及び安全性検証等を十分に行うことが可能となるため、安全性を確保できる。 According to the real-time control method of the wave power generator of the present invention, the first model predictive control calculation (first stage) corresponding to the multi-degree-of-freedom system and the degree-of-freedom system limited to those that greatly affect the power generation amount By combining the corresponding second model predictive control calculation (second stage), it is possible to solve the constraint optimization problem in real time in a short time and obtain the final control parameters, so the obtained final control Based on the parameters, the real-time control of the wave power generator with multiple degrees of freedom can be accurately performed to improve the power generation efficiency. In addition, since it is possible to sufficiently perform performance and safety verification at the time of mounting, safety can be ensured.

また、波力発電機の周囲の波による水面の変位に基づいて波予測を行い、波予測の結果を第1モデル予測制御計算に反映する場合には、第1モデル予測制御計算の精度を向上させることができる。 In addition, when wave prediction is performed based on the displacement of the water surface due to the waves around the wave power generator and the result of wave prediction is reflected in the first model predictive control calculation, the accuracy of the first model predictive control calculation is improved. can be made

また、波予測は、水面の変位の時系列データを基に時系列予測手法を用いて予測するものである場合には、波予測の精度を上げ第1モデル予測制御計算の精度をさらに向上させることができる。 In addition, when wave prediction is performed using a time-series prediction method based on time-series data of water surface displacement, the accuracy of wave prediction is increased to further improve the accuracy of the first model predictive control calculation. be able to.

また、第1モデル予測制御計算により、可動部と発電主体部との相対変位の変化に対する速度影響及び/又は相対変位影響を考慮した第1の制御パラメータ及び第1の状態変数を求める場合には、第1モデル予測制御計算の精度を向上させることができる。 Further, when obtaining the first control parameter and the first state variable considering the velocity effect and/or the relative displacement effect on the change in the relative displacement between the movable part and the power generation main part by the first model predictive control calculation, , the accuracy of the first model predictive control calculation can be improved.

また、求めた第1の制御パラメータを用いて第1モデル予測制御計算を繰り返し、第1の制御パラメータ及び第1の状態変数の最適値の近似解を得る場合には、得られた第1の制御パラメータ及び第1の状態変数の最適値の近似解を第2モデル予測制御計算の初期値として用いることができるため、第2モデル予測制御計算の初期値をより良好なものとすることができる。 Further, when the first model predictive control calculation is repeated using the obtained first control parameter to obtain an approximate solution of the optimum values of the first control parameter and the first state variable, the obtained first Since the approximate solution of the optimum values of the control parameter and the first state variable can be used as the initial value of the second model predictive control calculation, the initial value of the second model predictive control calculation can be improved. .

また、第1モデル予測制御計算に当たって、可動部の発電主体部に対する機械的制約条件及び/又は波力発電機の内部消費エネルギーを考慮する場合には、波力発電機の実時間制御を、機械的制約条件や内部消費エネルギーを考慮したものとすることができる。 In addition, in the first model predictive control calculation, when considering the mechanical constraints on the power generation main part of the moving part and / or the internal energy consumption of the wave power generator, the real-time control of the wave power generator It is possible to take into account physical constraints and internal energy consumption.

また、第2モデル予測制御計算において、可動部と発電主体部との波力発電機の発電量に影響の大きい自由度に限った計算及び/又は求める解の探索範囲を限定する計算を行なう場合には、第2モデル予測制御計算を精度よくスピーディに行うことができる。 In addition, in the second model predictive control calculation, when performing calculation limited to degrees of freedom that greatly affect the power generation amount of the wave power generator between the moving part and the power generation main part and/or calculation limiting the search range of the solution to be obtained , the second model predictive control calculation can be performed accurately and speedily.

また、求めた第2の制御パラメータを用いて第2モデル予測制御計算を繰り返し、第2の制御パラメータ及び第2の状態変数の最適値を得る場合には、得られた第2の制御パラメータ及び第2の状態変数の最適値から導出した最終の制御パラメータに基づいて波力発電機を制御することができるため、波力発電機の実時間制御をより的確なものとすることができる。 Further, when the second model predictive control calculation is repeated using the obtained second control parameter to obtain the optimum values of the second control parameter and the second state variable, the obtained second control parameter and Since the wave power generator can be controlled based on the final control parameter derived from the optimum value of the second state variable, real-time control of the wave power generator can be made more accurate.

また、第2モデル予測制御計算に当たって、可動部の発電主体部に対する機械的制約条件及び/又は波力発電機の内部消費エネルギーを考慮する場合には、波力発電機の実時間制御を、機械的制約条件や内部消費エネルギーを考慮したものとすることができる。 In addition, in the second model predictive control calculation, when considering the mechanical constraints on the power generation main part of the moving part and / or the internal energy consumption of the wave power generator, the real-time control of the wave power generator It is possible to take into account physical constraints and internal energy consumption.

また、第1モデル予測制御計算及び第2モデル予測制御計算を、波の1周期未満で完了するように時間制限をかける場合には、波力発電機の実時間制御の継続性をより強固なものとすることができる。 In addition, when the time limit is set so that the first model predictive control calculation and the second model predictive control calculation are completed in less than one cycle of the wave, the continuity of the real-time control of the wave power generator can be further strengthened. can be

また、波力発電機の制御は、最終の制御パラメータに基づいて可動部と発電主体部の相対運動を制御し、波力発電機の発電量の最大化を図る制御である場合には、発電量を最大化した波力発電機の実時間制御を実現することができる。 In addition, the control of the wave power generator controls the relative motion of the movable part and the power generation main part based on the final control parameter, and if the control is to maximize the power generation amount of the wave power generator, the power generation Real-time control of wave power generator with maximizing quantity can be realized.

本発明の波力発電システムによれば、多自由度系に対応した第1モデル予測制御計算(第一段階)と、発電量に影響の大きいものに限った自由度系に対応した第2モデル予測制御計算(第二段階)を組み合わせることにより、拘束条件付き最適化問題をリアルタイムに解いて最終の制御パラメータを求めることができるため、求めた最終の制御パラメータに基づいて多自由度をもつ波力発電機の実時間制御を精度よく行い発電効率を向上させることができる。また、実装時の性能及び安全性検証等を十分に行うことが可能となるため、安全性を確保できる。 According to the wave power generation system of the present invention, the first model predictive control calculation (first stage) corresponding to the multi-degree-of-freedom system and the second model corresponding to the degree-of-freedom system limited to those that greatly affect the power generation amount By combining the predictive control calculation (second stage), it is possible to solve the constrained optimization problem in real time and obtain the final control parameters. Real-time control of the power generator can be performed with high accuracy, and power generation efficiency can be improved. In addition, since it is possible to sufficiently perform performance and safety verification at the time of mounting, safety can be ensured.

また、可動部の近傍の波の波高を計測する波高計測手段を備えた場合には、波高計測手段が計測した波高を波予測等に利用することができる。 Moreover, when the wave height measuring means for measuring the wave height of the wave near the movable portion is provided, the wave height measured by the wave height measuring means can be used for wave prediction or the like.

また、波による波力の影響を計測する検力手段を備えた場合には、検力手段が計測した波力の影響を波予測やモデル予測制御計算等に利用することができる。 In addition, when a power calibration means for measuring the influence of wave force due to waves is provided, the influence of wave power measured by the power calibration means can be used for wave prediction, model predictive control calculation, and the like.

また、可動部と発電主体部の相対変位を計測する相対変位計測手段を備えた場合には、相対変位計測手段が計測した可動部と発電主体部の相対変位を波予測やモデル予測制御計算等に利用することができる。 Further, when a relative displacement measuring means for measuring the relative displacement between the movable part and the power generating main part is provided, the relative displacement between the movable part and the power generating main part measured by the relative displacement measuring means can be used for wave prediction, model predictive control calculation, etc. can be used for

また、波力発電機の姿勢を計測する姿勢計測手段を備えた場合には、姿勢計測手段が計測した波力発電機の姿勢を波予測やモデル予測制御計算等に利用することができる。 Further, when an attitude measuring means for measuring the attitude of the wave power generator is provided, the attitude of the wave power generator measured by the attitude measuring means can be used for wave prediction, model predictive control calculation, and the like.

また、波力発電機は、可動部として電機子又は永久磁石が積層されたシャフトを有した回生運転と力行運転が可能なリニアPTO(パワー・テイク・オフ)である場合には、リニアPTOである波力発電機の実時間制御を精度よく行うことができる。 In addition, if the wave power generator is a linear PTO (power take-off) that has a shaft on which armatures or permanent magnets are laminated as a moving part and is capable of regenerative operation and power running operation, it is a linear PTO. Real-time control of a certain wave power generator can be performed with high accuracy.

また、波力発電機は、可動部の動きを油圧に変換して利用する油圧式リニアPTO(パワー・テイク・オフ)である場合には、油圧式リニアPTOである波力発電機の実時間制御を精度よく行うことができる。 In addition, if the wave power generator is a hydraulic linear PTO (power take-off) that converts the movement of the moving part into hydraulic pressure and utilizes it, the real time of the wave power generator that is the hydraulic linear PTO Control can be performed with high precision.

また、波力発電機は、可動部として軸の周りに運動可能な浮体を有したPTO(パワー・テイク・オフ)である場合には、可動部として軸の周りに運動可能な浮体を有したPTOである波力発電機の実時間制御を精度よく行うことができる。 In addition, when the wave power generator is a PTO (power take-off) having a floating body that can move around an axis as a movable part, it has a floating body that can move around an axis as a moving part. Real-time control of a wave power generator, which is a PTO, can be performed with high accuracy.

また、波に対する可動部と発電主体部の相対運動における可動部の端部の変位を制限する端部安全手段を備えた場合には、可動部の変位が予想を超える場合であっても、可動部の端部と発電主体部等との接触による破損を防止することができる。 In addition, when an end safety means is provided to limit the displacement of the end of the movable part in the relative movement of the movable part and the power generation main part against waves, even if the displacement of the movable part exceeds expectations, It is possible to prevent damage due to contact between the end of the power generation main body and the like.

本発明の一実施形態による波力発電システムの概要図Schematic diagram of a wave power generation system according to an embodiment of the present invention 同波力発電システムの制御ブロック図Control block diagram of the wave power generation system 同波力発電システムの制御フロー図Control flow diagram of the wave power generation system 同波強制力の推定に関する説明図Explanatory diagram for estimation of co-wave forcing 同波力発電システムに適用した端部安全手段の概要図Schematic diagram of end safety measures applied to the same wave power generation system 本発明の一実施例による波力発電システムの概要図Schematic diagram of a wave power generation system according to an embodiment of the present invention. 同波力発電システムの制御フロー図Control flow diagram of the wave power generation system 本発明の他の実施例による波力発電システムの概要図Schematic diagram of a wave power generation system according to another embodiment of the present invention 同波力発電システムの制御フロー図Control flow diagram of the wave power generation system 本発明のさらに他の実施例による波力発電システムの概要図Schematic diagram of a wave power generation system according to yet another embodiment of the present invention

以下に、本発明の実施形態による波力発電機の実時間制御方法及び波力発電システムについて説明する。 A real-time control method for a wave power generator and a wave power generation system according to embodiments of the present invention will be described below.

図1は本発明の一実施形態による波力発電システムの概要図である。
海洋等に設置される波力発電システム1は、6自由度をもつ浮体式の波力発電機10と、波力発電機10を実時間制御(リアルタイム制御)する制御部20と、波高を計測する波高計測手段30と、波による波力の影響を計測する検力手段40と、相対変位量を計測する相対変位計測手段50と、波力発電機10の姿勢を計測する姿勢計測手段60を備える。
波力発電システム1は複数の係留索70で水底Xに係留されている。係留索70の一端は波力発電機10の下部に接続され、他端はアンカー80に接続されている。
なお、図1には、波力発電機10の6自由度の運動方向(前後揺れ、左右揺れ、上下揺れ、横揺れ、縦揺れ、及び船首揺れ)も併せて示している。
FIG. 1 is a schematic diagram of a wave power generation system according to one embodiment of the present invention.
A wave power generation system 1 installed in the ocean or the like includes a floating wave power generator 10 having six degrees of freedom, a control unit 20 that controls the wave power generator 10 in real time (real-time control), and measures wave height. wave height measurement means 30, force measurement means 40 for measuring the influence of wave force due to waves, relative displacement measurement means 50 for measuring the amount of relative displacement, and attitude measurement means 60 for measuring the attitude of the wave power generator 10. Prepare.
The wave power generation system 1 is moored to the bottom of the water X with a plurality of mooring cables 70 . One end of the mooring cable 70 is connected to the lower part of the wave power generator 10 and the other end is connected to the anchor 80 .
FIG. 1 also shows the motion directions of the wave power generator 10 with six degrees of freedom (longitudinal sway, lateral sway, vertical sway, roll, pitch, and bow sway).

波力発電機10は、波に対する可動部11と、電気を発生させる発電主体部12を有する。
可動部11は、一方の端部に位置するフロート11Aと、他方の端部に位置する棒状部材11Bと、フロート11Aと棒状部材11Bとの間に位置するフレーム11Cを有する。
発電主体部12は、PTO(パワー・テイク・オフ)部12Aと、上部を水面上に出して立設した柱状のスパー12Bと、スパー12Bの下部に張り出した円板状のヒーブプレート12Cを有する。フロート11Aは、実際は環状を成していて、図1では省略しているがスパー12Bの左右に対称を成すように配置される。
水面Yに浮かぶフロート11Aは、スパー12Bの外側面に隣接するように配置され、水の上下動に伴い鉛直方向に往復動する。棒状部材11Bは、例えばシャフトやピストン等であり、スパー12Bの内部に配置されている。フレーム11Cは、スパー12Bの上部を覆うように配置され、フロート11Aと連結したフロート連結材11Caと、棒状部材11Bと連結した棒状部材連結材11Cbとを有し、フロート11Aの動きを棒状部材11Bに伝える。
PTO部12Aは、スパー12Bの内部に配置されている。また、PTO部12Aの内部には棒状部材11Bが通されている。波力発電機10は、波や水面Yの上下動に伴う発電主体部12との相対変位を可動部11で発生させ、その変位差を利用して電力を発生する。発電主体部12は、水面変位の動きに応じて発電することが可能であると同時に、蓄積したエネルギー等を用いて可動部11を強制加振し、水面変位との同調現象を引き起こすことで、より大きな水面変位エネルギーの吸収を可能とする機器である。
The wave power generator 10 has a movable part 11 for waves and a main body part 12 for generating electricity.
The movable portion 11 has a float 11A located at one end, a rod-shaped member 11B located at the other end, and a frame 11C located between the float 11A and the rod-shaped member 11B.
The power generation body 12 has a PTO (power take-off) portion 12A, a columnar spar 12B with its upper part exposed above the water surface, and a disc-shaped heave plate 12C projecting from the lower part of the spar 12B. . The float 11A actually has an annular shape and is arranged symmetrically on the left and right sides of the spar 12B, although not shown in FIG.
The float 11A floating on the water surface Y is arranged so as to be adjacent to the outer surface of the spar 12B, and reciprocates vertically as the water moves up and down. The rod-shaped member 11B is, for example, a shaft, a piston, or the like, and is arranged inside the spar 12B. The frame 11C is arranged to cover the upper part of the spar 12B, and has a float connecting member 11Ca connected to the float 11A and a rod-shaped member connecting member 11Cb connected to the rod-shaped member 11B. tell to
The PTO portion 12A is arranged inside the spar 12B. A rod member 11B is passed through the interior of the PTO portion 12A. The wave power generator 10 causes the movable portion 11 to generate relative displacement with respect to the power generation main portion 12 due to the vertical movement of the waves or the water surface Y, and utilizes the displacement difference to generate electric power. The power generation main part 12 can generate power according to the movement of the water surface displacement, and at the same time, forcibly vibrate the movable part 11 using the accumulated energy etc., causing a phenomenon of synchronization with the water surface displacement. It is a device that enables absorption of larger water surface displacement energy.

制御部20は、スパー12Bの内部においてPTO部12Aよりも下方に配置されている。
波高計測手段30は、フロート11Aの上部に配置され、フロート11Aの近傍の波の波高を計測する。波高計測手段30としては、例えば超音波、加速度、水圧、レーダ等を利用した各種の波高計を用いることができる。
検力手段40は、棒状部材11Bと棒状部材連結材11Cbとの連結部分に配置され、波力発電機10に対する波による波力の影響を計測する。検力手段40としては、例えばコラム型、ダイヤフラム型、S字型、また歪ゲージ式、静電容量式、磁歪式等の各種の検力計を用いることができる。
相対変位計測手段50は、棒状部材11Bに近接して配置され、可動部11と発電主体部12との相対変位を計測する。相対変位計測手段50としては、例えばリニアエンコーダやロータリエンコーダ等を用いることができる。
姿勢計測手段60は、スパー12Bの上部に配置され、波力発電機10の姿勢を計測する。姿勢計測手段60としては、例えばジャイロや傾斜計等を用いることができる。
The control section 20 is arranged below the PTO section 12A inside the spar 12B.
The wave height measuring means 30 is arranged above the float 11A and measures the wave height in the vicinity of the float 11A. As the wave height measuring means 30, for example, various wave height meters using ultrasonic waves, acceleration, water pressure, radar, etc. can be used.
The force measuring means 40 is arranged at the connecting portion between the rod-shaped member 11B and the rod-shaped member connecting member 11Cb, and measures the influence of the wave force on the wave power generator 10 . As the force-calibrating means 40, for example, column-type, diaphragm-type, S-shaped, strain-gauge-type, capacitance-type, magnetostriction-type, and other various types of force-checking meters can be used.
The relative displacement measuring means 50 is arranged close to the rod-shaped member 11B and measures the relative displacement between the movable portion 11 and the power generation main portion 12 . A linear encoder, a rotary encoder, or the like, for example, can be used as the relative displacement measuring means 50 .
The attitude measurement means 60 is arranged above the spar 12B and measures the attitude of the wave power generator 10 . As the attitude measurement means 60, for example, a gyro, an inclinometer, or the like can be used.

次に、制御部20による波力発電機10の実時間制御方法を説明する。
図2は本発明の一実施形態による波力発電システムの制御ブロック図、図3は同波力発電システムの制御フロー図である。
制御部20は、水面変位予測器21と、波強制力予測器22と、第1モデル予測制御器23と、第2モデル予測制御器24を備える。
Next, a real-time control method for the wave power generator 10 by the control unit 20 will be described.
FIG. 2 is a control block diagram of the wave power generation system according to one embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a control flow chart of the same wave power generation system.
The control unit 20 includes a water surface displacement predictor 21 , a wave forcing force predictor 22 , a first model predictive controller 23 and a second model predictive controller 24 .

まず波力発電システム1は、波等の水面変位を計測する。波等の水面変位は、波力発電機10に取り付けられた波高計測手段30により、発電主体部12との相対変位から計算され、データ保管部(図示無し)に格納される(S1:ステップ1)。 First, the wave power generation system 1 measures water surface displacement such as waves. The water surface displacement of waves or the like is calculated from the relative displacement with respect to the power generation main unit 12 by the wave height measuring means 30 attached to the wave power generator 10, and stored in the data storage unit (not shown) (S1: Step 1 ).

水面変位予測器21は、データ保管部に格納された水面変位の時系列データである水面変位計測結果ηに基づいて、現時点から未来の水面変位の時系列を計算する波予測を行う。水面変位予測器21は、波予測の結果である水面変位予測結果η’(k+i|k) (’はηの上)を波強制力予測器22へ向けて出力する(S2:ステップ2)。
なお、現時点から未来の水面変位の時系列を計算する手法としては、AR(自己回帰)、ARMA(自己回帰移動平均)、ARIMA(自己回帰和分移動平均)等のパラメトリックモデル、及びカルマンフィルタ等がある。
The water surface displacement predictor 21 performs wave prediction for calculating the time series of water surface displacement from the present to the future based on the water surface displacement measurement result η which is the time series data of the water surface displacement stored in the data storage unit. The water surface displacement predictor 21 outputs the water surface displacement prediction result η'(k+i|k) (' is above η), which is the wave prediction result, to the wave forcing force predictor 22 (S2: Step 2 ).
As a method for calculating the time series of water surface displacement from the present to the future, there are parametric models such as AR (autoregressive), ARMA (autoregressive moving average), ARIMA (autoregressive integrated moving average), and Kalman filter. be.

波強制力予測器22は、入力された水面変位予測結果η’(k+i|k) (’はηの上)に基づいて、可動部11と発電主体部12に作用する波強制力を計算する。波強制力予測器22は、算出した波強制力予測結果Fe’(k+i|k) (’はFeの上)を第1モデル予測制御器23へ向けて出力する(S3:ステップ3)。なお、波強制力の計算例については後述する。 The wave forcing force predictor 22 predicts the wave forcing force acting on the movable part 11 and the power generation main part 12 based on the input water surface displacement prediction result η'(k+i|k) (' is above η). calculate. The wave forcing predictor 22 outputs the calculated wave forcing prediction result F e '(k+i|k) (' is above F e ) to the first model predictive controller 23 (S3: step 3). A calculation example of the wave forcing will be described later.

第1モデル予測制御器23は、ステップ4からステップ6において、多自由度をもつ波力発電機10をモデルとする第1モデルを用いた第1モデル予測制御計算を行い、第1の制御パラメータ及び第1の状態変数の時系列を求める。
まず、第1モデル予測制御器23は、入力された波強制力予測結果Fe’(k+i|k) (’はFeの上)に基づいて、6自由度(可動部11、発電主体部12の最大自由度)で可動部11と発電主体部12の挙動計算を行う(S4:ステップ4)。
ステップ4の後、第1モデル予測制御器23は、ステップ4での挙動計算結果に基づいて第1の制御パラメータの最適化を行う(S5:ステップ5)。第1の制御パラメータは、可動部11と発電主体部12の相互位置差の変化に対する速度影響と相対変位影響(位置差影響)のパラメータで構成される。なお、速度影響と相対変位影響のどちらか一方の場合も存在する。また、各項は高次までの多項式で構成することも選択の一つとする。
ステップ5の後、第1モデル予測制御器23は、最適制御に伴う可動部11と発電主体部12の挙動計算を行い、複数・多項式制御パラメータを含んだ多浮体6自由度系(2浮体以上)における第1の制御パラメータ及び第1の状態変数の時系列について、繰り返し収束法や代数方程式法によって、近似解(制御パラメータの最適化計算結果usub_opt、状態変数の最適化計算結果xsub_opt)を得る(S6:ステップ6)。本実施形態において、浮体は、可動部11と発電主体部12の2浮体である。なお、本発明は、可動部11と発電主体部12が一つの容器内に収容され、波等による水面変位により可動部11が発電主体部12に対して相対的に変位して発電を行う場合など、浮体が一つとみなされる場合であっても適用可能である。また、ステップ6においては、外部入力手段(図示無し)から第1モデル予測制御器23に入力された発電機特性及び制約条件に基づいて、波力発電機10の内部消費エネルギーと、可動部11の発電主体部12に対する機械的制約条件も評価パラメータに加え、得られるエネルギーが最大化されるよう計算する。機械的制約条件としては、例えば変位制限や推力制限等がある。
第1モデル予測制御器23における第1モデルを用いた第1モデル予測制御計算には、多自由度をもつ機械系に対して実時間制御を行うことができるモデル予測制御法を適用することができる。多自由度系に対応したモデル制御法によって、予測ホライゾン間(評価区間)の近似解を得る。得られた近似解は、最適値ではないものの最適値に近い系列である。
ステップ6の後は、ステップ5に戻り、先の第1モデル予測制御計算で得られた第1の制御パラメータを基に再度第1の制御パラメータの最適化を行い、ステップ6へ進み近似解を得る。このように第1モデル予測制御器23は、第1の制御パラメータ及び第1の状態変数の最適化計算を繰り返す。
第1モデル予測制御器23は、算出した近似解(制御パラメータの最適化計算結果usub_opt、状態変数の最適化計算結果xsub_opt)を第2モデル予測制御器24へ向けて出力する。
In steps 4 to 6, the first model predictive controller 23 performs a first model predictive control calculation using a first model modeled on the wave power generator 10 having multiple degrees of freedom, and calculates a first control parameter and the time series of the first state variable.
First, the first model predictive controller 23, based on the input wave forcing force prediction result F e '(k+i|k) (' is above F e ), 6 degrees of freedom (movable part 11, power generation Behavior calculation of the movable portion 11 and the power generation main portion 12 is performed with the maximum degree of freedom of the main portion 12 (S4: Step 4).
After step 4, the first model predictive controller 23 optimizes the first control parameter based on the behavior calculation result in step 4 (S5: step 5). The first control parameters are parameters of velocity effect and relative displacement effect (positional difference effect) with respect to changes in the mutual positional difference between the movable portion 11 and the power generation main portion 12 . Note that there is also a case of either velocity effect or relative displacement effect. In addition, one option is to configure each term with polynomials up to a higher degree.
After step 5, the first model predictive controller 23 performs behavior calculations of the movable part 11 and the main power generation part 12 associated with the optimum control, and calculates multiple floating body six degrees of freedom system (two or more floating bodies) including multiple and polynomial control parameters. ), the approximate solution (control parameter optimization calculation result u sub_opt , state variable optimization calculation result x sub_opt ) is obtained by the iterative convergence method or the algebraic equation method for the time series of the first control parameter and the first state variable in is obtained (S6: step 6). In this embodiment, the floating body consists of two floating bodies, a movable portion 11 and a power generating body portion 12 . The present invention applies to the case where the movable portion 11 and the power generation main portion 12 are accommodated in one container, and the movable portion 11 is displaced relative to the power generation main portion 12 due to displacement of the water surface caused by waves or the like to generate power. It is applicable even when the number of floating bodies is regarded as one. Further, in step 6, the internal energy consumption of the wave power generator 10 and the moving part 11 In addition to the evaluation parameters, the mechanical constraints on the power generation main body 12 are also added to the calculation so that the energy obtained is maximized. Mechanical constraints include, for example, displacement limits and thrust limits.
For the first model predictive control calculation using the first model in the first model predictive controller 23, a model predictive control method capable of performing real-time control of a mechanical system having multiple degrees of freedom can be applied. can. An approximate solution between prediction horizons (evaluation interval) is obtained by a model control method corresponding to a multi-degree-of-freedom system. The obtained approximate solution is a sequence close to the optimum, although not the optimum.
After step 6, return to step 5, optimize the first control parameter again based on the first control parameter obtained in the previous first model predictive control calculation, and proceed to step 6 to obtain an approximate solution. obtain. Thus, the first model predictive controller 23 repeats the optimization calculation of the first control parameter and the first state variable.
The first model predictive controller 23 outputs the calculated approximate solution (control parameter optimization calculation result u sub_opt , state variable optimization calculation result x sub_opt ) to the second model predictive controller 24 .

第2モデル予測制御器24は、ステップ7からステップ8において、波力発電機10の発電量に影響の大きい自由度に限った第1の制御パラメータ及び第1の状態変数を波力発電機10の第2モデルに適用し、第2モデル予測制御計算により第2の制御パラメータ及び第2の状態変数の時系列を求めて最終の制御パラメータを導出する。
まず、第2モデル予測制御器24は、入力された近似解(制御パラメータの最適化計算結果usub_opt、状態変数の最適化計算結果xsub_opt)を初期値として、可動部11と発電主体部12の自由度を1自由度まで減らし、また、必要に応じて多項式制御パラメータを線形化する等、求める解の探索範囲を限定することで第2の制御パラメータの最適化を行う(S7:ステップ7)。なお、自由度は1自由度に限らず、例えば2自由度であってもよく、6自由度未満の自由度であれば、第2モデル予測制御器24はより短時間のうちに解を求めることができる。
ステップ7の後、第2モデル予測制御器24は、最適制御に伴う可動部11と発電主体部12の挙動計算を行い、厳密解に近い必要解(第2の制御パラメータ及び第2の状態変数の時系列)を得て最終の制御パラメータを導出する(S8:ステップ8)。ステップ8においては、第1モデル予測制御器23のステップ6と同様に、外部入力手段から第2モデル予測制御器24に入力された発電機特性及び制約条件に基づいて、波力発電機10の内部消費エネルギーと、可動部11の発電主体部12に対する機械的制約条件も評価パラメータに加え、得られるエネルギーが最大化されるよう計算する。
第2モデル予測制御器24における第2モデルを用いた第2モデル予測制御計算には、1自由度系の波力発電機を対象として発電量最適制御を実現するモデル予測制御法を適用することができる。制御する運動モードに対して1自由度系モデル予測制御法にて最適化計算を行う。この時、第1モデル予測制御器23で求めた近似解(制御パラメータの最適化計算結果usub_opt、状態変数の最適化計算結果xsub_opt)は、最適化計算の良好な初期値、及び最適解の探索範囲の絞り込みに用いる。また、予測ホライゾン間の状態量の時系列が既知であり、第1モデル予測制御器23で求めた状態変数の最適化計算結果xsub_optは最適値を与える時系列に近いという仮定の下、他の運動モードの中で制御モードに対して影響が大きい運動モードは連成影響も考慮する。最適解に近い範囲で1自由度系等に限定したモデル予測制御法を利用することで、速やかに最適化演算が完了するアルゴリズムとすることができる。
ステップ8の後は、ステップ7に戻り、先の第2モデル予測制御計算で得られた第2の制御パラメータを基に再度第2の制御パラメータの最適化を行い、ステップ8へ進み必要解を得て最終の制御パラメータを導出する。このように第2モデル予測制御器24は、第2の制御パラメータ及び第2の状態変数の最適化計算を繰り返す。
第2モデル予測制御器24は、算出した最終の制御パラメータ(制御パラメータの最適化計算結果uopt)を出力する。制御器20は、この最終の制御パラメータを指令値として、制御対象である波力発電機10の可動部11と発電主体部12の相対運動を制御し、波力発電機10の発電量の最大化を図る。
必要解である第2の制御パラメータ及び第2の状態変数の時系列から導出した最終の制御パラメータに基づき、発電主体部12内の発電機起動部を強制制御加振し、水面変位との同調現象を引き起こすことで、より大きな水面変位エネルギーを吸収することができる。
In steps 7 to 8, the second model predictive controller 24 sets the first control parameters and the first state variables limited to the degrees of freedom that greatly affect the power generation amount of the wave power generator 10 to the wave power generator 10. is applied to the second model, and the time series of the second control parameter and the second state variable are obtained by the second model predictive control calculation to derive the final control parameter.
First, the second model predictive controller 24 sets the input approximate solution (optimization calculation result u sub_opt of the control parameter, optimization calculation result x sub_opt of the state variable) as an initial value, is reduced to one degree of freedom, and the second control parameter is optimized by limiting the search range of the solution to be obtained, such as by linearizing the polynomial control parameter as necessary (S7: Step 7 ). The degree of freedom is not limited to 1 degree of freedom, and may be, for example, 2 degrees of freedom. If the degree of freedom is less than 6 degrees of freedom, the second model predictive controller 24 obtains a solution in a shorter time. be able to.
After step 7, the second model predictive controller 24 performs behavior calculations of the movable part 11 and the main power generation part 12 accompanying the optimum control, and obtains a necessary solution close to the exact solution (second control parameter and second state variable time series) are obtained to derive the final control parameters (S8: step 8). In step 8, similar to step 6 of the first model predictive controller 23, based on the generator characteristics and constraint conditions input to the second model predictive controller 24 from the external input means, the wave power generator 10 In addition to the evaluation parameters, the internal energy consumption and the mechanical constraints on the power generation main body 12 of the movable part 11 are also added to the calculation so as to maximize the energy obtained.
For the second model predictive control calculation using the second model in the second model predictive controller 24, a model predictive control method for achieving optimal power generation control for a one-degree-of-freedom wave power generator is applied. can be done. Optimization calculation is performed for the motion mode to be controlled by the one-degree-of-freedom system model predictive control method. At this time, the approximate solution obtained by the first model predictive controller 23 (control parameter optimization calculation result u sub_opt , state variable optimization calculation result x sub_opt ) is a good initial value of the optimization calculation and an optimal solution used to narrow down the search range. Also, under the assumption that the time series of the state quantity between prediction horizons is known, and that the state variable optimization calculation result x sub_opt obtained by the first model predictive controller 23 is close to the time series that gives the optimum value, other Among the motion modes, the motion modes that have a large effect on the control mode are also considered for the coupled effect. By using a model predictive control method limited to a one-degree-of-freedom system or the like within a range close to the optimum solution, an algorithm that quickly completes the optimization calculation can be achieved.
After step 8, return to step 7, optimize the second control parameters again based on the second control parameters obtained in the previous second model predictive control calculation, and proceed to step 8 to find the necessary solution. to derive the final control parameters. Thus, the second model predictive controller 24 repeats optimization calculations for the second control parameters and the second state variables.
The second model predictive controller 24 outputs the final calculated control parameter (control parameter optimization calculation result u opt ). Using this final control parameter as a command value, the controller 20 controls the relative motion between the movable part 11 and the main power generation part 12 of the wave power generator 10 to be controlled, and maximizes the power generation amount of the wave power generator 10. to make it better.
Based on the final control parameter derived from the time series of the second control parameter and the second state variable, which are the necessary solutions, the generator starting part in the power generation main unit 12 is forcibly controlled and excited to synchronize with the water surface displacement. By causing the phenomenon, larger water surface displacement energy can be absorbed.

なお、第1モデル予測制御器23における最適化計算の繰り返し数と、第2モデル予測制御器24における最適化計算の繰り返し数は、波予測(水面変化の予測)に基づく1周期未満で最適化計算が終わるように構成させ、水面変位時間に応じて構成を変化させる。なお、最適化計算にかかる時間の長短、機構系、制御回路系の遅れ要素やヒステリシス等に起因した制御的な誤差は、適宜タイミングや制御パラメータ等を補正して、波力発電機10の可動部11と発電主体部12との相対運動を制御することができる。
また、検力手段40、相対変位計測手段50及び姿勢計測手段60によって波力発電機10の状態変数が計測され、波力発電機10の状態変数計測結果(y=x)は、水面変位予測器21にフィードバックされる(S10:ステップ10)。これにより、水面変位予測器21が算出する未来の水面変位の時系列の精度が向上する。
また、図2に示すように、波力発電機10の状態変数計測結果(y=x)を第1モデル予測制御器23にフィードバックすることもできる。これにより、第1モデル予測制御器23が算出する近似解の精度が向上する。
The number of repetitions of the optimization calculations in the first model predictive controller 23 and the number of repetitions of the optimization calculations in the second model predictive controller 24 are optimized in less than one cycle based on wave prediction (prediction of water surface change). The configuration is made so that the calculation ends, and the configuration is changed according to the water surface displacement time. Control errors due to the length of time required for optimization calculation, delay elements of the mechanism system and control circuit system, hysteresis, etc. are corrected by appropriately correcting the timing, control parameters, etc., and the wave power generator 10 can be operated. Relative motion between the portion 11 and the power generating body portion 12 can be controlled.
Also, the state variables of the wave power generator 10 are measured by the force measurement means 40, the relative displacement measurement means 50, and the attitude measurement means 60, and the state variable measurement result (y=x) of the wave power generator 10 is used to predict the water surface displacement. It is fed back to the device 21 (S10: step 10). This improves the accuracy of the future water surface displacement time series calculated by the water surface displacement predictor 21 .
In addition, as shown in FIG. 2, the state variable measurement result (y=x) of the wave power generator 10 can be fed back to the first model predictive controller 23 . This improves the accuracy of the approximate solution calculated by the first model predictive controller 23 .

次に、波強制力予測器22における波強制力の計算例を図4を用いて説明する。図4は波強制力の推定に関する説明図である。
波強制力の計算にあたって計測する量は、波高計測手段30によって計測される水面変位(水面変位計測結果η)の時系列と、検力手段40によって計測される波強制力(Fe)の時系列である。
波強制力予測器21は、例えば、水面変位計測結果ηの時系列をARモデルとしてモデリングして予測する。ARモデルで水面変位計測結果ηがモデリングできると仮定し、ARモデルのパラメータ推定問題として最小二乗推定法で解き、ARモデルを状態空間で実現しカルマンフィルタを用いて長期予測を行う。
Next, an example of wave forcing calculation in the wave forcing predictor 22 will be described with reference to FIG. FIG. 4 is an explanatory diagram relating to estimation of wave forcing.
The amount to be measured in calculating the wave forcing is the time series of the water surface displacement (water surface displacement measurement result η) measured by the wave height measurement means 30 and the wave forcing (F e ) measured by the force measurement means 40. Series.
The wave forcing force predictor 21, for example, models and predicts the time series of the water surface displacement measurement result η as an AR model. Assuming that the AR model can model the water surface displacement measurement result η, the problem of estimating the parameters of the AR model is solved by the least squares estimation method, the AR model is realized in the state space, and long-term prediction is performed using the Kalman filter.

次に、第1モデル予測制御器及び第2モデル予測制御器における拘束条件付き最適化演算のアルゴリズムの例を説明する。
まず、第1モデル予測制御器23の多自由度系における定式化の例を説明する。
図1のように、波力発電機10が可動部11と発電主体部12を有し、発電装置にリニアPTOを用いる波力発電システム1を例とする。可動部11は水面上で6自由度の運動が可能とする。この例の場合、可動部11が波浪中で上下揺れすることで発電を行う。
可動部11の運動を表す状態ベクトルを下式(1)で表す。式(1)中のx、y、z、φ、θ、ψはそれぞれ、可動部11の前後揺れ、左右揺れ、上下揺れ、横揺れ、縦揺れ、及び船首揺れを表し、上付きドットはこれらの時間微分を示す。これ以降はx1~x12という記号で示す。

Figure 0007240716000001
Next, an example of an algorithm of optimization calculation with constraint conditions in the first model predictive controller and the second model predictive controller will be described.
First, an example of formulation in the multi-degree-of-freedom system of the first model predictive controller 23 will be described.
As shown in FIG. 1, a wave power generation system 1 in which a wave power generator 10 has a movable portion 11 and a power generation main portion 12 and uses a linear PTO as a power generation device is taken as an example. The movable part 11 is capable of motion with six degrees of freedom on the water surface. In the case of this example, power is generated by the movable part 11 swaying up and down in waves.
A state vector representing the motion of the movable portion 11 is represented by the following equation (1). x, y, z, φ, θ, and ψ in the formula (1) respectively represent the sway, sway, sway, pitch, roll, pitch, and yaw of the movable part 11, and superscript dots indicate these. shows the time derivative of Hereafter, they are denoted by symbols x 1 to x 12 .
Figure 0007240716000001

制御力(Fg)は、Cg(可動部11の運動速度に比例する制御パラメータ:u1)、及びKg(可動部11の変位に比例する制御パラメータ:u2)の2つの制御パラメータを用いて下式(2)でモデル化する。なお、Fgは、可動部11に対して上下力としてのみ作用すると仮定する。

Figure 0007240716000002
The control force (F g ) consists of two control parameters: C g (control parameter proportional to the motion speed of the movable part 11: u 1 ) and K g (control parameter proportional to the displacement of the movable part 11: u 2 ). is modeled by the following formula (2). It is assumed that F g acts only as a vertical force on the movable portion 11 .
Figure 0007240716000002

不規則波中において、ラディエイション流体力(Frij)に対するメモリー影響は下式(3)で与えられる。なお、式(3)中のmij(∞)、Krij、xj(xの上にはドット) はそれぞれ、周波数無限大での付加質量係数、ラディエイション流体力に対するメモリー影響関数(運動速度に対するインパルス応答関数)、可動部11のjモードの運動速度である。また、式(3)ではt=0以前で可動部11は運動していないと仮定している。Krijは下式(4)で求める。なお、式(4)中のBijは造波減衰力係数である。

Figure 0007240716000003
Figure 0007240716000004
In random waves, the memory effect on the radiation hydrodynamic force (F rij ) is given by equation (3) below. Note that m ij (∞), K rij , and x j (dots above x) in equation (3) are respectively the added mass coefficient at infinite frequency and the memory influence function for the radiation fluid force (motion impulse response function with respect to velocity), and the motion velocity of the movable part 11 in the j mode. Also, in equation (3), it is assumed that the movable part 11 is not moving before t=0. K rij is obtained by the following formula (4). Note that B ij in Equation (4) is a wave-making damping force coefficient.
Figure 0007240716000003
Figure 0007240716000004

本例では、上下揺れとの連成運動の中で、縦揺れのみが無視できないと仮定する。即ち、可動部11の上下揺れに関係するKr3jの中で、Kr33,Kr35の2つを考慮して定式化を行うが、どの運動モード(j)が上下揺れに対して影響が大きいかは可動部11の水線面下の形状に依存する。
式(3)中の積分項は、t=0から現在までの運動履歴がすべて影響することを意味するが、このままでは第1モデル予測制御器23を構成する上で不都合である。そこで式(3)中の積分項を下式(5)に示す線形時不変システムでモデル化する(参照:Taghipour, R., Perez, T. and Moan, T. : Hybrid frequency-time domain models for dynamic response analysis of marine structures, Ocean Engineering, Vol. 35, Issue 7, 2008, pp. 685-705.)。式(5)中のAr ij、Br ij、及びCr ijは線形時不変システムの係数行列、xr ijはこの線形時不変システムの状態ベクトル、ur jはシステムへの入力であり、Kr33の場合はx、Kr35の場合はx11である。

Figure 0007240716000005
In this example, it is assumed that pitch alone cannot be ignored in coupled motion with up-and-down motion. That is, among K r3j related to the up-and-down motion of the movable part 11, the formulation is carried out considering two of K r33 and K r35 . It depends on the shape of the movable part 11 below the waterline.
The integral term in equation (3) means that the entire motion history from t=0 to the present is affected. Therefore, the integral term in equation (3) is modeled by the linear time-invariant system shown in equation (5) below (see Taghipour, R., Perez, T. and Moan, T.: Hybrid frequency-time domain models for dynamic response analysis of marine structures, Ocean Engineering, Vol. 35, Issue 7, 2008, pp. 685-705.). A r ij , B r ij , and C r ij in equation (5) are the coefficient matrices of the linear time-invariant system, x r ij is the state vector of this linear time-invariant system, and u r j is the input to the system. , x 9 for K r33 and x 11 for K r35 .
Figure 0007240716000005

線形時不変システムの次数、Ar ij、Br ij、及びCr ijの推定にはいくつかの手法がある(参照:Taghipour, R., Perez, T. and Moan, T. : Hybrid frequency-time domain models for dynamic response analysis of marine structures, Ocean Engineering, Vol. 35, Issue 7, 2008, pp. 685-705.)。ここでは、Fr33中の積分項について、次数がnr33、係数行列がAr 33、Br 33、及びCr 33と推定でき、Fr35中の積分項について、次数がnr35、係数行列がAr 35、Br 35、及びCr 35と推定できたと仮定する。
r33及びFr35の積分項を線形時不変モデルでモデル化する際に用いた状態ベクトル(xr 33及びxr 35)を式(1)の状態ベクトルに加えて下式(6)の拡大状態ベクトル(X)を定義すると、拡大状態ベクトルを用いた波力発電システム1の運動方程式は下式(7)で与えられる。式(7)中のMはXに対応した慣性行列、Fは外力のベクトルである。まず、慣性行列は下式(8)で定義される。式(8)中のIは適切な次元の単位行列であり、0は適切な次元のゼロ行列である。また、m6×6は下式(9)で与える。式(9)中のmf、I44、I55、I66はそれぞれ、可動部11の質量、横揺れ慣性モーメント、縦揺れ慣性モーメント、船首揺れ慣性モーメントである。また、aijは付加質量若しくは付加慣性モーメントをあらわす。
拡大状態ベクトルXに対応した外力のベクトルFを下式(10)に示す。式(10)中のF1、F2、F3、M4、M5、M6はそれぞれ、可動部11に働く前後力、横力、上下力、横揺れモーメント、縦揺れモーメント、船首揺れモーメントを示す。また、Fr 33及びFr 35は、式(3)中の積分項をモデル化した線形時不変システムに由来し、式(5)の第1式の右辺に相当する。
式(7)は、MPC-C/GMRES法(参照:Toshiyuki Ohtsuka : A continuation/GMRES method for fast computation of nonlinear receding horizon control, Automatica, Vol. 40, 2004, pp. 563-574.)におけるダイナミカルシステムの定式化と同形式である。

Figure 0007240716000006
Figure 0007240716000007
Figure 0007240716000008
Figure 0007240716000009
Figure 0007240716000010
There are several techniques for estimating the orders of linear time-invariant systems, A r ij , B r ij , and C r ij (see Taghipour, R., Perez, T. and Moan, T.: Hybrid frequency- time domain models for dynamic response analysis of marine structures, Ocean Engineering, Vol. 35, Issue 7, 2008, pp. 685-705.). Here, the order of the integral term in F r33 can be estimated as n r33 , and the coefficient matrix is Ar 33 , B r 33 , and C r 33 . could be estimated as A r 35 , B r 35 , and C r 35 .
The state vector (x r 33 and x r 35 ) used when modeling the integral terms of F r33 and F r35 with a linear time-invariant model is added to the state vector of formula (1) to expand the following formula (6) When the state vector (X) is defined, the equation of motion of the wave power generation system 1 using the extended state vector is given by the following equation (7). In equation (7), M is an inertia matrix corresponding to X, and F is a vector of external force. First, the inertia matrix is defined by the following equation (8). I in equation (8) is the identity matrix of appropriate dimension and 0 is the zero matrix of appropriate dimension. Also, m 6 ×6 is given by the following formula (9). m f , I 44 , I 55 , and I 66 in equation (9) are the mass of the movable part 11, the moment of inertia of rolling, the moment of inertia of pitching, and the moment of inertia of bowing, respectively. Also, a ij represents the added mass or the added moment of inertia.
An external force vector F corresponding to the expanded state vector X is shown in the following equation (10). F 1 , F 2 , F 3 , M 4 , M 5 , and M 6 in the equation (10) are the longitudinal force, lateral force, vertical force, rolling moment, pitching moment, and yaw motion acting on the movable part 11, respectively. indicate a moment. Also, F r 33 and F r 35 are derived from the linear time-invariant system modeling the integral term in equation (3) and correspond to the right hand side of the first equation of equation (5).
Equation (7) is a dynamical system in the MPC-C/GMRES method (reference: Toshiyuki Ohtsuka: A continuation/GMRES method for fast computation of nonlinear receding horizon control, Automatica, Vol. 40, 2004, pp. 563-574.) is the same form as the formulation of
Figure 0007240716000006
Figure 0007240716000007
Figure 0007240716000008
Figure 0007240716000009
Figure 0007240716000010

また、波力発電システム1の可動範囲等の機械的制約条件、発電装置の制御力に関する制約条件などを設定する。本例では、上下変位に下式(11)の不等式制約条件を設定する。なお、上下変位は式(1)の定義に従いx3で表す。

Figure 0007240716000011
In addition, mechanical constraints such as the movable range of the wave power generation system 1, constraints related to the control force of the power generator, and the like are set. In this example, the inequality constraint condition of the following equation (11) is set for the vertical displacement. Note that the vertical displacement is represented by x 3 according to the definition of equation (1).
Figure 0007240716000011

不等式制約条件をダミー入力(u3)を用いて等式拘束条件に変換する。下式(12)に示した上下変位に関する等式制約条件は、x3-u3平面において、中心が((x3min+x3max)/2,0)、半径が(x3min+x3max)/2の円をあらわし、その円周上の点(x3, u2)は、必ず式(11)を満たす。

Figure 0007240716000012
Convert the inequality constraint to an equality constraint using a dummy input (u 3 ). The equality constraint condition for the vertical displacement shown in the following formula (12) is that the center is ((x 3min +x 3max )/2,0) and the radius is (x 3min +x 3max )/2 in the x 3 -u 3 plane. , and the point (x 3 , u 2 ) on the circumference always satisfies equation (11).
Figure 0007240716000012

また、制約条件で導入したダミー入力も制御ベクトルに加えて、制御入力ベクトルを下式(13)に拡張する。

Figure 0007240716000013
Also, the dummy input introduced by the constraint condition is added to the control vector, and the control input vector is expanded to the following formula (13).
Figure 0007240716000013

評価関数(J)は、リニアPTOで生じる銅損も考慮した発電電力を含む下式(14)で定義する。式(14)中のQ、Rは対角行列である。Q、Rの対角要素をq1~q12+nr33+nr35及びr1~r3とし、これらは全て非負の値とする。また、tf、Rs、及びKtはそれぞれ、評価区間長、リニアPTOの巻線抵抗、及び推力係数を示している。なお、評価関数にダミー入力の1次の項を加えたのは、式(12)がダミー入力に対して2次の項しか含まず、停留条件からダミー入力の符合が決まらず、解の追跡に失敗する場合があるためである。Q、Rの対角要素及びダミー入力の係数rd1は、モデル予測制御法(MPC)のチューニングパラメータである。

Figure 0007240716000014
The evaluation function (J) is defined by the following equation (14) including the generated power in consideration of the copper loss caused by the linear PTO. Q and R in Equation (14) are diagonal matrices. The diagonal elements of Q and R are q 1 to q 12 +nr33+nr35 and r 1 to r 3 , all of which are non-negative values. Also, t f , R s , and K t indicate the evaluation section length, the winding resistance of the linear PTO, and the thrust coefficient, respectively. The reason why the first-order term of the dummy input is added to the evaluation function is that the formula (12) includes only the second-order term for the dummy input, and the sign of the dummy input cannot be determined from the stationary condition, and the solution tracking is not possible. This is because it may fail. The diagonal elements of Q, R and the dummy input coefficient r d1 are the tuning parameters of the model predictive control method (MPC).
Figure 0007240716000014

上述のように、ダイナミカルシステムの定式化、制約条件、及び評価関数を与えることができたので、MPC-C/GMRES法等を用いて最適制御問題を解くことができる。 As described above, given the formulation of the dynamical system, the constraints, and the evaluation function, the optimal control problem can be solved using methods such as the MPC-C/GMRES method.

次に、第2モデル予測制御器24の1自由度系における定式化の例を説明する。
第1モデル予測制御計算によって、発電量に最も影響が大きい運動モードが可動部11の上下揺れと同定され、縦揺れについても上下方向力への無視できない影響があったと仮定する。
第2モデル予測制御計算において、可動部11の運動を表す状態ベクトルは下式(15)となる。なお、記号は、第1モデル予測制御器23の説明で用いた記号を踏襲している。

Figure 0007240716000015
Next, an example of formulation in the one-degree-of-freedom system of the second model predictive controller 24 will be described.
It is assumed that the first model predictive control calculation identifies the vertical swing of the movable portion 11 as the motion mode that has the greatest effect on the amount of power generation, and that the vertical swing also has a non-negligible effect on the vertical force.
In the second model predictive control calculation, the state vector representing the motion of the movable part 11 is given by the following equation (15). Note that the symbols follow the symbols used in the description of the first model predictive controller 23 .
Figure 0007240716000015

制御力は、第1モデル予測制御計算と同様に式(2)でモデル化し、可動部11の上下力としてのみ作用すると仮定する。
不規則波中において、上下方向のラディエイション流体力(Fr33)に対するメモリー影響は、式(3)、式(5)により、Kr33の積分項を線形時不変システムでモデル化して下式(16)であらわす。

Figure 0007240716000016
The control force is modeled by Equation (2) as in the first model predictive control calculation, and assumed to act only as vertical force on the movable portion 11 .
In random waves, the memory effect on the vertical radiation hydrodynamic force (F r33 ) is obtained by modeling the integral term of K r33 with a linear time-invariant system using Eqs. (16).
Figure 0007240716000016

第1モデル予測制御計算により、評価区間(t)における、縦揺れ、縦揺れ速度、縦揺れ加速度、及び、Kr35を線形時不変モデルでモデル化した際に用いた状態ベクトルの時系列が得られていると仮定し、これらを下式(17)で表す。なお、式(17)中のkは現在時刻を示す。

Figure 0007240716000017
By the first model predictive control calculation, the time series of the state vector used when modeling the pitch, pitch velocity, pitch acceleration, and K r35 in the evaluation interval (t f ) with a linear time-invariant model is These are represented by the following equation (17). Note that k in Equation (17) indicates the current time.
Figure 0007240716000017

上下揺れに影響が大きいと仮定した縦揺れによって上下揺れ方向に働く流体力の時系列は、式(17)を用いて下式(18)で表す。式(18)中の第一項と第二項はラディエイション流体力の連成項、第三項は復原力の連成項である。なお、式(18)中のC35は上下揺れと縦揺れの連成復原力係数である。

Figure 0007240716000018
The time series of the fluid force acting in the up-and-down direction due to pitching, which is assumed to have a large effect on up-and-down motion, is represented by the following equation (18) using equation (17). The first and second terms in the equation (18) are the coupling terms of the radiation hydrodynamic force, and the third term is the coupling term of the restoring force. In addition, C35 in the formula (18) is the combined stability coefficient of up-and-down motion and pitch motion.
Figure 0007240716000018

式(15)とxr 33を合わせた拡大状態ベクトル(X’)を下式(19)とし、これを用いて可動浮体の運動方程式は下式(20)で表せる。式(20)中のFe33、C33はそれぞれ、可動部11に働く上下方向の波強制力、上下方向の復原力係数である。

Figure 0007240716000019
Figure 0007240716000020
The expanded state vector (X') obtained by combining the expression (15) and x r 33 is defined as the following expression (19), and using this, the equation of motion of the movable floating body can be expressed as the following expression (20). F e33 and C 33 in the equation (20) are the vertical wave forcing force acting on the movable portion 11 and the vertical restoring force coefficient, respectively.
Figure 0007240716000019
Figure 0007240716000020

式(20)は、一部非線形項を含むものの、2次計画法におけるダイナミカルシステムの定式化として利用できる。
なお、制約条件と評価関数は、第1モデル予測制御計算と同じように定義するので記載を省略する。
Although Equation (20) partially includes nonlinear terms, it can be used as a formulation of a dynamical system in quadratic programming.
Constraints and evaluation functions are defined in the same manner as in the first model predictive control calculation, so their description is omitted.

次に、端部安全手段について説明する。図5は本実施形態による波力発電システムに適用した端部安全手段の概要図である。
端部安全手段90は、内径ガイド付き皿バネ90Aと樹脂製の衝撃吸収材90Bを有し、可動部11の他方の端部側に配置される。フレーム11Cは、スパー12Bの上方に配置される上部ビーム11Ccと、スパー12Bの内部に配置される下部ビーム11Cdを有する。
皿バネ90Aは、スパー12Bの上面を挟み込むように上下一対で棒状部材連結材11Cbの周囲に配置される。皿バネ90Aの上端及び下端には、衝撃吸収材90Bがそれぞれ取り付けられている。
端部安全手段90を備えることにより、フロート11Cが大幅に下降し下限値を超えて下降制限域に進入した場合は、上部ビーム11Ccと上方の衝撃吸収材90Bが接触し、フロート11Cの運動を減衰させる。また、フロート11Cが大幅に上昇し上限値を超えて上昇制限域に進入した場合は、下部ビーム11Cdと下方の衝撃吸収材90Bが接触し、フロート11Cの運動を減衰させる。
このように、可動部11の変位が上限値又は下限値を超える場合、端部安全手段90が上部ビーム11Cc又は下部ビーム11Cdと接触し、可動部11の運動エネルギーを消散させる。制御器20から波力発電機10への指令値である最終の制御パラメータは、変位制限値等を考慮することで可動部11の端部の変位幅が所定範囲内に収まるように設定されているが、端部安全手段90を備えることで、予期せぬ大きさの波や揺動等の発生により可動部11の変位が予想を超える場合であっても、可動部11の端部と発電主体部12等との接触による破損を防止することができる。
また、本実施形態のように、端部安全手段90を、少ない変位で大きなエネルギーを吸収できる皿バネ90Aと樹脂製の衝撃吸収材90Bを組み合わせた設計とすることで、可動部11の可動範囲を大きく損なわずに充分な制動力を持たせることができる。
Next, the edge safety means will be described. FIG. 5 is a schematic diagram of end safety means applied to the wave power generation system according to this embodiment.
The end safety means 90 has a disc spring 90A with an inner diameter guide and a resin shock absorbing material 90B, and is arranged on the other end side of the movable portion 11 . The frame 11C has an upper beam 11Cc arranged above the spar 12B and a lower beam 11Cd arranged inside the spar 12B.
The disc springs 90A are arranged around the rod-shaped member connecting member 11Cb as a pair of upper and lower disc springs so as to sandwich the upper surface of the spar 12B. Shock absorbers 90B are attached to the upper and lower ends of the disc spring 90A, respectively.
By providing the end safety means 90, when the float 11C descends significantly and exceeds the lower limit and enters the descent restricted area, the upper beam 11Cc and the upper shock absorbing material 90B come into contact with each other, preventing the movement of the float 11C. Attenuate. Further, when the float 11C rises significantly and exceeds the upper limit value to enter the limited rise range, the lower beam 11Cd and the lower impact absorbing member 90B come into contact with each other, damping the movement of the float 11C.
Thus, when the displacement of the movable part 11 exceeds the upper or lower limit, the end safety means 90 contact the upper beam 11Cc or the lower beam 11Cd and dissipate the kinetic energy of the movable part 11 . The final control parameter, which is the command value from the controller 20 to the wave power generator 10, is set so that the displacement width of the end portion of the movable portion 11 is within a predetermined range by considering the displacement limit value and the like. However, by providing the end safety means 90, even if the displacement of the movable part 11 exceeds expectations due to the occurrence of unexpected waves, rocking, etc., the ends of the movable part 11 and power generation can be prevented. Damage due to contact with the main body 12 or the like can be prevented.
In addition, as in the present embodiment, the end safety means 90 is designed by combining a disc spring 90A capable of absorbing a large amount of energy with a small displacement and a resin shock absorbing material 90B, so that the movable range of the movable portion 11 is reduced. Sufficient braking force can be given without greatly impairing

以上のように、本実施形態による波力発電機の実時間制御方法は、波に対する可動部11と発電主体部12を有した多自由度をもつ波力発電機10を、多自由度をもつ波力発電機10の第1モデルを用いた第1モデル予測制御計算により第1の制御パラメータ及び第1の状態変数の時系列を求め、波力発電機10の発電量に影響の大きい自由度に限った第1の制御パラメータ及び第1の状態変数を波力発電機10の第2モデルに適用し、第2モデル予測制御計算により第2の制御パラメータ及び第2の状態変数の時系列を求めて最終の制御パラメータを導出し、最終の制御パラメータに基づいて波力発電機10を制御する。
多自由度系に対応した第1モデル予測制御計算(第一段階)と、発電量に影響の大きいものに限った自由度系に対応した第2モデル予測制御計算(第二段階)を組み合わせることにより、拘束条件付き最適化問題をリアルタイムで短時間のうちに解いて最終の制御パラメータを求めることができるため、求めた最終の制御パラメータに基づいて多自由度をもつ波力発電機10の実時間制御を精度よく行い発電効率を向上させることができる。また、実装時の性能及び安全性検証等を十分に行うことが可能となるため、安全性を確保できる。
As described above, the real-time control method for a wave power generator according to the present embodiment provides a wave power generator 10 having multiple degrees of freedom, which has a movable part 11 for waves and a power generation main part 12, and which has multiple degrees of freedom. A time series of the first control parameter and the first state variable is obtained by the first model predictive control calculation using the first model of the wave power generator 10, and the degree of freedom that greatly affects the power generation amount of the wave power generator 10 The first control parameter and the first state variable limited to are applied to the second model of the wave power generator 10, and the second model predictive control calculation calculates the time series of the second control parameter and the second state variable Then, the final control parameter is derived, and the wave power generator 10 is controlled based on the final control parameter.
Combining the 1st model predictive control calculation (first stage) corresponding to the multi-degree-of-freedom system and the 2nd model predictive control calculation (second stage) corresponding to the degree-of-freedom system that has a large impact on the amount of power generation. Therefore, the final control parameters can be obtained by solving the optimization problem with constraints in real time in a short time. Time control can be performed with high precision, and power generation efficiency can be improved. In addition, since it is possible to sufficiently perform performance and safety verification at the time of mounting, safety can be ensured.

また、波力発電機10の周囲の波による水面Yの変位に基づいて波予測を行い、波予測の結果を第1モデル予測制御計算に反映することで、第1モデル予測制御計算の精度を向上させることができる。
なお、波予測は、波高計測手段30で検出される実際の水面変位に基づいて行う他、水面変位に起因して検力手段40で検出される波強制力に基づいて行うこともできる。
Further, wave prediction is performed based on the displacement of the water surface Y due to the waves around the wave power generator 10, and the result of the wave prediction is reflected in the first model predictive control calculation, thereby increasing the accuracy of the first model predictive control calculation. can be improved.
The wave prediction can be performed based on the actual water surface displacement detected by the wave height measuring means 30, and can also be performed based on the wave forcing detected by the force detection means 40 due to the water surface displacement.

また、波予測は、水面Yの変位の時系列データを基に時系列予測手法を用いて予測することで、波予測の精度を上げ第1モデル予測制御計算の精度をさらに向上させることができる。 In addition, wave prediction is performed using a time-series prediction method based on the time-series data of the displacement of the water surface Y, thereby increasing the accuracy of wave prediction and further improving the accuracy of the first model predictive control calculation. .

また、第1モデル予測制御計算により、可動部11と発電主体部12との相対変位の変化に対する速度影響及び/又は相対変位影響を考慮した第1の制御パラメータ及び第1の状態変数を求めることで、第1モデル予測制御計算の精度を向上させることができる。 Also, by the first model predictive control calculation, the first control parameter and the first state variable considering the velocity effect and/or the relative displacement effect on the change in the relative displacement between the movable portion 11 and the power generation main portion 12 are obtained. , the accuracy of the first model predictive control calculation can be improved.

また、求めた第1の制御パラメータを用いて第1モデル予測制御計算を繰り返し、第1の制御パラメータ及び第1の状態変数の最適値の近似解を得ることで、得られた第1の制御パラメータ及び第1の状態変数の最適値の近似解を第2モデル予測制御計算の初期値として用いることができるため、第2モデル予測制御計算の初期値をより良好なものとすることができる。 Further, by repeating the first model predictive control calculation using the obtained first control parameter and obtaining an approximate solution of the optimum values of the first control parameter and the first state variable, the obtained first control Since the approximate solution of the optimum values of the parameters and the first state variable can be used as the initial values for the second model predictive control calculation, the initial values for the second model predictive control calculation can be made better.

また、第1モデル予測制御計算に当たって、可動部11の発電主体部12に対する機械的制約条件及び/又は波力発電機10の内部消費エネルギーを考慮することで、波力発電機10の実時間制御を、機械的制約条件や内部消費エネルギーを考慮したものとすることができる。 In addition, in the first model predictive control calculation, by considering the mechanical constraints on the power generation main part 12 of the movable part 11 and / or the internal energy consumption of the wave power generator 10, real-time control of the wave power generator 10 can take into account mechanical constraints and internal energy consumption.

また、第2モデル予測制御計算において、可動部11と発電主体部12との波力発電機10の発電量に影響の大きい自由度に限った計算及び/又は求める解の探索範囲を限定する計算を行なうことで、第2モデル予測制御計算を精度よくスピーディに行うことができる。 In addition, in the second model predictive control calculation, the calculation is limited to the degree of freedom of the movable portion 11 and the power generation main portion 12 that greatly affects the power generation amount of the wave power generator 10 and/or the calculation to limit the search range of the solution to be obtained. , the second model predictive control calculation can be performed accurately and speedily.

また、求めた第2の制御パラメータを用いて第2モデル予測制御計算を繰り返し、第2の制御パラメータ及び第2の状態変数の最適値を得ることで、得られた第2の制御パラメータ及び第2の状態変数の最適値から導出した最終の制御パラメータに基づいて波力発電機10を制御することができるため、波力発電機10の実時間制御をより的確なものとすることができる。 Further, by repeating the second model predictive control calculation using the obtained second control parameter and obtaining the optimum values of the second control parameter and the second state variable, the obtained second control parameter and the second Since the wave power generator 10 can be controlled based on the final control parameters derived from the optimum values of the two state variables, the real-time control of the wave power generator 10 can be made more accurate.

また、第2モデル予測制御計算に当たって、可動部11の発電主体部12に対する機械的制約条件及び/又は波力発電機10の内部消費エネルギーを考慮することで、波力発電機10の実時間制御を、機械的制約条件や内部消費エネルギーを考慮したものとすることができる。 In addition, in the second model predictive control calculation, by considering the mechanical constraints on the power generation main unit 12 of the movable part 11 and / or the internal energy consumption of the wave power generator 10, real-time control of the wave power generator 10 can take into account mechanical constraints and internal energy consumption.

また、第1モデル予測制御計算及び第2モデル予測制御計算を、波の1周期未満で完了するように時間制限をかけることで、波力発電機10の実時間制御の継続性をより強固なものとすることができる。 Further, by setting a time limit so that the first model predictive control calculation and the second model predictive control calculation are completed in less than one cycle of the wave, the continuity of the real-time control of the wave power generator 10 can be further strengthened. can be

また、波力発電機10の制御は、最終の制御パラメータに基づいて可動部11と発電主体部12の相対運動を制御し、波力発電機10の発電量の最大化を図る制御とすることで、発電量を最大化した波力発電機10の実時間制御を実現することができる。 Further, the control of the wave power generator 10 is to control the relative motion between the movable part 11 and the main power generation part 12 based on the final control parameter, and to maximize the power generation amount of the wave power generator 10. , it is possible to realize real-time control of the wave power generator 10 that maximizes the amount of power generation.

また、可動部11の近傍の波の波高を計測する波高計測手段30を備えることで、
波高計測手段30が計測した波高を波予測等に利用することができる。
In addition, by providing a wave height measuring means 30 for measuring the wave height in the vicinity of the movable portion 11,
The wave height measured by the wave height measuring means 30 can be used for wave prediction or the like.

また、波による波力の影響を計測する検力手段40を備えることで、検力手段40が計測した波力の影響を波予測やモデル予測制御計算等に利用することができる。 In addition, by providing the force-measuring means 40 for measuring the influence of the wave force due to waves, the influence of the wave force measured by the force-measuring means 40 can be used for wave prediction, model predictive control calculation, and the like.

また、可動部11と発電主体部12の相対変位を計測する相対変位計測手段50を備えることで、相対変位計測手段50が計測した可動部11と発電主体部12の相対変位を波予測やモデル予測制御計算等に利用することができる。 Further, by providing the relative displacement measuring means 50 for measuring the relative displacement between the movable portion 11 and the power generating main portion 12, the relative displacement between the movable portion 11 and the power generating main portion 12 measured by the relative displacement measuring means 50 can be used for wave prediction and modeling. It can be used for predictive control calculation and the like.

また、波力発電機10の姿勢を計測する姿勢計測手段60を備えることで、姿勢計測手段60が計測した波力発電機10の姿勢を波予測やモデル予測制御計算等に利用することができる。 Further, by providing the attitude measurement means 60 for measuring the attitude of the wave power generator 10, the attitude of the wave power generator 10 measured by the attitude measurement means 60 can be used for wave prediction, model predictive control calculation, and the like. .

また、波に対する可動部11と発電主体部12の相対運動における可動部11の端部の変位を制限する端部安全手段90を備えることで、可動部11の変位が予想を超える場合であっても、可動部11の端部と発電主体部12等との接触による破損を防止することができる。 In addition, by providing an end safety means 90 for limiting the displacement of the end of the movable part 11 in the relative motion of the movable part 11 and the power generation main part 12 against the wave, even if the displacement of the movable part 11 exceeds expectations, Also, it is possible to prevent damage due to contact between the end portion of the movable portion 11 and the power generation main portion 12 and the like.

図6は本発明の一実施例による波力発電システムの概要図であり、図6(a)は全体概要図、図6(b)はリニアPTOの動作説明図である。なお、上記した実施形態と同一機能部材には同一符号を付して説明を省略する。
本実施例の波力発電システム1は、6自由度をもつ波力発電機10と、波力発電機10を実時間制御する制御部20と、波高計測手段30と、検力手段40と、相対変位計測手段50と、姿勢計測手段60を備え、複数の係留索70で水底Xに係留されている。
なお、図6には、波力発電機10の6自由度の運動方向(前後揺れ、左右揺れ、上下揺れ、横揺れ、縦揺れ、及び船首揺れ)も併せて示している。
FIG. 6 is a schematic diagram of a wave power generation system according to an embodiment of the present invention, FIG. 6(a) is an overall schematic diagram, and FIG. 6(b) is an operation explanatory diagram of a linear PTO. In addition, the same code|symbol is attached|subjected to the same function member as above-described embodiment, and description is abbreviate|omitted.
The wave power generation system 1 of the present embodiment includes a wave power generator 10 having six degrees of freedom, a control unit 20 that controls the wave power generator 10 in real time, a wave height measurement means 30, a power measurement means 40, Equipped with relative displacement measuring means 50 and attitude measuring means 60 , it is moored to the bottom of the water X with a plurality of mooring cables 70 .
FIG. 6 also shows the motion directions of the six degrees of freedom of the wave power generator 10 (longitudinal sway, lateral sway, vertical sway, roll, pitch, and bow).

本実施例における波力発電機10は、可動部11として電機子又は永久磁石が積層されたシャフト(棒状部材)11Bを有した回生運転と力行運転が可能なリニアPTO(パワー・テイク・オフ)としている。発電主体部12のPTO部12Aには、電機子(コイル)が内蔵されている。相対変位計測手段50は、シャフト11Bの変位量を計測する。
スパー12Bの内部には、制御器20とバッテリー制御システム100が配置されている。制御器20は、バッテリー制御システム100からリニアPTOに供給される電流を制御する。バッテリー制御システム100は、リニアPTOが発電した電力を蓄電し、制御器20からの指令に応じてリニアPTOに電流を供給する。
The wave power generator 10 in this embodiment is a linear PTO (power take-off) having a shaft (bar-shaped member) 11B on which armatures or permanent magnets are laminated as a movable part 11 and capable of regenerative operation and power running operation. and An armature (coil) is incorporated in the PTO portion 12A of the power generation main portion 12 . The relative displacement measuring means 50 measures the amount of displacement of the shaft 11B.
A controller 20 and a battery control system 100 are located inside the spar 12B. Controller 20 controls the current supplied from battery control system 100 to the linear PTO. The battery control system 100 stores electric power generated by the linear PTO, and supplies current to the linear PTO according to commands from the controller 20 .

図6(b)の上段の図は、回生運転(発電時)の状態を示している。シャフト11Bの運動により生じる磁界変化で誘導起電力が生じ、電力が回生する。また、発電負荷が減衰力として作用する。生じた回生電力はバッテリー制御システム100の蓄電装置に蓄電される。回生運転においては、シャフト11Bの進行方向と制御力が反対方向となる。
図6(b)の下段の図は、力行運転(非発電時)の状態を示している。力行運転ではリニアモータとして利用する。発電量の一部は巻線抵抗により失われる。力行運転においては、シャフト11Bの進行方向と制御力が同方向となる。
The upper diagram in FIG. 6B shows the state of regenerative operation (at the time of power generation). A change in the magnetic field caused by the movement of the shaft 11B generates an induced electromotive force, and electric power is regenerated. Also, the power generation load acts as a damping force. The generated regenerated electric power is stored in the power storage device of the battery control system 100 . In regenerative operation, the direction of movement of the shaft 11B and the control force are opposite directions.
The lower diagram in FIG. 6B shows the state of power running (when no power is generated). It is used as a linear motor in power running. A portion of the power generation is lost due to winding resistance. In the power running operation, the direction of movement of the shaft 11B and the control force are the same.

図7は本実施例における波力発電システム1の制御フロー図である。
制御器20は、制御を開始すると、波高計測手段30によって計測される水面変位、検力手段40によって計測される波力の影響、相対変位計測手段50によって計測されるシャフト11Bの変位、及び姿勢計測手段60によって計測される波力発電機10の姿勢を取得する(S20:ステップ20)。
ステップ20の後、制御器20は、水面変位予測器21による水面変位予測結果η’(k+i|k) (’はηの上)に基づき、波強制力予測器22において波強制力を推定する(S21:ステップ21)。波強制力の推定には、例えば線形カルマンフィルタ等を用いることができる。
ステップ21の後、制御器20は、第1モデル予測制御器23及び第2モデル予測制御器24によって拘束条件付き最適化演算を行い、必要解である第2の制御パラメータ及び第2の状態変数の時系列を求めて最終の制御パラメータを導出する(S22:ステップ22)。
ステップ22の後、制御器20は、求めた最終の制御パラメータに基づき、必要な制御力が出力されるようにバッテリー制御システム100に対して電流供給指令を行う(S23:ステップ23)。
ステップ23の後はステップ20に戻り、次の予測ホライゾン間における制御を開始する。
このように、本実施例によれば、リニアPTOである波力発電機10の実時間制御を精度よく行うことができる。
FIG. 7 is a control flow diagram of the wave power generation system 1 in this embodiment.
When the controller 20 starts control, the water surface displacement measured by the wave height measuring means 30, the influence of the wave force measured by the force measuring means 40, the displacement of the shaft 11B measured by the relative displacement measuring means 50, and the attitude The attitude of the wave power generator 10 measured by the measuring means 60 is obtained (S20: step 20).
After step 20, the controller 20 causes the wave forcing force predictor 22 to calculate the wave forcing force based on the water surface displacement prediction result η'(k+i|k) (' is above η) by the water surface displacement predictor 21. Estimate (S21: step 21). A linear Kalman filter, for example, can be used to estimate the wave forcing.
After step 21, the controller 20 performs a constrained optimization operation by the first model predictive controller 23 and the second model predictive controller 24, and obtains the second control parameter and the second state variable which are the necessary solutions. to derive the final control parameter (S22: step 22).
After step 22, the controller 20 issues a current supply command to the battery control system 100 so as to output the necessary control force based on the obtained final control parameters (S23: step 23).
After step 23, the process returns to step 20 to start control over the next prediction horizon.
Thus, according to this embodiment, real-time control of the wave power generator 10, which is a linear PTO, can be performed with high accuracy.

図8は本発明の他の実施例による波力発電システムの概要図であり、図8(a)は全体概要図、図8(b)は油圧式リニアPTOの動作説明図である。なお、上記した実施形態又は実施例と同一機能部材には同一符号を付して説明を省略する。
本実施例の波力発電システム1は、6自由度をもつ波力発電機10と、波力発電機10を実時間制御する制御部20と、波高計測手段30と、検力手段40と、相対変位計測手段50と、姿勢計測手段60を備え、複数の係留索70で水底Xに係留されている。
なお、図8には、波力発電機10の6自由度の運動方向(前後揺れ、左右揺れ、上下揺れ、横揺れ、縦揺れ、及び船首揺れ)も併せて示している。
8A and 8B are schematic diagrams of a wave power generation system according to another embodiment of the present invention, FIG. 8A is an overall schematic diagram, and FIG. 8B is an operation explanatory diagram of a hydraulic linear PTO. In addition, the same code|symbol is attached|subjected to the same functional member as the above-mentioned embodiment or Example, and description is abbreviate|omitted.
The wave power generation system 1 of the present embodiment includes a wave power generator 10 having six degrees of freedom, a control unit 20 that controls the wave power generator 10 in real time, a wave height measurement means 30, a power measurement means 40, Equipped with relative displacement measuring means 50 and attitude measuring means 60 , it is moored to the bottom of the water X with a plurality of mooring cables 70 .
FIG. 8 also shows the motion directions of the wave power generator 10 with six degrees of freedom (longitudinal sway, lateral sway, vertical sway, roll, pitch, and bow sway).

本実施例における波力発電機10は、可動部11の動きを油圧に変換して利用する油圧式リニアPTO(パワー・テイク・オフ)としている。
波力発電機10は、ピストン(棒状部材)11Bと発電主体部12のPTO部12A内に配置されたシリンダによって制御力を発生させる。相対変位計測手段50は、ピストン11Bの変位量を計測する。
スパー12Bの内部には、制御器20と油圧制御システム110と油圧モータ120が配置されている。制御器20は、油圧制御システム110から油圧式リニアPTOに供給される圧油を制御する。油圧制御システム110は、油圧式リニアPTOで生成された圧油を蓄圧器130に送る。また、制御器20の指令に応じて可変絞り弁111の開度を制御し、油圧式リニアPTOに圧油を送る。蓄圧器130は、高圧側蓄圧器130Aと、低圧側蓄圧器130Bからなる。また、油圧制御システム110には、複数の逆止弁112が設けられている。
The wave power generator 10 in this embodiment is a hydraulic linear PTO (power take-off) that converts the movement of the movable part 11 into hydraulic pressure and utilizes it.
The wave power generator 10 generates a control force by means of a piston (rod-shaped member) 11B and a cylinder arranged in the PTO portion 12A of the power generation body portion 12 . The relative displacement measuring means 50 measures the amount of displacement of the piston 11B.
A controller 20, a hydraulic control system 110 and a hydraulic motor 120 are arranged inside the spar 12B. The controller 20 controls the pressure oil supplied from the hydraulic control system 110 to the hydraulic linear PTO. Hydraulic control system 110 delivers pressurized oil produced by the hydraulic linear PTO to pressure accumulator 130 . In addition, it controls the opening of the variable throttle valve 111 according to the command from the controller 20, and sends pressurized oil to the hydraulic linear PTO. The pressure accumulator 130 consists of a high pressure side pressure accumulator 130A and a low pressure side pressure accumulator 130B. The hydraulic control system 110 is also provided with a plurality of check valves 112 .

図9は本実施例における波力発電システム1の制御フロー図である。
制御器20は、制御を開始すると、波高計測手段30によって計測される水面変位、検力手段40によって計測される波力の影響、相対変位計測手段50によって計測されるピストン11Bの変位、姿勢計測手段60によって計測される波力発電機10の姿勢、及び蓄圧器130の圧力値を取得する(S30:ステップ30)。
ステップ30の後、制御器20は、水面変位予測器21による水面変位予測結果η’(k+i|k) (’はηの上)に基づき、波強制力予測器22において波強制力を推定する(S31:ステップ31)。波強制力の推定には、例えば線形カルマンフィルタ等を用いることができる。
ステップ31の後、制御器20は、第1モデル予測制御器23及び第2モデル予測制御器24によって拘束条件付き最適化演算を行い、必要解である第2の制御パラメータ及び第2の状態変数の時系列を求めて最終の制御パラメータを導出する(S32:ステップ32)。
ステップ32の後、制御器20は、求めた最終の制御パラメータに基づき、必要な制御力が出力されるように油圧制御システム110に対して圧油供給指令を行う(S33:ステップ33)。
ステップ33の後はステップ30に戻り、次の予測ホライゾン間における制御を開始する。
このように、本実施例によれば、油圧式リニアPTOである波力発電機10の実時間制御を精度よく行うことができる。
FIG. 9 is a control flow diagram of the wave power generation system 1 in this embodiment.
When the controller 20 starts control, the water surface displacement measured by the wave height measuring means 30, the influence of the wave force measured by the force measuring means 40, the displacement of the piston 11B measured by the relative displacement measuring means 50, and the attitude measurement. The attitude of the wave power generator 10 measured by the means 60 and the pressure value of the pressure accumulator 130 are acquired (S30: step 30).
After step 30, the controller 20 causes the wave forcing force predictor 22 to calculate the wave forcing force based on the water surface displacement prediction result η'(k+i|k) (' is above η) by the water surface displacement predictor 21. Estimate (S31: step 31). A linear Kalman filter, for example, can be used to estimate the wave forcing.
After step 31, the controller 20 performs a constrained optimization operation by the first model predictive controller 23 and the second model predictive controller 24, and obtains the second control parameter and the second state variable which are the necessary solutions. to derive the final control parameter (S32: step 32).
After step 32, the controller 20 issues a pressurized oil supply command to the hydraulic control system 110 so as to output the necessary control force based on the obtained final control parameters (S33: step 33).
After step 33, the process returns to step 30 to start control over the next prediction horizon.
As described above, according to this embodiment, real-time control of the wave power generator 10, which is a hydraulic linear PTO, can be accurately performed.

図10は本発明のさらに他の実施例による波力発電システムの概要図である。なお、上記した実施形態又は実施例と同一機能部材には同一符号を付して説明を省略する。
本実施例の波力発電システム1は、6自由度をもつ波力発電機10と、波力発電機10を実時間制御する制御部20と、波高計測手段30と、検力手段40と、相対変位計測手段50と、姿勢計測手段60を備え、複数の係留索70で水底Xに係留されている。
なお、図10には、波力発電機10の6自由度の運動方向(前後揺れ、左右揺れ、上下揺れ、横揺れ、縦揺れ、及び船首揺れ)も併せて示している。
FIG. 10 is a schematic diagram of a wave power generation system according to still another embodiment of the present invention. In addition, the same code|symbol is attached|subjected to the same functional member as the above-mentioned embodiment or Example, and description is abbreviate|omitted.
The wave power generation system 1 of the present embodiment includes a wave power generator 10 having six degrees of freedom, a control unit 20 that controls the wave power generator 10 in real time, a wave height measurement means 30, a power measurement means 40, Equipped with relative displacement measuring means 50 and attitude measuring means 60 , it is moored to the bottom of the water X with a plurality of mooring cables 70 .
FIG. 10 also shows the motion directions of the wave power generator 10 with six degrees of freedom (forward-backward sway, left-right sway, up-down sway, roll, pitch, and bow sway).

本実施例は、いわゆる屈曲揺動型の波力発電システムであり、波力発電機10は、可動部11として軸17の周りに運動可能な浮体を有したPTO(パワー・テイク・オフ)であり、PTOを油圧式リニアPTOとしている。
可動部11は、一方のフロート11Aaと他方の浮体11Abを有する。一方の浮体11Aa及び他方の浮体11Abは、平板状又は棒状等である。一方の浮体11Aaと他方の浮体11Abは、向かい合わせに配置され、対向する端部同士が軸17を介して接続されている。一方の浮体11Aaの上面には、波高計測手段30、姿勢計測手段60、油圧制御システム110、油圧モータ120、及び蓄圧器130が配置されている。他方の浮体11Abの上面には、制御器20及び姿勢計測手段60が配置されている。軸17には検力手段40及び相対変位計測手段50が配置されている。PTO部12A及びピストン(棒状部材)11Bは、横倒しに配置され、一方の浮体11Aaと他方の浮体11Abのそれぞれに立設したフレーム11Cに支えられた状態で、一方の浮体11Aaと他方の浮体11Abに跨って配置されている。ピストン11Bは、水平方向に往復動する。
なお、本実施例における波力発電システム1の制御フローは、上記の図9を用いて説明したものと同様であるため説明を省略する。
また、本実施例においてはPTOを油圧式リニアPTOとしたが、可動部11として電機子又は永久磁石が積層されたシャフト(棒状部材)11Bを有した回生運転と力行運転が可能なリニアPTOとすることもできる。この場合の波力発電システム1の制御フローは、上記の図7を用いて説明したものと同様である。
また、PTOは、リニア式以外の、例えば回転軸の相対運動により発電する方式とすることもできる。
また、本実施例の波力発電機10に、波に対する可動部11と発電主体部12の相対運動における可動部11の端部の変位を制限する端部安全手段90を備えることもできる。
このように、本実施例によれば、可動部11として軸の周りに運動可能な浮体11Aa、11Abを有したPTOである波力発電機10の実時間制御を精度よく行うことができる。
This embodiment is a so-called bending-swing type wave power generation system, and the wave power generator 10 is a PTO (power take off) having a floating body capable of moving around an axis 17 as a movable part 11. Yes, and the PTO is a hydraulic linear PTO.
The movable part 11 has a float 11Aa on one side and a floating body 11Ab on the other side. The floating body 11Aa on one side and the floating body 11Ab on the other side are flat plate-like or rod-like. One floating body 11Aa and the other floating body 11Ab are arranged to face each other, and opposite ends are connected via a shaft 17 . Wave height measuring means 30, attitude measuring means 60, hydraulic control system 110, hydraulic motor 120, and pressure accumulator 130 are arranged on the upper surface of one floating body 11Aa. A controller 20 and attitude measuring means 60 are arranged on the upper surface of the other floating body 11Ab. A force measuring means 40 and a relative displacement measuring means 50 are arranged on the shaft 17 . The PTO portion 12A and the piston (rod-shaped member) 11B are arranged sideways and supported by frames 11C erected on the one floating body 11Aa and the other floating body 11Ab. are placed across the The piston 11B reciprocates horizontally.
Note that the control flow of the wave power generation system 1 in this embodiment is the same as that described with reference to FIG. 9 above, so description thereof will be omitted.
In this embodiment, the PTO is a hydraulic linear PTO, but a linear PTO having a shaft (bar-shaped member) 11B on which armatures or permanent magnets are laminated as the movable part 11 and which is capable of regenerative operation and power running is also available. You can also The control flow of the wave power generation system 1 in this case is the same as that described using FIG. 7 above.
Also, the PTO may be of a type other than the linear type, for example, a type that generates power by relative motion of a rotating shaft.
In addition, the wave power generator 10 of this embodiment can be provided with an end safety means 90 for limiting the displacement of the end of the movable portion 11 in the relative motion between the movable portion 11 and the power generation main portion 12 with respect to waves.
Thus, according to the present embodiment, real-time control of the wave power generator 10, which is a PTO having the floating bodies 11Aa and 11Ab that can move around the axis as the movable part 11, can be performed with high accuracy.

本発明は、浮体式の波力発電機に適用し、高効率かつ安全性を確保した波力発電機の実用化に資することができる。また、波力以外の潮流や海流等に起因した水面変動に伴う力を利用した発電機にも展開が可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be applied to a floating wave power generator and contribute to the practical use of a wave power generator that ensures high efficiency and safety. In addition to wave power, it is also possible to develop power generators that use the force associated with water surface fluctuations caused by tidal currents and ocean currents.

1 波力発電システム
10 波力発電機
11 可動部
12 発電主体部
30 波高計測手段
40 検力手段
50 相対変位計測手段
60 姿勢計測手段
90 端部安全手段
1 wave power generation system 10 wave power generator 11 movable part 12 power generation main part 30 wave height measurement means 40 power measurement means 50 relative displacement measurement means 60 attitude measurement means 90 end safety means

Claims (20)

波に対する可動部と発電主体部を有した多自由度をもつ波力発電機の実時間制御方法であって、多自由度をもつ前記波力発電機をモデルとする第1モデルを用いた第1モデル予測制御計算により前記第1モデルにおける多自由度の第1の制御パラメータ及び第1の状態変数の時系列を求め、前記波力発電機の発電量に影響の大きい自由度に限った前記第1の制御パラメータ及び前記第1の状態変数を前記波力発電機の第2モデルに適用し、前記第1モデル予測制御計算よりも自由度を減らした第2モデル予測制御計算により第2の制御パラメータ及び第2の状態変数の時系列を求めて最終の制御パラメータを導出し、前記最終の制御パラメータに基づいて前記波力発電機を制御することを特徴とする波力発電機の実時間制御方法。 A real-time control method for a multi-degree-of-freedom wave power generator having a movable part for waves and a main power-generating part, the first model using a first model modeled on the multi-degree-of-freedom wave power generator. A time series of the first control parameter and the first state variable with multiple degrees of freedom in the first model is obtained by one-model predictive control calculation, and the degree of freedom that has a large influence on the power generation amount of the wave power generator is limited to the The first control parameter and the first state variable are applied to the second model of the wave power generator, and the second model predictive control calculation is performed with a reduced degree of freedom compared to the first model predictive control calculation. A real-time wave power generator characterized by obtaining a time series of a control parameter and a second state variable, deriving a final control parameter, and controlling the wave power generator based on the final control parameter. control method. 前記波力発電機の周囲の前記波による水面の変位に基づいて波予測を行い、前記波予測の結果を前記第1モデル予測制御計算に反映することを特徴とする請求項1に記載の波力発電機の実時間制御方法。 2. The wave according to claim 1, wherein wave prediction is performed based on the displacement of the water surface caused by the wave around the wave power generator, and the result of the wave prediction is reflected in the first model predictive control calculation. A real-time control method for a power generator. 前記波予測は、前記水面の変位の時系列データを基に時系列予測手法を用いて予測するものであることを特徴とする請求項2に記載の波力発電機の実時間制御方法。 3. The real-time control method for a wave power generator according to claim 2, wherein the wave prediction is performed using a time-series prediction method based on the time-series data of displacement of the water surface. 前記第1モデル予測制御計算により、前記可動部と前記発電主体部との相対変位の変化に対する速度影響及び/又は相対変位影響を考慮した前記第1の制御パラメータ及び前記第1の状態変数を求めることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の波力発電機の実時間制御方法。 By the first model predictive control calculation, the first control parameter and the first state variable considering the velocity effect and/or the relative displacement effect on the change in the relative displacement between the movable part and the power generation main part are obtained. A real-time control method for a wave power generator according to any one of claims 1 to 3, characterized in that: 求めた前記第1の制御パラメータを用いて前記第1モデル予測制御計算を繰り返し、前記第1の制御パラメータ及び前記第1の状態変数の最適値の近似解を得ることを特徴とする請求項4に記載の波力発電機の実時間制御方法。 5. Repeating the first model predictive control calculation using the obtained first control parameter to obtain an approximate solution of optimum values of the first control parameter and the first state variable. The real-time control method for the wave power generator according to 1. 前記第1モデル予測制御計算に当たって、前記可動部の前記発電主体部に対する機械的制約条件及び/又は前記波力発電機の内部消費エネルギーを考慮することを特徴とする請求項4又は請求項5に記載の波力発電機の実時間制御方法。 6. The method according to claim 4 or 5, wherein the first model predictive control calculation is performed in consideration of mechanical constraints on the power generating main part of the movable part and/or internal energy consumption of the wave power generator. A real-time control method for the described wave power generator. 前記第2モデル予測制御計算において、前記可動部と前記発電主体部との前記波力発電機の前記発電量に影響の大きい自由度に限った計算及び/又は求める解の探索範囲を限定する計算を行なうことを特徴とする請求項4から請求項6のいずれか1項に記載の波力発電機の実時間制御方法。 In the second model predictive control calculation, calculation limited to degrees of freedom between the moving part and the power generation main part that greatly affect the power generation amount of the wave power generator and/or calculation limiting a search range for a solution to be obtained A real-time control method for a wave power generator according to any one of claims 4 to 6, characterized in that: 求めた前記第2の制御パラメータを用いて前記第2モデル予測制御計算を繰り返し、前記第2の制御パラメータ及び前記第2の状態変数の最適値を得ることを特徴とする請求項7に記載の波力発電機の実時間制御方法。 8. The method according to claim 7, wherein the obtained second control parameter is used to repeat the second model predictive control calculation to obtain the optimum values of the second control parameter and the second state variable. A real-time control method for a wave power generator. 前記第2モデル予測制御計算に当たって、前記可動部の前記発電主体部に対する機械的制約条件及び/又は前記波力発電機の内部消費エネルギーを考慮することを特徴とする請求項7又は請求項8に記載の波力発電機の実時間制御方法。 9. The method according to claim 7 or 8, wherein the second model predictive control calculation is performed in consideration of mechanical constraints on the power generation main part of the movable part and/or internal energy consumption of the wave power generator. A real-time control method for the described wave power generator. 前記第1モデル予測制御計算及び前記第2モデル予測制御計算を、前記波の1周期未満で完了するように時間制限をかけることを特徴とする請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の波力発電機の実時間制御方法。 10. The method according to any one of claims 1 to 9, wherein the first model predictive control calculation and the second model predictive control calculation are completed in less than one cycle of the wave. A real-time control method for the described wave power generator. 前記波力発電機の制御は、前記最終の制御パラメータに基づいて前記可動部と前記発電主体部の相対運動を制御し、前記波力発電機の前記発電量の最大化を図る制御であることを特徴とする請求項1から請求項10のいずれか1項に記載の波力発電機の実時間制御方法。 The control of the wave power generator is a control for maximizing the power generation amount of the wave power generator by controlling the relative motion between the movable part and the power generation main part based on the final control parameter. A real-time control method for a wave power generator according to any one of claims 1 to 10, characterized by: 波に対する可動部と発電主体部を有した多自由度をもつ波力発電機を、請求項1から請求項11のいずれか1項に記載の波力発電機の実時間制御方法を用いて制御することを特徴とする波力発電システム。 Controlling a wave power generator having multiple degrees of freedom having a movable part for waves and a power generation main part using the real-time control method for a wave power generator according to any one of claims 1 to 11. A wave power generation system characterized by: 前記可動部の近傍の前記波の波高を計測する波高計測手段を備えたことを特徴とする請求項12に記載の波力発電システム。 13. The wave power generation system according to claim 12, further comprising wave height measuring means for measuring the height of the wave in the vicinity of the movable portion. 前記波による波力の影響を計測する検力手段を備えたことを特徴とする請求項12又は請求項13に記載の波力発電システム。 14. A wave power generation system according to claim 12, further comprising calibration means for measuring the influence of wave power by said waves. 前記可動部と前記発電主体部の相対変位を計測する相対変位計測手段を備えたことを特徴とする請求項12から請求項14のいずれか1項に記載の波力発電システム。 15. A wave power generation system according to any one of claims 12 to 14, further comprising relative displacement measuring means for measuring relative displacement between said movable portion and said main power generation portion. 前記波力発電機の姿勢を計測する姿勢計測手段を備えたことを特徴とする請求項12から請求項15のいずれか1項に記載の波力発電システム。 16. A wave power generation system according to any one of claims 12 to 15, further comprising attitude measuring means for measuring the attitude of said wave power generator. 前記波力発電機は、前記可動部として電機子又は永久磁石が積層されたシャフトを有した回生運転と力行運転が可能なリニアPTO(パワー・テイク・オフ)であることを特徴とする請求項12から請求項16のいずれか1項に記載の波力発電システム。 3. The wave power generator is a linear PTO (power take-off) capable of regenerative operation and power running operation having a shaft on which armatures or permanent magnets are laminated as the movable part. A wave power system according to any one of claims 12 to 16. 前記波力発電機は、前記可動部の動きを油圧に変換して利用する油圧式リニアPTO(パワー・テイク・オフ)であることを特徴とする請求項12から請求項16のいずれか1項に記載の波力発電システム。 17. Any one of claims 12 to 16, wherein the wave power generator is a hydraulic linear PTO (power take-off) that converts the movement of the movable part into hydraulic pressure and utilizes it. The wave power generation system described in . 前記波力発電機は、前記可動部として軸の周りに運動可能な浮体を有したPTO(パワー・テイク・オフ)であることを特徴とする請求項12から請求項16のいずれか1項に記載の波力発電システム。 17. The wave power generator is a PTO (power take off) having a floating body capable of moving around an axis as the movable part. A wave power system as described. 前記波に対する前記可動部と前記発電主体部の相対運動における前記可動部の端部の変位を制限する端部安全手段を備えたことを特徴とする請求項12から請求項19のいずれか1項に記載の波力発電システム。 20. The apparatus according to any one of claims 12 to 19, further comprising an end safety means for limiting displacement of an end of the movable portion in relative motion between the movable portion and the power generation main body with respect to the wave. The wave power generation system described in .
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