[发明专利]一种基于弹簧共振辅助的直驱式波浪能发电最大波能精准跟踪控制方法

说明书

本发明提供一种基于弹簧共振辅助的直驱式波浪能发电最大波能精准跟踪控制方法，包括构建直驱式波浪能发电装置的数学模型；设计混合有限时间跟踪控制策略；对设计的混合有限时间跟踪控制策略进行稳定性分析。针对海洋复杂环境对发电过程的影响，采用有限时间扰动观测器快速补偿环境扰动。针对电机控制系统，分别设计d轴电流有限时间规则器和基于有限时间扰动观测器的非奇异终端滑模q轴电流控制器，以准确的实现复杂环境下直驱式波浪能发电装置浮标与波浪共振，达到最大波能跟踪。仿真研究和综合比较表明，所提出的混合有限时间跟踪控制策略在存在扰动和弹簧共振辅助系统的情况下具有显著的快速适应性和精确的最大波能跟踪性能。

技术领域

本发明涉及新能源应用技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于弹簧共振辅助的直驱式波浪能发电最大波能精准跟踪控制方法。

背景技术

直驱式波浪能发电装置最大波能跟踪控制执行装置上，考虑到季节性潮汐引起的波浪变化，潮汐效应补偿系统可有效提高同一海域季节性造成的多变海浪环境下的波浪能吸收效率。在现有技术中，设计了阿基米德直驱式波浪能发电装置，它是一种特殊的空气圆柱形腔室结构，随波浪运动的过程中，在浪峰和浪谷时，会根据波浪压力改变气体体积，从而更好的适应波浪频率大尺度变化带来的不利影响。此外在现有技术中，设计的液压装置通过锁存控制策略实现浮子运动的锁存与释放，实现浮子速度与波浪力同步。控制方法上，现有技术中，存在将模型预测控制(MPC)应用于波浪能发电装置，设计了可实现最大波能捕获的控制器，方案所采用的数学模型也能够考虑海况的实际条件更接近于实际的控制效果。存在将扰动观察法应用于波浪能发电装置，可根据功率的增减调整施加步长的大小，从而达到最大功率点。

潮汐效应补偿系统未考虑布置海域大跨度波浪频率变化的适用性问题；阿基米德直驱式波浪能发电装置相对于波浪频率变化，气压变化是更加缓慢的，很难适应大跨度波浪变化，同时结构也更为复杂；锁存控制策略依赖于浮子锁存时间长度，最佳释放的时间点不易于准确估计。

预测控制应用于波浪能发电装置时，对数学模型的依赖性比较强，建模的误差会对实际的控制效果产生影响，而且PMLG(直线发电机)的运动学并没有被考虑进去，最终的控制输入只是在反电磁力的层面。扰动观察法应用于波浪能发电装置步长不易于选取，步长太大易在最大功率点附近产生振荡，步长太小又会造成到达速度过慢，影响系统动态性能。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种基于弹簧共振辅助的直驱式波浪能发电最大波能精准跟踪控制方法。本发明主要用于提升直驱式波浪能发电最大波能精准跟踪控制，针对直驱式波浪能发电装置(DWEC)设计一种新型弹簧共振辅助系统机械装置。基于机械辅助系统结合直线发电机(PMLG)动力学模型建立了控制模型，在此基础上提出一种混合有限时间跟踪控制(SR-HFTC)策略。首先，针对海洋复杂环境对发电过程的影响，采用有限时间扰动观测器(FDO)快速补偿环境扰动。针对电机控制系统，分别设计d轴电流有限时间规则器和基于FDO的非奇异终端滑模(FDO-NTSM)q轴电流控制器，以准确的实现复杂环境下DWEC浮标与波浪共振，达到最大波能跟踪。仿真研究和综合比较表明，所提出的SR-HFTC策略在存在扰动和弹簧共振辅助系统的情况下具有显著的快速适应性和精确的最大波能跟踪性能。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于弹簧共振辅助的直驱式波浪能发电最大波能精准跟踪控制方法，包括如下步骤：

S1、构建直驱式波浪能发电装置的数学模型；

S2、设计混合有限时间跟踪控制策略；

S3、对设计的混合有限时间跟踪控制策略进行稳定性分析。

进一步地，所述步骤S1的具体实现方法如下：

假设直驱式波浪能发电装置始终在垂直方向上运行，在波浪的驱动下，永磁体和线圈产生相对运动，将波浪机械能转换为电能，则直驱式波浪能发电装置的运动学方程为：