技术领域
[0001] 本
发明涉及海浪发电的技术领域，尤其涉及到一种提高海浪能捕获效率的方法。
背景技术
[0002] 海洋
波浪能是一种无污染可再生清洁新
能源，分布范围广、
能量密度高，相关研究不断取得新成果。资料表明，海浪能资源估值最高可达80000TW，约为2013年全球发电量的3.4倍，开发利用海浪能资源，是提高
可再生能源发电总量新途径。波浪发电装置(WEC)目前主要有点吸式、振荡
水柱式、水
阀式和直驱式等，直驱式波浪发电装置采用永磁直线
电机，其振荡浮子与电机动子直接耦合，无中间机械转换装置，波浪能转换效率提高。
[0003] 类似于其它种类新能源，如何有效提高海浪能捕获效率，仍是波浪发电的关键技术。对于直驱式波浪发电装置，当其浮子运动
频率和波浪频率相同，波浪
力与浮子速度同相，发电装置会发生共振，波能捕获效率最大。在海况较平稳条件下，由于发电装置的
质量及几何机械结构几乎固定不变，其频率亦不会发生太大变化。机侧变流器控制的关键是通过控制发电机电磁力，改变振荡浮子速度幅值及
相位，调整发电装置频率与波浪频率匹配，实现共振。
[0004] 因此，如何提供一种能够有效预测波浪频率以及改善参考
电流的
跟踪效果的方案，提高海浪能捕获效率，是当前需要解决的问题。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于克服
现有技术的不足，根据海浪入射波
信号，引入无迹卡尔曼滤波
算法(Unscented Kalman Filter,UKF)预估波浪激振力的主频率，用于计算波浪能最优功率捕获下的参考电流，利用自适应快速终端滑模控制实时跟踪最优电流，实现不规则入射波的海况下的自适应最优控制，从而提高海浪能捕获效率。
[0006] 为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：
[0007] 一种提高海浪能捕获效率的方法，包括以下步骤：
[0008] S1：波浪发电装置实时捕获波浪频率、波高信息；
[0009] S2：根据波高、频率信息，利用UKF算法预估波浪主频率；
[0010] S3：将步骤S2得到的预估结果送入功率优化模
块，计算参考电流，并设计自适应快速终端滑模
控制器，利用自适应快速终端滑模控制器跟踪参考电流；
[0011] S4：通过SVPWM控制机侧变流器，实现对直驱式波浪发电装置的控制，提高波浪能的捕获效率。
[0012] 进一步地，所述步骤S2根据波高、频率信息，利用UKF算法预估波浪主频率的具体过程如下：
[0013] 将不规则波浪看作为无数个规则波的
叠加，得到波浪激励力的数学模型：
[0014] fd(t)＝A(t)sin(ω(t)t+φ(t))+μ(t)； (1)
[0015] 式(1)仲，fd(t)为在t时刻的波浪激励力；A(t)、ω(t)、Ф(t)为主频率下的时变参数，分别表示波浪力的幅值、
角频率和相位；μ(t)为零均值随机噪声，表示其他谐波下的波浪激励力；
[0016] 设定
采样时间为Ts，采样数为k，系统状态变量为：
[0017]
[0018] 利用式(2)，以递归形式得到系统
状态方程，为此假定波浪力初始的幅值、角频率和初相位为常数，通过和差化积三角函数关系，可得系统状态转移矩阵Ax：
[0019]
[0020] 假设海况变化不大，结合式(2)、(3)，可得系统
状态空间模型：
[0021] x(k)＝Axx(k-1)+q(k-1) (4)
[0022] 式(4)中，过程噪声q(k-1)考虑了不规则波浪中A(k)、ω(k)、Ф(k)时变性质，模拟波浪力状态的不确定性；
[0023] 将式(1)作为系统的观测方程：
[0024] y(k)＝Cx(k)+μ(k) (5)
[0025] 其中矩阵C为：
[0026] C＝[1 0 0] (6)
[0027] 式(5)中，μ(k)为输出方程的观测误差，作为其他谐波下激励力信号；结合式(4)、(5)，所提非线性系统可表示为：
[0028]
[0029] 通
过采样点信息，利用UKF算法预估所建系统模型状态；依靠算法优势可得波浪激励力主频率和幅值的预估值：
[0030]
[0031] 进一步地，所述步骤S3中，将步骤S2得到的预估结果送入功率优化模块，计算参考电流的具体过程如下：
[0032] 首先对波浪发电装置进行水动力分析和最大功率捕获分析：
[0033] 假设圆柱体浮子在理想
流体中做垂荡运动，x-y平面与静水面重合，以浮子轴线为z轴，建立两两垂直
坐标系，入射波从x轴方向产生的速度势为：
[0034]
[0035] 式(9)中，g为重力
加速度，H为波高，z为浮子
重心到静水面的距离，
波数k(ω)＝ω2/g，d为水深，ω为波浪角频率，速度势可分为两部分，φr为由浮体运动产生的
辐射势，φω为波浪自由运动产生的入射势；
[0036] 利用波浪运动浮子边界条件，根据格林第二定理可求得浮体受到的波浪激励力：
[0037]
[0038] 式(10)中，Fd为波浪激励力，ρ为水的密度，s为浮体浸没表面积，为浮体单位法线矢量在z轴上的投影；
[0039] 在辐射势φr作用下，垂直方向圆柱形浮子产生的辐射力为：
[0040]
[0041] 式(11)中，Fr为辐射力， 为浮子加速度， 为浮子速度，A(ω)、Brad(ω)为辐射力作用下浮体产生的附加质量和辐射阻尼，对A(ω)、Brad(ω)进行数值求解，其表达式为：
[0042]
[0043] 假设无海浪海况下，圆柱形浮子处于平衡状态，静
浮力与浮子位移正相关，表示为：
[0044] Fh＝-ρgS0x(t)＝-Ksx(t) (13)
[0045] 式(13)中，Fh为静浮力，S0为圆柱面水线截面积，等效弹性系数Ks＝ρgS0；
[0046] 由式(10)-(13)可知，圆柱形浮子所受的水动力为：
[0047] Fwave＝Fd+Fr+Fh (14)
[0048] 根据
牛顿力学，结合式(9)～(14)分析浮子垂荡运动的受力情况：
[0049]
[0050] 式(15)中，M为浮子质量，Fg(t)为直线电机反电磁力，Fv(t)为流体粘滞力，Ff(t)为
摩擦力；
[0051] 提高系统输出功率，需要直线电机提供适当的反电磁力Fg(t)，控制波能捕获装置的运动，使捕获装置频率与波浪频率相匹配；
[0052] Fg(t)的表达式为：
[0053]
[0054] 式(16)中，x(t)为浮子位移；Bg、Kg为直线电机控制参数，分别表示波浪发电系统吸收的有功和无功分量；
[0055] 海洋入射波频率会影响波浪发电系统系统输出功率，将式(11)、(13)代入(15)中，并对其进行傅里叶变换，通过频域分析浮子的响应情况，其动力学方程如下：
[0056]
[0057] 式(17)与二阶RLC
电路方程的相量形式相似，利用电路原理模拟波浪发电系统动力学方程；式(17)中，浮子速度 等效于电流Iv，激励力Fd(jω)和反电磁力Fg(jω)分别等效于电源
电压和负载电压；由最大传输理论可知，当系统发生谐振时，负载获得功率最大，即波浪发电系统输出功率最优；
[0058] 假设永磁直线电机
磁场线性，忽略波浪发电装置内部的电磁损耗，波浪发电系统吸收瞬时功率和
平均功率表示为：
[0059]
[0060] 式(18)中，复功率
实部表示系统吸收平均功率，联立式(17)、(18)，可得波浪发电装置平均输出功率：
[0061]
[0062] 浮子质量M与等效弹性系数Ks属于直驱式波浪发电装置的自身物理特性参数，装置固定安装后参数则为定值；当海况较为平稳时，可近似认为波浪频率ω不变，式(10)～(12)表明，Fwave、A、Brad可作为常数处理；由式(19)可知，可通过调整电磁力控制参数Bg、Kg，控制波浪发电系统输出平均功率；面对海况发生变化情况，采用群智能
优化算法，对不同周期下的直驱式波浪发电系统进行参数计算，快速求得全局最优电磁力，控制发电装置并使系统发生共振，使得波浪能捕获效率η达到最大值：
[0063]
[0064] 在规则波激励的波浪发电系统中，浮子作为捕获波浪能的运动部件，其吸收波浪能的效率决定了整个系统的输出效率；根据线性波理论，由
弹簧和质量块构成的振荡结构，可等效为波浪驱动的负载，结合式(16)，可得负载表达式为：
[0065]
[0066] 负载是否处于最佳状态很大程度决定了捕获装置的效率，当等效电路发生
串联谐振呈
电阻性时，波浪发电系统处于最优负载状态：
[0067]
[0068] 由式(19)和(22)可知，利用群智能算法寻求最优负载的控制参数Bgopt、Kgopt，通过等效结构产生反电磁力，改变浮子运动的幅值及相位，使波浪发电装置接近共振状态，实现波浪发电系统的最大功率跟踪；
[0069] 永磁直线电机动子随浮子做往复运动，速度和频率一直变化，
定子侧感应的电压相序因此也不相同；为建立不同方向下电机数学模型，定义动子向上运动的速度为正v>0，向下为负v<0；假设为理想直线电机：不考虑
温度影响，不计
磁滞和
涡流损耗，忽略漏感和
铁芯饱和；直线电机dq轴下统一的数学模型为：
[0070]
[0071] 式(23)中，R为定子电阻，id、iq、Ld、Lq、Xd、Xq为定子dq轴电流、电感和同步电抗，ω为定子电
角速度，ψf为
永磁体磁链，同步电抗和角速度分别表示为：
[0072]
[0073]
[0074] 式(25)中，τ为电机极距；
[0075] 电机电磁力表示为：
[0076]
[0077] 电机电磁力由定子d、q轴电流控制，为减小转矩脉动，提高控制效率，采用磁场定向控制，令id＝0，反电磁力由iq决定，有：
[0078]
[0079] 由电路最大传输定律可知，发生谐振时，负载吸收功率最大，结合最大功率捕获条件(22)可得，谐振频率为：
[0080]
[0081] 由式(16)、(22)和(27)可得参考电流
[0082]
[0083] 进一步地，所述步骤S3中，自适应快速终端滑模控制器的设计主要分为切换函数和滑模控制律设计，切换函数用于提高系统动态性能和滑模渐进
稳定性，滑模控制律则加入切换鲁棒项，提高抗扰能力并使系统具备能达性；
[0084] 具体过程如下：
[0085] 定子电流状态方程为：
[0086]
[0087] 选取分数阶滑模面函数为滑模切换面函数，定义定子交直轴电流误差项：
[0088]
[0089] 分数阶滑模面函数为：
[0090]
[0091] 式(32)中，电流误差项ed、eq为状态变量，kα1、kα2、kβ1、kβ2为正数，p、q为正奇数并且p>q；当系统状态离切换函数较远时， 决定收敛时间；反之，kα1ed、kα2ed决定收敛时间并使得两者距离呈指数衰减；
[0092] 当系统受到干扰，为保证系统状态在滑模面运行并保证控制品质，选用指数式切换项：
[0093]
[0094] 式(33)中，ε为严格正实数；
[0095] 滑模控制律分为两部分：等效控制项ueq和切换鲁棒控制项usw，控制律表示为：
[0096] u＝ueq+usw (34)
[0097] 由式(32)、(33)可得
[0098]
[0099] 将式(33)代入式(35)，可得d、q轴控制器滑模控制律：
[0100]
[0101] 式(36)中，d、q轴控制律有两部分，等效控制项udeq、uqeq：
[0102]
[0103] 以及切换鲁棒控制项udsw、uqsw：
[0104]
[0105] 在鲁棒控制项udsw、uqsw的
基础上，引入自适应控制律σ(e,t)，预估扰动项，达到实时补偿目的：
[0106]
[0107] 式(39)中，ρ、ν为自适应律的增益参数，通过动态估计扰动项，减小
开关控制量增益，提高系统鲁棒性。
[0108] 与现有技术相比，本方案原理和优点如下：
[0109] 在波浪周期变化或含未知扰动海浪环境下，传统电流环控制器存在鲁棒性不足、跟踪效果下降问题，导致捕获功率下降。本方案根据海浪入射波信号，引入无迹卡尔曼滤波算法(Unscented Kalman Filter,UKF)预估波浪激振力的主频率，用于计算波浪能最优功率捕获下的参考电流，利用解耦滑模控制实时跟踪最优电流，实现不规则入射波的海况下的自适应最优控制。对比传统PI控制和积分滑模控制，利用解耦滑模控制跟踪参考电流的效果更好，能有效地提高系统鲁棒性及波浪能捕获效率。
附图说明
[0110] 图1为波浪发电系统的控制原理图；
[0111] 图2为本发明一种提高海浪能捕获效率的方法的工作
流程图；
[0112] 图3为波浪发电装置等效电路图；
具体实施方式
[0114] 下面结合具体
实施例对本发明作进一步说明：
[0115] 基于图1所示的波浪发电系统的控制原理，本实施例所述的一种提高海浪能捕获效率的方法如图2所示，具体包括以下步骤：
[0116] S1：波浪发电装置实时捕获波浪频率、波高信息；
[0117] S2：根据波高、频率信息，利用UKF算法预估波浪主频率，具体过程如下：
[0118] 将不规则波浪看作为无数个规则波的叠加，得到波浪激励力的数学模型：
[0119] fd(t)＝A(t)sin(ω(t)t+φ(t))+μ(t)； (1)
[0120] 式(1)仲，fd(t)为在t时刻的波浪激励力；A(t)、ω(t)、Ф(t)为主频率下的时变参数，分别表示波浪力的幅值、角频率和相位；μ(t)为零均值随机噪声，表示其他谐波下的波浪激励力；
[0121] 设定采样时间为Ts，采样数为k，系统状态变量为：
[0122]
[0123] 利用式(2)，以递归形式得到系统状态方程，为此假定波浪力初始的幅值、角频率和初相位为常数，通过和差化积三角函数关系，可得系统状态转移矩阵Ax：
[0124]
[0125] 假设海况变化不大，结合式(2)、(3)，可得系统状态空间模型：
[0126] x(k)＝Axx(k-1)+q(k-1) (4)
[0127] 式(4)中，过程噪声q(k-1)考虑了不规则波浪中A(k)、ω(k)、Ф(k)时变性质，模拟波浪力状态的不确定性；
[0128] 将式(1)作为系统的观测方程：
[0129] y(k)＝Cx(k)+μ(k) (5)
[0130] 其中矩阵C为：
[0131] C＝[1 0 0] (6)
[0132] 式(5)中，μ(k)为输出方程的观测误差，作为其他谐波下激励力信号；结合式(4)、(5)，所提非线性系统可表示为：
[0133]
[0134] 通过采样点信息，利用UKF算法预估所建系统模型状态；依靠算法优势可得波浪激励力主频率和幅值的预估值：
[0135]
[0136] S3：将步骤S2得到的预估结果送入功率优化模块，计算参考电流，并设计自适应快速终端滑模控制器，利用自适应快速终端滑模控制器跟踪参考电流；
[0137] 其中，计算参考电流的具体过程如下：
[0138] 首先对波浪发电装置进行水动力分析和最大功率捕获分析：
[0139] 假设圆柱体浮子在理想流体中做垂荡运动，x-y平面与静水面重合，以浮子轴线为z轴，建立两两垂直坐标系，入射波从x轴方向产生的速度势为：
[0140]
[0141] 式(9)中，g为
重力加速度，H为波高，z为浮子重心到静水面的距离，波数k(ω)＝ω2/g，d为水深，ω为波浪角频率，速度势可分为两部分，φr为由浮体运动产生的辐射势，φω为波浪自由运动产生的入射势；
[0142] 利用波浪运动浮子边界条件，根据格林第二定理可求得浮体受到的波浪激励力：
[0143]
[0144] 式(10)中，Fd为波浪激励力，ρ为水的密度，s为浮体浸没表面积，为浮体单位法线矢量在z轴上的投影；
[0145] 在辐射势φr作用下，垂直方向圆柱形浮子产生的辐射力为：
[0146]
[0147] 式(11)中，Fr为辐射力， 为浮子加速度， 为浮子速度，A(ω)、Brad(ω)为辐射力作用下浮体产生的附加质量和辐射阻尼，对A(ω)、Brad(ω)进行数值求解，其表达式为：
[0148]
[0149] 假设无海浪海况下，圆柱形浮子处于平衡状态，静浮力与浮子位移正相关，表示为：
[0150] Fh＝-ρgS0x(t)＝-Ksx(t) (13)
[0151] 式(13)中，Fh为静浮力，S0为圆柱面水线截面积，等效弹性系数Ks＝ρgS0；
[0152] 由式(10)-(13)可知，圆柱形浮子所受的水动力为：
[0153] Fwave＝Fd+Fr+Fh (14)
[0154] 根据牛顿力学，结合式(9)～(14)分析浮子垂荡运动的受力情况：
[0155]
[0156] 式(15)中，M为浮子质量，Fg(t)为直线电机反电磁力，Fv(t)为流体粘滞力，Ff(t)为摩擦力；
[0157] 提高系统输出功率，需要直线电机提供适当的反电磁力Fg(t)，控制波能捕获装置的运动，使捕获装置频率与波浪频率相匹配；
[0158] Fg(t)的表达式为：
[0159]
[0160] 式(16)中，x(t)为浮子位移；Bg、Kg为直线电机控制参数，分别表示波浪发电系统吸收的有功和无功分量；
[0161] 海洋入射波频率会影响波浪发电系统系统输出功率，将式(11)、(13)代入(15)中，并对其进行傅里叶变换，通过频域分析浮子的响应情况，其动力学方程如下：
[0162]
[0163] 式(17)与二阶RLC电路方程的相量形式相似，利用电路原理模拟波浪发电系统动力学方程，其等效电路如图3所示；
[0164] 式(17)中，浮子速度 等效于电流Iv，激励力Fd(jω)和反电磁力Fg(jω)分别等效于
电源电压和负载电压；由最大传输理论可知，当系统发生谐振时，负载获得功率最大，即波浪发电系统输出功率最优；
[0165] 假设永磁直线电机磁场线性，忽略波浪发电装置内部的电磁损耗，波浪发电系统吸收瞬时功率和平均功率表示为：
[0166]
[0167] 式(18)中，复功率实部表示系统吸收平均功率，联立式(11)、(12)，可得波浪发电装置平均输出功率：
[0168]
[0169] 浮子质量M与等效弹性系数Ks属于直驱式波浪发电装置的自身物理特性参数，装置固定安装后参数则为定值；当海况较为平稳时，可近似认为波浪频率ω不变，式(10)～(12)表明，Fwave、A、Brad可作为常数处理；由式(19)可知，可通过调整电磁力控制参数Bg、Kg，控制波浪发电系统输出平均功率；面对海况发生变化情况，采用群智能优化算法，对不同周期下的直驱式波浪发电系统进行参数计算，快速求得全局最优电磁力，控制发电装置并使系统发生共振，使得波浪能捕获效率η达到最大值：
[0170]
[0171] 在规则波激励的波浪发电系统中，浮子作为捕获波浪能的运动部件，其吸收波浪能的效率决定了整个系统的输出效率；根据线性波理论，由弹簧和质量块构成的振荡结构，可等效为波浪驱动的负载，结合式(16)，可得负载表达式为：
[0172]
[0173] 负载是否处于最佳状态很大程度决定了捕获装置的效率，当等效电路发生串联谐振呈电阻性时，波浪发电系统处于最优负载状态：
[0174]
[0175] 由式(19)和(22)可知，利用群智能算法寻求最优负载的控制参数Bgopt、Kgopt，通过等效结构产生反电磁力，改变浮子运动的幅值及相位，使波浪发电装置接近共振状态，实现波浪发电系统的最大功率跟踪；
[0176] 永磁直线电机动子随浮子做往复运动，速度和频率一直变化，定子侧感应的电压相序因此也不相同；为建立不同方向下电机数学模型，定义动子向上运动的速度为正v>0，向下为负v<0；假设为理想直线电机：不考虑温度影响，不计磁滞和涡流损耗，忽略漏感和铁芯饱和；直线电机dq轴下统一的数学模型为：
[0177]
[0178] 式(23)中，R为定子电阻，id、iq、Ld、Lq、Xd、Xq为定子dq轴电流、电感和同步电抗，ω为定子电角速度，ψf为永磁体磁链，同步电抗和角速度分别表示为：
[0179]
[0180]
[0181] 式(25)中，τ为电机极距；
[0182] 电机电磁力表示为：
[0183]
[0184] 电机电磁力由定子d、q轴电流控制，为减小转矩脉动，提高控制效率，采用磁场定向控制，令id＝0，反电磁力由iq决定，有：
[0185]
[0186] 由电路最大传输定律可知，发生谐振时，负载吸收功率最大，结合最大功率捕获条件(22)可得，谐振频率为：
[0187]
[0188] 由式(16)、(22)和(27)可得参考电流
[0189]
[0190] 计算出参考电流 后，设计自适应快速终端滑模控制器，利用自适应快速终端滑模控制器跟踪参考电流；
[0191] 自适应快速终端滑模控制器的设计主要分为切换函数和滑模控制律设计，切换函数用于提高系统动态性能和滑模渐进稳定性，滑模控制律则加入切换鲁棒项，提高抗扰能力并使系统具备能达性，具体过程如下：
[0192] 定子电流状态方程为：
[0193]
[0194] 选取分数阶滑模面函数为滑模切换面函数，定义定子交直轴电流误差项：
[0195]
[0196] 分数阶滑模面函数为：
[0197]
[0198] 式(32)中，电流误差项ed、eq为状态变量，kα1、kα2、kβ1、kβ2为正数，p、q为正奇数并且p>q；当系统状态离切换函数较远时， 决定收敛时间；反之，kα1ed、kα2ed决定收敛时间并使得两者距离呈指数衰减；
[0199] 当系统受到干扰，为保证系统状态在滑模面运行并保证控制品质，选用指数式切换项：
[0200]
[0201] 式(33)中，ε为严格正实数；
[0202] 滑模控制律分为两部分：等效控制项ueq和切换鲁棒控制项usw，控制律表示为：
[0203] u＝ueq+usw (34)
[0204] 由式(32)、(33)可得
[0205]
[0206] 将式(30)代入式(35)，可得d、q轴控制器滑模控制律：
[0207]
[0208] 式(36)中，d、q轴控制律有两部分，等效控制项udeq、uqeq：
[0209]
[0210] 以及切换鲁棒控制项udsw、uqsw：
[0211]
[0212] 在鲁棒控制项udsw、uqsw的基础上，引入自适应控制律σ(e,t)，预估扰动项，达到实时补偿目的：
[0213]
[0214] 式(39)中，ρ、ν为自适应律的增益参数，通过动态估计扰动项，减小开关控制量增益，提高系统鲁棒性。
[0215] S4：通过SVPWM控制机侧变流器，实现对直驱式波浪发电装置的控制，提高波浪能的捕获效率。
[0216] 具体地，机侧变流器的控制模型如图4所示。上述中，由功率优化算法在线计算参考电流，利用解耦滑模控制器跟踪参考电流，输出的d、q轴等效电压SVPWM输入，控制机侧变流器改变直线电机定子电流，即利用参考电流产生的定子磁场影响动子，改变动子运动频率，匹配波浪频率。
[0217] 本实施例根据海浪入射波信号，引入无迹卡尔曼滤波算法预估波浪激振力的主频率，用于计算波浪能最优功率捕获下的参考电流，利用解耦滑模控制实时跟踪最优电流，实现不规则入射波的海况下的自适应最优控制，从而提高海浪能捕获效率。
[0218] 以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。
