一种终端等式约束的经济模型预测最大波能捕获方法

技术领域

本发明涉及新能源应用技术领域，具体而言，尤其涉及一种终端等式约束的经济模型预测最大波能捕获方法。

背景技术

基于终端等式约束的经济模型预测控制作为一种最大波能捕获控制算法，目前还未广泛应用在新能源领域。经济模型预测控制应用于单个点吸收式波浪发电系统时考虑了能量传输系统机械极限的约束，基于波况实时预测滚动优化当前控制动作以追踪浮体的最优速度，具有较强的鲁棒性，仿真结果也更接近于实际的控制效果。然而波浪能发电的关键技术就是提高波浪发电系统的功率捕获和能量转换效率，要想实现波浪能的最大波能捕获，需使波能转换系统的运动频率与海浪的运动频率相等，即达到共振来实现波浪能的最大波能捕获。考虑到直线发电机的特性和波能转换系统的动力学模型，通过经济模型预测控制捕获到最优电磁力参考值经过电机控制，改变波能转换系统的运动频率，使整个系统达到共振。

由于海浪的频率幅值不稳定，实际海况比较复杂，以及现有技术的不足，波浪能最大波能捕获技术的发展并不理想，不能有效并实时的实现最大波能的捕获。无法对波浪垂直速度进行实时跟踪并在线反馈给直线发电机，并实时改变直线发电机的运行状态。

发明内容

根据上述提出海浪变频变幅值时无法实时跟踪最大功率的技术问题，而提供一种终端等式约束的经济模型预测最大波能捕获方法。本发明主要采用经济模型预测控制策略，通过对海浪条件进行实时预测，达到波浪能的最大功率跟踪，大大提高了能量的转换效率，填补了海上能量转换领域效率低的发展不足。

本发明采用的技术手段如下：

一种终端等式约束的经济模型预测最大波能捕获方法，包括：

S1、构建直驱式波浪能发电系统的动力学模型；

S2、基于构建的动力学模型，采用经济模型预测控制方法，实现对海浪条件的实时预测，达到波浪能的最大功率跟踪。

进一步地，所述步骤S1具体包括：

S11、考虑波浪力对于浮子垂直方向上的力，将波能转换装置等效为由弹簧和质量块构成的振动结构，将其转化为以弹簧变形弹性势能和质量块运动动能的机械能形式，根据牛顿第二定律，直驱式波浪能发电装置的动力学方程为：

上式中，f

f

上式中，k

S12、分析波与浮子的相互作用，计算出辐射函数，卷积积分项为以下等式：

上式中，A

S13、联立上述公式(1)-(5)，则直驱式波浪能发电系统的表达式表示为：

上式中，

S14、基于采样时间T

x(k+1)＝A

y(k)＝C

其中，A

S15、经过坐标变化换后，通过以下方式表示永磁直线发电机的三相电：

其中，i

S16、通过以下方式表示电磁力f

其中，L

S17、从海浪中提取功率，如下所示：

P

S18、在采样时间T

E(t)＝-T

S19、直驱式波浪能发电系统的经济阶段成本函数，如下所示：

l

进一步地，所述步骤S2具体包括：

S21、直接采用经济指数作为目标函数，并回归到单层MPC控制，考虑以下经济指标：

上式中，N

S22、基于永磁直线电机设计的局限性，直驱式波浪能发电系统受输入约束的约束，表示为：

|a|＝|x

上式中，a

S23、另一个约束表示为：

|f

其中，u

S24、基于上述步骤S21-S23，经济模型预测控制方法表示为：

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的终端等式约束的经济模型预测最大波能捕获方法，采用经济模型预测策略，脱离了原有的双层MPC体系，直接采用一个经济指标作为目标函数，简化了繁琐的计算步骤，更加简明扼要。

2、本发明提供的终端等式约束的经济模型预测最大波能捕获方法，与其他捕获策略相比，可以将电机位移的限制考虑在控制策略之中，解决了当捕获到的最优功率在实际应用中无法实现的问题。

3、本发明提供的终端等式约束的经济模型预测最大波能捕获方法，采用的经济模型预测控制方法能完成最大波能跟踪，提高了系统的鲁棒性，在捕获能量方面，明显优于传统控制，在最大波能捕捉方面优势明显。

基于上述理由本发明可在新能源应用等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明终端等式约束的经济模型预测最大波能捕获方法流程图。

图2为本发明实施例提供的波浪能发电系统结构框图。

图3为本发明实施例提供的直驱式波浪能发电装置结构图。

图4为本发明实施例提供的直驱式波浪能发电系统工作流程图。

图5为本发明实施例提供的不同预测步长下的捕获能量对比图。

图6为本发明实施例提供的经济模型预测与普通模型预测能量捕获情况对比图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图1所示，本发明提供了一种终端等式约束的经济模型预测最大波能捕获方法，包括：

S1、构建直驱式波浪能发电系统的动力学模型；

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S1具体包括：

S11、考虑波浪力对于浮子垂直方向上的力，将波能转换装置等效为由弹簧和质量块构成的振动结构，将其转化为以弹簧变形弹性势能和质量块运动动能的机械能形式，根据牛顿第二定律，直驱式波浪能发电装置的动力学方程为：

上式中，f

f

上式中，，k

S12、分析波与浮子的相互作用，计算出辐射函数，卷积积分项为以下等式：

上式中，A

S13、联立上述公式(1)-(5)，则直驱式波浪能发电系统的表达式表示为：

上式中，

S14、基于采样时间T

x(k+1)＝A

y(k)＝C

其中，A

S15、经过坐标变化换后，通过以下方式表示永磁直线发电机的三相电：

其中，i

S16、通过以下方式表示电磁力f

其中，L

S17、从海浪中提取功率，如下所示：

P

S18、在采样时间T

E(t)＝-T

S19、直驱式波浪能发电系统的经济阶段成本函数，如下所示：

l

S2、基于构建的动力学模型，采用经济模型预测控制方法，实现对海浪条件的实时预测，达到波浪能的最大功率跟踪。

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S2具体包括：

S21、直接采用经济指数作为目标函数，并回归到单层MPC控制，考虑以下经济指标：

上式中，上式中，N

S22、基于永磁直线电机设计的局限性，直驱式波浪能发电系统受输入约束的约束，表示为：

|a|＝|x

上式中，a

S23、另一个约束表示为：

|f

其中，u

S24、基于上述步骤S21-S23，经济模型预测控制方法表示为：

具体实施时，作为本发明优选的实施方式，本发明设计了基于反步滑模法的最大波能捕获装置，如图2-4所示，分析了直驱式波浪能发电系统的工作原理。研究了波能捕获装置、永磁直线发电机的结构及数学模型。依据波浪入射频率和幅值，构造系统最优功率输出条件，采用id＝0的解耦方法，得到d-q轴最优参考电流，通过滑模变结构控制跟踪最优参考电流，如图5-6所示，仿真结果显示反步滑模控制策略与传统的PID控制策略相比解决了海浪变频变幅值时无法实时跟踪最大功率的问题。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。