一种基于海浪发电系统的参考电流跟踪方法与流程

本发明涉及海浪发电的技术领域，尤其涉及到一种基于海浪发电系统的参考电流跟踪方法。

背景技术：

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。

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。

因此，如何提供一种能够有效改善参考电流的跟踪效果的电流控制方案，实现直驱式波浪发电装置始终处于最优工况下是当前需要解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，在传统的滑模变结构控制基础上，引入分数阶滑模面函数，提出了加入鲁棒控制优化的电流控制方案，有效解决由于海浪力波动以及参数扰动所引起的功率跟踪效果下降的问题。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：

一种基于海浪发电系统的参考电流跟踪方法，包括以下步骤：

s1：波浪发电装置实时捕获波浪频率、波高信息；

s2：根据波高、频率信息，利用智能优化算法在线计算最优q轴电流；

s3：引入分数阶滑模面函数，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，减小电流跟踪误差。

进一步地，所述步骤s2利用智能优化算法在线计算最优q轴电流的具体过程如下：

依照牛顿力学，单自由度浮子受力平衡关系：

式(1)中，fd为海浪压力作用在浮子的垂直分量，称为激励力；fg为直线电机产生的反电磁力，fr为辐射力，m为浮子质量，ω为波浪频率；

假设无海浪的海况下，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：

fh＝-ρgsx(ω)＝-ksx(ω)(2)

式(2)中，ρ为海水密度，g为重力加速度，s为圆柱面横截面积，等效弹性系数ks＝ρgs；

当海浪入射波为规则波时，辐射力与浮子速度和加速度呈线性关系，表示为：

式(3)中，a为附加质量，bω为辐射阻尼系数；

fd为入射波和辐射波相互作用在浮子上产生的压力变量，表达式为：

fd＝-ρgskp(ω,h,d)c(ω)(4)

式中，h为海面深度，d为浮子到海平面的距离，c为海浪峰值，kp为浮子的压力系数，与波浪频率、波高和深度有关：

式(5)中，k(ω)是波浪数；

结合式(1-5)可得，波浪发电装置的水动力方程为：

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：

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：

式(9)中，τ为电机极距，直线电机电磁力表示为：

直线电机电磁力由定子d、q轴电流控制，为减小转矩脉动，提高控制效率，采用磁场定向控制方案，令id＝0，反电磁力由iq决定，有：

当激励力频率与波浪发电装置的自然频率相匹配时，产生共振现象，捕获最大波浪能；控制直线电机的反电磁力，可改变动子运动的幅值和相位，使波浪捕获装置接近共振状态，提高捕获效率；

在规则波激励的波浪发电系统中，由弹簧和质量块构成的振荡结构等效为波浪力驱动的负载，由等效结构产生的力等于定子切割磁力线的反电磁力，可由浮子的素的和位移线性表示：

式(12)中，bg、kg为直线电机阻尼系数和弹性系数；

结合动力简化模型：

式(13)中，ω为等效电路频率，式(13)为典型二阶线性微分方程，激励力fd相当于激励，反电磁力fg相当于响应，可等效为rlc串联电路；

由电路最大传输定律可知，发生谐振时，负载吸收功率最大，即直线电机捕获功率最大，故最大功率捕获条件为：

bg＝bω(14)

谐振频率为：

由上式(11)、(12)、(14)、(15)，可得参考电流

式(17)中，ω0为定子电角速度，x为浮子位移，为浮子速度

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；

具体过程如下：

定子电流状态方程为：

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：

分数阶滑模面函数为：

式(20)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；

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：

式(21)中，ε为严格正实数；

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：

u＝ueq+usw(22)

由式(20)、(21)可得

将式(18)代入式(23)，可得d、q轴控制器滑模控制律：

式(24)中，d、q轴控制律有两部分，等效控制项udeq、uqeq：

以及切换鲁棒控制项udsw、uqsw：

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：

式(27)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。

与现有技术相比，本方案原理和优点如下：

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。为改善跟踪效果，本方案基于滑模控制，引入自适应控制律，设计自适应快速终端滑模电流控制器，对比传统pi控制和积分滑模控制，利用自适应快速终端滑模控制器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

图1为本发明一种基于海浪发电系统的参考电流跟踪方法的工作流程图；

图2为波浪发电装置等效电路图；

图3为自然状态下和快速终端滑模控制下的捕获功率曲线对比图；

图4为pi控制、积分滑模控制以及自适应快速终端滑模控制的电流误差对比图；

图5为pi控制器、积分滑模控制器以及自适应快速终端滑模控制器的捕获功率对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示，本实施例所述的一种基于海浪发电系统的参考电流跟踪方法，包括以下步骤：

s1：波浪发电装置实时捕获波浪频率、波高信息；

s2：根据波高、频率信息，利用智能优化算法在线计算最优q轴电流；本步骤的具体过程如下：

依照牛顿力学，单自由度浮子受力平衡关系：

式(1)中，fd为海浪压力作用在浮子的垂直分量，称为激励力；fg为直线电机产生的反电磁力，fr为辐射力，m为浮子质量，ω为波浪频率；

假设无海浪的海况下，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：

fh＝-ρgsx(ω)＝-ksx(ω)(2)

式(2)中，ρ为海水密度，g为重力加速度，s为圆柱面横截面积，等效弹性系数ks＝ρgs；

当海浪入射波为规则波时，辐射力与浮子速度和加速度呈线性关系，表示为：

式(3)中，a为附加质量，bω为辐射阻尼系数；

fd为入射波和辐射波相互作用在浮子上产生的压力变量，表达式为：

fd＝-ρgskp(ω,h,d)c(ω)(4)

式中，h为海面深度，d为浮子到海平面的距离，c为海浪峰值，kp为浮子的压力系数，与波浪频率、波高和深度有关：

式(5)中，k(ω)是波浪数；

结合式(1-5)可得，波浪发电装置的水动力方程为：

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：

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：

式(9)中，τ为电机极距，直线电机电磁力表示为：

直线电机电磁力由定子d、q轴电流控制，为减小转矩脉动，提高控制效率，采用磁场定向控制方案，令id＝0，反电磁力由iq决定，有：

当激励力频率与波浪发电装置的自然频率相匹配时，产生共振现象，捕获最大波浪能；控制直线电机的反电磁力，可改变动子运动的幅值和相位，使波浪捕获装置接近共振状态，提高捕获效率；

在规则波激励的波浪发电系统中，由弹簧和质量块构成的振荡结构等效为波浪力驱动的负载，由等效结构产生的力等于定子切割磁力线的反电磁力，可由浮子的素的和位移线性表示：

式(12)中，bg、kg为直线电机阻尼系数和弹性系数；

结合动力简化模型：

式(13)中，ω为等效电路频率，式(13)为典型二阶线性微分方程，激励力fd相当于激励，反电磁力fg相当于响应，可等效为rlc串联电路，等效电路如图2所示；

由电路最大传输定律可知，发生谐振时，负载吸收功率最大，即直线电机捕获功率最大，故最大功率捕获条件为：

bg＝bω(14)

谐振频率为：

由上式(11)、(12)、(14)、(15)，可得参考电流

式(17)中，ω0为定子电角速度，x为浮子位移，为浮子速度。

s3：引入分数阶滑模面函数，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，减小电流跟踪误差；而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：

定子电流状态方程为：

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：

分数阶滑模面函数为：

式(20)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；

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：

式(21)中，ε为严格正实数；

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：

u＝ueq+usw(22)

由式(20)、(21)可得

将式(18)代入式(23)，可得d、q轴控制器滑模控制律：

式(24)中，d、q轴控制律有两部分，等效控制项udeq、uqeq：

以及切换鲁棒控制项udsw、uqsw：

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：

式(27)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。

下面基于matlab/simulink环境下搭建小型波浪发电系统仿真模型，用以验证参考电流跟踪方法的有效性。

仿真参数为，定子电感l＝8.3mh，定子电阻r＝6.48ω，转子永磁体磁链ψf＝0.417wb，极距τ＝0.05m，浮子质量m＝45kg，忽略附加质量，阻尼系数bω＝300n·s/m，弹性系数ks＝1000n/m。

仿真时间15秒，波高和波浪周期5秒，波浪频率分别为3、4.5和6rad/s，波高幅值分别为0.4、0.8和1.2m。在不受未知干扰海况下，自适应快速终端滑模控制器主要由等效控制项ueq实现电流跟踪。

图3-5为实验结果图，由图可知，在含有未知干扰的海况下，自适应快速终端滑模控制控制下的跟踪效果更好，比较与pi控制和积分滑模控制，本实施例所提方案能够增加系统鲁棒性，并且捕获功率明显提高。

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。