基于功率预测与最大俘获宽度比跟踪的波浪发电方法与流程

本发明涉及波浪发电方法，更具体的涉及一种基于功率预测与最大俘获宽度比跟踪的波浪发电方法。

背景技术：

波浪能发电是一种新能源发电形式，波浪能功率密度大、可预测性好，发展潜力良好，如何实现波浪能的最大功率点跟踪(maximumpowerpointtracking,mppt)，是波浪能发电研究的关键技术。然而由于波浪能量输入波动剧烈，造成传统mppt方法应用于波浪能发电系统存在误判问题，无法时刻正确跟踪系统的最大功率点。

技术实现要素：

为克服由于波浪能量输入波动剧烈造成mppt方法应用于波浪能发电系统存在误判问题，无法时刻正确跟踪系统最大功率点的技术缺陷，本发明的目的在于提供一种基于功率预测与最大俘获宽度比跟踪的波浪发电方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

本发明的基于功率预测与最大俘获宽度比跟踪的波浪发电方法，包括以下步骤：

步骤1)对波浪能发电装置进行数学分析并搭建该装置的仿真模型；

步骤2)通过仿真模型得到该装置输出功率值，引入功率预测算法，得到输出功率预测值；

步骤3)引入最大俘获宽度比跟踪算法，得到俘获宽度比和俘获宽度比预测值；

步骤4)根据俘获宽度比和俘获宽度比预测值，确定mppt方法的扰动方向和扰动步长，实现对该装置的最大功率点跟踪控制。

所述步骤1)包括以下步骤：

步骤1-1)波浪能发电装置大多主动限定了浮体的运动自由度，使得浮体只能在一个自由度上活动，该装置只考虑垂荡自由度的运动，分析浮体在垂荡自由度的受力为：

ma+fr+fc+fb+fpt0＝fex

式中，m为浮体的质量；a为浮体的加速度；fr为辐射力；fc为浮体运动过程中所受的粘性阻力，表示为运动速度与阻尼系数的乘积；fb为浮体所受的净浮力，即浮体所受浮力与重力的合力，是振荡系统的恢复力，与位移成比例；fpto为浮体与能量俘获机构的相互作用力；fex为激励力；

步骤1-2)将各项分力进行分解，得到规则波浪以及不规则波浪激励下的浮体的受力方程；

步骤1-3)采用浮体垂荡受力与等效力臂的乘积作为所受力矩；

步骤1-4)采用matlab/simulink仿真模型进行仿真。

所述步骤2)包括以下步骤：

步骤2-1)根据该装置仿真模型仿真得到输出电压值和输出电流值，两者相乘得到输出功率值；

步骤2-2)采用移动最小二乘法对输出功率值进行预测，选用三次样条权函数作为移动最小二乘法的紧支撑权函数；

步骤2-3)根据过去时刻的输出功率值对当前时刻的输出功率值进行预测，采用移动最小二乘法进行功率预测的基本流程是先将拟合区域网格化，再计算出网格点处的节点值，然后连接网格点得到拟合函数，最后根据拟合函数计算得到输出功率预测值。

所述步骤3)包括以下步骤：

步骤3-1)俘获宽度比表示为该装置俘获的能量与该装置宽度范围内输入波浪能的比值，记为cw，该装置的俘获宽度比越大，表示该装置俘获入射波浪能量的效率越高；该装置的俘获宽度比计算公式如下：

式中：cw为俘获宽度比，pwec为该装置的俘获功率，pw为波能功率，b为浮体宽度；

步骤3-2)根据当前时刻的输出功率预测值与采样得到的输出功率值计算得到当前时刻的俘获宽度比和俘获宽度比预测值；

步骤3-3)用俘获宽度比替换输出功率，控制算法的目标是实现该装置俘获宽度比的最大化，因此原先对最大功率点的跟踪转变为对最大俘获宽度比的跟踪。

所述步骤4)包括以下步骤：

步骤4-1)将当前时刻的俘获宽度比和俘获宽度比预测值进行比较以确定负载改变的方向；

步骤4-2)通过实际俘获宽度比同俘获宽度比预测值的差值与负载变化步长值作商求得斜率值，斜率值与步长系数相乘后得到下一步的负载变化步长值；

步骤4-3)通过对负载值的实时调节，实现对该装置的最大功率点跟踪控制。

与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：

本发明提供的基于功率预测与最大俘获宽度比跟踪的波浪发电方法，通过将功率预测算法和最大俘获宽度比跟踪算法与波浪发电的mppt方法相结合，能够有效解决由于波浪能量输入波动剧烈造成的mppt方法误判问题。改进后的mppt方法可以正确地跟踪波浪能发电装置的最大功率点，不再产生误判问题，确保该装置在运行全过程内始终工作于最大功率输出状态。

附图说明

图1是本发明的方法流程图。

图2是当谱峰周期为3s，有义波高为0.18m时，基于功率预测与最大俘获宽度比跟踪的波浪发电方法与最优固定负载值方法的输出功率对比图。

图3是基于功率预测与最大俘获宽度比跟踪的波浪发电方法与最优固定负载值方法在多种不规则波况下的输出功率对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明包括以下步骤：

步骤1)对波浪能发电装置进行数学分析并搭建该装置的仿真模型；

步骤2)通过仿真模型得到该装置输出功率值，引入功率预测算法，得到输出功率预测值；

步骤3)引入最大俘获宽度比跟踪算法，得到俘获宽度比和俘获宽度比预测值；

步骤4)根据俘获宽度比和俘获宽度比预测值，确定mppt方法的扰动方向和扰动步长，实现对该装置的最大功率点跟踪控制。

所述步骤1)包括以下步骤：

步骤1-1)波浪能发电装置大多主动限定了浮体的运动自由度，使得浮体只能在一个自由度上活动，该装置只考虑垂荡自由度的运动，分析浮体在垂荡自由度的受力为：

ma+fr+fc+fb+fpto＝fex

式中，m为浮体的质量；a为浮体的加速度；fr为辐射力；fc为浮体运动过程中所受的粘性阻力，表示为运动速度与阻尼系数的乘积；fb为浮体所受的净浮力，即浮体所受浮力与重力的合力，是振荡系统的恢复力，与位移成比例；fpto为浮体与能量俘获机构的相互作用力；fex为激励力；

步骤1-2)将各项分力进行分解，得到规则波浪以及不规则波浪激励下的浮体的受力方程；

步骤1-3)采用浮体垂荡受力与等效力臂的乘积作为所受力矩；

步骤1-4)采用matlab/simulink仿真模型进行仿真。

所述步骤2)包括以下步骤：

步骤2-1)根据该装置仿真模型仿真得到输出电压值和输出电流值，两者相乘得到输出功率值；

步骤2-2)采用移动最小二乘法对输出功率值进行预测，选用三次样条权函数作为移动最小二乘法的紧支撑权函数；

步骤2-3)根据过去时刻的输出功率值对当前时刻的输出功率值进行预测，采用移动最小二乘法进行功率预测的基本流程是先将拟合区域网格化，再计算出网格点处的节点值，然后连接网格点得到拟合函数，最后根据拟合函数计算得到输出功率预测值。

所述步骤3)包括以下步骤：

步骤3-1)俘获宽度比表示为该装置俘获的能量与该装置宽度范围内输入波浪能的比值，记为cw，该装置的俘获宽度比越大，表示该装置俘获入射波浪能量的效率越高；该装置的俘获宽度比计算公式如下：

式中：cw为俘获宽度比，pwec为该装置的俘获功率，pw为波能功率，b为浮体宽度；

步骤3-2)根据当前时刻的输出功率预测值与采样得到的输出功率值计算得到当前时刻的俘获宽度比和俘获宽度比预测值；

步骤3-3)用俘获宽度比替换输出功率，控制算法的目标是实现该装置俘获宽度比的最大化，因此原先对最大功率点的跟踪转变为对最大俘获宽度比的跟踪。

所述步骤4)包括以下步骤：

步骤4-1)将当前时刻的俘获宽度比和俘获宽度比预测值进行比较以确定负载改变的方向。

步骤4-2)通过实际俘获宽度比同俘获宽度比预测值的差值与负载变化步长值作商求得斜率值，斜率值与步长系数相乘后得到下一步的负载变化步长值；

步骤4-3)通过对负载值的实时调节，实现对该装置的最大功率点跟踪控制。

在具体实施过程中，建立了波浪能发电装置的matlab/simulink仿真模型，主要参数为：浮体长度l＝0.376m，浮体高度h＝0.1875m，浮体宽度d＝0.15m，浮体密度ρ＝300kg/m³，浮体的长度和高度分别是平面结构的横向长度以及垂直高度，宽度指的是浮体的厚度。

在具体实施过程中，采用了15种不规则波波况，这15种不规则波波况所对应的有义波高和谱峰周期的参数如表1所示。15种不规则波波况的谱峰周期变化范围在3s-7s之间，有义波高变化范围在0.06m-0.18m之间。

表1不规则波波况对应的有义波高和谱峰周期列表

当谱峰周期为3s，有义波高为0.18m时，基于功率预测与最大俘获宽度比跟踪的波浪发电方法与最优固定负载值方法的输出功率对比图，如图2所示。(s代表秒，m代表米。即为：当谱峰周期为3秒，有义波高为0.18米时…表1中的s和m也是同样的意思)。

从图2中可以看出，在大多数情况下，基于功率预测与最大俘获宽度比跟踪的波浪发电方法下的波浪能发电装置比最优固定负载值下的波浪能发电装置可以实现更高的能量输出。两者的输出功率峰值分别达到1.02w以及0.83w，平均输出功率分别为0.135w以及0.121w，基于功率预测与最大俘获宽度比跟踪的波浪发电方法带来的输出功率的提升达到了11.6％。

基于功率预测与最大俘获宽度比跟踪的波浪发电方法与最优固定负载值方法在多种不规则波况下的输出功率对比图，如图3所示。图中的横坐标为15种不规则波波况按照序号依次进行排列。纵坐标以百分比的形式表征波浪能发电装置的输出功率，且以当前工况下最优固定负载值方法实现的输出功率记为100％，基于功率预测与最大俘获宽度比跟踪的波浪发电方法在该工况下实现的输出功率对应进行比例换算。

从图3中可以看出，在总共15种不规则波况中，基于功率预测与最大俘获宽度比跟踪的波浪发电方法在其中的11种不规则波况下实现了相较于最优固定负载值方法更高的平均输出功率。而在剩余的4种不规则波况下，基于功率预测与最大俘获宽度比跟踪的波浪发电方法实现的平均输出功率虽然略低于最优固定负载值方法，但是可以达到最优固定负载值方法下平均输出功率的95％以上。其中在第1种不规则波况时，基于功率预测与最大俘获宽度比跟踪的波浪发电方法实现的输出功率的提升达到了12.8％。整体而言，在这15种不规则波况下，基于功率预测与最大俘获宽度比跟踪的波浪发电方法下的波浪能发电装置均有着优良的输出表现。并且相比于最优固定负载值方法，基于功率预测与最大俘获宽度比跟踪的波浪发电方法对波浪能发电装置的能量俘获效率提升更大。同时，基于功率预测与最大俘获宽度比跟踪的波浪发电方法可以在不知道波况的情况下对负载值进行自动调节，是一种完全自动的负载优化方法，无需事先实验以确定最优负载值。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。