WEC控制器、方法及系统与流程

本发明涉及wec能量转换系统的控制器，该系统包括能够从海浪产生电能的发电机或wec(wave energy converter，波浪能量转换器)。本发明还涉及控制与浮动船体(floating hull)相关联的陀螺仪结构的电转换器的方法和相关wec系统。

背景技术：

1、众所周知，波浪能(wave power)是可再生能源的主要来源之一，并且最近已开发和建造了许多用于将波浪能转换成电能的大型发电厂。一些发电厂(例如惯性型wec或iswec发电厂)使用反应体或pto，其利用大质量的惯性以产生反应并提取其电力。

2、包括浮动船体的惯性转换系统是已知的。浮动船体被锚定在海床上，配备有定向陀螺仪转换器，转换器中的每一个都被连接到电力发电机。发电机能够通过飞轮(flywheel)的运动将由于船体的摆动和由波浪能引起的转动能转换成电能。

3、在这种情况下，陀螺仪结构包括通过悬挂装置与船体相关联的陀螺仪和飞轮，以及与基本正交于飞轮的主惯性轴线的旋转轴相联接的电转换器。该转换器包括由驱动器/逆变器控制的电动机，该驱动器/逆变器通过合适的接头和齿轮被联接到旋转轴。因此，通过施加主要充当阻尼器(damper)的反作用阻力驱动扭矩，并且通过在驱动器/逆变器的v-i图的偶数象限中操作，电力可以通过电动机来产生，而不是电力被供应给所述电动机。

4、为了最大化提取的电力并增加结构的效率，要适当地调节相反的阻力驱动扭矩。

5、经典控制系统诸如pid(比例积分微分)控制器是已知的，并在工业领域中广泛使用，并且它们典型地作为siso(single-input single-output，单输入单输出)系统的控制器操作。尽管在各个方面都令人满意，但是具有pid控制器的系统也具有缺点。实际上，波浪运动在文献中被描述为具有统计分布特性的随机过程，被称为“jonswap分布(jonswapdistribution)”，其参数取决于感兴趣的海域。在pid控制器的情况下，控制参数通过根据海洋状态预报的预设增益调度来更新。因此，用作控制参数的表列值(tabulated value)可能不同于实际波浪运动所需的那些，从而必然造成提取能量的连带损失。

6、对采用具有状态演化模型的控制器的动态系统的使用是已知的。这样的动态系统采用控制器mpc(model predictive control，模型预测控制)。d.wilson等人的“acomparison of wec control strategies(wec控制策略的比较)”sandia national labs,albuquerque,new mexico,tech.rep.sand2016-4293,april 2016一文中描述了mpc控制器。

7、在最一般的形式中，mpc控制器基于来自状态的反馈以及通过最小化用于优化系统状态的适当成本函数而动态地计算的控制律(control law)。

8、mpc控制器在以下一些本质方面不同于pid控制器：

9、a)控制律或控制函数基于欧拉-拉格朗日方程的解，在经典的优化理论中，该方程产生作为解的时间函数，其结果作为成本函数的固定部分(作为上极值)；

10、b)成本函数在内部包含与状态、输入信号、以及与状态和控制信号相关联的动能相关的各项，并且它通常是凸函数；

11、c)成本函数通常包含当达到所需状态时变为空值的项，以及当控制动作的能量最小化时变为空值的项。

12、此外，mpc控制器的控制律可以定义用于最小化成本函数的动态约束(dynamicconstraint)。mpc控制器的控制律基于欧拉-拉格朗日方程的解，并且本质上是时间函数，同时最小化相对于所需状态和相对于获得该结果所涉及的能量的误差。

13、通过使用陀螺仪结构状态演化模型使用mpc控制器来控制wec系统是已知的。这允许具有与要安装的发电厂的地点相关的针对所有海浪状态的单个控制参数集合。状态演化模型的精度和相关参数集合的估计会影响控制系统的性能。

14、换句话说，这些mpc控制器是针对具有固定和预定义参数的系统进行优化的，因此对于受这些参数变化或存在随机干扰(诸如海浪状态)影响的系统而言，其效率较低。相似地，在对mpc控制器参数的校准期间没有考虑的海洋状态也可能导致非最佳能量提取条件，也就是，性能差。

15、在bracoo g等人的“optimizing energy production of an inertial sea waveenergy converter via model predictive control(经由模型预测控制优化惯性海浪能量转换器的能量生产”，control engineering practice,pergamon press,oxford,gb-vol.96,17january 2020-xp086048062文章中描述了已知的解决方案。

16、本申请根本的技术问题是设计一种具有功能和结构特征的陀螺仪结构的控制装置，以便允许减少由于波浪运动的建模和陀螺仪结构引起的误差，从而允许最大化所提取的能量，因而克服参考已知技术提到的缺点。

技术实现思路

1、本发明根本的解决思路是以受约束的方式驱动定义陀螺仪结构状态的操作变量的未来演化，从而改进控制装置的鲁棒性和效率。

2、基于这种解决思路，该技术问题是通过权利要求1和由权利要求2至5描述的具体实施例所限定的控制器来解决的。

3、本发明的主题还是通过权利要求6和由权利要求7至10描述的具体实施例所限定的控制方法，以及通过权利要求11所限定的wec系统。

技术特征：

1.陀螺仪结构(2)的控制器(10)，所述陀螺仪结构(2)与浮动船体(3)相关联并配备有适合于将所述浮动船体(3)的转动能转换成电能的电转换器(9)，所述控制器(10)在输入中接收包括所述陀螺仪结构(2)的操作变量的受扰动的输出状态(x)，其特征在于用以确定用于驱动所述电转换器(9)的驱动信号(u)，所述驱动信号(u)包括：

2.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，包括被配备有增益矩阵(k)的标称收敛模块(18)，其适合于考虑到所述陀螺仪结构(2)的所需的未受扰动的状态(z0-zn)的时间演化来定义到所述参数偏差(r)的预定值的收敛，所述增益矩阵(k)是考虑到针对每个所需的未受扰动的状态(z0-zn)的有界空间(x′)来定义的。

3.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，包括预测块(13)，所述预测块(13)被配备有级联地布置的标称单元(14)和预测单元(15)，所述标称单元(14)包括所述陀螺仪结构(2)的未受扰动的标称模型，

4.根据权利要求3所述的控制器，其特征在于，所述标称收敛模块(18)接收由所述标称单元(14)产生的所述未受扰动的输出标称状态(znp)作为输入。

5.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述预测单元(15)的所述预测动态控制模型包括成本函数(jt)，所述成本函数(jt)具有与所述陀螺仪结构(2)的状态和所述驱动信号相关的二次项，并且还包括与由所述陀螺仪结构(2)吸收的瞬时功率相关的非二次项，并且其特征在于用于最小化所述成本函数(jt)的计算确定驱动信号序列(v＝[v0…vt])，所述第一信号部分(v)由所述驱动信号序列(v＝[v0…vt])中的至少一个元素(vi,i＝0…t)确定。

6.控制与浮动船体(3)相关联的陀螺仪结构(2)的电转换器(9)的方法，所述电转换器(9)被配置为将所述浮动船体(3)的转动能转换成电能，所述方法提供用于接收包括所述陀螺仪结构(2)的操作变量的受扰动的输出状态(x)，其特征在于：

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述预测动态控制模型设计了成本函数(jt)，所述成本函数(jt)具有与所述陀螺仪结构(2)的状态和所述驱动信号(u)相关的二次项，以及与由所述陀螺仪结构(2)吸收的瞬时功率相关的非二次项，

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：

11.一种wec系统，包括：

技术总结
陀螺仪结构(2)的控制器(10)，该陀螺仪结构(2)与浮动船体(3)相关联并配备有适合于将所述浮动船体(3)的转动能转换成电能的电转换器(9)，该控制器(10)接收包括陀螺仪结构(2)的操作变量的受扰动的输出状态(x)作为输入，以确定电转换器(9)的驱动信号(u)，该驱动信号(u)包括：第一信号部分(v)，其使用在所述受扰动的输出状态(x)的基础上计算出的所述陀螺仪结构(2)的预测控制模型来确定；以及第二信号部分(v<supgt;*</supgt;)，其使用在所述受扰动的输出状态(x)的所述操作变量的参数偏差(r)上计算出的管收敛来确定，所述参数偏差(r)是相对于所述陀螺仪结构(2)的未受扰动输出标称状态(ZNP)的操作变量而计算出的。

技术研发人员：马西莫·赞帕托,达妮埃莱·万赞,朱利亚娜·马蒂亚佐,埃莉萨·卡佩罗,乔瓦尼·布拉科,毛罗·邦凡蒂
受保护的技术使用者：埃尼股份公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/6