一种直驱式波浪发电系统分层鲁棒性控制方法及装置与流程

本发明涉及波浪发电技术领域，特别是涉及一种直驱式波浪发电系统分层鲁棒性控制方法及装置。

背景技术：

伴随着社会经济的快速发展，能源需求持续增长，开发和利用波浪能是解决不可再生能源匮乏的一项有效措施。

直驱式波浪转换装置(wec)主要包括两大部分：波浪能捕获装置和波能转换装置(pto)。波浪能捕获装置主要由浮子组成，波能转换装置主要由永磁直线发电机(pmlg)和机侧变换器组成。动子与浮子直接相连，伴随着海浪起伏往复运动，动子与定子产生相对运动，绕组切割磁力线产生感应电流。

如何提高波浪发电系统的功率捕获和能量转换效率，是波浪发电技术研究的重中之重。由于当波能转换装置的频率与波浪频率相匹配时，可发生共振现象，波浪力与速度同相，此时波能转换装置可从波浪中捕获最大功率。故为提高波浪发电系统的功率捕获和能量转换效率，需要波能转换装置的频率与波浪频率发生共振。

因此，如何提供一种能够实现上述目的的直驱式波浪发电系统分层鲁棒性控制方法及装置是本领域技术人员目前需要解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种直驱式波浪发电系统分层鲁棒性控制方法及装置，通过控制波能转换装置的频率与波浪频率基本相同，来使得发生共振现象，提高波浪发电系统的功率捕获和能量转换效率。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种直驱式波浪发电系统分层鲁棒性控制方法，包括：

波浪能捕获装置实时捕获波浪的频率及位移；

依据波浪频率、波浪位移和参考电流关系式确定波能转换装置的参考电流；其中，所述参考电流关系式的获得条件为波浪频率与所述波能转换装置的频率相同；

计算所述参考电流和所述波能转换装置的输出电流的差值，依据所述差值和所述位移对所述波能转换装置进行滑模控制，直至所述波能转换装置的输出电流与所述参考电流的差值不大于预设阈值。

优选地，所述预设阈值为0。

优选地，所述参考电流关系式具体为：

其中，为q轴参考电流，为d轴参考电流，ψ为永磁体转子磁链，τ为极距，ω0为所述波浪频率，m为所述波浪能捕获装置中运动部件的质量，a为在波浪辐射力作用下产生的附加质量，b为波浪辐射力产生的阻尼系数；k＝ρgs，ρ为水的密度，g为重力加速度，s为所述波浪能捕获装置中浮体的有效横截面积；x为波浪位移，为波浪的运动速度。

优选地，所述计算所述参考电流和所述波能转换装置的输出电流的差值，依据所述差值和所述位移对所述波能转换装置进行滑模控制的过程具体为：

将发电机的输出电流进行三相静止到两相旋转的坐标变换操作，得到q轴和d轴输入电流；所述波能转换装置包括所述发电机和机侧变换器；

计算q轴参考电流与所述q轴输入电流的差值并进行q轴滑模控制，得到q轴控制量uq；计算d轴参考电流与所述d轴输入电流的差值并进行d轴滑模控制，得到d轴控制量ud；

其中，

其中，v为所述发电机动子的速度；将q轴控制量uq与d轴控制量ud转化至α和β轴，得到uα和uβ；

依据所述uα和uβ调整所述发电机的输出电流在进行空间矢量脉宽调制过程中的电压控制量；

空间矢量脉宽调制完成后输出调制后的信号至所述机侧变换器，通过控制所述机侧变换器来控制所述发电机的输出电流，直至所述发电机的输出电流与所述参考电流的差值不大于预设阈值。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种直驱式波浪发电系统分层鲁棒性控制装置，包括：

波浪能捕获装置，用于实时捕获波浪的频率及位移并输出至高层控制器；

所述高层控制器，用于依据波浪频率、波浪位移和参考电流关系式确定波能转换装置的参考电流并输出至低层控制器；其中，所述参考电流关系式的获得条件为波浪频率与所述波能转换装置的频率相同；

所述低层控制器，用于计算所述参考电流和所述波能转换装置的输出电流的差值，依据所述差值和所述位移对所述波能转换装置进行滑模控制，直至所述波能转换装置的输出电流与所述参考电流的差值不大于预设阈值。

优选地，所述所述低层控制器具体包括：

第一坐标转换模块，用于将发电机的输出电流进行三相静止到两相旋转的坐标变换操作，得到q轴和d轴输入电流；所述波能转换装置包括所述发电机和机侧变换器；

滑模控制模块，用于计算q轴参考电流与所述q轴输入电流的差值并进行q轴滑模控制，得到q轴控制量uq；计算d轴参考电流与所述d轴输入电流的差值并进行d轴滑模控制，得到d轴控制量ud；

其中，

v为所述发电机动子的速度；

第二坐标转换模块，用于将q轴控制量uq与d轴控制量ud转化至α和β轴，得到uα和uβ；

调制模块，用于依据所述uα和uβ调整所述发电机的输出电流在进行空间矢量脉宽调制过程中的电压控制量；空间矢量脉宽调制完成后输出调制后的信号至所述机侧变换器，通过控制所述机侧变换器来控制所述发电机的输出电流，直至所述发电机的输出电流与所述参考电流的差值不大于预设阈值。

本发明提供了一种直驱式波浪发电系统分层鲁棒性控制方法及装置，在波浪频率与波能转换装置的频率相同的条件下构建参考电流关系式，之后依据该关系式、实时捕获的波浪频率和位移，确定波浪频率与波能转换装置的频率相同的条件下的参考电流，之后通过滑模控制使得波能转换装置的输出电流近似等于参考电流，进而使得波浪频率与波能转换装置的频率相同的条件得到满足，使得能够发生共振现象，提高波浪发电系统的功率捕获和能量转换效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明提供的一种直驱式波浪发电系统分层鲁棒性控制方法的过程的流程图；

图2为直驱式波浪发电系统的等效电路图；

图3为本发明提供的一种直驱式波浪发电系统分层鲁棒性控制装置的结构示意图；

图4为本发明提供的底层控制模块的控制结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种直驱式波浪发电系统分层鲁棒性控制方法及装置，通过控制波能转换装置的频率与波浪频率基本相同，来使得发生共振现象，提高波浪发电系统的功率捕获和能量转换效率。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种直驱式波浪发电系统分层鲁棒性控制方法，参见图1所示，图1为本发明提供的一种直驱式波浪发电系统分层鲁棒性控制方法的过程的流程图；该方法包括：

步骤s1：波浪能捕获装置实时捕获波浪的频率及位移；

步骤s2：依据波浪频率、波浪位移和参考电流关系式确定波能转换装置的参考电流；其中，参考电流关系式的获得条件为波浪频率与波能转换装置的频率相同；

步骤s3：计算参考电流和波能转换装置的输出电流的差值，依据差值和位移对波能转换装置进行滑模控制，直至波能转换装置的输出电流与参考电流的差值不大于预设阈值。

在优选实施例中，预设阈值为0。

可以理解的是，由于参考电流是在假设波浪频率与波能转换装置的频率相同的情况下得到的，因此理论上为了实现共振现象，则输出电流应该与参考电流完全相同。故此时预设阈值为0。但是，由于误差存在，实际上很难通过滑模控制实现两者的完全相同，因此预设阈值一般可以设置为近似为0的数值，当然，本发明不限定预设阈值的具体数值。

其中，参考电流关系式具体为：

其中，为q轴参考电流，为d轴参考电流，ψ为永磁体转子磁链，τ为极距，ω0为波浪频率，m为波浪能捕获装置中运动部件(包含浮子等部件)的质量，a为在波浪辐射力作用下产生的附加质量，b为波浪辐射力产生的阻尼系数；k＝ρgs，ρ为水的密度，g为重力加速度，s为波浪能捕获装置中浮体的有效横截面积；x为波浪位移，为波浪的运动速度。

可以理解的是，上述参考电流关系式是在假设波浪频率与波能转换装置的频率相同的条件下，经过模型的分析推导后得到的，其推导过程如下：

根据牛顿第二定律，振荡运动的浮体运动方程可表示为：

式中：为运动加速度；fh为浮子表面受水压强产生的力的垂直分量；g为波浪能捕获装置中运动部件的重力。

假设波浪运动和浮体运动的幅值都很小，则fh可以表示为：

fh＝fe+fr+fhs

式中：fe为入射波浪作用在浮体上的力(波浪力和绕射力)；fr为辐射力；fhs为静浮力。

假设运动部件的位移x＝0时，fe＝0，则有：

fhs＝-ρgsx＝-kx

在规则海浪波中，辐射力fr可表示为：

入射波的作用力取决于波与浮体的特性，即

式中：xw为波浪起伏运动的位移。

结合以上各个关系式可以得到，波浪发电的动力学方程为：

动力学方程中，由于重力g是常数项，只会影响式中x的平衡位置，因而，可以得到考虑重力g后的动力学方程的新平衡位置为x←x←δx，则动力学方程可以简化为：

假设发电机中：①气隙磁场的空间分布呈正弦波；②忽略端部效应和铁芯饱和；③不计磁致和涡流损耗。

按照电动机惯例规定各个物理量的正方向，可以建立pmlg的数学模型。发电机定子磁链方程为：

式中，ψ为永磁体转子磁链；、ψd、ψq为d、q轴定子磁链；id、iq为d、q轴定子电流；ld、lq为d、q轴定子电感。

发电机的定子电压方程为：

式中，r为定子相电阻。

发电机的反电磁力方程为：

式中，τ极距。

由反电磁力方程可知，发电机的反电磁力由定子d、q轴电流分量决定。借鉴在交流旋转电机中常用的转子磁场定向矢量控制，为实现最大效率、最小损耗控制，采用id＝0的矢量控制策略，定子电流完全用于产生反电磁力，无去磁分量。此时pmlg产生的第一反电磁力关系式为：

根据线性波理论，系统经过线性后，动力学方程中发电机的反电磁力fe可以表示为速度与位移的线性组合，第二反电磁力关系式为：

式中，rg为产生有功分量的阻尼系数；kg为产生无功分量的弹性系数。

此时，通过控制发电机电磁力的幅值和相位2个自由度，提取优化功率。将上式带入动力学方程中，可得

上式为典型的二阶线性微分方程，其形式与典型rlc电路相类似，利用rlc电路模拟满足直驱式波浪发电系统的动力学运动方程，参见图2所示，图2为直驱式波浪发电系统的等效电路图。图中：fe用电压源模拟；电流i与等效，负载阻抗的电压等效为电能输出装置(发电机)产生的反电磁力kg。

根据电路原理，可以得出：当等效电路发生串联谐振时，等效电路需要呈现阻性，此时负载可从电路中提取最大功率，对应发电机从波浪中提取最优功率。因此，实现最优功率传输的条件为：

r＝b

式中，ω为等效电路的频率。

进而得到发电机产生的反电磁力中的弹性系数为：

kg＝ω0²(m+a)-k

依据上式、实现最优功率传输的条件、前述两个反电磁力关系式可得到q轴参考电流为：

在优选实施例中，步骤s3的过程具体为：

将发电机的输出电流进行三相静止到两相旋转的坐标变换操作，得到q轴和d轴输入电流；波能转换装置包括发电机和机侧变换器；这里的发电机主要指的是永磁同步发电机。

计算q轴参考电流与q轴输入电流的差值并进行q轴滑模控制，得到q轴控制量uq；计算d轴参考电流与d轴输入电流的差值并进行d轴滑模控制，得到d轴控制量ud；

其中，

其中，v为所述发电机动子的速度，将q轴控制量uq与d轴控制量ud转化至α和β轴，得到uα和uβ；

依据uα和uβ调整发电机的输出电流在进行空间矢量脉宽调制(spacevectorpulsewidthmodulation，svpwm)过程中的电压控制量；

空间矢量脉宽调制完成后输出调制后的信号至机侧变换器，通过控制机侧变换器来控制发电机的输出电流，直至发电机的输出电流与参考电流的差值不大于预设阈值。

可以理解的是，滑模控制律可由等效控制ueq和切换鲁棒控制usw构成，在没有不确定性干扰的情况下，等效控制项ueq负责对参考电流的跟踪；当系统含有未知干扰时，切换鲁棒控制项usw可以克服系统扰动，提高系统鲁棒性，保证系统的运行不离开滑模面。

其中，d轴控制量ud关系式的获得过程为：

取ld＝lq＝l，由前述发电机定子电压方程转化可得

定义d轴电流误差e＝0-id。不考虑确定性干扰情况下，切换函数设计为：

s＝e

取则

则等效控制项为

当系统函数含未知干扰d(t)时，为保证系统运行状态不离开滑模面，设计切换鲁棒控制项如下：

usw＝εsgn(s)

此时，d轴滑模控制器的输出由等效控制项和切换控制项组成，即

其中，ε为严格的正实数。

另外，q轴控制量uq关系式的获得过程为：

定义q轴电流误差不考虑确定性干扰情况下，切换函数设计为：

s＝e

取则

则等效控制项为

当系统函数含未知干扰d(t)时，为保证系统的运行状态不离开滑模面，设计切换鲁棒控制项如下：

usw＝εsgn(s)

此时，q轴滑模控制器的输出由等效控制项和切换控制项组成，即

其中，ε为严格的正实数。

通过实验可知，本发明通过滑模控制方式使得发电机输出电流与参考电流相同的情况下，能够使得波浪频率与波能转换装置的频率相同，并使得浮子的速度与波浪力同相，进而实现共振，捕获最大波浪能。

本发明提供了一种直驱式波浪发电系统分层鲁棒性控制方法，在波浪频率与波能转换装置的频率相同的条件下构建参考电流关系式，之后依据该关系式、实时捕获的波浪频率和位移，确定波浪频率与波能转换装置的频率相同的条件下的参考电流，之后通过滑模控制使得波能转换装置的输出电流近似等于参考电流，进而使得波浪频率与波能转换装置的频率相同的条件得到满足，使得能够发生共振现象，提高波浪发电系统的功率捕获和能量转换效率。

本发明还提供了一种直驱式波浪发电系统分层鲁棒性控制装置，参见图3和图4所示，图3为本发明提供的一种直驱式波浪发电系统分层鲁棒性控制装置的结构示意图；图4为本发明提供的底层控制模块的控制结构示意图。该装置包括：

波浪能捕获装置1，用于实时捕获波浪的频率及位移并输出至高层控制器2；

高层控制器2，用于依据波浪频率、波浪位移和参考电流关系式确定波能转换装置4的参考电流并输出至低层控制器3；其中，参考电流关系式的获得条件为波浪频率与波能转换装置4的频率相同；

低层控制器3，用于计算参考电流和波能转换装置4的输出电流的差值，依据差值和位移对波能转换装置4进行滑模控制，直至波能转换装置4的输出电流与参考电流的差值不大于预设阈值。

其中，低层控制器3具体包括：

第一坐标转换模块，用于将发电机的输出电流进行三相静止到两相旋转的坐标变换操作，得到q轴和d轴输入电流；波能转换装置4包括发电机和机侧变换器；

滑模控制模块，用于计算q轴参考电流与q轴输入电流的差值并进行q轴滑模控制，得到q轴控制量uq；计算d轴参考电流与d轴输入电流的差值并进行d轴滑模控制，得到d轴控制量ud；

其中，

v为所述发电机动子的速度；

第二坐标转换模块，用于将q轴控制量uq与d轴控制量ud转化至α和β轴，得到uα和uβ；

调制模块，用于依据uα和uβ调整发电机的输出电流在进行空间矢量脉宽调制过程中的电压控制量；空间矢量脉宽调制完成后输出调制后的信号至机侧变换器，通过控制机侧变换器来控制发电机的输出电流，直至发电机的输出电流与参考电流的差值不大于预设阈值。

本发明提供了一种直驱式波浪发电系统分层鲁棒性控制装置，在波浪频率与波能转换装置的频率相同的条件下构建参考电流关系式，之后依据该关系式、实时捕获的波浪频率和位移，确定波浪频率与波能转换装置的频率相同的条件下的参考电流，之后通过滑模控制使得波能转换装置的输出电流近似等于参考电流，进而使得波浪频率与波能转换装置的频率相同的条件得到满足，使得能够发生共振现象，提高波浪发电系统的功率捕获和能量转换效率。

以上的两种具体实施方式仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。