[发明专利]一种终端等式约束的经济模型预测最大波能捕获方法

说明书

本发明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，包括：构建直驱式波浪能发电系统的动力学模型；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。本发明设计了基于反步滑模法的最大波能捕获装置，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，本发明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。

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_e为海浪激励力；f_g为永磁直线电机产生的电磁力的反作用力；f_r为浮子运动产生的辐射力；f₀为流体粘度引起的摩擦力；f_h为浮力；m为浮体的质量；m_∞为附加质量；t为时间；a是浮子的位移；其中：

f_h＝-k_ha(t) (2)

上式中，k_h为海水浮力的等效弹性刚度；R₀为摩擦阻力系数；h_r表示由辐射力产生的辐射系数；τ表示卷积项参数；

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：