波浪能發(fā)電技術(shù)及控制策略研究的國內(nèi)外文獻綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u1428波浪能發(fā)電技術(shù)及控制策略研究的國內(nèi)外文獻綜述 1309171.1.1波浪能發(fā)電技術(shù) 1268671.1.2波浪能發(fā)電控制技術(shù) 5251751.1.3模型預(yù)測控制 6252921.1.4爬山法 731805參考文獻 7波浪能發(fā)電技術(shù)成文的波浪能發(fā)電技術(shù)最早問世于1799年。最早研究波浪發(fā)電裝置的國家是英國、法國、挪威等。后來，美國、加拿大、澳大利亞、日本、印度和瑞士也陸續(xù)開始了對波浪發(fā)電裝置的研究和開發(fā)。我國波浪能發(fā)電研究起步比較晚，與世界最先進的波浪能發(fā)電技術(shù)相比還有些差距，但也取得了相當(dāng)不錯的成就。從應(yīng)用的角度講，波浪能發(fā)電主要在離網(wǎng)發(fā)電和并網(wǎng)發(fā)電領(lǐng)域得到了推廣和發(fā)展。離網(wǎng)發(fā)電主要體現(xiàn)在波浪能發(fā)電技術(shù)在航標(biāo)燈、浮標(biāo)和燈船等的等領(lǐng)域的應(yīng)用。相比普遍較高，需要繼續(xù)發(fā)展，進一步降低成本。波浪能實際應(yīng)用時波浪能轉(zhuǎn)換成電能的效率并不理想。在保證裝置結(jié)構(gòu)和材料與海浪契合和情況下，在極端海況下的裝置保護會有一定難度。波浪能發(fā)電裝置大致分為三級能量轉(zhuǎn)換，第一部分是將波浪能轉(zhuǎn)換成動能，第二部分是將動能轉(zhuǎn)換成齒輪動能、氣壓能或液壓能等，第三部分是將中間環(huán)節(jié)傳遞的能量轉(zhuǎn)換成電能。目前常用的波浪能裝置如下：（1）振蕩水柱式振蕩水柱式波浪能發(fā)電裝置的發(fā)展歷史最為悠久，因此也是當(dāng)前應(yīng)用中最為成熟的波浪能轉(zhuǎn)換裝置。其原理如圖1-3，在波浪的作用下，裝置內(nèi)的水柱會隨之進行上下運動，水柱在運動時會擠壓裝置內(nèi)的空氣，可以吹動渦輪機葉旋轉(zhuǎn)，從而進行發(fā)電。其能量傳遞方式是氣動式，大部分裝置避免了與海水直接接觸，因為海水中富含各種無機鹽，呈現(xiàn)堿性，會對設(shè)備造成腐蝕，所以也降低了裝置材料選擇的要求，降低了裝置的設(shè)計成本。但是氣動式轉(zhuǎn)換效率較低，且裝置對選址要求較高。振蕩水柱式波浪能發(fā)電較為成熟的產(chǎn)品已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，如澳大利亞OCEANLINK公司研制的產(chǎn)品。圖1-3振蕩水柱式裝置原理（2）振蕩浮子式振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置的原理如圖1-4所示，浮子處于海域中，隨波浪進行運動，垂直方向運動幅度最大，因此一般主要考慮垂直方向的運動，吸收的波浪能通過能量轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的機械能或液壓能，然后傳遞給電機，再轉(zhuǎn)換成電能進行使用與傳輸。其成本相對較低，且能量轉(zhuǎn)換效率大幅度提升，但振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置需要和海水直接接觸，因此會受到海水的腐蝕，會降低裝置的壽命，增加材料選擇的難度，需要進行定期檢修和保養(yǎng)。圖1-4振蕩浮子式裝置原理（3）擺式擺式波浪能發(fā)電裝置原理如圖1-5所示，在波浪來臨時，擺板在波浪的沖擊下會進行擺動，捕獲的能量會經(jīng)過液壓設(shè)備傳遞到后續(xù)電氣部分。擺式波浪能發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)較為簡單，可靠性較高，但其中間能量轉(zhuǎn)換裝置即液壓部分，維護和檢修的難度較高。圖1-5擺式裝置原理（4）越浪式越浪式波浪能發(fā)電裝置原理如圖1-6所示，是通過裝置結(jié)構(gòu)引導(dǎo)波浪到高處的水庫中，然后再從窄的水道流下來，水道里設(shè)有水輪機，海水流下來的時候會帶動水輪機轉(zhuǎn)動進行發(fā)電。越浪式波浪能發(fā)電裝置在波浪大的時候發(fā)電效率較高，但小波浪時發(fā)電效率偏低。圖1-6越浪式裝置原理（5）鴨式鴨式波浪能發(fā)電裝置正如它的名字的意思，在波浪作用下的運動類似于鴨子的運動，鴨體會繞著中心軸不停旋轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)如圖1-7所示。其特點是成本較低，且在規(guī)則波浪下，波浪能的捕獲和轉(zhuǎn)換效率較高。但其在隨機波浪下的發(fā)電效果并不理想，且設(shè)計較為復(fù)雜，結(jié)構(gòu)較為脆弱。圖1-7鴨式裝置原理（6）筏式筏式波浪能發(fā)電裝置包括多個波面筏，相兩個波面筏之間設(shè)有液壓泵，結(jié)構(gòu)如圖1-8所示，在波浪作用下，裝置整體也會隨波浪起伏，在運動過程中波面筏之間的夾角會發(fā)生變化，液壓泵會隨之做活塞運動，波浪能會被轉(zhuǎn)化為液壓能。當(dāng)裝置的運動特性與海況一致時，發(fā)電效率十分可觀。但由于裝置結(jié)構(gòu)和工作方式，裝置在極端海況下很容易損壞，如何有效地在大風(fēng)等極端天氣下實現(xiàn)對裝置的保護極為重要。筏式波浪能發(fā)電裝置也是世界上第一種商用的波浪能發(fā)電裝置，于2004年在英國順利實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。圖1-8筏式裝置原理為了提高波浪發(fā)電裝置的發(fā)電效率，主要有兩個研究方向，一是波浪能發(fā)電控制技術(shù)在海洋中，波浪大都是以隨機波形式存在的，可以看做是無數(shù)不同周期和幅值的波的疊加。由于波浪的不規(guī)則性，很難用一種固定負載適應(yīng)多種工況。因此想要實現(xiàn)最大能量獲取需要進行實時控制，控制的性能很大程度上決定了波浪能發(fā)電裝置的發(fā)電效率。按照控制方式可分為三類：無源阻尼控制、有源阻尼控制和阻性bang-bang控制[20]。無源阻尼控制無源阻尼控制不需要額外的能源供應(yīng)，當(dāng)電機只工作在發(fā)電機狀態(tài)，這時能量轉(zhuǎn)換是單向的。根據(jù)浮子受力，改變系統(tǒng)的阻尼，就可以控制發(fā)電機的電磁力或電磁轉(zhuǎn)矩，進而調(diào)整浮子的運動狀態(tài)。無源阻尼控制的特點是控制簡單，易于實現(xiàn)。且裝置不需要能量供應(yīng)裝置或電源，一定程度降低了裝置成本。但這種方法無法實現(xiàn)波浪激勵力與浮子速度同相位，因此該方法的發(fā)電效率要相對低一些，這一現(xiàn)象在隨機波浪激勵力作用下尤為明顯。文獻[8]分析了無源阻尼控制下的負載控制的情況，在固定海況下，存在唯一的電阻值使裝置輸出功率最大，基于buck通過改變開關(guān)管的占空比實現(xiàn)了對電阻值的控制。文獻[6]在無源控制保證系統(tǒng)漸進穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，加入了分段控制的思想高速時帶載發(fā)電，實現(xiàn)了負載狀態(tài)切換時的平滑過渡。有源阻尼控制有源阻尼控制即無功控制，是當(dāng)前的主流研究方向，同樣是控制電機的電磁力，與無源阻尼不同，裝置必須外加能量供應(yīng)裝置或電源，因為發(fā)電機會有一定的時間內(nèi)是工作在電動機狀態(tài)，從而實現(xiàn)，波浪激勵力與浮子位移的同相位，即共振狀態(tài)。而想要達到最大能量捕獲必須實時獲得波浪的信息，因此需要對波浪激勵力進行預(yù)測，有源阻尼控制是建立在波浪信息已知的情況下進行的，能夠?qū)崿F(xiàn)對于波浪能的最大捕獲。文獻[24]基于輸入觀測器理論建立了波浪的預(yù)測模型，可以實時預(yù)測波浪的未來信息，并分析了波浪作用于浮子的力與海況及浮子的關(guān)系，說明了波浪激勵力的計算方法。文獻[5]設(shè)計了波浪的未知輸入觀測器，基于傳統(tǒng)的PID算法實現(xiàn)了對波浪能的最大功率追蹤，并分別在規(guī)則波和不規(guī)則波下進行了驗證。阻性bang-bang控制阻性bang-bang控制主要可以分為離合控制和鉗位控制兩個方面。它的原理同樣是從相位入手，通過在一定時間內(nèi)固定浮子(鉗位)或者接入切除發(fā)電機（離合）來調(diào)整浮子的相位，該方式下發(fā)電機也只工作在發(fā)電狀態(tài)下，但是這種方法設(shè)計難度相對較高，且對于規(guī)則波浪下控制效果較好，但是在不規(guī)則波浪下的控制效果并不理想，因此使用相對較少。模型預(yù)測控制模型預(yù)測控制算法（MPC）是一種基于模型的控制方法，具有魯棒性強和易于加約束條件的優(yōu)點，適用于對復(fù)雜系統(tǒng)的控制。MPC算法結(jié)構(gòu)如圖1-9所示。其核心是：針對預(yù)測模型預(yù)測未來的行為，在線反復(fù)計算并進行滾動優(yōu)化，并且能夠?qū)嶋H對象的狀態(tài)返回到控制機，與預(yù)測的未來估計對比修正。它的控制是一種實時控制，需要實時計算未來的信息，因此其計算量是非常大的，正因如此其誕生初期并不適用于進行運動控制，隨著社會發(fā)展，芯片性能不斷提升，計算能力也得到了加強，模型預(yù)測控制也逐漸體現(xiàn)出了在運動控制領(lǐng)域的優(yōu)勢。文獻[1]同樣采取矢量控制方式，在確定海況下建立了系統(tǒng)的預(yù)測模型，采用了模型預(yù)測控制算法實現(xiàn)了對系統(tǒng)參考信號的追蹤，驗證了點吸收式波浪能發(fā)電裝置中MPC算法的可行性和優(yōu)越性。圖1-9MPC控制框圖圖中，ysp是系統(tǒng)設(shè)定輸出，yr表示參考軌跡，u是輸入，y是實際輸出，ym是模型輸出，ye是預(yù)測輸出。爬山法爬山法是一種通過評價當(dāng)前狀態(tài)去不斷縮小與目標(biāo)值差異的尋優(yōu)算法。該方法自誕生之初就被用來求取各種情景的最值問題，即通過各種方法使得被控量不斷接近最終達到目標(biāo)值。其特點是易于實現(xiàn)，可信度較高，但是其結(jié)果是一個求局部最優(yōu)的結(jié)果，而為了解決這一問題學(xué)者也提出了很多方法，如隨機重啟等。文獻[8]中的無源阻尼控制中，在固定海況下利用爬山法完成了最大功率點的尋求，找到了最優(yōu)電阻值。文獻[31]使用了電流矢量和空間脈沖調(diào)制等方式，追求波浪能量的最大程度吸收，同時將電機損耗考慮了進去。參考文獻陳雅.浮子式波浪發(fā)電系統(tǒng)的模型預(yù)測控制[D].天津大學(xué),2015.SchaefferGJ.Energysectorintransformation,trendsandprospects[J].ProcediaComputerScience,2015,52:866-875.TrapaneseM,BoscainoV,CiprianiG,etal.APermanentMagnetLinearGeneratorfortheEnhancementoftheReliabilityofaWaveEnergyConversionSystem[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2019,66(6):4934-4944.OzkopE,AltasIH.Control,powerandelectricalcomponentsinwaveenergyconversionsystems:Areviewofthetechnologies[J].RenewableandSustainableEnergyReviews,2017,67:106-115.張強.振蕩浮子式波浪發(fā)電系統(tǒng)控制策略研究[D].中國海洋大學(xué),2020.黃秀秀.振蕩浮子式波浪發(fā)電系統(tǒng)的功率控制[D].華南理工大學(xué),2019.高輝.振蕩浮子式波浪發(fā)電裝置最佳功率控制研究[D].華南理工大學(xué),2012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