浮子式波浪发电系统的最大波能捕获控制研究

In order to solve the problem of low efficiency and poor stability in single-degree-of-freedom wave energy conversion system, a high efficiency multi-degree-of-freedom wave energy converter (MDOF-WEC) is presented. The MDOF-WEC model is analyzed by different time-frequency numerical method and all-eletric analogue method so that the maximum wave energy capture is achieved. The MDOF-WEC is self-tuned resonance in multiple oscillatory mode by the designed variable stiffness flexible damping control system. The novel WEC structure and the invented control strategy will be helpful to enhance the stability and efficiency of the system.Then, Model Predictive Control （MPC）intelligent algorithm is used to predict the model between the output power of MDOF-WEC and the height and period of the input wave. The predicted model can be used in the varied-characteristic self-adapting damping control for generator so as to achieve the sensorless control and maximum power output for MDOF-WEC units. Further, a varied-time scale hybrid energy storage system is designed for the energy management and control, so that the stabilization of output power is realized. Moreover, physical and electrical topologies of WEC arrays are optimized. The refraction and diffraction are used to enhance the output power of WEC array system so as to achieve the maximum power output for WEC arrays. Finally, all-eletric analogue and small scale experiment system are set up to verify the correctness of the invented apparatus and the proposed control strategies.The achievements of this project will promote the development of key techniques for wave power generation and have great significance in our country’s renewable energy utilisation and marine power dream.

针对当前单自由度波浪能转换系统效率低、稳定性差的特点，本项目将设计出一种高效的多自由度波浪转换装置(MDOF-WEC)。对MDOF-WEC模型进行时频数值分析与全电气模拟，实现装置级的最大波能捕获；设计相应变刚度柔性阻尼控制机构使系统随波浪自适应多模态谐振，提高单元系统的效率和稳定性；建立基于MPC智能算法的系统输出功率与波浪高度、周期之间的非线性估计关系，以满足发电机的变特性曲线阻尼自适应控制要求，实现单元系统的无位置传感器控制和最大功率输出；采取变时间尺度混合储能方式对系统进行能量控制和管理，实现功率输出的平稳化；优化阵列发电系统的物理布局和电气拓扑，充分利用折射、衍射等余能提高其发电能力，实现阵列的最大波能捕获；建立全电气模拟和小比例尺度物理实验系统，验证所发明装置和控制方案的正确性。该项目成果将显著提升我国波浪发电关键技术水平，对我国可再生能源利用和海上强国之梦的实现具有重要意义。

波浪发电是解决我国能源紧缺问题的可持续发展重要路径之一，本项目首先针对当前单自由度波浪能转换系统效率低、稳定性差的特点，对多自由度波浪发电系统进行了研究，主要研究内容和所取得的重要成果包括：1）设计了一种高效的双自由度波浪转换装置(DDOF-WEC)，分析了其稳定性问题，并对DDOF-WEC模型进行时频数值分析与全电气模拟，扩大了波能捕获的频谱宽带，从而实现了装置级的最大波能捕获。2）设计了相应变刚度柔性阻尼控制机构使系统随波浪自适应多模态谐振，从机械传动系统侧提高了单元系统的效率和稳定性。建立了基于MPC智能算法的系统输出功率与波浪高度、周期之间的非线性估计关系，以满足发电机的变特性曲线阻尼自适应控制要求，实现单元系统的无位置传感器控制和最大功率输出，该控制策略可以实现对波浪发电系统波浪周期、高度等参数与电机出力（输出功率）之间的非线性智能估计，从而提高波浪发电系统控制的精确化与智能化。3）采取“飞轮+蓄电池”的变时间尺度混合储能方式对系统进行了能量控制和管理，实现了功率输出的平稳化，实现了“系统级”的最大波能捕获。4）研究出了圆筒型永磁直线波浪发电机的设计方法，利用基于水平集拓扑优化方案对电机进行了永磁体形状优化和端部效应抑制。同时，提出了一种应用于波浪发电系统的双转子永磁同步电机及其控制系统。5）建立了全电气模拟和小比例尺度物理实验系统，简化了波浪发电系统理论分析与实验开展的过程。6）提出了能应用于波浪发电并网逆变器的自适应虚拟同步技术和波浪并联发电系统的鲁棒控制策略，从而提高了波浪发电系统的鲁棒性和可靠性；7）采取改进的差分进化算法优化了阵列发电系统的物理布局和电气拓扑，从而达到充分利用折射、衍射等余能提高其发电能力，实现了“阵列级”的最大波能捕获。本项目所取得的成果具有较好的应用前景，将促进我国波浪发电关键技术水平的提升，对我国可再生能源利用和海上强国之梦的实现具有积极推进作用。