多点阵列式波浪能液压发电系统机理与控制策略研究

Research on wave energy converters can relieve effectively energy shortage and environmental pollution, but the promotion of the previous wave energy converters was hampered seriously because of their low energy conversion efficiency, poor output power quality and high generating cost. This project puts forward multipoint array wave energy capture method and will study the wave energy hydraulic converter's optimization design, operation mechanisms and control strategies. The main research contents include: Exploring multipoint array wave energy capture principle and superposition method. Calculating the power generation system's matching design parameters. Establishing the wave energy converter's dynamic joint simulation model and analyzing its operation mechanisms and rules. Realizing respectively the maximum energy capture and output power stability of wave energy through variable disturbance step observation controller and variable universe adaptive fuzzy controller. Constructing experimental facility, analyzing and verifying the experimental data. This project aims to provide a new wave energy collection method, reveal wave energy hydraulic power generation system's operation mechanisms, break through the past control strategies' limitations and lay theoretical foundation for developing multipoint array wave energy hydraulic power generation system.

波浪能发电技术的研究可有效缓解能源短缺和环境污染等社会问题，然而波浪能转化效率较低，输出电能质量较差，发电成本偏高等原因已严重阻碍了波浪能发电技术的推广应用。本项目在前期研究海洋能综合发电系统关键技术的基础上，创新性地提出了一种多点阵列式波浪能捕获方法，并对波浪能液压发电系统的控制策略和运行机理进行基础科学研究。主要研究内容包括：探索多点阵列式波浪能的捕获原理与耦合叠加方法；计算分析发电系统的匹配设计参数；建立动态联合仿真模型，对系统的运行规律进行仿真分析；分别运用变步长扰动观测法和自整定变论域模糊控制法实现波浪能的最大能量跟踪和功率稳定输出；构建造波池实验装置，并进行实验数据的分析与验证。本项目旨在提供一种新的波浪能收集方法，揭示波浪能液压发电系统运行机理，突破现有控制策略局限，从而提高波浪能转化效率，改善电能质量，降低发电成本，为多点阵列式波浪能液压发电系统的研制奠定理论基础。

为了扩大波浪能发电规模，提高电能输出质量，本项目以多点阵列式波浪能液压发电系统为研究对象，从波浪能的摄取方法，装置的水动力特性，液压转化传递技术和智能控制策略等方面展开研究。揭示了多点阵列式波浪能高效摄取方法的运行机理，完成了多点阵列式波浪能发电装置的匹配设计。基于波浪理论建立了振荡浮子阵列的水动力仿真模型，得出振荡浮子频域响应运动的特点及其最佳设计参数。对振荡浮子阵列在3种排布方式下进行了仿真分析，获得了最佳浮子间距，证明了圆周式排列是最佳布放方式，多个振荡浮子比单个浮子可摄取更多的波浪能量，有利于大规模发电。同时，对多点液压传递系统的主要元件进行了参数计算和合理选型，得出了系统中液压缸、液压马达和永磁发电机等设备的动态特性曲线图。首次将模糊自整定PID控制器应用于波浪能发电系统的恒转速控制中，并利用建立的数学模型进行了数值仿真。仿真结果表明在模糊神经元PID控制器调节下,多点阵列式波浪能液压系统能够在波浪能作用下恒转速稳定运行，并且具有良好的抗干扰性、自适应性和稳定性。依据阵列式波浪能摄取原理，共搭建完成了3套实验室模型样机和1套10kW海试样机，研究了各样机的工作性能，验证了理论分析的正确性，半物理仿真和实海况海试实验中利用多级电气负载调节控制策略，实现了系统发电效率提高。本项目所提出的多点阵列式波浪能发电系统具有完全知识产权，能够有效提高波浪能发电规模和提高电能输出质量，因此具有重要的理论和应用价值。本项目已发表学术期刊论文13篇（SCI检索2篇，EI检索5篇），已授权国家发明专利6项，国家实用新型专利6项；培养硕士研究生6名，其中4人已毕业。参加国内外学术会议4次，项目的研究成果获得了海洋可再生能源领域专家学者的认可，较好地完成了研究任务。