【《波浪能发电技术及控制策略分析的国内外文献综述》4300字】

波浪能发电技术及控制策略研究的国内外文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u1428波浪能发电技术及控制策略研究的国内外文献综述 1309171.1.1波浪能发电技术 1268671.1.2波浪能发电控制技术 5251751.1.3模型预测控制 6252921.1.4爬山法 731805参考文献 7波浪能发电技术成文的波浪能发电技术最早问世于1799年。最早研究波浪发电装置的国家是英国、法国、挪威等。后来，美国、加拿大、澳大利亚、日本、印度和瑞士也陆续开始了对波浪发电装置的研究和开发。我国波浪能发电研究起步比较晚，与世界最先进的波浪能发电技术相比还有些差距，但也取得了相当不错的成就。从应用的角度讲，波浪能发电主要在离网发电和并网发电领域得到了推广和发展。离网发电主要体现在波浪能发电技术在航标灯、浮标和灯船等的等领域的应用。相比普遍较高，需要继续发展，进一步降低成本。波浪能实际应用时波浪能转换成电能的效率并不理想。在保证装置结构和材料与海浪契合和情况下，在极端海况下的装置保护会有一定难度。波浪能发电装置大致分为三级能量转换，第一部分是将波浪能转换成动能，第二部分是将动能转换成齿轮动能、气压能或液压能等，第三部分是将中间环节传递的能量转换成电能。目前常用的波浪能装置如下：（1）振荡水柱式振荡水柱式波浪能发电装置的发展历史最为悠久，因此也是当前应用中最为成熟的波浪能转换装置。其原理如图1-3，在波浪的作用下，装置内的水柱会随之进行上下运动，水柱在运动时会挤压装置内的空气，可以吹动涡轮机叶旋转，从而进行发电。其能量传递方式是气动式，大部分装置避免了与海水直接接触，因为海水中富含各种无机盐，呈现碱性，会对设备造成腐蚀，所以也降低了装置材料选择的要求，降低了装置的设计成本。但是气动式转换效率较低，且装置对选址要求较高。振荡水柱式波浪能发电较为成熟的产品已经能够实现并网发电，如澳大利亚OCEANLINK公司研制的产品。图1-3振荡水柱式装置原理（2）振荡浮子式振荡浮子式波浪能发电装置的原理如图1-4所示，浮子处于海域中，随波浪进行运动，垂直方向运动幅度最大，因此一般主要考虑垂直方向的运动，吸收的波浪能通过能量转换装置转换为稳定的机械能或液压能，然后传递给电机，再转换成电能进行使用与传输。其成本相对较低，且能量转换效率大幅度提升，但振荡浮子式波浪能发电装置需要和海水直接接触，因此会受到海水的腐蚀，会降低装置的寿命，增加材料选择的难度，需要进行定期检修和保养。图1-4振荡浮子式装置原理（3）摆式摆式波浪能发电装置原理如图1-5所示，在波浪来临时，摆板在波浪的冲击下会进行摆动，捕获的能量会经过液压设备传递到后续电气部分。摆式波浪能发电装置结构较为简单，可靠性较高，但其中间能量转换装置即液压部分，维护和检修的难度较高。图1-5摆式装置原理（4）越浪式越浪式波浪能发电装置原理如图1-6所示，是通过装置结构引导波浪到高处的水库中，然后再从窄的水道流下来，水道里设有水轮机，海水流下来的时候会带动水轮机转动进行发电。越浪式波浪能发电装置在波浪大的时候发电效率较高，但小波浪时发电效率偏低。图1-6越浪式装置原理（5）鸭式鸭式波浪能发电装置正如它的名字的意思，在波浪作用下的运动类似于鸭子的运动，鸭体会绕着中心轴不停旋转，结构如图1-7所示。其特点是成本较低，且在规则波浪下，波浪能的捕获和转换效率较高。但其在随机波浪下的发电效果并不理想，且设计较为复杂，结构较为脆弱。图1-7鸭式装置原理（6）筏式筏式波浪能发电装置包括多个波面筏，相两个波面筏之间设有液压泵，结构如图1-8所示，在波浪作用下，装置整体也会随波浪起伏，在运动过程中波面筏之间的夹角会发生变化，液压泵会随之做活塞运动，波浪能会被转化为液压能。当装置的运动特性与海况一致时，发电效率十分可观。但由于装置结构和工作方式，装置在极端海况下很容易损坏，如何有效地在大风等极端天气下实现对装置的保护极为重要。筏式波浪能发电装置也是世界上第一种商用的波浪能发电装置，于2004年在英国顺利实现并网发电。图1-8筏式装置原理为了提高波浪发电装置的发电效率，主要有两个研究方向，一是波浪能发电控制技术在海洋中，波浪大都是以随机波形式存在的，可以看做是无数不同周期和幅值的波的叠加。由于波浪的不规则性，很难用一种固定负载适应多种工况。因此想要实现最大能量获取需要进行实时控制，控制的性能很大程度上决定了波浪能发电装置的发电效率。按照控制方式可分为三类：无源阻尼控制、有源阻尼控制和阻性bang-bang控制[20]。无源阻尼控制无源阻尼控制不需要额外的能源供应，当电机只工作在发电机状态，这时能量转换是单向的。根据浮子受力，改变系统的阻尼，就可以控制发电机的电磁力或电磁转矩，进而调整浮子的运动状态。无源阻尼控制的特点是控制简单，易于实现。且装置不需要能量供应装置或电源，一定程度降低了装置成本。但这种方法无法实现波浪激励力与浮子速度同相位，因此该方法的发电效率要相对低一些，这一现象在随机波浪激励力作用下尤为明显。文献[8]分析了无源阻尼控制下的负载控制的情况，在固定海况下，存在唯一的电阻值使装置输出功率最大，基于buck通过改变开关管的占空比实现了对电阻值的控制。文献[6]在无源控制保证系统渐进稳定的基础上，加入了分段控制的思想高速时带载发电，实现了负载状态切换时的平滑过渡。有源阻尼控制有源阻尼控制即无功控制，是当前的主流研究方向，同样是控制电机的电磁力，与无源阻尼不同，装置必须外加能量供应装置或电源，因为发电机会有一定的时间内是工作在电动机状态，从而实现，波浪激励力与浮子位移的同相位，即共振状态。而想要达到最大能量捕获必须实时获得波浪的信息，因此需要对波浪激励力进行预测，有源阻尼控制是建立在波浪信息已知的情况下进行的，能够实现对于波浪能的最大捕获。文献[24]基于输入观测器理论建立了波浪的预测模型，可以实时预测波浪的未来信息，并分析了波浪作用于浮子的力与海况及浮子的关系，说明了波浪激励力的计算方法。文献[5]设计了波浪的未知输入观测器，基于传统的PID算法实现了对波浪能的最大功率追踪，并分别在规则波和不规则波下进行了验证。阻性bang-bang控制阻性bang-bang控制主要可以分为离合控制和钳位控制两个方面。它的原理同样是从相位入手，通过在一定时间内固定浮子(钳位)或者接入切除发电机（离合）来调整浮子的相位，该方式下发电机也只工作在发电状态下，但是这种方法设计难度相对较高，且对于规则波浪下控制效果较好，但是在不规则波浪下的控制效果并不理想，因此使用相对较少。模型预测控制模型预测控制算法（MPC）是一种基于模型的控制方法，具有鲁棒性强和易于加约束条件的优点，适用于对复杂系统的控制。MPC算法结构如图1-9所示。其核心是：针对预测模型预测未来的行为，在线反复计算并进行滚动优化，并且能够将实际对象的状态返回到控制机，与预测的未来估计对比修正。它的控制是一种实时控制，需要实时计算未来的信息，因此其计算量是非常大的，正因如此其诞生初期并不适用于进行运动控制，随着社会发展，芯片性能不断提升，计算能力也得到了加强，模型预测控制也逐渐体现出了在运动控制领域的优势。文献[1]同样采取矢量控制方式，在确定海况下建立了系统的预测模型，采用了模型预测控制算法实现了对系统参考信号的追踪，验证了点吸收式波浪能发电装置中MPC算法的可行性和优越性。图1-9MPC控制框图图中，ysp是系统设定输出，yr表示参考轨迹，u是输入，y是实际输出，ym是模型输出，ye是预测输出。爬山法爬山法是一种通过评价当前状态去不断缩小与目标值差异的寻优算法。该方法自诞生之初就被用来求取各种情景的最值问题，即通过各种方法使得被控量不断接近最终达到目标值。其特点是易于实现，可信度较高，但是其结果是一个求局部最优的结果，而为了解决这一问题学者也提出了很多方法，如随机重启等。文献[8]中的无源阻尼控制中，在固定海况下利用爬山法完成了最大功率点的寻求，找到了最优电阻值。文献[31]使用了电流矢量和空间脉冲调制等方式，追求波浪能量的最大程度吸收，同时将电机损耗考虑了进去。参考文献陈雅.浮子式波浪发电系统的模型预测控制[D].天津大学,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.张强.振荡浮子式波浪发电系统控制策略研究[D].中国海洋大学,2020.黄秀秀.振荡浮子式波浪发电系统的功率控制[D].华南理工大学,2019.高辉.振荡浮子式波浪发电装置最佳功率控制研究[D].华南理工大学,2012.郑明月.振荡浮子式波浪能发电技术研究[D].华南理工大学,2017.彭建军.振荡浮子式波浪能发电装置水动力性能研究[D].山东大学,2014.王鑫,李大鸣,李雪临,等.大万山波浪能试验场泊位间水动力影响分析[J].海洋技术学报,2015(4):69-73.姚琦,王世明,胡海鹏.波浪能发电装置的发展与展望[J].海洋开发与管理,2016,01:86-92.马哲.振荡浮子式波浪发电装置的水动力学特性研究[D].中国海洋大学,2013.张家明,黎明,张帅,刘臻,史宏达.100kW组合型振荡浮子式波浪发电装置能量转换系统研究[J].太阳能学报,2017,38(12):3355-3362.杨健.直驱式波浪发电系统能量捕获控制技术研究[D].东南大学,2017.顾煜炯,谢典,耿直.波浪能发电技术研究进展[J].电网与清洁能源,2016,05:83-87.黄鹏.振荡浮子式波浪能发电装置研究[D].中国海洋大学,2015.唐友刚,赵青,黄印,何鑫.筏式波浪能发电装置浮体水动力相互作用与能量俘获研究[J].海洋技术学报,2016,(04):87-92.ZhongQ,YeungRW.Wave-bodyinteractionsamongenergyabsorbersinawavefarm[J].Appliedenergy,2019,233:1051-1064.ShekJKH,MacphersonDE,MuellerMA.Experimentalverificationoflineargeneratorcontrolfordirectdrivewaveenergyconversion[J].IETRenewablePowerGeneration,2010,4(5):395-403.巩冰.振荡浮子式波浪能发电系统关键技术研究[D].哈尔滨工程大学,2015.ZhangD,LiW,LinY.WaveenergyinChina:Currentstatusandperspectives[J].RenewableEnergy,2009,34(10):2089-2092.黄秀秀,杨金明,陈渊睿,姜元.基于PCHD模型的振荡浮子式波浪发电系统的无源控制[J].电测与仪表,2019,56(7):107-112.GuoW,ZhouY,ZhangW,etal.HydrodynamicAnalysisandPowerConversionforPointAbsorberWECwithTwoDegreesofFreedomUsingCFD[J].ChinaOceanEngineering,2018,32(6):718-729.GuoB,PattonR,JinS,etal.Nonlinearmodelin