1、SHIP ENGINEERING 船 舶 工 程 Vol.45 No.1 2023 总第 45 卷，2023 年第 1 期 1 振荡浮子式波浪能发电系统的 双闭环稳压控制振荡浮子式波浪能发电系统的 双闭环稳压控制 汪 康，龚希武（浙江海洋大学 船舶与海运学院，浙江舟山 316022）摘 要：摘 要：为优化一种新型多点直驱式波浪能发电系统的输出稳定性，利用 MATLAB 对比分析该系统分别应用模糊 PID 和模糊神经元 PID 的控制效果，提出二者相结合的双闭环稳压控制器。在不同工况下进行相应的仿真试验，结果表明所述控制系统在抑制转速及电压波动上效果显著，且相较于单一控制器，响应时间更快，发电系
2、统的电能质量和稳定性进一步提高。关键词：关键词：波浪能发电系统；振荡浮子式；双闭环控制；稳定性 中图分类号：中图分类号：P743.2;TP273 文献标志码：文献标志码：A 【DOI】10.13788/ki.cbgc.2023.01.01 Double Closed-Loop Voltage Regulator Control of Oscillating Float Wave Power Generation System WANG Kang,GONG Xiwu(School of Naval Architecture and Maritime,Zhejiang Ocean Universi
3、ty,Zhoushan 316022,Zhejiang,China)Abstract:In order to optimize the output stability of a new multi-point direct-drive wave energy power generation system,MATLAB is used to compare and analyze the control effects of the system using fuzzy PID and fuzzy neuron PID,and a double closed-loop voltage sta
4、bilization combining the two is proposed.Corresponding simulation tests are carried out under different working conditions,and the results show that the control system has significant effects in suppressing speed and voltage fluctuations,and compared with a single controller,the response time is fas
5、ter,and the power quality and stability of the power generation system are further improved.Key words:wave power generation system;oscillating float;double closed-loop control;stability 0 引言引言 目前，波浪能发电装置已经有了长足发展，种类相对较多，其中振荡浮子式波浪能转换器发展最为活跃，具有建造成本低和转换效率高等优势，按浮子个数主要分为单点式、组合式和阵列式1。然而，相应发电系统的控制策略研究发展缓慢，已
6、经阻碍了振荡浮子式发电系统的研究与推广。因此，对于分布式波浪能发电系统来说，需要配套更先进、更智能化的控制策略来改善其运行稳定性，以提升波浪能输出的电力质量。现有的关于振荡浮子式波浪能发电系统的控制策略大多集中于相位控制技术、智能控制算法和负反馈控制等技术的综合应用上。姜元等2针对波浪发电效率低的问题，提出了一种振荡浮子式波浪发电分段控制策略，以发电效率为基础，结合低速和高速 2 种发电模式，优化发电量，但该策略下的发电功率具有不连续性，无法持续对特定负载长时间持续供电；曹灿等3提出一种可应用于多浮子波浪能发电装置的液压发电系统，采用蓄能器稳压控制策略，由于实际工作海域的平均波高无法固定，蓄能
7、器的选型比较困难，成本也较高；杨绍辉等4将模糊神经元 PID 控制方法应用于一种多点直驱式波浪能发电系统的智能控制过程中，具有较好的自适应性、参数自整定和抗干扰能力，可实现该系统的恒转速控制，但不能对输出端电能质量作进一步调节。综上所述，传统 PID 控制适用于线性定常系统，其控制参数需要预先整定，无法应 收稿日期：2021-11-21；修回日期：2022-08-29 基金项目：浙江省重点研发计划项目（2019C02087）作者简介：汪 康（1996），男，硕士研究生。研究方向：海洋能可再生能源的开发和利用。专题：海洋可再生能源 2 用于非线性的波浪能发电系统。利用模糊控制与神经网络智能算法相
8、结合的现代PID控制技术可对控制参数进行自整定，有较好的动静态性能。本文以杨绍辉等5提出的多点直驱式新型波浪能发电系统为研究对象，在基于模糊神经元PID 恒转速控制的基础上，结合模糊 PID 控制算法，设计双闭环稳压控制器，搭建优化后的发电系统整体模型，并进行仿真试验，仿真结果表明发电系统稳定性增强。1 多点直驱式波浪能发电系统多点直驱式波浪能发电系统 1.1 系统结构组成系统结构组成 多点直驱式波浪能发电系统主要由波浪能收集器、永磁同步交流发电机、不可控整流器、DC/DC 变换器、转速传感器、电压传感器、以及转速和电压 2种智能控制器等设备组成，见图1。DC/DC 变换器A主电路为升压斩波电
9、路；DC/DC 变换器 B 主电路为Cuk 电路；转速控制器为模糊神经元 PID 控制器；电压控制器为模糊PID 控制器。图 1 多点直驱式波浪能发电系统结构组成 1.2 能量转换过程能量转换过程 根据振荡浮子式波浪能捕获装置的结构示意图（见图 2），对该装置的波浪能转换过程进行简要分析：系统工作时，每个振荡浮子将波浪能通过自身的上下做功运动吸收采集，在传动索的带动下，旋转轴的超越离合器受到波浪力，会在半个工作周期后分离，振荡浮子有且只有半个周期做功5。多个振荡浮子吸收的波浪能转换为旋转轴的机械能，从而驱动发电机转子转动，实现波浪能向电能的转换，最终电能经过 1漂浮平台；2振荡浮子；3锥齿轮；
10、4旋转轴；5超越离合器；6配重体；7传动索；8定滑轮；9海底重物；10海底 图 2 振荡浮子式波浪能收集装置主体结构 整流稳压系统流向负载。1.3 系统控制流程系统控制流程 提出的双闭环稳压控制器的基本控制原理是利用转速传感器采集发电机转子实时转速，对比预设转速，当实时转速小于预设转速时，采用转速控制单元实现转速稳定，再对比此时的测量电压和预设电压，确定电压控制单元的工作状态；当实时转速大于或等于预设转速时，直接进行电压控制直至系统稳定。整个电控系统控制流程示意图见图3。图3 双闭环稳压控制流程图 2 双闭环控制器原理双闭环控制器原理 2.1 转速控制单元转速控制单元 传统的PID控制难以实现
11、常规非线性与不确定系统的精确控制；单神经元人工网络具有独立学习与自主调整适应能力，可兼容任意系统函数，且结构设计简单、权值学习周期短，适合应用于非线性波浪能发电系统的控制。因此，双闭环控制系统的转速控制单元采用陈杰等6提出的模糊-单神经元 PID 控制器，以改善振荡浮子获能波动下电机转速的不稳定问题。控制器原理见图 4。图 4 中：r()为额定转速；u()为实测转速；e()为偏差信号；xi()为神经元输入信号；wi()为神经元的网络权值；K 为神经元的放大增益；a()为占空比控制信号；为采样时刻。神经元输入信号 xi()(i=1,2,3)可利用状态变换器计算得到：123()()()()(2)(
12、)(1)()()(1)(2)xruexeexeee=-=|-|-=-=-+（1）单神经元控制器的权值 wi()可通过在线调整实现自适应和自组织的功能，采用有监督的 Delta 学习波浪能 获能器 发电机 整流器 DC/DC变换器 ADC/DC变换器 B负载 电压 控制器 转速 控制器 转速传感器 电压 传感器 10978123456YNNNYY 开始 初始化 设置潮流工况范围及叶轮模拟转速 预设 电机转速发电机 工作 预设 输出电压 转速控制电压控制 负载供电 测量转速预设转速？测量转速=预设转速？测量电压=预设电压？汪康等，振荡浮子式波浪能发电系统的双闭环稳压控制 3 算法6，即：(1)()
13、()()iiiiwwex+=+（2）式中：i为神经元的学习速率，取值范围为01。此时的控制器放大增益还不具备自整定能力，借助模糊控制策略可进行相应参数的自整定，图 4 中 ke和 kec为尺度量化因子6，分别取0.3 和0.003，Kz为输出比例因子，设为0.9，模糊控制的输出量即为神经元PID 控制器的放大增益 K。图 4 模糊神经元控制原理图 2.2 电压控制单元电压控制单元 双闭环控制系统的电压控制单元采用模糊PID控制器，输入分别为电压误差e 和误差变化率 ec，输出分别为 P、I、D。采用三角形隶属度函数对输入输出的每个隶属度曲线进行设计（每个参数有7 条隶属度曲线），以提高模糊算法
14、的执行效率。E 和 EC 的论域取6 6，P、I、D 的论域分别为2 5、1 2和 7 19。隶属度函数命名顺序为NL、NM、NS、ZE、PS、PM 和PL。模糊规则共49 条7，去模糊化选取重心法。3 系统数学模型及仿真模型系统数学模型及仿真模型 3.1 获能系统建模获能系统建模 将多点振荡浮子波浪能转换装置设计在深水中，此时(gT 2)/2（为波长，T 为周期），研究发电系统的稳定性及控制效果。相关参数设置：水深 h=49.5 m；波高 H=1.5 m；T=6 s；=56.178 m；波数k=2/=0.112；kh=5.54。当 H/1/50 时，波的动力特性可通过线性理论精准预测，得到波
15、浪圆频率=2/T=1.047。初始条件为：浮子高L=0.9 m，浮子半径 R=1.2 m，初始吃水深度d(0)=0.5 m。垂直方向上波浪力系数 Cv根据系数表8查得，为1.03。由于浮体是圆柱形，所受到的垂直波浪力计算公式可依据弗劳德-克雷洛夫假定法得到：vv1cosh()()cos()cosh()FCttRJ kRkHdhgk hkt=-.（3）式中：J1(kR)为1 阶第一类贝塞尔函数；为海水密度，kg/m3；d(t)为任意时刻浮子的吃水深度；R 为浮子半径，m；t 为运动时间，s。将初始条件代入式（3）中，可得单个浮子t 时刻在波浪力作用下产生的力矩Tn（假定超越离合器半径r=1.0
16、m）：()()()nv0.11249.5404cosh0.978 3cos 1.0470.1740.75cos 1.047cos 1.(04)7TFrtttt=+-|.|（4）3.2 系统整体仿真模型系统整体仿真模型 利用 MATLAB 进行模糊控制器的规则设计，在Simulink 中应用模块库中的 Sources、Signal Routing等元件模块对获能系统、传动系统（以刚性轴模型为基础进行数学建模）、整流稳压系统及控制系统进行模型搭建，系统整体仿真模型见图 5。系统预设条件：飞轮转动惯量 5 kgm3；永磁发电机额定输出功率5.0 kW、额定转速49.25 rad/s；转速给定值50.00 rad/s；电压给定值200 V；仿真时间设为20 s；开始时间设为 0。仿真步长模式为变步长，以便在仿真过程中更改步长，提供误差控制和过零检测。对于变步长模式，其仿真精度包括：1）相对误差，缺省值设为103，即状态的计算值要精确到 0.1%；2）绝对误差，默认设成 auto，即为每一个状态设置初始绝对误差为106。图5 发电系统仿真模型 状 态 变 换 K z1 模糊 规则 Kz限幅器z1
