一種波浪能發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤裝置及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于波浪能發(fā)電領(lǐng)域，尤其是涉及一種波浪能發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤裝置 及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著全球能源危機的不斷加劇，溫室效應(yīng)的不斷加強，空氣質(zhì)量的不斷下降，各國 對新能源的開發(fā)日趨重視，尤其是波浪能發(fā)電，隨著波浪能發(fā)電成本的不斷下降，在未來波 浪能必將代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源，成為未來穩(wěn)定的能源解決方案。
[0003] 波浪的重要特征是具有多維度和隨機性的運動，在空間分布上具有高度的不均勻 性，在時間上又表現(xiàn)為隨機性沒有規(guī)律可循。目前，對于波浪能發(fā)電系統(tǒng)的最佳功率點的研 究很少。有科研人員提出用開路電壓法，爬山搜索法和最優(yōu)梯度法。
[0004] 開路電壓法，是在負載開路的情況下，跟蹤電壓的變化。然而開路電壓法與短路電 流法都是使用極端狀態(tài)（空載/超載）下的參數(shù)來作為控制的依據(jù)，參數(shù)的可信度不高。而 且在極端狀態(tài)下，波浪能發(fā)電機構(gòu)工作于大擺幅或者大應(yīng)力下，容易被損壞。爬山搜索法也 稱為擾動觀察法。爬山搜索算法無需測量波高與波周期，也不需要事先知道具體波浪能吸 收機構(gòu)的功率特性，而是施加人為的轉(zhuǎn)速擾動，然后通過測量功率的變化來自動搜索發(fā)電 機的最優(yōu)負載點，但因跟蹤步長對跟蹤精度和響應(yīng)速度無法兼顧，有時會發(fā)生程序在運行 中的"誤判"與振蕩現(xiàn)象。最優(yōu)梯度法，是一種以梯度法為基礎(chǔ)的多維無約束最優(yōu)化問題的 數(shù)值計算法，但最優(yōu)梯度法的迭代求出的解可能是局部最優(yōu)解，而不是全局最優(yōu)；對目標函 數(shù)要求較高。依賴于初始值，如果初始值取得不好，難以得到好的收斂結(jié)果；需要進行步長 選擇，而且步長值對算法性能影響很大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對以上【背景技術(shù)】中提到的現(xiàn)有最大輸出功率跟蹤方法存在的不足，本發(fā)明提出 了一種波浪能發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤裝置及控制方法。
[0006] -種波浪能發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤裝置，其特征是該裝置包括擺板、基座、轉(zhuǎn)軸、 鏈條、變速箱、永磁同步發(fā)電機、整流器、DC/DC變換器、MPPT控制器、速度傳感器、電壓傳感 器、電流傳感器、水位傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、第一電容、第二電容、驅(qū)動模塊和負載；
[0007] 其中，所述擺板通過轉(zhuǎn)軸固定于基座上，轉(zhuǎn)軸與變速箱輸入端通過鏈條連接，變速 箱輸出端與永磁同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子連接；
[0008] 所述整流器的三相輸入端與永磁同步發(fā)電機的三相輸出端連接，整流器的單相輸 出正端與第一電容的正極連接，整流器的單相輸出負端接地，第一電容負極接地；
[0009] 所述電壓傳感器的待測電壓輸入端與第一電容正極連接，電壓傳感器待測電壓輸 出端接地，電壓傳感器的測量信號輸出端與最大功率點跟蹤MPPT控制器連接；
[0010] 所述電流傳感器的待測電流輸入端與電壓傳感器正極連接，電流傳感器的待測電 流輸出端與DC-DC變換器的輸入端連接，電流傳感器的測量信號輸出端與最大功率點跟蹤 MPPT控制器連接；
[0011] 所述DC-DC變換器的脈寬調(diào)制信號輸入端與驅(qū)動模塊一端連接、驅(qū)動模塊另外一 端與MPPT控制器連接；DC-DC變換器的輸出端與第二電容正極連接；第二電容負極接地；
[0012] 所述水位傳感器的測量信號輸出端與最大功率點跟蹤MPPT控制器連接；
[0013] 所述速度傳感器的測量信號輸出端與最大功率點跟蹤MPPT控制器連接；
[0014] 所述轉(zhuǎn)速傳感器兩個輸入端與風(fēng)機三相輸出端中的其中兩端連接，轉(zhuǎn)速傳感器的 測量信號輸出端與MPPT控制器連接；
[0015] 所述負載一端與第二電容正極連接，負載另外一端接地。
[0016] 所述速度傳感器和水位傳感器安裝于擺板正前方2米處，且與擺板重心位于同一 水平面。
[0017] 所述DC-DC變換器采用Boost電路。
[0018] 所述水位傳感器采用LC-SWl。
[0019] 所述速度傳感器采用ZLS-PX。
[0020] -種波浪能發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤方法，其特征在于，所述方法具體包括步驟：
[0021] 步驟1 :采集擺板所在水域的波浪速度Sw和波浪高度Hw以及永磁同步發(fā)電機的轉(zhuǎn) 速
[0022] 步驟2 :在步驟1的基礎(chǔ)上，利用支持向量機預(yù)測模型得到最大功率點對應(yīng)的電壓 預(yù)測值Lf;
[0023] 步驟3 :通過比例積分控制器調(diào)節(jié)DC-DC變換器的脈沖寬度調(diào)制的占空比，使永磁 同步發(fā)電機輸出電壓達到最大功率點對應(yīng)的電壓預(yù)測值Vraf;
[0024] 步驟4:最大功率點對應(yīng)的電壓預(yù)測值Vraf為初始值，采用擾動觀察法以設(shè)定的擾 動步長跟蹤永磁同步發(fā)電機的最大功率；
[0025] 步驟5 :當(dāng)擾動觀察法求得的擾動前后的功率差值大于等于設(shè)定閾值I；時，說明 波浪能量發(fā)生變化，重復(fù)步驟1至步驟4。
[0026] 步驟2中，利用支持向量機預(yù)測模型得到最大功率點對應(yīng)的電壓預(yù)測值Vraf的過 程為；
[0027] 支持向量機SVM預(yù)測模型的作用是根據(jù)傳感器測得的參數(shù)向量X(i)=[Sw(i)， Hw(i)，cow(i)]T，給出永磁同步發(fā)電機的最大功率點電壓的預(yù)測值V"f;
[0028] 步驟201 :收集訓(xùn)練樣本；
[0029] 記某一工作環(huán)境下的參數(shù)向量為X(i) = [Sw(i)，Hw(i)，《w(i)]T，對應(yīng)最大功率點 MPP的電壓Svniax⑴則可構(gòu)成一對樣本（XahVniaJi))。通過收集各種不同環(huán)境下的樣本 對，形成樣本集{(X⑴，Vniax⑴）}，
[0030] 某一工作環(huán)境下訓(xùn)練樣本的獲取采用試探法來采集，采集過程為：
[0031] 步驟2011:初始化DC-DC變換器的PffM信號的脈沖占空比D以較小的初始值D。， 使其每次以固定增量AD不斷增加，對于第k次，有
[0032] D (k) = D〇+k ? A D (1)
[0033] 其中：D (k)為第k次脈沖占空比；
[0034]D。為占空比初始值；
[0035]AD為固定增量；
[0036] 步驟2012 :通過電壓傳感器和電流傳感器采集永磁同步發(fā)電機經(jīng)整流器后的直 流輸出電壓Vd。(k)和直流輸出電流Id。(k)，計算當(dāng)前風(fēng)機的輸出功率P(k):
[0037] P(k) =Vdc (k) ?Idc (k) (2)
[0038] 步驟2013 :與前一次永磁同步發(fā)電機的輸出功率P(k-l)比較，當(dāng)出現(xiàn)P(k) <P(k-1)時則認為此時永磁同步發(fā)電機的工作狀態(tài)已接近最大功率點；令：
[0039] D(k) =D。+ (k-0. 5) ?AD(3)
[0040] 記錄此時的永磁同步發(fā)電機的工作電壓作為最大功率點電壓Vraf以及工作向量 X⑴=[Sw(i)，Hw(i)，《w(i)]T，完成一次采集，即得到一對樣本（X(i)，V_(i))。
[0041] 步驟202 :訓(xùn)練支持向量機SVM模型；具體過程為：
[0042] 步驟2021 :給定樣本集^，其中，X1GRn為輸入向量，yiGR為相應(yīng) 輸出值，N為樣本個數(shù)，n為輸入向量維數(shù)；
[0043] 步驟2022 :設(shè)定支持向量機SVM所用線性回歸函數(shù)為：
[0044] Yi =f(X;) =W<}) (Xi)+b(4)
[0045] 其中：71為線性回歸函數(shù)輸出；
[0046] ? (X1)是從輸入空間到高維特征空間的非線性映射；
[0047] X1為輸入向量；
[0048] W為權(quán)值向量；
[0049] b為偏置；
[0050] 權(quán)值向量W和偏置b由最小化公式（5)來計算：
0)，用于控制對超出的樣本的懲罰程度；N為樣本個數(shù)；Ii為引入的松弛變量；e為誤差； [0054] 步驟2023 :根據(jù)最小化公式（5)建立拉格朗日方程，求解線性回歸函數(shù)為：
樣本向量，且不為零的a^對應(yīng)的向量X^稱為支持向量；得到支持向量后，S卩可求得回歸函 數(shù)y=f(Xi);
[0057] 步驟2024 :采用統(tǒng)計量平均相對誤差A(yù)MRE評價預(yù)測模型的性能；其表達式為：
[0059] 式中：
[0060] Amre為統(tǒng)計量平均相對誤差；
[0061] Y為樣本的真值；
[0062] 令為Y的估計值；
[0063] 步驟2025 :均勻抽取總樣本中的40%作為訓(xùn)練樣本其余60%作為檢驗樣本，分別 取不同C與S2利用訓(xùn)練樣本進行學(xué)習(xí)，并計算在檢驗樣本上的AMRE選擇最小的AMRE所對 應(yīng)的模型作為最終預(yù)測模型；
[0064] 步驟203 :將工作向量X(i) = [Sw(i)，Hw(i)，cow(i)]T通過最終預(yù)測模型得到最 大功率點MPP對應(yīng)的電壓的預(yù)測值Vraf。
[0065] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：當(dāng)外界環(huán)境變化時，借助于預(yù)測模型可以 直接將工作電壓調(diào)節(jié)至最大功率點對應(yīng)的電壓預(yù)測值Vraf的附近，避免了擾動觀察法逐步 試探的過程，從而提高了跟蹤速度；最大功率點對應(yīng)的電壓預(yù)測值Vraf為初值進行擾動觀 察時，由于電壓預(yù)測值Vraf已經(jīng)接近最大功率點MPP對應(yīng)的電壓，故可以設(shè)置較小的擾動步 長，從而有效的降低擾動觀察過程的功率損失；當(dāng)波浪的特性發(fā)生變化時，可以快速收集訓(xùn) 練樣本，保證預(yù)測模型的高精度。
【附圖說明】
[0066] 圖1為本發(fā)明硬件結(jié)構(gòu)圖；
[0067] 圖2為擾動觀察法P&0算法流程圖；
[0068] 圖3為本發(fā)明提供的一種波浪能發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤方法的流程圖；
[0069] 其中，1-擺板；2-基座；3-轉(zhuǎn)軸；4-鏈條；5-水位傳感器；6-速度傳感器；7-永磁 同步發(fā)電機；8-轉(zhuǎn)速傳感器；9-整流器；10-第一電容；11-電壓傳感器；12-電流傳感器； 13-第二電容。
【具體實施方式】
[0070] 下面結(jié)合附圖，對優(yōu)選實施例作詳細說明。應(yīng)該強調(diào)的是下述說明僅僅是示例性 的而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。
[0071] 圖1為本發(fā)明實施例的硬件結(jié)構(gòu)圖，其中，永磁同步發(fā)電機7主要參數(shù)為：額 定功率為300W，額定電壓為24V，額定轉(zhuǎn)速800r/min，最大功率跟蹤裝置的主要參數(shù)為： MPPT控制器采用dsPIC33FJ16GS504單片機，DC-DC變換器采用Boost電路，驅(qū)動模塊選 用MCP14E3,電壓傳感器11選用LV28-P，電流傳感器12選用LA25-NP，速度傳感器6采用 ZLS-PX，轉(zhuǎn)速傳感器8采用電壓過零檢測式頻率計，第一電容Cl= 10uF，第二電容C2