• 中国科技核心期刊
  • JST收录期刊

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于模糊滑模的直驱式波浪发电装置最大功率控制研究

范新宇 孟昊

范新宇, 孟昊. 基于模糊滑模的直驱式波浪发电装置最大功率控制研究[J]. 水下无人系统学报, 2024, 32(1): 1-9 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0114
引用本文: 范新宇, 孟昊. 基于模糊滑模的直驱式波浪发电装置最大功率控制研究[J]. 水下无人系统学报, 2024, 32(1): 1-9 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0114
FAN Xinyu, MENG Hao. Research on maximum power control of direct drive wave power plant based on fuzzy sliding mode[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0114
Citation: FAN Xinyu, MENG Hao. Research on maximum power control of direct drive wave power plant based on fuzzy sliding mode[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0114

基于模糊滑模的直驱式波浪发电装置最大功率控制研究

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0114
基金项目: 国家自然科学基金青年项目(52205271).
详细信息
    作者简介:

    孟昊:范新宇(1991-),男,副教授,主要研究方向为电磁直线驱动装置优化设计、控制与应用

  • 中图分类号: TM619, TK7

Research on maximum power control of direct drive wave power plant based on fuzzy sliding mode

  • 摘要: 海洋波浪能是一种新型清洁能源, 为提高直驱式波浪发电系统的发电功率和波浪能转换效率, 针对目前普遍使用的比例-积分-微分(PID)控制方法存在输出纹波较大、系统稳定性较差的问题, 提出基于模糊滑模的最大功率控制方法, 根据运行状态实时调整趋近律参数, 在实现最大功率跟踪的同时削弱输出纹波, 减小跟踪误差, 提高系统控制品质。文中以永磁直线发电机作为发电装置, 建立系统动力学模型, 并通过快速傅里叶变换(Fast Fourier Transformation, FFT)方法预估不规则波浪主频, 设计满足最大功率策略的期望电流跟踪曲线; 在此基础上, 将常规PID、滑模控制方法与所提出的模糊滑模最大功率控制方法进行仿真对比, 结果表明: 模糊滑模控制方法在功率上有所提升且具有更好的准确性和稳定性。

     

  • 图  1  直驱式波浪发电系统原理图

    Figure  1.  Principle diagram of direct drive wave power system

    图  2  RLC等效电路图

    Figure  2.  RLC equivalent circuit diagram

    图  3  模糊滑模控制原理图

    Figure  3.  Schematic diagram of fuzzy sliding mode control

    图  4  $ {s}_{n} $$ \dot{{s}_{n}} $隶属函数

    Figure  4.  Membership function of $ {\mathit{s}}_{\mathit{n}} $$ \dot{{\mathit{s}}_{\mathit{n}}} $

    图  5  $ \Delta \varepsilon $隶属函数

    Figure  5.  Membership function of $ \Delta \mathit{\varepsilon } $

    图  6  发电系统模型结构图

    Figure  6.  Power generation system model structure diagram

    图  7  PID控制下的q轴跟踪电流及跟踪误差

    Figure  7.  Q-axis tracking current and tracking error under PID control

    图  8  滑模控制下的q轴跟踪电流及跟踪误差

    Figure  8.  Q-axis tracking current and tracking error under sliding mode control

    图  9  模糊滑模控制下的q轴跟踪电流及跟踪误差

    Figure  9.  Q-axis tracking current and tracking error under fuzzy sliding mode control

    图  10  不同控制下的瞬时功率图

    Figure  10.  Instantaneous power diagram under different controls

    图  11  不同控制下的平均功率图

    Figure  11.  Average power diagram under different controls

    图  12  不规则波浪波形图

    Figure  12.  Diagram of irregular wave waveform

    图  13  不规则波浪波形对比

    Figure  13.  Irregular wave waveform contrast

    图  14  不规则波浪激励力和300倍速度的波形

    Figure  14.  Irregular wave excitation force and 300 times the speed of the waveform

    图  15  PID控制下的q轴跟踪电流和误差

    Figure  15.  Q-axis tracking current and error under PID control

    图  16  滑模控制下的q轴跟踪电流和误差

    Figure  16.  Q-axis tracking current and error under sliding mode control

    图  17  模糊滑模控制下的q轴跟踪电流和误差

    Figure  17.  Q-axis tracking current and error under fuzzy sliding mode control

    图  18  不规则波浪平均功率图

    Figure  18.  Average power diagram of irregular waves

    表  1  输出$ \Delta \varepsilon $模糊规则表

    Table  1.   Output $ \Delta \mathit{\varepsilon } $ fuzzy rule table

    $ \dot{{s}_{n}} $sn
    NBNMNSZOPSPMPB
    NBPBPBPBPBNMNSZO
    NMPBPBPBPMNSZOPS
    NSPBPBPMPSZOPSPM
    ZOPBPMPSZONSNMNB
    PSPMPSZONSNMNBNB
    PMPSZONSNMNBNBNB
    PBZONSNMNBNBNBNB
    下载: 导出CSV

    表  2  仿真参数设置

    Table  2.   Simulation parameter setting

    变量取值变量取值
    d轴定子电感$ {L}_{d} $0.0114 H运动部件总质量M100 kg
    q轴定子电感$ {L}_{q} $0.0114 H附加质量m50 kg
    定子电阻r1 Ω阻尼系数$ {R}_{1} $210
    极对数n4浮力系数$ {K}_{1} $61.5
    极距$ \tau $0.05 m激励力幅值$ {F}_{m} $300 N
    永磁体磁链$ {\varphi }_{f} $0.52 Wb波浪频率$ \omega $0.5 π
    下载: 导出CSV
  • [1] 洪岳, 潘剑飞, 刘云, 等. 直驱波浪能发电系统综述[J]. 中国电机工程学报, 2019, 39(7): 1886-1899.

    Hong Yue, Pan Jianfei, Liu Yun, et al. A review on linear generator based wave energy conversion systems[J]. Proceedings of the CSEE, 2019, 39(7): 1886-1899.
    [2] 刘翔宇, 王岩, 王昊, 等. 基于柔性摩擦纳米发电机的水下能量收集技术研究[J]. 水下无人系统学报, 2022, 30(5): 543-549. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202112016

    Liu Xiangyu, Wang Yan, Wang Hao, et al. Research on flexible triboelectric nanogenerator for underwater energy harvesting[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2022, 30(5): 543-549. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202112016
    [3] 曲泉铀, 何宏舟, 李晖. 一种浮摆式波能发电装置摆板运动响应的数值模拟[J]. 海洋工程, 2013, 31(5): 82-88. doi: 10.3969/j.issn.1005-9865.2013.05.011

    Qu Quanyu, He Hongzhou, Li Hui. Numerical simulation of the pendulum system in a floating & pendular type wave energy converter[J]. Ocean Engineering, 2013, 31(5): 82-88. doi: 10.3969/j.issn.1005-9865.2013.05.011
    [4] 方子帆, 葛旭甫, 何孔德, 等. 无人水下航行器摆式发电装置设计与研究[J]. 中国机械工程, 2018, 29(19): 2306-2311. doi: 10.3969/j.issn.1004-132X.2018.19.006

    Fang Zifan, Ge Xupu, He Kongde, et al. Design and research on pendulum power generation devices for UUVs[J]. China Mechanical Engineering, 2018, 29(19): 2306-2311. doi: 10.3969/j.issn.1004-132X.2018.19.006
    [5] Remya, Krishna, Olle, et al. Analysis of linear wave power generator model with real sea experimental results[J]. Iet Renewable Power Generation, 2013, 7(5): 574-581. doi: 10.1049/iet-rpg.2012.0117
    [6] 肖晓龙, 肖龙飞, 杨立军. 串联直驱浮子式波浪能发电装置能量捕获研究[J]. 太阳能学报, 2018, 39(2): 398-405.

    Xiao Xiaolong, Xiao Longfei, Yang Lijun. Energy harvesting study of series direct driven float wave energy converter[J]. Acta Solar Energy Sinica, 2018, 39(2): 398-405.
    [7] Hai L, Malin G, Leijon M. a methodology of modelling a wave power system via an equivalent RLC circuit[J]. IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2016, 7(4): 1362-1370. doi: 10.1109/TSTE.2016.2538803
    [8] 黄宝洲, 杨俊华, 沈辉, 等. 基于FFT的直驱式波浪发电系统功率优化控制[J]. 太阳能学报, 2019, 42(3): 206-213.

    Huang Baozhou, Yang Junhua, Shen Hui, et al. Power optimization control of direct drive wave power system based on FFT[J]. Acta Solar Sinica, 2019, 42(3): 206-213.
    [9] 杨健, 黄磊, 仲伟波, 等. 直驱式波浪发电系统能量跟踪控制[J]. 电工技术学报, 2017, 32(1): 22-29.

    Yang Jian, Huang Lei, Zhong Weibo, et al. The energy tracking control strategy for direct drive wave energy generation[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2017, 32(1): 22-29.
    [10] 林巧梅, 杨俊华, 蔡浩然, 等. 基于滑模控制的直驱式波浪发电系统MPPT控制策略[J]. 电测与仪表, 2018, 55(10): 90-95. doi: 10.3969/j.issn.1001-1390.2018.10.015

    Lin Qiaomei, Yang Junhua, Cai Haoran, et al. MPPT algorithm for direct-drive wave power generation system based on sliding mode control[J]. Electrical Measurement & Instrumentation, 2018, 55(10): 90-95. doi: 10.3969/j.issn.1001-1390.2018.10.015
    [11] Yang J , Huang L , Hu M . Modeling and control strategy based on energy tracking for direct drive wave energy conversion[C]//International Conference on Electrical Machines & Systems. IEEE, 2017.
    [12] 张明镛, 杨绍辉, 何宏舟, 等. 阵列筏式波浪能发电装置建模与仿真分析[J]. 海洋工程, 2017, 35(2): 83-88.

    Zhang Mingyong, Yang Shaohui, He Hongzhou, et al. Modeling and simulation analysis of array-raft-type wave power generation device[J]. Ocean Engineering, 2017, 35(2): 83-88.
    [13] 杨壮滔, 张涛, 段浩, 等. 波浪作用下圆柱型浮标运动仿真方法对比研究[J]. 水下无人系统学报, 2018, 26(4): 291-297.

    Yang Zhuangtao, Zhang Tao, Duan Hao, et al. Comparative Study on Motion Simulation Methods of Cylindrical Buoys under Wave Action[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2018, 26(4): 291-297.
    [14] Fan X Y, Wang C K, Zhu Z B, et al. Design and Analysis of a High Power Density Permanent Magnet Linear Generator for Direct-drive Wave Power Generation[J]. Actuators, 2022, 11(11): 327. doi: 10.3390/act11110327
    [15] 戴磊, 李洋洋, 尤钱亮, 等. 基于LMI算法的永磁同步电机混沌最优控制[J]. 水下无人系统学报, 2021, 29(3): 293-298.

    Dai Lei, Li Yangyang, You Qianliang, et al. Optimal Control of Chaos in Permanent Magnet Synchronous Motor Based on LMI Algorithm[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2021, 29(3): 293-298.
    [16] 赵希梅, 王超, 金鸿雁. 基于NDO的永磁同步电动机自适应分数阶滑模控制[J]. 中国机械工程, 2023, 34(9): 1093-1099. doi: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.09.010

    Zhao Ximei, Wang Chao, Jin Hongyan. Adaptive fractiona order sliding mode control for PMSMs based on NDO[J]. China Mechanical Engineering, 2023, 34(9): 1093-1099. doi: 10.3969/j.issn.1004-132X.2023.09.010
    [17] Mendonca H, Martinez S. A Resistance Emulation Approach to Optimize the Wave Energy Harvesting for a Direct Drive Point Absorber[J]. IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2015, 7(1): 3-11.
    [18] 杨绍辉, 何宏舟, 李晖, 等. 点吸收式波浪能发电技术的研究现状与展望[J]. 海洋技术学报, 2016, 35(3): 8-16.

    Yang Shaohui, He Hongzhou, Li Hui, et al. Research status and prospect of point absorption wave power generation technology[J]. Journal of Marine Technology, 2016, 35(3): 8-16.
    [19] 康庆, 肖曦, 聂赞相, 等. 直驱型海浪发电系统输出功率优化控制策略[J]. 电力系统自动化, 2013, 37(3): 24-29. doi: 10.7500/AEPS201208227

    Kang Qing, Xiao Xi, Nie Zanxiang, et al. An optimal control strategy for output power of the directly driven wave power generation system[J]. Power System Automation, 2013, 37(3): 24-29. doi: 10.7500/AEPS201208227
    [20] 黄俊豪, 杨俊华, 蔡浩然, 等. 基于WFT的直驱式波浪能发电系统自抗扰功率优化控制[J]. 可再生能源, 2021, 39(9): 1271-1278. doi: 10.3969/j.issn.1671-5292.2021.09.019

    Huang Junhao, Yang Junhua, Cai Haoran, et al. Optimal power control of active disturbance reiection for direct crive wave power generation svstem based on WET[J]. Journal of Renewable Energy, 2021, 39(9): 1271-1278. doi: 10.3969/j.issn.1671-5292.2021.09.019
    [21] 张育增, 周睿智, 李帅. 永磁同步直线电机模糊滑模速度控制研究[J]. 电气技术, 2020, 21(12): 23-29. doi: 10.3969/j.issn.1673-3800.2020.12.008

    Zhang Yuzeng, Zhou Ruizhu, Li Shuai. The research of fuzzy sliding mode velocity control of PMLSM[J]. Electrical Technology, 2020, 21(12): 23-29. doi: 10.3969/j.issn.1673-3800.2020.12.008
  • 加载中
图(18) / 表(2)
计量
  • 文章访问数:  4
  • HTML全文浏览量:  3
  • PDF下载量:  1
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2023-10-03
  • 修回日期:  2023-11-23
  • 录用日期:  2023-12-13
  • 网络出版日期:  2024-01-15

目录

    /

    返回文章
    返回
    服务号
    订阅号