共振波力发电PTO系统最佳功率控制

The resonant wave power generation means the generation device actively adjusts its natural frequency in line with the wave and could obtain the energy with high efficiency. PTO system (power take-off system) is a part of the generation system, which could convert the wave energy obtained by the generation device into electric energy and greatly influence the conversion efficiency of wave power generating device. Based on the existing research results, the project intends to do some research about the characteristics of the PTO system to realize its optimum power control. Firstly, the project would analyze the principle of the PTO structure and build up the mathematical model in search of the best operating parameter of the components through simulation. Secondly, according to the adaptation features between internal damping and external damping of the PTO system, the project would find out the matching relationship under various wave conditions. Thirdly, explore load-based maximum power tracking controlling and study the maximum power controlling algorithm of the generating device under rated conditions or unrated conditions. Finally, make test prototype to verify the theoretical analysis matching with simulation research, get the pretty suggestive characteristic curve for PTO system to promote the innovative development of wave power generating technology and make guidance for the engineering application.

共振波力发电是指发电装置通过主动调整自身自振频率与海浪保持一致，实现高效捕能。其中PTO系统（Power Take-off System，即提能系统）是将波力发电装置所捕获的波浪能量转换为电能输出，其性能好坏极大地影响波力发电装置的转换效率。本课题拟结合现有的研究成果，以实现共振式波力发电PTO系统的最佳功率控制为目标，对PTO系统的特性展开研究。首先对PTO系统的结构原理进行分析，建立其数学模型，通过仿真寻求各部件工作参数间的最佳配置关系；其次，结合内阻尼与外阻尼特性研究PTO系统的阻尼适配特性，分析各种波况下的阻尼匹配关系；第三，探索基于负载的最大功率跟踪控制，研究额定工况和非额定工况下，最佳的主动共振波力发电装置的最大功率控制算法；最后制作试验样机，验证理论分析与仿真研究的匹配性，并获取对共振波浪发电PTO系统设计具有指导意义的特性曲线，创新性地推进波力发电技术进步，并指导工程应用。

我国拥有470万平方千米的海洋国土，波浪能资源丰富。然而，波浪能规模化开发难度大，成本高，需要考虑我国海岸波浪能密度较低的特点，开发简单可靠高效的发电装置。武汉大学提出了主动共振式波浪能发电装置，通过调节结构刚度实现共振高效发电，其中PTO系统是重要组成部分，需开展系统的阻尼适配特性、主动控制方式和功率跟踪策略等方面的研究。具体内容包括系统非线性动力学建模和参数优化配置、基于调速阀开度控制和液压马达排量控制的系统优化运行、基于阻尼适配的系统最大功率跟踪算法、系统能量特性研究与试验、综合特性曲线绘制和热液压建模仿真等，并通过搭建共振波力发电PTO系统样机试验平台，对理论研究成果加以验证。研究结果表明，1）系统非线性状态空间模型在体现库伦阻尼效果的同时，能够很好地描述液压缸摩擦、液压马达机械-流量损失、高压蓄能器完全放液模式和调速阀压差-流量特性。2）在元器件参数优化配置上，为减小系统波动，蓄能器公称容积应略大于系统所需的最小补液体积；理想的蓄能器充气压力为额定压力的90%左右；马达运行排量不能超过最优排量；调速阀的压力补偿阀弹簧刚度应与目标转速相适应；活塞有效面积应与负载大小相匹配。3）采用PID控制能快速实现输出功率稳定，进一步采用抗积分饱和PID，可提高控制的灵敏度，马达排量PID控制则能使转速快速稳定在额定转速，辅以溢流阀限压，可实现系统的恒速稳压运行。4）采用查表法MPPT调节PTO系统负载阻尼，由于该算法对参数不敏感，总体跟踪效果优于定步长扰动观察法。5）采用综合特性曲线描述能量特性试验所得4维数据，可用于指导系统优化设计和高效运行。6）根据工作区域和油液特性，指明不同环境温度下常用的32#、46#或68#液压油使用场合，以保证系统稳定高效且响应快速。总之，研究成果具有理论和实践意义，可指导后续PTO系统的设计和工程开发，在保证其稳定运行的同时提升发电效率，增加发电时间和发电量，为波浪能工程样机的开发奠定坚实基础。