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《山东大学》 2018年
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液压波浪能发电装置稳定性及控制策略研究

张伟  
【摘要】:振荡浮子式发电装置具有安装方便,可以实现模块化设计制造的特点,是开发海洋能的一种重要方式。由于海洋环境具有多变性,使波浪能发电装置普遍存在发电效率低以及输出稳定性差的现象,需要对其能量传递过程中的关键参数影响特性进行具体分析,并对液压能和电能转化过程中的控制策略进行研究。本文研究了振荡浮子型波浪发电机的能量传递稳定性和控制策略。优化设计液压传递系统(即Hydraulic-Power-Take-Off,HPTO)及其变阻尼控制策略、电能管理系统控制策略等,利用AMESim和Matlab/Simulink软件进行联合仿真分析。基于上述研究的基础,搭建了波浪能发电模拟实验台进行半物理实验研究,验证了控制策略的有效性。最后,在半物理平台的基础上,进行实际波浪能发电设备的陆地实验,将实验结果与理论和仿真结果进行对比分析,总结了不同模拟波况下的调节规律,进一步优化了控制策略。首先,论文的前两章阐述了波浪能发电设备的国内外研究背景和工程应用情况。重点分析了点吸波发电设备的发展现状和主要的研究方向。提出了本文的研究内容和研究路线,分析了点吸收式波浪发电装置的水动力特性。由于波浪能的转化特性与浮子的阻尼特性及液压传递系统密切相关,所以对波浪发电装置的稳态响应进行分析,求解了波浪浮子的阻抗表达式,并分析浮子的捕获功率频宽与阻尼特性的关系,根据水动力计算进行仿真,得到频率变化下附加质量、附加阻尼、激振力幅值及相位的变化曲线,求解出最佳阻尼值。第三章,为稳定电能输出,对液压传递系统中变量马达的转速控制策略及模拟波浪运动主液压缸的控制策略进行了研究。利用实验台的主动液压缸部分及搭载,模拟振荡浮子在一定海况下的运动。为了保证实验过程中控制的对象精度,提出了一种基于反步法的自适应滑模控制策略,克服了参数不确定性对非线性系统状态方程的影响。建立变量马达容积调速的状态方程,并根据状态方程的特点研究基于反馈线性化的马达容积调速控制策略。当负载扰动发生时,该控制策略振荡下的马达转速出现振荡并产生误差。为提高控制策略抗干扰的能力,提出了一种基于外部扰动观测器的液压马达容积调速控制策略。结果表明,液压马达转速跟踪正弦波或恒定转速值时误差较小,仅为最大转速的0.2%。因此,提出的控制策略,可以有效提高输出电能的稳定性。第四章,对实际波浪发电海工设备的液压传递系统中的主要元件进行了数学建模,通过Matlab/Simulink与AMESim协同仿真软件进行了分析,分析了蓄能器充气压力以及节流阀的开度对输出电能稳定性的影响,并仿真分析了波浪发电装置在不同的波浪幅值下和不同周期下的运行响应及液压马达转速控制过程。第五章,搭建海工设备陆地实验平台,通过陆地实验进一步研究了液压传递系统在实际海工设备中的运行特性,分别分析了小波况下以及启动波况下不同蓄能器参数、不同负载、不同节流阀参数对输出电能稳定性的影响,验证了仿真分析以及理论计算的正确性,总结出了不同波况下参数的调节规律,对不同负载时输出功率曲线进行了拟合。通过实验研究进一步优化液压传递系统的设计,提出了一种基于液压变阻尼的发电原理的波浪发电装置,从而提高发电效率,保障液压传递系统的安全运行。针对变阻尼液压系统中电磁换向阀控制过程中引起的液压振荡问题进行控制策略的研究,提出了一种基于卡尔曼预测下的电磁换向阀控制策略。第六章,对电能管理系统的控制策略进行了研究,通过陆地实验修正恒功率控制带来的电能输出不稳定问题,并提出了一种基于低通滤波器的自适应下垂控制策略,并对控制策略下的稳压特性进行实验研究。实验结果表明所提出的控制策略能够根据电压偏差大小,快速调整下垂系数,减小稳态直流电压偏差,提高电能输出的稳定性。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:P742;TM612

【参考文献】
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