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控制与算法
★ 5.0
自适应输出反馈最优控制在集成波浪能转换装置平台中的设计、控制与实验
Adaptive Output-Feedback Optimal Control for Integrated Wave Energy Converter Platform: Design, Control and Experiment
| 作者 | Yingbo Huang · Jingjie Zhang · Jiaxin Xu · Jun Zhao · Jing Na · Guang Li |
| 期刊 | IEEE Transactions on Energy Conversion |
| 出版日期 | 2025年8月 |
| 技术分类 | 控制与算法 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 波浪能转换器 能量转换 动力输出 控制策略 永磁同步发电机 |
语言:
中文摘要
为实现波浪能的高效功率转换,本文提出了一种新颖的能量提取装置(PTO)机械设计和波浪能转换器(WEC)控制策略。首先,设计了一种考虑永磁同步发电机(PMSG)的集成式WEC - PTO模型。该模型的一个显著特点是引入了基于机械运动整流(MMR)的PTO,它能够将浮子的往复运动转换为PMSG的非往复旋转。其次,开发了一种自适应输出反馈最优WEC控制方法。具体而言,采用扩张状态观测器(ESO)来处理未知的系统非线性动力学。然后,推导了一个输出代数黎卡提方程(OARE),其最优解可以通过系统输出信息计算得出,从而便于其实时应用。最后,设计了一种新的自适应学习算法来保证最优解的收敛性。基于小型集成式WEC - PTO试验台进行了仿真和实验,以验证所提出的WEC控制方法的可行性以及所设计的集成式WEC - PTO模型的概念工作原理。实验结果表明,借助所提出的模型和WEC控制方法,能量输出最多可提高48.53%。
English Abstract
To obtain the high-efficiency power conversion of wave energy, this paper proposes a novel mechanical design of power take-off (PTO) and wave energy converter (WEC) control strategy. Firstly, an integrated WEC-PTO model considering a permanent magnet synchronous generator (PMSG) is designed. One salient feature of this model is that a mechanical motion rectification (MMR)-based PTO is incorporated, which can transfer the reciprocating motion of float to non-reciprocating rotation of PMSG. Secondly, an adaptive output- feedback optimal WEC control method is developed. In specific, an extended state observer (ESO) is employed to accommodate the unknown system nonlinear dynamics. Then, an output algebraic Riccati equation (OARE) is derived, whose optimal solution can be computed by the system output information, thereby facilitating its real-time application. Finally, a new adaptive learning algorithm is designed to guarantee the convergence of the optimal solution. Simulation and experiment based on a small-scale integrated WEC-PTO test-rig are carried out to illustrate the feasibility of the proposed WEC control method and the conceptual working principle of the designed integrated WEC-PTO model. The experimental results show that with the help of the proposed model and WEC control method, the energy output is increased by up to 48.53%.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项波浪能发电控制技术虽然聚焦于海洋能源领域,但其核心技术架构与我司在光伏、储能系统中的控制策略存在显著的技术共性和迁移价值。
首先,该研究提出的永磁同步发电机(PMSG)集成方案与我司在光伏逆变器、储能变流器中广泛应用的永磁同步电机控制技术高度契合。论文中的机械运动整流(MMR)机制虽针对波浪往复运动,但其能量转换思路可为我司在分布式光伏系统的微动能量捕获、储能系统的机械储能混合方案提供设计参考。特别是在海上光伏电站等复杂应用场景中,波浪能与光伏的协同开发具有战略意义。
其次,论文提出的自适应输出反馈最优控制方法具有重要借鉴价值。扩展状态观测器(ESO)对未知非线性动态的适应能力,可直接应用于我司储能系统在电网波动、负载突变等复杂工况下的鲁棒控制。输出代数黎卡提方程(OARE)的实时求解策略,与我司正在推进的边缘计算、智能控制算法升级方向高度吻合,有助于提升系统响应速度和能量转换效率。
技术成熟度方面,该研究已完成小规模实验验证并实现48.53%的能效提升,但距离商业化应用仍需解决海洋环境耐久性、大规模并网控制等工程挑战。对阳光电源而言,关键机遇在于将其控制算法移植到现有产品线,特别是在多能互补、智慧能源管理系统中实现跨能源形式的统一优化控制框架,这将增强我司在综合能源解决方案市场的技术竞争力和产品差异化优势。