[發明專利]一種基于混沌飛蛾捕焰算法的波浪發電裝置的功率捕獲優化方法

在審

• 申請號: 201910252076.6
• 申請日: 2019-03-29
• 公開（公告）號: CN110109350A
• 公開（公告）日: 2019-08-09
• 發明（設計）人: 陳海峰;楊俊華;盧思靈;黃寶洲
• 申請（專利權）人: 廣東工業大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 廣東廣信君達律師事務所 44329
• 代理人: 楊曉松

1.一種基于混沌飛蛾捕焰算法的波浪發電裝置的功率捕獲優化方法，其特征在于，在快速求得波浪發電裝置的最優阻尼參數和彈性參數的情況下，通過混沌飛蛾捕焰算法求出最優的可改變波浪發電裝置平均輸出功率的直線電機電磁力控制參數，使得波浪發電裝置的運動頻率與波浪頻率相同而產生共振，從而提高波浪能捕獲的效率。

2.根據權利要求1所述的一種基于混沌飛蛾捕焰算法的波浪發電裝置的功率捕獲優化方法，其特征在于，具體包括以下步驟：

S1：進行波浪發電裝置的最大功率點跟蹤控制分析，求出波浪發電裝置平均輸出功率的計算公式以及可改變波浪發電裝置平均輸出功率的直線電機電磁力控制參數；

S2：基于步驟S1求出的波浪發電裝置平均輸出功率的計算公式，建立波浪功率捕獲優化問題的目標函數；

S3：采用混沌飛蛾算法對目標函數進行優化，求出最優的可改變波浪發電裝置平均輸出功率的直線電機電磁力控制參數，使得波浪發電裝置的運動頻率與波浪頻率相同而產生共振，從而提高波浪能捕獲的效率。

3.根據權利要求2所述的一種基于混沌飛蛾捕焰算法的波浪發電裝置的功率捕獲優化方法，其特征在于，所述步驟S1的具體過程如下：

假設圓柱體浮子在理想流體中做垂蕩運動，x-y平面與靜水面重合，以浮子軸線為z軸，建立兩兩垂直坐標系，入射波從x軸方向產生的速度勢為：

(7)式中，g為重力加速度，H為波高，z為浮子重心到靜水面的距離，波數k(ω)＝ω²/g，d為水深，ω為波浪角頻率，速度勢可分為兩部分，φ_r為由浮體運動產生的輻射勢，φ_ω為波浪自由運動產生的入射勢；

利用波浪運動浮子邊界條件，根據格林第二定理求得浮體受到的波浪激勵力：

(8)式中，F_d為波浪激勵力，ρ為水的密度，s為浮體浸沒表面積，為浮體單位法線矢量在z軸上的投影；

在輻射勢φ_r作用下，垂直方向圓柱形浮子產生的輻射力為：

(9)式中，F_r為輻射力，為浮子加速度，為浮子速度，A(ω)、B_rad(ω)分別為輻射力作用下浮體產生的附加質量和輻射阻尼，對A(ω)、Brad(ω)進行數值求解，其表達式為：

假設無海浪海況下，圓柱形浮子處于平衡狀態，靜浮力與浮子位移正相關，表示為：

F_h＝-ρgS₀x(t)＝-K_sx(t) (11)

(11)式中，F_h為靜浮力，S₀為圓柱面水線截面積，等效彈性系數K_s＝ρgS₀；

由式(8-11)可知，圓柱形浮子所受的水動力為：

F_wave＝F_d+F_r+F_h (12)

根據牛頓力學，結合式(7)～(12)分析浮子垂蕩運動的受力情況：

(13)式中，M為浮子質量，F_g(t)為直線電機反電磁力，F_v(t)為流體粘滯力，F_f(t)為摩擦力；由于研究對象所處環境的工質為海水，忽略浮子所受的流體粘滯力和摩擦力；

為提高輸出功率，需要直線電機提供適當的反電磁力F_g(t)，控制波浪發電裝置的運動，使波浪發電裝置運動頻率與波浪頻率相匹配；

F_g(t)的表達式為：

(14)式中，x(t)為浮子位移，B_g、K_g為直線電機電磁力控制參數，分別表示波浪發電系統吸收的有功和無功分量；

海洋入射波頻率會影響波浪發電系統輸出功率，將式(9)、(11)代入(13)中，并對其進行傅里葉變換，通過頻域分析浮子的響應情況，其動力學方程如下：

式(15)與二階RLC電路方程的相量形式相似，利用電路原理模擬波浪發電系統動力學方程；

其中浮子速度等效于電流I_v，激勵力F_d(jω)和反電磁力F_g(jω)分別等效于電源電壓和負載電壓；由最大傳輸理論可知，當系統發生諧振時，負載獲得功率最大，即波浪發電系統輸出功率最優；

假設直線電機磁場線性，可忽略波浪發電裝置內部的電磁損耗，波浪發電系統吸收瞬時功率和平均功率可表示為：

其中，復功率實部表示系統吸收平均功率，聯立式(9)、(10)，可得波浪發電裝置平均輸出功率：

浮子質量M與等效彈性系數K_g屬于點吸式波浪發電裝置的自身物理特性參數，裝置固定安裝后參數則為定值。