液压式波能发电PTO系统设计及控制策略研究.pdfVIP

液压式波浪能发电PTO系统设计及控制策略研究

摘要

随着我国海洋开发的力度逐渐加强，各种用途的海上平台、有待开发利用

的深远海岛礁越来越多，利用波浪能发电装置解决其供能问题成为一种有效方

式。为适应此应用场景下的波浪能发电装置运行稳定、工作海况区间大等要求，

本文设计了一套高效的液压式波浪能发电装置动力传输系统（Powertake-off，

PTO）和与之相适应的控制算法。该系统在保证稳定运行的前提下，能够实现

低海况启动，高海况追踪最大捕获功率并蓄能。本文建立了以理论计算为基础，

以“波浪能-电能”全过程仿真为主线的液压PTO系统设计和优化方法，最后搭

建原理样机试验平台验证了液压PTO系统的可行性和算法的有效性。

首先根据波浪能发电装置的应用场景和功能要求，提出一种液压式波浪能

发电PTO系统的总体方案。基于单机发电功率5kW的预期目标，对液压系统的

工作压力和工作流量进行理论计算，对所选用的浮子进行水动力分析，以便建

立浮子的数学模型和仿真模型作为PTO系统的功率输入。

其次对液压PTO系统中涉及的关键元件进行单独的建模，并通过仿真结果

与相应元件的预期响应或额定参数相互验证，保证仿真模型的有效性。对影响

液压PTO系统动态响应的主要参数进行仿真分析，总结相应参数对系统的影响

规律并得到合理参数数据。将各元件的仿真模型整合后，在不同海况下对液压

PTO系统开展仿真研究，通过分析不同海况下液压PTO系统的动态响应及发电

性能得到该系统适用的工作海况区间。

然后在上述液压PTO系统的基础上，为提高波浪能发电装置在高海况下的

能量捕获效率，采用了一种基于滞环比较法的最大功率点追踪控制算法

（MaximumPowerPointTracking，MPPT）。在对比分析了不同功率控制算法特

点的基础上，根据液压PTO系统的特点设计了MPPT算法并通过制定变步长规

则和最优功率点判据，改善了算法的追踪速度和准确性。

最后进行液压PTO系统的试验研究，按照仿真研究的液压PTO系统原理，

搭建小型的液压PTO系统试验样机，设计控制软件并将基于滞环比较法的

MPPT算法嵌入软件后台，以便算法落地试验。通过该试验平台验证了液压

PTO系统的可行性和配套算法的有效性。

关键词：液压动力传输系统；最大功率点追踪算法；波能发电；台架试验

液压式波浪能发电PTO系统设计及控制策略研究

Abstract

WiththegradualstrengtheningofChinasoceandevelopment,therearemoreand

moreoffshoreplatformsforvariouspurposesanddeepandremoteislandstobe

exploited,andithasbecomeaneffectivewaytosolvetheirenergysupplyproblemsby

usingwaveenergypowergenerationdevices.Inordertomeettherequirementsof

stableoperationandwiderangeofoperatingseaconditionsofwaveenergypower

generationdevicesinthisapplicationscenario,thispaperdesignsasetofhigh-

efficiencyhydraulicwaveenergypowergenerationdevicepowertake-off(PTO)

systemandthecontrolalgorithmsthataresuitableforit.Thesystemiscapableof

starting