本發(fā)明涉及新能源技術(shù)與智能裝備交叉領(lǐng)域，尤其涉及一種高自由度自檢測風能智能自調(diào)節(jié)系統(tǒng)與方法。
背景技術(shù)：
1、現(xiàn)有技術(shù)中，風能發(fā)電主要存在三大技術(shù)瓶頸：低空風能利用效率低：傳統(tǒng)風力發(fā)電機組局限于距地面30-100米空間，該區(qū)域風速低、湍流強度高，導致能量捕獲效率不足40％；設備自適應性差：現(xiàn)有高空風能發(fā)電裝置缺乏多維度實時感知能力，無法動態(tài)響應風向、風切變等環(huán)境參數(shù)變化，系統(tǒng)容易停機；數(shù)學模型不完善：傳統(tǒng)控制算法采用pid或模糊控制，難以建立高空風場非線性動力學模型，最大功率點跟蹤(mppt)精度低于85％。電力資源是現(xiàn)在人類生活必不可少的一部分，對日常生活，工業(yè)發(fā)展，科技進步都有著必不或缺的地位。然而電力消耗非常緊張，電力供給嚴重不足卻成為了巨大的問題，傳統(tǒng)的火力發(fā)電污染巨大，效率低下，先進一點的核能發(fā)電卻也有著巨大的安全隱患。所以如何構(gòu)建一種新的沒有污染，電量大，效率高的新型發(fā)電技術(shù)，就成了一個急需解決的問題。所以本發(fā)明針對上述問題，提出基于龍卷風氣旋模型的智能調(diào)控系統(tǒng)，通過構(gòu)建三維風場感知網(wǎng)絡和coriolis力補償機制，實現(xiàn)高空風能的高效捕獲。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種高自由度自檢測風能智能自調(diào)節(jié)系統(tǒng)與方法。
2、技術(shù)方案：本發(fā)明所述的高自由度自檢測風能智能自調(diào)節(jié)系統(tǒng)，包括傳感器模塊，中央控制模塊以及信號傳遞模塊；中央控制模塊分別與傳感器模塊、信號傳遞模塊相連接，中央控制模塊根據(jù)采集的環(huán)境參數(shù)構(gòu)建風能轉(zhuǎn)換為電能的函數(shù)方程，并采用龍卷風算法將計算結(jié)果傳輸?shù)叫盘杺鬟f模塊以及傳感器模塊，實現(xiàn)信號的接受、發(fā)送以及設備的運行和調(diào)控。
3、進一步地，所述傳感器模塊包括風力大小傳感器、風切向傳感器、高空智能監(jiān)測器的位置傳感器；高空智能監(jiān)測器位置傳感器、風切向傳感器分別位于高空智能監(jiān)測器的左右側(cè)、高空智能監(jiān)測器的翅翼、高空智能監(jiān)測器的頂部，高空智能監(jiān)測器的位置傳感器位于地面基站，用于檢測高空智能監(jiān)測器的運行軌跡。
4、進一步地，所述信號傳遞模塊包括信號接收器、信號發(fā)射器，信號接收器和信號發(fā)射器均位于高空智能監(jiān)測器的尾部和基站頂部，通過接受或發(fā)出超聲波信號來實現(xiàn)信號的傳遞。
5、本發(fā)明所述的高自由度自檢測風能智能自調(diào)節(jié)方法，包括如下步驟：
6、(1)數(shù)據(jù)采集：通過傳感器獲取高自由度自檢測風能智能自調(diào)節(jié)系統(tǒng)運行途中的各種數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)化為各種信號傳入中樞系統(tǒng)；
7、(2)數(shù)據(jù)預處理：中樞系統(tǒng)對信號進行處理得到符合龍卷風輸入要求的數(shù)據(jù)，并精確的判斷出龍卷風的種群大小，維度位置以及軌跡狀況，不斷更新當時的數(shù)據(jù)和預測不久后的數(shù)據(jù)；
8、(3)通過步驟(2)得到的數(shù)據(jù)模型，從風速、軌跡兩個角度構(gòu)建“龍卷風”模型；
9、(4)根據(jù)龍卷風吸引機制，吸引力與空氣密度，接觸面積以及拖曳力計算出必要變量，從大氣不穩(wěn)定產(chǎn)生強烈上升氣流，受高空急流影響加強垂直風切變導致氣流水平旋轉(zhuǎn)，形成中尺度氣旋向下延伸并加速旋轉(zhuǎn)，形成可見的漏斗云渦旋觸地，氣壓驟降，風力急劇增強至每秒百米以上，最后模擬出最大功率的值；
10、(5)根據(jù)步驟(4)重新對設備張角、高度、軌跡進行調(diào)控；
11、(6)若達到目標函數(shù)數(shù)值一定范圍閾值，則終止迭代更新，同時調(diào)整高空智能監(jiān)測器轉(zhuǎn)向，高空智能監(jiān)測器張角，高空智能監(jiān)測器升降到最佳位置，并將得到的最大功率輸出。
12、進一步地，所述步驟(1)初始化公式為：
13、yi，j＝lj+rand×(uj-lj)j
14、其中，是yi，j第個i個體在第j維的初始位置，lj和uj分別是第j維的下界和上界，rand[0，1]之間的隨機數(shù)。
15、進一步地，所述步驟(2)要求的數(shù)據(jù)包括風力大小、風切向以及龍卷風位置。
16、進一步地，所述步驟(3)構(gòu)建的“龍卷風”模型表示為：
17、
18、其中，ω是地球的角速度，φ是緯度，r是曲率半徑，v是風速，f表示風力大小參數(shù)，是壓力梯度力的法向分量。
19、進一步地，所述步驟(4)模擬出的最大功率的值，表示如下：
20、
21、其中為壓強ap差，ρ是氣密度，a是接觸面積，cd是拖曳力，與高空智能監(jiān)測器形狀有關(guān)，v是風速，f是最大功率時的風力。
22、進一步地，所述步驟(4)考慮coriolis力的影響優(yōu)化公式為：
23、
24、其中：
25、rand是[0，1]之間的隨機數(shù)；
26、是第i個風暴在第t+1次迭代的速度；
27、是第i個風暴在第t次迭代的速度；
28、η是收縮因子，用于控制風暴的收斂速度，其值為：
29、
30、其中χ是加速因子，取值為4.10；
31、μ是模糊自適應動能因子，取值為分別是北半球和南半球的曲率半徑，其值為：
32、
33、rl和rr取值為分別是北半球和南半球的曲率半徑，其值為：
34、
35、其中，t是當前迭代次數(shù)，t是最大迭代次數(shù)；
36、c是隨機因子，取值范圍為：
37、c＝br×δ1×wr
38、其中，br是常數(shù)，取值為100000；δ1是符號變化因子，wr是角速度與半徑的乘積。
39、進一步地，所述步驟(5)張角調(diào)控公式如下：
40、
41、其中：
42、pa：航向角偏差；
43、aideal＝arctan(v/y)；
44、θa：航向角傳感器誤差因數(shù)，位置軌跡調(diào)控公式如下：
45、
46、pv：纜繩收放速率偏差項；vopt：地面發(fā)電機最佳扭矩對應纜繩速率；
47、θv：纜繩速率傳感器誤差因數(shù)。
48、有益效果：本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下顯著優(yōu)點：本發(fā)明通過對高空風能發(fā)電的發(fā)電效率的分析，提出了高自由度自檢測風能智能自調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過中央系統(tǒng)，對影響高自由度自檢測風能智能自調(diào)節(jié)系統(tǒng)的因素進行分析，有助于達到最大的發(fā)電效率，電量大、效率高，預計年發(fā)電量可以達到6500小時以上。
1.一種高自由度自檢測風能智能自調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其特征在于，包括傳感器模塊，中央控制模塊以及信號傳遞模塊；中央控制模塊分別與傳感器模塊、信號傳遞模塊相連接，中央控制模塊根據(jù)采集的環(huán)境參數(shù)構(gòu)建風能轉(zhuǎn)換為電能的函數(shù)方程，并采用龍卷風算法將計算結(jié)果傳輸?shù)叫盘杺鬟f模塊以及傳感器模塊，實現(xiàn)信號的接受、發(fā)送以及設備的運行和調(diào)控。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高自由度自檢測風能智能自調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其特征在于，所述傳感器模塊包括風力大小傳感器、風切向傳感器、高空智能監(jiān)測器的位置傳感器；高空智能監(jiān)測器位置傳感器、風切向傳感器分別位于高空智能監(jiān)測器的左右側(cè)、高空智能監(jiān)測器的翅翼、高空智能監(jiān)測器的頂部，高空智能監(jiān)測器的位置傳感器位于地面基站，用于檢測高空智能監(jiān)測器的運行軌跡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高自由度自檢測風能智能自調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其特征在于，所述信號傳遞模塊包括信號接收器、信號發(fā)射器，信號接收器和信號發(fā)射器均位于高空智能監(jiān)測器的尾部和基站頂部，通過接受或發(fā)出超聲波信號來實現(xiàn)信號的傳遞。
4.一種高自由度自檢測風能智能自調(diào)節(jié)方法，其特征在于，包括如下步驟：
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高自由度自檢測風能智能自調(diào)節(jié)方法，其特征在于，所述步驟(1)初始化公式為：
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高自由度自檢測風能智能自調(diào)節(jié)方法，其特征在于，所述步驟(2)要求的數(shù)據(jù)包括風力大小、風切向以及龍卷風位置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高自由度自檢測風能智能自調(diào)節(jié)方法，其特征在于，所述步驟(3)構(gòu)建的“龍卷風”模型表示為：
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高自由度自檢測風能智能自調(diào)節(jié)方法，其特征在于，所述步驟(4)模擬出的最大功率的值，表示如下：
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高自由度自檢測風能智能自調(diào)節(jié)方法，其特征在于，所述步驟(4)考慮coriolis力的影響優(yōu)化公式為：
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高自由度自檢測風能智能自調(diào)節(jié)方法，其特征在于，所述步驟(5)張角調(diào)控公式如下：