方紅偉，程佳佳，劉飄羽，劉衛(wèi)林

（1.天津大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津 300072；2.天津ABB開(kāi)關(guān)有限公司，天津 300409）

能源危機(jī)的惡化加快了石油、天然氣和煤炭等化石能源的枯竭進(jìn)程，而人類(lèi)生活水平的提高和現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的加速發(fā)展，則使人類(lèi)對(duì)能源的需求日益增加.為了解決這一能源供需矛盾，促使人類(lèi)急需尋找新的可替代再生能源.近年來(lái)，太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物能、地?zé)崮?，以及包括波浪能在?nèi)的海洋能逐漸被開(kāi)發(fā)與利用，部分能源利用方式已朝著規(guī)模化和商業(yè)化的方向發(fā)展［1-5］.

目前，英國(guó)、日本、挪威等國(guó)從20世紀(jì)70年代就開(kāi)始了波浪能發(fā)電的研究，已開(kāi)發(fā)出聚波水庫(kù)式、振蕩水柱式（空氣式）、鴨式和點(diǎn)吸式等多種形式的波浪能發(fā)電裝置［6-11］.其控制方法包括反應(yīng)式控制策略，鎖存控制策略及智能控制策略等.我國(guó)也是世界上主要的波浪能開(kāi)發(fā)倡導(dǎo)國(guó)之一.我國(guó)波浪能資源豐富，沿岸波浪能資源理論平均功率近13 000MW.國(guó)內(nèi)波浪發(fā)電技術(shù)研究始于20世紀(jì)70年代，從80年代初主要對(duì)固定式和漂浮式振蕩水柱波能裝置及擺式波能裝置等進(jìn)行研究，且獲得較快發(fā)展.微型波浪發(fā)電技術(shù)已很成熟，小型岸式波浪發(fā)電技術(shù)則進(jìn)入世界先進(jìn)行列.但與波浪發(fā)電技術(shù)較為成熟的發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)在波浪發(fā)電機(jī)制造技術(shù)和波浪發(fā)電控制技術(shù)等方面仍存在一定差距.

本文首先介紹了現(xiàn)有的幾種典型波浪發(fā)電系統(tǒng)及其各自特點(diǎn)，并提出了一種新型浮子式波浪發(fā)電裝置.然后，對(duì)現(xiàn)有最大波能捕獲的控制策略進(jìn)行了研究，分析比較了它們各自的特點(diǎn)，及其在新型浮子式波浪發(fā)電裝置中的適應(yīng)性.最后提出了一種適用于新型浮子式波浪發(fā)電裝置的控制策略變特性曲線控制策略.

1 波浪發(fā)電系統(tǒng)比較

1.1 典型波浪發(fā)電裝置

典型的波浪發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示.振蕩水柱式波浪發(fā)電裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)不與海水接觸，防腐性能好，安全可靠，維護(hù)方便，但其二級(jí)能量轉(zhuǎn)換效率較低.鴨式波浪發(fā)電裝置，由于存在水下部件，受海浪襲擊時(shí)其穩(wěn)定性較差.點(diǎn)吸式裝置適合波浪的低頻和推力大等特性，轉(zhuǎn)換效率高，還可方便地與相位控制技術(shù)相結(jié)合，但其機(jī)械和液壓機(jī)構(gòu)的維護(hù)較為困難.聚波水庫(kù)式裝置的優(yōu)點(diǎn)是其一級(jí)能量轉(zhuǎn)換部分沒(méi)有活動(dòng)部件，可靠性好，維護(hù)費(fèi)用低，系統(tǒng)出力較穩(wěn)定，不足之處是該發(fā)電方式在建設(shè)時(shí)對(duì)地形有特殊要求，不易推廣.

1.2 浮子式波浪發(fā)電裝置

圖1 典型的波浪能發(fā)電裝置Fig.1 Typical wave energy converters

圖2 浮子式波浪發(fā)電裝置Fig.2 Float type wave power device

為減少波浪的復(fù)雜多維運(yùn)動(dòng)給系統(tǒng)控制難度帶來(lái)的影響，本文提出了一種新型浮子式波浪發(fā)電裝置，其結(jié)構(gòu)如圖2所示.它只利用浮子在垂直方向下降時(shí)的波能，當(dāng)浮子上升時(shí)離合器自動(dòng)解列，系統(tǒng)利用飛輪的慣性保證永磁同步發(fā)電機(jī)在浮子上升時(shí)也能正常發(fā)電，這樣既可以減小系統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度，也有利于系統(tǒng)最大波能捕獲控制策略的實(shí)現(xiàn)和不穩(wěn)定的波能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的電能.除此之外，該裝置具有防腐性能好、易于維護(hù)、噪聲小、維護(hù)費(fèi)用低和效率高等優(yōu)點(diǎn).因此，浮子式波浪發(fā)電裝置同時(shí)具有點(diǎn)吸式與振蕩水柱式波浪發(fā)電裝置的優(yōu)點(diǎn)，并克服了各自的缺點(diǎn).另外，該裝置可作為離岸式波浪發(fā)電系統(tǒng)，具有很好的移動(dòng)性和較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，在惡劣天氣條件下，可將其移至安全海域位置，從而提高系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性.

2 典型的最大波能捕獲控制策略

為了實(shí)現(xiàn)波浪發(fā)電的最大波能捕獲，F(xiàn)alnes指出必須滿(mǎn)足兩個(gè)條件：相位條件和幅值條件［12-13］.相位條件指的是浮子上的感應(yīng)力與浮子的速度應(yīng)保持同步，在波浪規(guī)則的情況下，如果浮子的固有頻率與波浪頻率相等，該條件自然滿(mǎn)足；在輻射波的幅值恰好是隨機(jī)波浪波幅值的一半時(shí)，則易實(shí)現(xiàn)幅值優(yōu)化條件.但是，由于幅值條件依賴(lài)于隨機(jī)波浪，實(shí)現(xiàn)難度大，因此幅值優(yōu)化控制方式具有本質(zhì)上的缺陷，通過(guò)調(diào)整波浪發(fā)電裝置的諧振頻帶使其包含常規(guī)的波浪頻譜從而實(shí)現(xiàn)相位優(yōu)化控制的方式得到了廣泛應(yīng)用.典型的相位控制策略主要包括反應(yīng)式控制策略和鎖存控制策略.

2.1 反應(yīng)式控制策略

20世紀(jì)70年代Salter提出的反應(yīng)式控制策略可以從左、右任一側(cè)擴(kuò)展波浪發(fā)電裝置的有效帶寬，使其能夠包含常規(guī)的波浪頻譜，從而達(dá)到相位的優(yōu)化控制［14］.該方法理論上較簡(jiǎn)單可靠，但對(duì)于非諧振式波浪發(fā)電裝置，需發(fā)電機(jī)能運(yùn)行于電動(dòng)狀態(tài)，且要求預(yù)先知道未來(lái)時(shí)刻的海浪信息.因此，該控制策略不適合本文所提出的垂直單方向能量吸收型浮子式波浪發(fā)電裝置.

2.2 鎖存控制策略

Budal和Falnes在1978 年提出的鎖存控制策略原理是當(dāng)波浪發(fā)電浮子在某一方向上速度為零時(shí)，對(duì)諧振浮子運(yùn)動(dòng)進(jìn)行鎖存，在恰當(dāng)時(shí)間段后再釋放，使浮子的速度在達(dá)到最值時(shí)與激勵(lì)力同相，從而達(dá)到系統(tǒng)的最大波能捕獲［15］.理想情況下，鎖存控制策略的特征如圖3所示.

因?yàn)楸疚乃岢龅陌l(fā)電裝置的發(fā)電機(jī)和浮子僅在浮子做下降運(yùn)動(dòng)時(shí)耦合，因此，鎖存控制僅適用于一個(gè)周期的一段期間內(nèi).而鎖存控制策略最適合外部波力可以在任意方向捕獲的特定場(chǎng)合，即適用于整個(gè)周期，所以此方法同樣不適合垂直單方向能量吸收型浮子式波浪發(fā)電裝置.

圖3 鎖存控制下浮子速度隨規(guī)則波浪的變化Fig.3 The buoy velocity and regular waves

3 變特性曲線控制策略

為了適應(yīng)所提出的浮子式波浪發(fā)電裝置，本文借鑒風(fēng)力發(fā)電中的最大功率追蹤控制策略［16］，對(duì)經(jīng)典的控制策略進(jìn)行了改進(jìn)，提出了變特性曲線控制策略.該控制方法理論上只要建立了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性曲線，就可以通過(guò)查表法進(jìn)行控制.

本文提出的變特性曲線控制策略，雖然是借鑒風(fēng)力發(fā)電和高壓直流輸電系統(tǒng)中的最大功率追蹤方法獲得的，但在波浪發(fā)電中應(yīng)用的特性曲線圖與風(fēng)力發(fā)電中的最大功率曲線圖的構(gòu)建方法不同，因?yàn)椴ɡ四苡珊芏鄥?shù)決定，且這些參數(shù)與波能捕獲裝置的關(guān)系很難確定.因此，本文采用與風(fēng)電中不同的構(gòu)建方法研究變特性曲線控制策略.變特性曲線控制特性如圖4所示.圖中特性曲線分為三部分：線性上升區(qū)、恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū).

第1 部分線性上升區(qū)的參考轉(zhuǎn)矩Tref可表示為

式中，ωr為電機(jī)轉(zhuǎn)速，ωrate為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，Trate為額定轉(zhuǎn)矩，K為上升斜率，且

第2部分恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，Tref則可表示為

第3部分恒功率區(qū)，Tref可表示為

圖4 變特性曲線控制特性Fig.4 Different regions in varied-characteristics

顯然，以上三部分轉(zhuǎn)矩控制都與K 有關(guān)，K值控制著上升區(qū)Tref的變化率，因此，也決定了恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)的值.當(dāng)K 小于1 時(shí)，Tref就不會(huì)達(dá)到Trate，即Tref的最大值不會(huì)超過(guò)額定值；而當(dāng)K 很大時(shí)，就會(huì)使上升區(qū)和恒轉(zhuǎn)矩區(qū)的交點(diǎn)左移，同時(shí)Tref在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)的值會(huì)超過(guò)額定值.也就是說(shuō)，應(yīng)用此控制方法，K 值越大，Tref增加得越快，達(dá)到的最大值也越大，相應(yīng)的平均輸出功率P 和最大電磁轉(zhuǎn)矩變化率也就越大.

系統(tǒng)的電氣接口圖如圖5所示，控制原理的簡(jiǎn)化圖如圖6所示.

圖5 電氣接口原理框圖Fig.5 Electrical interface block diagram

從圖6中可以看出，電機(jī)轉(zhuǎn)速ωr在線測(cè)得后反饋到變特性曲線控制模塊中得到參考電磁轉(zhuǎn)矩Tref.令電磁轉(zhuǎn)矩Te的估計(jì)值等于Tref，由ωr和即可計(jì)算估計(jì)的輸出功率，根據(jù)值產(chǎn)生PWM 波來(lái)改變電壓源換流器中IGBT的占空 比，從而控制實(shí)際的輸出功率.

圖6 變特性曲線控制原理框圖Fig.6 Varied-characteristics control block diagram

所提出的浮子式波浪發(fā)電裝置及變特性曲線控制方法，在圖7a所示的波浪作用下的系統(tǒng)功率、電磁轉(zhuǎn)矩及電磁轉(zhuǎn)矩變化率分別如圖7b～7d所示.

圖7 仿真結(jié)果圖Fig.7 Simulation results

從圖7中可以看出，變特性曲線控制方法的控制效果較好，既可以輸出較為穩(wěn)定的功率，又能提供波動(dòng)不大的電磁轉(zhuǎn)矩.

4 結(jié) 論

本文重點(diǎn)提出了一種新型浮子式波浪發(fā)電裝置，并研究了為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最大波能捕獲所能采取的控制策略，包括傳統(tǒng)的反應(yīng)式控制策略和鎖存控制策略，分析和比較了它們各自的適應(yīng)性，以及本文提出了一種變特性曲線控制策略.所提出波浪能轉(zhuǎn)換裝置及其控制策略具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）原理簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)，可靠性高.

2）實(shí)時(shí)性好，可以滿(mǎn)足快速控制的要求.

3）不需要預(yù)測(cè)未來(lái)的波浪信息，對(duì)發(fā)電機(jī)和其他的軟硬件要求不高.

4）對(duì)所捕獲外部波力的方向沒(méi)有要求，不但適用于浮子式波浪發(fā)電裝置，還適合在其他類(lèi)型的波浪發(fā)電裝置中應(yīng)用，實(shí)用性較強(qiáng)，應(yīng)用范圍較廣.

值得注意的是，選擇合適的極對(duì)數(shù)等參數(shù)和PI控制器后，不僅可進(jìn)一步提高平均輸出功率，而且能夠有效地降低波浪發(fā)電裝置的電磁轉(zhuǎn)矩變化率.

［1］Twidel J，Weir A.Renewable Energy Resources［M］.London：Taylor and Francis，2006.

［2］Boyle G.Renewable Energy Power for a Sustainable Future［M］.Oxford：Oxford University Press，2004.

［3］武全萍，王桂娟.世界海洋發(fā)電狀況探析［J］.浙江電力，2002，21（5）：65-67.（Wu Quanping，Wang Guijuan.Analysis of World Ocean Power Generation Status［J］.Zhejiang Electric Power，2002，21（5）：65-67.）

［4］程友良，黨岳，吳英杰.波力發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.應(yīng)用能源技術(shù)，2009（12）：26-30.（Cheng Youliang，Dang Yue，Wu Yingjie.Status and Trends of the Power Generation From Wave［J］.Applied Energy Technology，2009，（12）：26-30.）

［5］崔琳，熊焰，王海峰.基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的波浪能發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率分析方法 研究［J］.海洋技術(shù)，2009，28（3）：111-113.（Cui Lin，Xiong Yan，Wang Haifeng.Study on Analysis Method of Conversion Efficiency of Wave Power Generation System based on Onsite Testing［J］.Ocean Technology，2009，28（3）：111-113.）

［6］閻耀保.海洋波浪能量綜合利用［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2011.（Yan Yaobao.Principle and Device of the Ocean Wave Energy Conversion［M］.Shanghai：Shanghai Scientific and Technical Publishers，2011.）

［7］Fang Hongwei，Cheng Jiajia，Ren Yongqin，et al.Simulation and Control of OWC Wave Power Generation System［C］.International Conference on Mechanical Engineering and Technology，2011，335-342.

［8］王凌宇.海洋浮子式波浪發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2008.（Wang Lingyu.The Structure Design and Experimental Study of an Ocean Buoy Wave Power Device［D］.Dalian：Dalian University of Technology，2008.）

［9］Sullivan D L O，Lewis A W.Generator Selection for Offshore Oscillating Water Column Wave Energy Converters［C］.The 13th Power Electronics and Motion Control Conference，Poznan，2008：1790-1797.

［10］劉臻.岸式振蕩水柱波能發(fā)電裝置的試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究［D］.青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2008.（Liu Zhen.Experiment and Numerical Simulation Research on Oscillating Water Column Wave Energy Generation Device［D］.Qingdao：Ocean University of China，2008.）

［11］Zhou Z，Knapp W，MacEnri J.Permanent Magnet Generator Control and Electrical System Configuration for Wave Dragon MW Wave Energy Take-off System［C］.IEEE International Symposium on Industrial Electronics，Cambridge，2008：1580-1585.

［12］Falnes J.Ocean Waves and Oscillating Systems，Linear Interaction Including Wave-energy Extraction ［M］.Cambridge：Cambridge University Press，2002.

［13］Henderson R.Design，Simulation，and Testing of a Novel Hydraulic Power Take-off System for the Pelamis Wave Energy Converter［J］.Renewable Energy，2006，31（2）：271-283.

［14］Valerio D，Beirao P，Mendes M J G，et al.Comparison of Control Strategies Performances for a Wave Energy Converter［C］.The 16th Mediterranean Conference on Control and Automation，2008：773-778.

［15］Babarit A，Clement A H.Optimal Latching Control of a Wave Energy Device in Regular and Irregular Waves［J］.Applied Ocean Research，2006，28（2）：77-91.

［16］Xia C L，Geng Q，Gu X，et al.Input-output Feedback Linearization and Speed Control of a Surface Permanentmagnet Synchronous Wind Generator with the Boostchopper Converter［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2012，59（9）：3489-3500.