張家明， 黎 明， 劉 臻， 史宏達(dá)

(中國海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266100)

當(dāng)今世界，傳統(tǒng)的化石能源正在消耗殆盡，開發(fā)并利用可再生能源已成為解決能源危機(jī)的必然手段，而占地球總面積71%的海洋，其蘊(yùn)藏著極大的能量的事實(shí)正在被世人逐步地發(fā)現(xiàn)[1]。海洋能源的形式多種多樣，諸如潮汐能，海流能，波浪能，鹽差能等等，其中，波浪能作為一種可再生海洋清潔能源，具有能量密度大、分布面積廣等優(yōu)點(diǎn)[2-3]，如何將波浪能轉(zhuǎn)化為電能，并實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；蜕虡I(yè)化，成為各國在研究并開發(fā)海洋能源領(lǐng)域的亟待解決的問題。

按照能量轉(zhuǎn)換中間環(huán)節(jié)，波浪發(fā)電裝置的形式可以分為機(jī)械傳動(dòng)式、氣動(dòng)式、液壓式三大類[4-5]，本文論述的一種組合型振蕩浮子波浪發(fā)電裝置，從能量轉(zhuǎn)換角度劃分屬于液壓式，與電力變換與控制系統(tǒng)相配合，實(shí)現(xiàn)波浪能到電能的三級(jí)能量轉(zhuǎn)換—第一級(jí)：波浪能到浮子振蕩機(jī)械能；第二級(jí)，浮子振蕩機(jī)械能到液壓能；第三級(jí)，液壓能到電能。

1 波浪發(fā)電裝置概述

組合型振蕩浮子波浪發(fā)電裝置是一種新型波浪能發(fā)電裝置，主要組成部分包括潛浮體、4個(gè)浮子及其支撐導(dǎo)向結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、電力變化與控制系統(tǒng)。單個(gè)浮子結(jié)構(gòu)示意圖如圖1(a)所示，圖1(b)為組合蕩浮子波浪發(fā)電裝置在碼頭的裝配實(shí)體圖，所有的電力變換與控制系統(tǒng)均安置于發(fā)電平臺(tái)上。

圖1 波浪發(fā)電裝置Fig.1 Wave energy converter

其工作原理如下：4組浮子依靠自身浮力浮在海面上，同時(shí)在波浪的推動(dòng)下，沿裝置支撐結(jié)構(gòu)(導(dǎo)向桿)做上下振蕩運(yùn)動(dòng)，浮子捕獲波浪能轉(zhuǎn)化為自身的振蕩機(jī)械能，此時(shí)完成第一級(jí)能量轉(zhuǎn)換；浮子振蕩時(shí)帶動(dòng)安裝在其上方的液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)油缸內(nèi)液壓油，再經(jīng)過液壓系統(tǒng)內(nèi)轉(zhuǎn)化、平衡、穩(wěn)壓，完成浮子振蕩機(jī)械能到液壓能的第二級(jí)能量轉(zhuǎn)換；液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，完成能液壓能到電能的第三級(jí)能量轉(zhuǎn)換。

2 電力變換系統(tǒng)

圖2即為組合型振蕩浮子波浪發(fā)電裝置的電力變換系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。發(fā)電機(jī)為三相永磁同步發(fā)電機(jī)(PMSG)，裝機(jī)容量為15 kW，與液壓馬達(dá)同軸相連，液壓馬達(dá)由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。發(fā)電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，輸出的三相交流電首先經(jīng)過EMI低通濾波器進(jìn)行濾波，濾除高頻諧波后進(jìn)行不可控整流,再經(jīng)過boost升壓斬波電路進(jìn)行升壓。升壓后，利用鉛酸蓄電池組來吸收和存儲(chǔ)發(fā)出的電能，同時(shí)起到穩(wěn)定和支撐直流母線電壓的作用，保證了后續(xù)DC-AC逆變電路輸出穩(wěn)壓穩(wěn)頻交流電。配備了電池管理系統(tǒng)(Battery Management System，縮寫為“BMS”)用以實(shí)時(shí)監(jiān)控蓄電池組的充放電壓、電流以及荷電狀態(tài)(State of Charge，縮寫為“SOC”)，確保蓄電池組的安全、高效充放電。逆變電路為電壓源型三相全橋逆變電路，采用雙極性SPWM控制技術(shù)，逆變輸出的三相交流電經(jīng)過三相變壓器進(jìn)行升壓、濾波后，即可輸出三相380VAC和單相220VAC交流電，頻率為50 Hz，用以供給發(fā)電平臺(tái)上的用電設(shè)備，例如4臺(tái)異步電機(jī)、控制系統(tǒng)的電源系統(tǒng)以及平臺(tái)照明設(shè)備，另外，如果發(fā)電機(jī)輸出瞬時(shí)功率過高，控制系統(tǒng)會(huì)立即控制三相星型卸荷電阻接入逆變器，使得發(fā)電機(jī)制動(dòng)減速。

圖2 電力變換系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Topology of the power conversion system

組合型振蕩浮子波浪發(fā)電裝置為離網(wǎng)型發(fā)電裝置，發(fā)出的電能不并入市電電網(wǎng)，一部分存儲(chǔ)在鉛酸蓄電池組中，另一部分供給平臺(tái)上的用電負(fù)載。表1給出了三相永磁同步發(fā)電機(jī)的電氣參數(shù)，發(fā)電機(jī)定子繞組為星形連接。

表1 三相永磁同步發(fā)電機(jī)電氣參數(shù)Table 1 Electrical parameters of three-phase permanent magnet synchronous generator

續(xù)表1

符號(hào)Symbol參數(shù)Parameter值ValueIn額定線電流20A(RMS)Tn額定扭矩800N/mωn額定轉(zhuǎn)速180rad·min-1p極對(duì)數(shù)17Rs定子繞組電阻0.22ΩLd=Lq定子dq軸電感11.9mH

3 控制系統(tǒng)

3.1 電控系統(tǒng)

3.1.1 boost升壓 海上波浪的隨機(jī)性，以及液壓系統(tǒng)的直驅(qū)特性(液壓系統(tǒng)內(nèi)部無蓄能器等蓄能設(shè)備)，決定了發(fā)電機(jī)一直處在斷續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的工況，從而使整流后的直流母線電壓不可避免的產(chǎn)生波動(dòng)[6-7]。采用了蓄電池組作為中間儲(chǔ)能環(huán)節(jié)來抑制這種波動(dòng)性，以平滑和支撐直流母線電壓。為了達(dá)到蓄電池組的有效充電電壓，使用了boost升壓斬波電路對(duì)不可控整流后的直流電壓進(jìn)行升壓處理。圖3(a)為boost升壓斬波電路及其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，圖3(b)給出了該電路的穩(wěn)態(tài)圖[8-9]。

圖3 boost升壓控制電路及其穩(wěn)態(tài)圖Fig.3 Boost control circuit and stabilization diagram

控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為雙閉環(huán)串級(jí)控制系統(tǒng)，外環(huán)為電壓換，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，控制算法為增量式PI算法，這樣做充分發(fā)揮了串級(jí)控制系統(tǒng)快速響應(yīng)的優(yōu)勢(shì)[10-11]，使得一個(gè)波浪周期(通常小于8 s)內(nèi)，boost電路能夠盡快達(dá)到穩(wěn)態(tài)。設(shè)PWM信號(hào)的占空比為D，則boost電路的輸入輸出穩(wěn)態(tài)特性如式(1)所示。

(1)

3.1.2 電池管理系統(tǒng)(BMS) 為了維護(hù)蓄電池組的可靠、安全、有效運(yùn)行，設(shè)計(jì)了BMS(電池管理系統(tǒng))以實(shí)時(shí)監(jiān)控蓄電池組的電壓、電流、SOC以及溫度等關(guān)鍵參數(shù)，并依據(jù)蓄電池組的SOC狀態(tài)，確定蓄電池組的充放電控制策略。蓄電池組的等效電路如圖4[12]所示，IB為蓄電池組的充電電流，UB為蓄電池組的端電壓；Rt為等效內(nèi)阻，這與蓄電池單體個(gè)數(shù)以及串并聯(lián)方式有關(guān)；電阻Rb與電容Cb的并聯(lián)電路用以描述超電勢(shì)Ub；Rs為等效串聯(lián)電阻；電阻Rp與電容Cp的并聯(lián)電路用以描述蓄電池組的自放電。

圖4 蓄電池組的等效電路Fig.4 The equivalent circuit model of battery

根據(jù)圖4所示的等效電路，可以得到如下表達(dá)式：

(2)

(3)

IB=(UB-Up-Ub)/(Rt+Rs)

。

(4)

蓄電池組等效模型中的Cp由電池的儲(chǔ)能點(diǎn)量和Up的取值范圍決定，Up的上下限分比為Up_max和Up_min，滿足式(5)，其中，J為蓄電池組的儲(chǔ)能電量，單位為kW·h。

(5)

電池的SOC取決于電池的最大容量[13]Q，單位為A·h，滿足式(6)，其中，iB(t) 為蓄電池的瞬時(shí)充電電流，SOC0為電池的初始荷電狀態(tài)。

(6)

蓄電池的儲(chǔ)能電量、最大容量與電池的端電壓滿足式(7)，其中UB_nom為電池的額定端電壓。 為了保持電池的長期有效、安全和高效運(yùn)行，需要把SOC控制在0.2～0.9之間[14-15]。

Q=J/UB_nom。

(7)

BMS根據(jù)電池的SOC確定電池的充放電控制策略，主要決策依據(jù)就是蓄電池的當(dāng)前SOC。當(dāng)蓄電池的SOC<0.2時(shí)，即認(rèn)為蓄電池處于過放狀態(tài)，采用過放控制模式；當(dāng)蓄電池的SOC在0.2～0.9之間時(shí)，即認(rèn)為蓄電池處于正常工作狀態(tài)，采用正?？刂颇Ｊ剑划?dāng)蓄電池的SOC>0.9時(shí)，即認(rèn)為蓄電池處于過充狀態(tài)，采用過充控制模式。三種控制模式的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖分別如圖5(a)，5(b)和5(c)所示。

圖5 BMS 控制模式Fig.5 Control Mode of BMS

圖5(a)～(c)中，Uo為boost升壓斬波電路的輸出電壓，Imax為蓄電池的最大安全充電電流。 采用的是雙閉環(huán)恒壓充電策略并加以電流限幅，有效克服了恒壓充電初期蓄電池充電電流過大的缺點(diǎn)。在蓄電池組進(jìn)入過放控制模式后，控制系統(tǒng)在執(zhí)行圖5(a)所示的控制策略時(shí)，會(huì)自動(dòng)切斷平臺(tái)照明設(shè)備某些非重要負(fù)載的供電，減緩蓄電池的放電速率；在蓄電池組進(jìn)入過充控制模式后，控制系統(tǒng)在執(zhí)行圖5(c)所示的控制策略時(shí)，會(huì)控制卸荷電阻接入逆變器，發(fā)電機(jī)立刻進(jìn)入制動(dòng)減速狀態(tài)，減少蓄電池的能量輸入。

3.2 潮位自適應(yīng)控制系統(tǒng)

如圖1(a)所示，浮子與液壓缸的活塞桿剛性連接，浮子依靠自身浮力浮在海面上，隨波浪上下振動(dòng)，推動(dòng)活塞桿在液壓缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。海面某一時(shí)刻的水位實(shí)際上是當(dāng)前時(shí)刻的潮位疊加波浪形成的，以青島市為例，青島海域每天的潮差平均為3 m左右，最大潮差可以達(dá)到4 m以上(所謂潮差指的是每天的一個(gè)潮汐周期內(nèi)，相鄰高潮位與低潮位間的差值，又稱潮幅)。也就是說，即便一天內(nèi)不出現(xiàn)波浪，海水水面完全靜止，活塞桿的行程也會(huì)有平均3 m左右，甚至達(dá)到4 m以上。通過加大液壓缸的長度來保證活塞桿的行程是沒有可行性的，考慮到潮位疊加波浪，液壓缸的長度將會(huì)達(dá)到5 m以上，加工難度極大，并且會(huì)影響整個(gè)裝置的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

設(shè)計(jì)了潮位自適應(yīng)控制系統(tǒng)以克服潮差問題，控制系統(tǒng)由潮位檢測(cè)裝置、螺旋升降器及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及控制器組成。該控制系統(tǒng)的工作原理為：由潮位檢測(cè)裝置識(shí)別出潮位的漲落并輸出開關(guān)量信號(hào)給控制器，控制器接收到開關(guān)量信號(hào)后，根據(jù)設(shè)計(jì)的程序邏輯輸出相應(yīng)的控制信號(hào)給螺旋升降器的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，再由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提升或下放螺旋升降器的螺桿。液壓缸體與螺桿剛性連接，因此液壓缸就可以隨潮位的漲落沿著導(dǎo)向桿上下移動(dòng)。最終實(shí)現(xiàn)的控制效果是：不論潮位的漲落，液壓缸的位置總是與靜水條件下浮子的位置保持固定的距離，有效克服了潮差帶來的液壓缸活塞桿行程不足的問題，同時(shí)確保了液壓缸不出現(xiàn)頂缸或脫缸的危險(xiǎn)情況。

潮位檢測(cè)裝置由驗(yàn)潮井和液位開關(guān)組成。驗(yàn)潮井利用的是連通器原理，驗(yàn)潮井內(nèi)的液位只會(huì)隨著潮位的變化而變化，瞬時(shí)的波浪不會(huì)影響驗(yàn)潮井內(nèi)的液位，因此可以不受波浪的影響準(zhǔn)確獲取當(dāng)前時(shí)刻潮位的靜水面。液位開關(guān)的示意圖如圖6所示，為連桿式浮球液位開關(guān)，主要的檢測(cè)機(jī)構(gòu)為3個(gè)浮球，每個(gè)浮球都由固定環(huán)確定了其浮動(dòng)范圍，在其浮動(dòng)范圍內(nèi)可以觸發(fā)連桿內(nèi)部的磁簧開關(guān)的閉合與關(guān)斷，從而在潮位漲落時(shí)適時(shí)給出開關(guān)量信號(hào)。整個(gè)潮位檢測(cè)裝置與液壓缸剛性連接，提升液壓缸的同時(shí)潮位檢測(cè)裝置也會(huì)同步運(yùn)動(dòng)。

圖6 液位開關(guān)示意圖與實(shí)物圖Fig.6 Schematic and physical figure of level switch

螺旋升降器的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由三相交流異步電機(jī)和變頻器組成，變頻器在接收到控制器輸出的控制信號(hào)后，控制異步電機(jī)的正反裝，進(jìn)而提升或下放螺桿?？刂破鬟x用西門子S7-200PLC—CPU226CN-AC/DC/RELAY。圖7為控制系統(tǒng)工作流程示意圖。

圖7 潮位自適應(yīng)控制系統(tǒng)工作流程圖Fig.7 Work flow chart of tide self-adaptive control system

3.3 遠(yuǎn)程無線監(jiān)控系統(tǒng)

基于GPRS-Ethernet無線網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)，配備無線通信硬件設(shè)備并開發(fā)了遠(yuǎn)程監(jiān)控上位機(jī)軟件，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)海上無人值守的波浪發(fā)電平臺(tái)的遠(yuǎn)程、無線實(shí)時(shí)監(jiān)控，可實(shí)時(shí)獲取、記錄并查詢裝置電力變換及其控制系統(tǒng)的各項(xiàng)電氣運(yùn)行參數(shù)，以及潮位自適應(yīng)控制系統(tǒng)的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)及故障信息，同時(shí)，還可通過上位機(jī)軟件，對(duì)平臺(tái)上的電控系統(tǒng)與潮位自適應(yīng)控制系統(tǒng)隨時(shí)施加人為干預(yù)，實(shí)現(xiàn)啟、?？刂?、手/自動(dòng)切換以及控制策略切換等功能，真正做到了發(fā)電平臺(tái)的無人值守與遠(yuǎn)程遙控。圖8即為遠(yuǎn)程無線監(jiān)控系統(tǒng)的通信系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，其中(a)為電控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程無線監(jiān)控系統(tǒng)通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，(b)為潮位自適應(yīng)控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程無線監(jiān)控系統(tǒng)通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，增加了高頻無線電傳輸用以短距離(小于2 km)遙控。

在進(jìn)行遠(yuǎn)程無線監(jiān)控的時(shí)候，上位機(jī)軟件都是在跟發(fā)電裝置平臺(tái)上的控制室內(nèi)的控制終端設(shè)備進(jìn)行通信，例如電控系統(tǒng)的控制器和潮位自適應(yīng)控制系統(tǒng)所采用的S7200-PLC。對(duì)電控系統(tǒng)和潮位自適應(yīng)控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控是完全同步、實(shí)時(shí)進(jìn)行的，采用的通信協(xié)議均為ModBus-RTU協(xié)議。圖8(c)為遠(yuǎn)程監(jiān)控上位機(jī)軟件的實(shí)時(shí)監(jiān)控界面。

圖8 遠(yuǎn)程無線監(jiān)控系統(tǒng)Fig.8 Remote wireless monitoring and control system

4 海試結(jié)果

組合型振蕩浮子波浪發(fā)電裝置于2014年1月10日約14時(shí)成功布放于青島市黃島區(qū)齋堂島東南方向約1 km的海域，投放當(dāng)天即開始正常工作。圖9(a)即為裝置2014年1月13日海試圖，(b)為發(fā)電平臺(tái)電控室內(nèi)的電力變換與控制系統(tǒng)電控柜。

圖10(a)為2014年1月13日齋堂島海域0～23時(shí)的每小時(shí)平均波浪功率(kW)的折線圖，(b)為同日0～23時(shí)發(fā)電機(jī)瞬時(shí)輸出功率曲線。圖(c)為同日齋堂島海域0～23時(shí)的潮位，圖(d)潮位自適應(yīng)控制系統(tǒng)記錄的同日0～23時(shí)3號(hào)浮子與液壓缸的相對(duì)距離，可以看出，盡管一天之內(nèi)潮差達(dá)到了2.53 m，但是浮子與液壓缸的相對(duì)距離一直穩(wěn)定在100 cm附近，這與裝置剛投放入水時(shí)人工調(diào)整的浮子與液壓缸的相對(duì)距離是一致的，說明潮位自適應(yīng)控制系統(tǒng)具有良好的控制效果。

圖9 波浪發(fā)電裝置裝置海試Fig.9 Sea test of wave energy converter

裝置自投放之日起，運(yùn)行至2014年1月29日19時(shí)，有效運(yùn)行時(shí)間約20 d，在實(shí)海況條件下從波浪功率到發(fā)電功率的平均能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到18.2%，累計(jì)發(fā)電量達(dá)到558 kW·h，圖10(e)為2014年1月10日—29日每日發(fā)電量與逐日累計(jì)發(fā)電量。2014年1月29日19時(shí)，通過遠(yuǎn)程無線監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)四臺(tái)螺旋升降器進(jìn)行了遠(yuǎn)程遙控，閉鎖了浮子結(jié)構(gòu)。

圖10 海試結(jié)果Fig.10 Sea test results

5 結(jié)語

10 kW組合型振蕩浮子波浪發(fā)電裝置的成功下水與運(yùn)行，標(biāo)志著我國在陣列化波浪能發(fā)電裝置的開發(fā)與工程應(yīng)用領(lǐng)域取得了突破性的進(jìn)展，設(shè)計(jì)并開發(fā)的電力變換與控制系統(tǒng)切實(shí)保障了波浪能到電能的轉(zhuǎn)化效率，經(jīng)受住了惡劣海況的考驗(yàn)，為我國波浪能資源的低成本、規(guī)模化與民用化開發(fā)與利用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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