結合儲能的直驅式波浪發電實驗平臺開發

劉 靜，黃 磊，胡彬彬，陳繼明

（1.中國石油大學（華東）a.機電工程學院；1b.新能源學院，山東青島 266580；2.東南大學電氣工程學院，南京 210096）

0 引言

隨著國家“海洋戰略”和“雙碳目標”的陸續提出，海洋可再生能源開發利用和研究逐漸成為我國可再生能源研究的主要方向之一［1］。在海洋能中，波浪能具有高功率密度、高穩定性（隨機性小）、可預測性的特點，因此，波浪發電技術成為我國科技研發和高校研究的熱點［2-3］，相關技術和知識成為新能源科學與工程、電氣工程及其自動化、機械電子工程和海洋工程與技術等專業的課程內容［4］。因此，改變傳統的主要依賴課堂書本講述，構建學習和研究相結合的教學體系是培養實踐能力強、創新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型人才的新工科相關課程教學的關鍵［5-6］。并且，加強對在校學生的相關工程實踐和創新能力的培養成為高校培養學生的重要任務。

波浪發電技術與常規風力發電技術并不完全相同，具有其獨特的特點，現有的風力發電實驗平臺在功能上無法進行相關實驗。此外，現有的風力發電實驗平臺本身造價較高，進行改造成本較大［7-8］。因此，需要研制可面向學生實驗的波浪發電實驗平臺。本文針對以上需求，結合直驅式波浪瞬時發電具有瞬時功率周期波動性的特點，引入超級電容儲能，開展結合超級電容儲能的直驅式波浪發電技術研究。基于研究成果，研發并搭建了結合超級電容儲能的直驅式波浪發電實踐教學實驗平臺。

1 實驗平臺組成和總體設計

直驅式波浪發電采用直線發電機，可直接將波浪能轉化為電能，能量轉換效率高，裝置可靠，維護量小。圖1 給出了典型的直驅式波浪發電結構。

圖1 直驅式波浪發電裝置結構

直驅式波浪發電系統將波浪能轉化為機械能，然后通過永磁同步直線發電機轉化為電能，系統中除了直接參與能量轉換的部件之外還包括功率變流器。由于直驅式波浪發電直驅式的特點，電動機在往復運動的沖程末端也都存在速度過零，使得波浪發電的瞬時功率不斷波動，波浪發電產生的電能具有瞬時功率波動頻繁且波動范圍大的特點［9］。海洋能供電都為遠離陸地，多為獨島或者離網供電，因此，大多采用儲能裝置進行功率波動抑制和持續穩定供電［10-11］。本文結合超級電容建立直驅式波浪發電實驗平臺，以超級電容平抑波浪短期功率波動的控制策略，用于平滑直驅式波浪能轉化裝置輸出功率。圖2 為含有儲能的直驅式波浪發電系統結構框圖。系統由浮子式波浪機、永磁同步直線發電機、三相電壓型PWM 全控整流器、超級電容儲能、DC／DC變換器和負載組成。

圖2 直驅式波浪發電系統結構框圖

基于以上直驅式波浪發電系統結構，研發了直驅式波浪發電實驗平臺。直驅式波浪發電實驗平臺的硬件由原動機、主電路、數字控制系統構成。原動機部分包括變頻器、異步電動機、變速箱、曲柄連桿機構；主電路部分包括永磁同步直線發電機、功率開關管、電容、功率電阻、超級電容；數字控制系統部分包括主控板、電流檢測電路、動子位置檢測電路、直流側電壓檢測電路、模數轉換電路、PWM信號功率放大電路等。

2 直驅式波浪發電實驗平臺原動機設計

直驅式波浪發電無法在實驗室直接實現，因波浪水池造價和占地均很高，但波浪的運動規律可以采用電動機的控制實現，因此基于曲軸連桿和異步電動機搭建了直驅式波浪發電實驗平臺原動機部分平臺。

原動機部分用于模擬浮子式波浪機，異步電動機與曲柄連桿機構相連，曲柄連桿機構與直線發電機連接關系示如圖3 所示。如果異步電動機以恒定速度帶動轉盤旋轉，轉盤會拖著連桿使曲柄連桿機構的活塞在水平方向以接近正弦變化的速度做往復運動，因為活塞經過聯軸器與發電機動子相連，兩者保持靜止，所以運動規律相同。同時，可以采用變頻器驅動電動機進行頻率控制下速度調節，從而可模擬不同頻率的波浪運動。這樣原動機部分可以模擬波浪的波動運動。

圖3 直驅式波浪發電實驗平臺原動機部分

3 實驗平臺機側控制設計

直驅式波浪發電系統，乃至以發電機為轉換機構的其他新能源發電系統，發電機側運行控制是整個系統的核心部件。為實現機側對于最優能量捕獲的實現，采用全控整流變換電路，并包含了位置檢測電路、機側三相電流檢測電路、PWM 驅動電路、直流側電壓檢測電路和DSP 核心開發板。結構如圖4 所示。實驗平臺機側控制系統的硬件系統搭建如圖5 所示。

圖4 實驗平臺電機結構

圖5 直驅式波浪發電實驗平臺機側控制平臺部分

對于直驅式波浪發電機，通過發電機的電磁力控制可控制電動機的捕獲功率［12］。因此，以波浪的周期和幅值為輸入信號，可在線計算電磁力最優目標值。通過電動機d／q解耦控制實現電磁力對最優目標值的跟隨［13-14］。圖6 為采用零d軸電流控制和最大功率捕獲控制的直驅式波浪發電系統機側控制示意圖，主要包括1 個最大功率跟蹤控制器，2 個電流內環和1 個解耦控制器以及定子電流采樣和SVPWM發生部分。

圖6 直驅式波浪發電實驗平臺機側控制框圖

通過安裝在發電機上的位置傳感器可以測得動子的實時位置x，經過線性轉化得到動子運動的電角度θr，θr對時間的導數ωr即可作為旋轉坐標系的旋轉速度。機側控制系統有兩個電流內環，分別是d軸內環和q軸內環。實時采集發電機三相定子電流，經派克變換得到id、iq。零d軸電流控制就是將d軸電流給定值設為0，再將測量值id與給定值比較以產生電流偏差值，q軸電流內環也是如此，與d軸電流內環的區別在于是將MPPT控制器的輸出作為給定值，而不再是直接給定。

4 基于超級電容的儲能實驗平臺

不同于風力發電系統，即使在波浪穩定情形下，永磁同步直線發電機所捕獲的電能也是大幅度瞬時波動的，在離網系統中，如果直接給負載供電，系統不能維持穩定，所以必須結合儲能裝置才能實現離網正常運行［14］。超級電容的充放電時間較快，非常適合用于解決直驅式波浪發電直流側功率瞬時波動［15］。因此，搭建了基于超級電容的儲能實驗平臺。圖7 為超級電容控制部分框圖。采用直流母線或負載功率穩定作為控制目標，通過PWM和移動相技術對DC／DC 變換器進行控制。

圖7 儲能實驗平臺控制策略

根據以上控制策略，搭建了基于超級電容的儲能實驗平臺，平臺主要由超級電容、DC／DC 變換器和快速原型控制器和上位機組成。通過上位機進行控制程序設計，經過快速原型控制器轉換成DSP 程序，輸出DC／DC變換器控制脈沖，進而實現超級電容實時對負載和直流母線波動抑制。

圖8 為基于超級電容的儲能實驗平臺部分具體電路和系統組成。

圖8 基于超級電容的儲能實驗平臺

上位機除了可以實現對控制程序更改，進行實時控制，同時可以對中間變量和控制量提供顯示和存儲，這樣在實驗同時，可以清晰地掌握細節變化，有助于對現象進行深入分析和研究。

5 實驗驗證

根據上述設計方案，經過對DSP 程序和快速原型控制器程序設計，開發出結合儲能的直驅式波浪發電實驗平臺及其軟件系統平臺。該實驗平臺面向對象為新能源科學與工程、電氣工程及其自動化、機械電子工程和海洋工程與技術的本科生和研究生，可進行新能源和儲能運行相關的實驗項目，并可應用于校內課外研學，可培養學生的工程實踐能力和工程創新能力。

圖9 結合儲能的直驅式波浪發電實驗整體平臺

對該系統平臺進行了模擬波浪發電實驗、最優能量捕獲實驗和直流母線功率波動抑制實驗驗證。

5.1 原動機模擬實驗

首先模擬了波浪直驅下電動機輸出，針對波浪頻率設定變頻器，實現對波浪頻率和速度跟隨。圖10 為直驅下的動子速度和相應的端電壓波形。

圖10 動子速度v和相空載電動勢eC

從圖中可以看出，采用直驅式波浪發電實驗平臺可以完全模擬波浪直驅運行和電動機輸出。驗證了原動機設計模擬的合理性。

5.2 最優能量捕獲實驗

根據機側控制框圖進行了最優能量捕獲的控制實驗，根據原動力輸入功率波動，計算獲得q軸電流給定值，d軸電流控制為0，不增磁和去磁，進而實現能量跟隨。圖11 為采用最優能量捕獲時獲得d、q軸電流給定和實際值。圖12 為q軸電流和電機相電流。

圖11 最優能量捕捉時獲得、iq、id 波形

圖12 相電流iA 和q軸電流iq 波形

從圖中可知，電動機瞬態速度及能量最大時，負載能量輸出最大，實現了對原動機的最優能量捕獲，同時給定和反饋跟隨性能很好。驗證了機側最優能量捕獲控制策略和實驗平臺實現最優能量捕獲的可行性。

5.3 儲能直流母線補償實驗

機側實現最優能量捕獲，輸出功率必然是波動，形成對直流母線和負載側的波動沖擊。圖13 為沒有儲能時直流母線側的功率波動。

圖13 最優能量捕獲的有功瞬時功率

超級電容儲能的應用可補償功率波動，實現直流母線和負載測得功率和電壓穩定。圖14 為有儲能時的電流波動和直流母線側電壓情況。

圖14 儲能電流和直流母線側電壓

從圖中儲能的電流波動和最優能量捕獲的有功瞬時功率可以看出，超級電容電流對最優能量捕獲的有功瞬時功率進行了補償，電流波動和有功瞬時功率波動正好補償，使得直流側電壓穩定，從而輸出穩定的負載電壓。

6 結語

本文研發了一套結合儲能直驅式波浪發電實驗平臺，可應用于為海洋可再生能源知識相關的新能源科學與工程、電氣工程及其自動化、機械電子工程和海洋工程與技術等專業的本科教學和實踐能力鍛煉。同時，可作為相關專業研究生的科研開發平臺。該實驗平臺有助于學生在深入了解波浪發電等海洋可再生能源發電中所存在的特有問題和技術，并可以分析掌握各類整流器、DC／DC 變換器的應用和開發流程，幫助學生掌握發電側儲能技術、新能源發電控制技術以及電能質量優化等具體知識應用和實踐，激發學生學習興趣的同時可改善實驗教學效果。開放的上位機平臺和程序為學生提供了自己動手進行程序設計和研究的機會，有助于提升學生的工程實踐與創新能力。