浮子式波浪发电控制策略研究

方红伟，程佳佳，刘飘羽，刘卫林

（1.天津大学 电气与自动化工程学院，天津 300072；2.天津ABB开关有限公司，天津 300409）

能源危机的恶化加快了石油、天然气和煤炭等化石能源的枯竭进程，而人类生活水平的提高和现代化科学技术的加速发展，则使人类对能源的需求日益增加.为了解决这一能源供需矛盾，促使人类急需寻找新的可替代再生能源.近年来，太阳能、风能、生物能、地热能，以及包括波浪能在内的海洋能逐渐被开发与利用，部分能源利用方式已朝着规模化和商业化的方向发展［1-5］.

目前，英国、日本、挪威等国从20世纪70年代就开始了波浪能发电的研究，已开发出聚波水库式、振荡水柱式（空气式）、鸭式和点吸式等多种形式的波浪能发电装置［6-11］.其控制方法包括反应式控制策略，锁存控制策略及智能控制策略等.我国也是世界上主要的波浪能开发倡导国之一.我国波浪能资源丰富，沿岸波浪能资源理论平均功率近13 000MW.国内波浪发电技术研究始于20世纪70年代，从80年代初主要对固定式和漂浮式振荡水柱波能装置及摆式波能装置等进行研究，且获得较快发展.微型波浪发电技术已很成熟，小型岸式波浪发电技术则进入世界先进行列.但与波浪发电技术较为成熟的发达国家相比，我国在波浪发电机制造技术和波浪发电控制技术等方面仍存在一定差距.

本文首先介绍了现有的几种典型波浪发电系统及其各自特点，并提出了一种新型浮子式波浪发电装置.然后，对现有最大波能捕获的控制策略进行了研究，分析比较了它们各自的特点，及其在新型浮子式波浪发电装置中的适应性.最后提出了一种适用于新型浮子式波浪发电装置的控制策略变特性曲线控制策略.

1 波浪发电系统比较

1.1 典型波浪发电装置

典型的波浪发电装置结构如图1所示.振荡水柱式波浪发电装置的转动机构不与海水接触，防腐性能好，安全可靠，维护方便，但其二级能量转换效率较低.鸭式波浪发电装置，由于存在水下部件，受海浪袭击时其稳定性较差.点吸式装置适合波浪的低频和推力大等特性，转换效率高，还可方便地与相位控制技术相结合，但其机械和液压机构的维护较为困难.聚波水库式装置的优点是其一级能量转换部分没有活动部件，可靠性好，维护费用低，系统出力较稳定，不足之处是该发电方式在建设时对地形有特殊要求，不易推广.

1.2 浮子式波浪发电装置

图1 典型的波浪能发电装置Fig.1 Typical wave energy converters

图2 浮子式波浪发电装置Fig.2 Float type wave power device

为减少波浪的复杂多维运动给系统控制难度带来的影响，本文提出了一种新型浮子式波浪发电装置，其结构如图2所示.它只利用浮子在垂直方向下降时的波能，当浮子上升时离合器自动解列，系统利用飞轮的惯性保证永磁同步发电机在浮子上升时也能正常发电，这样既可以减小系统传动机构的设计难度，也有利于系统最大波能捕获控制策略的实现和不稳定的波能转化为稳定的电能.除此之外，该装置具有防腐性能好、易于维护、噪声小、维护费用低和效率高等优点.因此，浮子式波浪发电装置同时具有点吸式与振荡水柱式波浪发电装置的优点，并克服了各自的缺点.另外，该装置可作为离岸式波浪发电系统，具有很好的移动性和较强的环境适应性，在恶劣天气条件下，可将其移至安全海域位置，从而提高系统的安全性和经济性.

2 典型的最大波能捕获控制策略

为了实现波浪发电的最大波能捕获，Falnes指出必须满足两个条件：相位条件和幅值条件［12-13］.相位条件指的是浮子上的感应力与浮子的速度应保持同步，在波浪规则的情况下，如果浮子的固有频率与波浪频率相等，该条件自然满足；在辐射波的幅值恰好是随机波浪波幅值的一半时，则易实现幅值优化条件.但是，由于幅值条件依赖于随机波浪，实现难度大，因此幅值优化控制方式具有本质上的缺陷，通过调整波浪发电装置的谐振频带使其包含常规的波浪频谱从而实现相位优化控制的方式得到了广泛应用.典型的相位控制策略主要包括反应式控制策略和锁存控制策略.

2.1 反应式控制策略

20世纪70年代Salter提出的反应式控制策略可以从左、右任一侧扩展波浪发电装置的有效带宽，使其能够包含常规的波浪频谱，从而达到相位的优化控制［14］.该方法理论上较简单可靠，但对于非谐振式波浪发电装置，需发电机能运行于电动状态，且要求预先知道未来时刻的海浪信息.因此，该控制策略不适合本文所提出的垂直单方向能量吸收型浮子式波浪发电装置.

2.2 锁存控制策略

Budal和Falnes在1978 年提出的锁存控制策略原理是当波浪发电浮子在某一方向上速度为零时，对谐振浮子运动进行锁存，在恰当时间段后再释放，使浮子的速度在达到最值时与激励力同相，从而达到系统的最大波能捕获［15］.理想情况下，锁存控制策略的特征如图3所示.

因为本文所提出的发电装置的发电机和浮子仅在浮子做下降运动时耦合，因此，锁存控制仅适用于一个周期的一段期间内.而锁存控制策略最适合外部波力可以在任意方向捕获的特定场合，即适用于整个周期，所以此方法同样不适合垂直单方向能量吸收型浮子式波浪发电装置.

图3 锁存控制下浮子速度随规则波浪的变化Fig.3 The buoy velocity and regular waves

3 变特性曲线控制策略

为了适应所提出的浮子式波浪发电装置，本文借鉴风力发电中的最大功率追踪控制策略［16］，对经典的控制策略进行了改进，提出了变特性曲线控制策略.该控制方法理论上只要建立了系统的转矩-转速特性曲线，就可以通过查表法进行控制.

本文提出的变特性曲线控制策略，虽然是借鉴风力发电和高压直流输电系统中的最大功率追踪方法获得的，但在波浪发电中应用的特性曲线图与风力发电中的最大功率曲线图的构建方法不同，因为波浪能由很多参数决定，且这些参数与波能捕获装置的关系很难确定.因此，本文采用与风电中不同的构建方法研究变特性曲线控制策略.变特性曲线控制特性如图4所示.图中特性曲线分为三部分：线性上升区、恒转矩区和恒功率区.

第1 部分线性上升区的参考转矩Tref可表示为

式中，ωr为电机转速，ωrate为电机的额定转速，Trate为额定转矩，K为上升斜率，且

第2部分恒转矩区，Tref则可表示为

第3部分恒功率区，Tref可表示为

图4 变特性曲线控制特性Fig.4 Different regions in varied-characteristics

显然，以上三部分转矩控制都与K 有关，K值控制着上升区Tref的变化率，因此，也决定了恒转矩区和恒功率区的值.当K 小于1 时，Tref就不会达到Trate，即Tref的最大值不会超过额定值；而当K 很大时，就会使上升区和恒转矩区的交点左移，同时Tref在恒转矩区的值会超过额定值.也就是说，应用此控制方法，K 值越大，Tref增加得越快，达到的最大值也越大，相应的平均输出功率P 和最大电磁转矩变化率也就越大.

系统的电气接口图如图5所示，控制原理的简化图如图6所示.

图5 电气接口原理框图Fig.5 Electrical interface block diagram

从图6中可以看出，电机转速ωr在线测得后反馈到变特性曲线控制模块中得到参考电磁转矩Tref.令电磁转矩Te的估计值等于Tref，由ωr和即可计算估计的输出功率，根据值产生PWM 波来改变电压源换流器中IGBT的占空 比，从而控制实际的输出功率.

图6 变特性曲线控制原理框图Fig.6 Varied-characteristics control block diagram

所提出的浮子式波浪发电装置及变特性曲线控制方法，在图7a所示的波浪作用下的系统功率、电磁转矩及电磁转矩变化率分别如图7b～7d所示.

图7 仿真结果图Fig.7 Simulation results

从图7中可以看出，变特性曲线控制方法的控制效果较好，既可以输出较为稳定的功率，又能提供波动不大的电磁转矩.

4 结 论

本文重点提出了一种新型浮子式波浪发电装置，并研究了为实现系统的最大波能捕获所能采取的控制策略，包括传统的反应式控制策略和锁存控制策略，分析和比较了它们各自的适应性，以及本文提出了一种变特性曲线控制策略.所提出波浪能转换装置及其控制策略具有以下优点：

1）原理简单，便于实现，可靠性高.

2）实时性好，可以满足快速控制的要求.

3）不需要预测未来的波浪信息，对发电机和其他的软硬件要求不高.

4）对所捕获外部波力的方向没有要求，不但适用于浮子式波浪发电装置，还适合在其他类型的波浪发电装置中应用，实用性较强，应用范围较广.

值得注意的是，选择合适的极对数等参数和PI控制器后，不仅可进一步提高平均输出功率，而且能够有效地降低波浪发电装置的电磁转矩变化率.

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