阵列浮子式波浪能液压叠加发电系统设计及研究*

冯 辉 李 超 王高阳 邱 昊 吕 宁 戴 敬

(武汉理工大学交通学院 武汉 430063)

阵列浮子式波浪能液压叠加发电系统设计及研究*

冯 辉 李 超 王高阳 邱 昊 吕 宁 戴 敬

(武汉理工大学交通学院 武汉 430063)

针对现有波浪能发电模式所存在的不足之处，提出一种可用于多浮子波浪能发电装置的液压发电系统.在波能捕获部分数学模型的基础上，采用Matlab/Simulink与AMESim联合仿真的方式，对系统进行动态仿真分析.结果表明，应用该系统，各浮子可实现双向行程做功，不同浮子双向运动机械能转换为液压能后可实现能量叠加，蓄能器稳压效果明显，液压马达在三种不同工况下输出转速及转矩均保持稳定，验证了该系统用于多浮子波浪能发电装置的可行性.

波浪能；多浮子；能量叠加；液压传动；联合仿真

0 引 言

随经济社会的快速发展，能源短缺和环境破坏问题日益严重，寻找可再生新能源已成为全球共识.作为新能源之一的波浪能因其分布广、储量大的优点，受到各国的广泛关注[1].已有的波浪能发电装置按利用形式可分为振荡水柱型、聚波越浪型和机械液压型[2]，振荡浮子式装置是机械液压型的典型代表，具有广阔的发展前景[3].目前，该类装置的中间能量传递与转换方式主要有机械传动和液压传动，两种转换方式都尚存在不足之处，比如，机械传动存在故障率高、重量大及安装不便的缺点，且波浪的不确定性使该方式具有很大的间歇性与波动性[4]；液压传动多基于液压缸单行程做功的原理，即一个波浪周期内只有一半时间做功，能量输出间断，从而影响电力的稳定输出[5].

文中以多浮子振荡式波浪能发电装置为研究对象，针对其能量传递与转换方式存在的能量输出间断、工作不稳定等问题，设计出一套基于液压传动的叠加发电系统，有助于提高波浪能的开发价值.根据浮子运动数学模型，基于Simulink与AMESim软件平台对系统进行联合仿真分析，为开发双行程做功的液压系统提供理论基础.结果表明，该系统使用双向齿轮泵有效吸收多个浮子双向运动的机械能，并转换为液压能再加以叠加，在主油路加装蓄能器，使通过液压马达的流量保持稳定[6].

1 系统组成及工作原理

1.1 系统组成

液压叠加发电系统根据功能可分为三部分，即波能捕获部分、液压传动部分和发电存储部分，见图1.

图1 液压发电系统原理图

1.2 工作原理

当浮子受到波浪力作用向上运动时，变速箱输入轴在齿条带动下旋转，输出轴带动双向齿轮泵旋转，液压油从集成油箱进入双向齿轮泵进油口b，经加压形成高压油由出油口d进入梭阀，从梭阀出油口进入主油路，经蓄能器稳压后带动液压马达旋转，液压马达与加速齿轮箱相接，加速齿轮箱带动交流发电机发电，最后交流电经过整流后存入蓄电池中.

浮子向下运动时，液压油从进油口a进入双向齿轮泵，经过齿轮泵加压，由出油口c进入主油路，之后过程与其向上运动的发电过程类似.

2 系统联合仿真

2.1 浮子运动建模及仿真

系统采用半径0.18 m、高度0.5 m的垂直圆柱体为浮子，初始吃水d0为0.25 m.单浮子在波浪力和液压系统的共同激励下做有阻尼受迫振动，该过程可简化为图2所示弹簧-质量-阻尼系统[7].

图2 浮子受力简化模型

浮子的运动微分方程为

式中：m为质量;x为浮子位移;c为阻尼系数;k为刚度系数;F(t)为波浪力;P(t)为系统力.

由于绕射系数与阻尼系数只与浮子的形状与尺寸有关，因此，可通过单浮子振动实验获得浮子的位移曲线，并根据Froude-Krylov理论可求得浮子所受的波浪力，再根据运动微分方程求解绕射系数与阻尼系数，并将所得结果用于后期的多组仿真.

基于已建立的数学模型，利用Matlab/Simulink对浮子的运动状态进行模拟仿真，见图3.输入量为波高、周期及水深，解出浮子在波浪力作用下的运动速度，并用于联合仿真.

图3 Simulink一级仿真界面

2.2 液压系统仿真

AMESim软件可提供图形化仿真建模环境，能有效避免建立液压元件数学模型的复杂过程，并可可根据仿真结果对系统进行优化[8]，从而降低液压系统的开发时间和成本.因此，在对系统各元件选型的基础上，借助AMESim软件平台，在Sketch模式下利用软件已有的液压元件模型库搭建出液压传动部分的仿真模型，见图4.其中，主要元件参数为液压泵排量1.14 mL/r，液压马达排量 8.2 mL/r，蓄能器初始起气压4.5 MPa.

图4 液压传动仿真模型

3 仿真结果分析3.1 仿真工况

为利用联合仿真模拟系统的工作状态，并合理简化真实海况下复杂的波浪条件，降低研究成本，在此做出以下假设：①多浮子排列方式对波浪的周期无影响；②垂直于波浪传播方向排列的一排浮子所受波浪力的大小及初相位相同；③沿波浪传播方向排列的一列浮子存在遮蔽效应，即波高有衰减，且波浪力初相位不同.

为研究多浮子排列方式及波高范围对该系统稳定性的影响，本文选取三组工况进行联合仿真研究，仿真时间为50 s，水深20 m，周期3 s，各浮子的具体工况见表1.

3.2 结果分析

1) 双行程做功分析 在仿真模拟的三种工况中，浮子速度与其对应支路的流量随时间有相似的变化规律，在此以工况1中浮子1速度与支路1流量随时间的变化曲线为例，见图5.

表1 仿真工况

图5 浮子速度与支路流量图

在浮子1速度正负变化表示浮子双向运动，在此过程中，支路1中流量均为正值且大小与浮子运动速度绝对值呈正相关关系，体现出系统双行程做功的特点.

2) 液压回路流量分析 工况2中各支路流量见图6，支路流量均呈相似的周期性变化，且对应较高波高的支路的平均流量高.

图6 支路流量图

压力和流量是液压传动中最重要的参数，前者代表传动中的力，后者代表传动中的速度，而二者的乘积则是功率，即

P=pQ

式中：P为功率;p为压力;Q为流量.

在该套液压系统中，支路与主油路中的油压基本相同，因此可通过流量来表示功率大小.

工况2中主油路流量在经过蓄能器前后的流量见图7.1点流量呈明显的周期性变化，且数值上与四条支路流量之和相等，体现了液压系统叠加各支路流量的作用.经过蓄能器的稳压后，2点流量稳定在0.7 L/min左右，保证了液压马达的输入流量稳定.

图7 蓄能器前后流量图

3) 液压马达工作状态分析 工况1，2中液压马达的工作状态见图8，液压马达的工作状态相似，运行一段时间后马达的转速及扭矩均达到稳定，液压马达的输出功率分别稳定在138 W和92 W左右，输出功率的差别与浮子遮蔽效应造成的波高衰减有关.

图8 液压马达工作状态

工况3的仿真结果与1和2不同，见图9.转速和扭矩在一定范围内周期性变化，液压马达的输出功率没有达到稳定状态.原因在于波高小的情况下，系统中的油压相对蓄能器的初始气压较低，蓄能器未能起到稳定系统油压的作用.因此，为使系统的工作状态稳定，蓄能器的选型需要依据工作海域的平均波高确定.

图9 工况3液压马达工作状态

4 结 论

1) 不同浮子双向运动的机械能经该系统转换为油压能后可实现叠加，有助于提升波浪能发电装置的能量转化效率.

2) 在浮子所受波浪力大小不同且存在相位差的情况下，各支路流量在主油路汇集并稳定叠加，经蓄能器稳压后，液压马达输出功率保持稳定.

本文的研究内容涉及水动力学与机械等学科领域，还有若干问题需要进一步研究.发电装置实际工作海域的波浪情况为不规则波，可用Simulink软件模拟合适的波浪谱，研究真实海况下发电系统的工作状态.据真实波况和多浮子波浪能发电装置的实际尺寸进行仿真模拟，并优化各元件的选型.

[1]李永国,陈成明.波浪能技术发展历程及应用现状[C].中国可再生能源学会海洋能专业委员会学术讨论会,2010.

[2]宋文杰,史宏达,刘鹏.基于双行程液压传动的振荡浮子式波浪能发电系统仿真研究[J].太阳能学报,2016,37(1):256-260.

[3]游亚戈,李伟,刘伟民,等.海洋能发电技术的发展现状与前景[J].电力系统自动化,2010,34(14):1-12.

[4]黄委.基于海上多能源综合开发利用的液压传动系统研究[D].北京：华北电力大学,2014.

[5]张大海,李伟,林勇刚,等.双行程做功波浪能液压传动系统设计及仿真研究[C].中国可再生能源学会2011年学术年会论文集,2011.

[6]王坤林,田联房,王孝洪,等.液压蓄能式波浪能装置发电系统的特性[J].华南理工大学学报(自然科学版),2014,42(6):25-31.

[7]王凤银.多点阵列式波浪能液压发电系统的匹配设计与模拟仿真[D].厦门：集美大学,2015.

[8]刘海丽.基于AMESim的液压系统建模与仿真技术研究[D].西安：西北工业大学,2006.

Design and Research of Hydraulic Power Generation System with Superposed for Multi-point Array Type Wave Energy Convertor

FENG Hui LI Chao WANG Gaoyang QIU Hao LYU Ning DAI Jing

(School of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

This paper proposes a hydraulic power generation system with multi-floater wave energy converter aiming at the shortage of the current wave energy power generation mode. Based on the mathematical modelling for capturing wave energy, dynamic simulation analysis of this system is carried out by the co-simulation of Matlab/Simulink and AMESim. The results show that each floater can achieve two-way power stroke with the application of the system, resulting in the energy superposition by the conversion from mechanical energy to hydraulic energy due to the two-way motion of different floaters. It also shows that the accumulator has great voltage stabilizing effect. Then, the hydraulic motor can keep stable output rotation rate and torque for three different operation conditions, which verifies the feasibility of the application of this system on the multi-floater wave energy converter.

wave energy; multi-floater; energy superposition; hydraulic drive; co-simulation

2017-04-12

*国家自然科学基金项目(61301279)、国家级大学生创新创业训练计划项目(20161049702009)资助

TH137

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.03.011

冯辉(1981—)：男，博士，副教授，主要研究领域为海洋能源利用、智能船舶、船舶动力定位系统