结合储能的直驱式波浪发电实验平台开发

刘 静，黄 磊，胡彬彬，陈继明

（1.中国石油大学（华东）a.机电工程学院；1b.新能源学院，山东青岛 266580；2.东南大学电气工程学院，南京 210096）

0 引言

随着国家“海洋战略”和“双碳目标”的陆续提出，海洋可再生能源开发利用和研究逐渐成为我国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、高稳定性（随机性小）、可预测性的特点，因此，波浪发电技术成为我国科技研发和高校研究的热点［2-3］，相关技术和知识成为新能源科学与工程、电气工程及其自动化、机械电子工程和海洋工程与技术等专业的课程内容［4］。因此，改变传统的主要依赖课堂书本讲述，构建学习和研究相结合的教学体系是培养实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型人才的新工科相关课程教学的关键［5-6］。并且，加强对在校学生的相关工程实践和创新能力的培养成为高校培养学生的重要任务。

波浪发电技术与常规风力发电技术并不完全相同，具有其独特的特点，现有的风力发电实验平台在功能上无法进行相关实验。此外，现有的风力发电实验平台本身造价较高，进行改造成本较大［7-8］。因此，需要研制可面向学生实验的波浪发电实验平台。本文针对以上需求，结合直驱式波浪瞬时发电具有瞬时功率周期波动性的特点，引入超级电容储能，开展结合超级电容储能的直驱式波浪发电技术研究。基于研究成果，研发并搭建了结合超级电容储能的直驱式波浪发电实践教学实验平台。

1 实验平台组成和总体设计

直驱式波浪发电采用直线发电机，可直接将波浪能转化为电能，能量转换效率高，装置可靠，维护量小。图1 给出了典型的直驱式波浪发电结构。

图1 直驱式波浪发电装置结构

直驱式波浪发电系统将波浪能转化为机械能，然后通过永磁同步直线发电机转化为电能，系统中除了直接参与能量转换的部件之外还包括功率变流器。由于直驱式波浪发电直驱式的特点，电动机在往复运动的冲程末端也都存在速度过零，使得波浪发电的瞬时功率不断波动，波浪发电产生的电能具有瞬时功率波动频繁且波动范围大的特点［9］。海洋能供电都为远离陆地，多为独岛或者离网供电，因此，大多采用储能装置进行功率波动抑制和持续稳定供电［10-11］。本文结合超级电容建立直驱式波浪发电实验平台，以超级电容平抑波浪短期功率波动的控制策略，用于平滑直驱式波浪能转化装置输出功率。图2 为含有储能的直驱式波浪发电系统结构框图。系统由浮子式波浪机、永磁同步直线发电机、三相电压型PWM 全控整流器、超级电容储能、DC／DC变换器和负载组成。

图2 直驱式波浪发电系统结构框图

基于以上直驱式波浪发电系统结构，研发了直驱式波浪发电实验平台。直驱式波浪发电实验平台的硬件由原动机、主电路、数字控制系统构成。原动机部分包括变频器、异步电动机、变速箱、曲柄连杆机构；主电路部分包括永磁同步直线发电机、功率开关管、电容、功率电阻、超级电容；数字控制系统部分包括主控板、电流检测电路、动子位置检测电路、直流侧电压检测电路、模数转换电路、PWM信号功率放大电路等。

2 直驱式波浪发电实验平台原动机设计

直驱式波浪发电无法在实验室直接实现，因波浪水池造价和占地均很高，但波浪的运动规律可以采用电动机的控制实现，因此基于曲轴连杆和异步电动机搭建了直驱式波浪发电实验平台原动机部分平台。

原动机部分用于模拟浮子式波浪机，异步电动机与曲柄连杆机构相连，曲柄连杆机构与直线发电机连接关系示如图3 所示。如果异步电动机以恒定速度带动转盘旋转，转盘会拖着连杆使曲柄连杆机构的活塞在水平方向以接近正弦变化的速度做往复运动，因为活塞经过联轴器与发电机动子相连，两者保持静止，所以运动规律相同。同时，可以采用变频器驱动电动机进行频率控制下速度调节，从而可模拟不同频率的波浪运动。这样原动机部分可以模拟波浪的波动运动。

图3 直驱式波浪发电实验平台原动机部分

3 实验平台机侧控制设计

直驱式波浪发电系统，乃至以发电机为转换机构的其他新能源发电系统，发电机侧运行控制是整个系统的核心部件。为实现机侧对于最优能量捕获的实现，采用全控整流变换电路，并包含了位置检测电路、机侧三相电流检测电路、PWM 驱动电路、直流侧电压检测电路和DSP 核心开发板。结构如图4 所示。实验平台机侧控制系统的硬件系统搭建如图5 所示。

图4 实验平台电机结构

图5 直驱式波浪发电实验平台机侧控制平台部分

对于直驱式波浪发电机，通过发电机的电磁力控制可控制电动机的捕获功率［12］。因此，以波浪的周期和幅值为输入信号，可在线计算电磁力最优目标值。通过电动机d／q解耦控制实现电磁力对最优目标值的跟随［13-14］。图6 为采用零d轴电流控制和最大功率捕获控制的直驱式波浪发电系统机侧控制示意图，主要包括1 个最大功率跟踪控制器，2 个电流内环和1 个解耦控制器以及定子电流采样和SVPWM发生部分。

图6 直驱式波浪发电实验平台机侧控制框图

通过安装在发电机上的位置传感器可以测得动子的实时位置x，经过线性转化得到动子运动的电角度θr，θr对时间的导数ωr即可作为旋转坐标系的旋转速度。机侧控制系统有两个电流内环，分别是d轴内环和q轴内环。实时采集发电机三相定子电流，经派克变换得到id、iq。零d轴电流控制就是将d轴电流给定值设为0，再将测量值id与给定值比较以产生电流偏差值，q轴电流内环也是如此，与d轴电流内环的区别在于是将MPPT控制器的输出作为给定值，而不再是直接给定。

4 基于超级电容的储能实验平台

不同于风力发电系统，即使在波浪稳定情形下，永磁同步直线发电机所捕获的电能也是大幅度瞬时波动的，在离网系统中，如果直接给负载供电，系统不能维持稳定，所以必须结合储能装置才能实现离网正常运行［14］。超级电容的充放电时间较快，非常适合用于解决直驱式波浪发电直流侧功率瞬时波动［15］。因此，搭建了基于超级电容的储能实验平台。图7 为超级电容控制部分框图。采用直流母线或负载功率稳定作为控制目标，通过PWM和移动相技术对DC／DC 变换器进行控制。

图7 储能实验平台控制策略

根据以上控制策略，搭建了基于超级电容的储能实验平台，平台主要由超级电容、DC／DC 变换器和快速原型控制器和上位机组成。通过上位机进行控制程序设计，经过快速原型控制器转换成DSP 程序，输出DC／DC变换器控制脉冲，进而实现超级电容实时对负载和直流母线波动抑制。

图8 为基于超级电容的储能实验平台部分具体电路和系统组成。

图8 基于超级电容的储能实验平台

上位机除了可以实现对控制程序更改，进行实时控制，同时可以对中间变量和控制量提供显示和存储，这样在实验同时，可以清晰地掌握细节变化，有助于对现象进行深入分析和研究。

5 实验验证

根据上述设计方案，经过对DSP 程序和快速原型控制器程序设计，开发出结合储能的直驱式波浪发电实验平台及其软件系统平台。该实验平台面向对象为新能源科学与工程、电气工程及其自动化、机械电子工程和海洋工程与技术的本科生和研究生，可进行新能源和储能运行相关的实验项目，并可应用于校内课外研学，可培养学生的工程实践能力和工程创新能力。

图9 结合储能的直驱式波浪发电实验整体平台

对该系统平台进行了模拟波浪发电实验、最优能量捕获实验和直流母线功率波动抑制实验验证。

5.1 原动机模拟实验

首先模拟了波浪直驱下电动机输出，针对波浪频率设定变频器，实现对波浪频率和速度跟随。图10 为直驱下的动子速度和相应的端电压波形。

图10 动子速度v和相空载电动势eC

从图中可以看出，采用直驱式波浪发电实验平台可以完全模拟波浪直驱运行和电动机输出。验证了原动机设计模拟的合理性。

5.2 最优能量捕获实验

根据机侧控制框图进行了最优能量捕获的控制实验，根据原动力输入功率波动，计算获得q轴电流给定值，d轴电流控制为0，不增磁和去磁，进而实现能量跟随。图11 为采用最优能量捕获时获得d、q轴电流给定和实际值。图12 为q轴电流和电机相电流。

图11 最优能量捕捉时获得、iq、id 波形

图12 相电流iA 和q轴电流iq 波形

从图中可知，电动机瞬态速度及能量最大时，负载能量输出最大，实现了对原动机的最优能量捕获，同时给定和反馈跟随性能很好。验证了机侧最优能量捕获控制策略和实验平台实现最优能量捕获的可行性。

5.3 储能直流母线补偿实验

机侧实现最优能量捕获，输出功率必然是波动，形成对直流母线和负载侧的波动冲击。图13 为没有储能时直流母线侧的功率波动。

图13 最优能量捕获的有功瞬时功率

超级电容储能的应用可补偿功率波动，实现直流母线和负载测得功率和电压稳定。图14 为有储能时的电流波动和直流母线侧电压情况。

图14 储能电流和直流母线侧电压

从图中储能的电流波动和最优能量捕获的有功瞬时功率可以看出，超级电容电流对最优能量捕获的有功瞬时功率进行了补偿，电流波动和有功瞬时功率波动正好补偿，使得直流侧电压稳定，从而输出稳定的负载电压。

6 结语

本文研发了一套结合储能直驱式波浪发电实验平台，可应用于为海洋可再生能源知识相关的新能源科学与工程、电气工程及其自动化、机械电子工程和海洋工程与技术等专业的本科教学和实践能力锻炼。同时，可作为相关专业研究生的科研开发平台。该实验平台有助于学生在深入了解波浪发电等海洋可再生能源发电中所存在的特有问题和技术，并可以分析掌握各类整流器、DC／DC 变换器的应用和开发流程，帮助学生掌握发电侧储能技术、新能源发电控制技术以及电能质量优化等具体知识应用和实践，激发学生学习兴趣的同时可改善实验教学效果。开放的上位机平台和程序为学生提供了自己动手进行程序设计和研究的机会，有助于提升学生的工程实践与创新能力。