結(jié)合儲(chǔ)能的直驅(qū)式波浪發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)

劉 靜，黃 磊，胡彬彬，陳繼明

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）a.機(jī)電工程學(xué)院；1b.新能源學(xué)院，山東青島 266580；2.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，南京 210096）

0 引言

隨著國(guó)家“海洋戰(zhàn)略”和“雙碳目標(biāo)”的陸續(xù)提出，海洋可再生能源開(kāi)發(fā)利用和研究逐漸成為我國(guó)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(wěn)定性（隨機(jī)性?。⒖深A(yù)測(cè)性的特點(diǎn)，因此，波浪發(fā)電技術(shù)成為我國(guó)科技研發(fā)和高校研究的熱點(diǎn)［2-3］，相關(guān)技術(shù)和知識(shí)成為新能源科學(xué)與工程、電氣工程及其自動(dòng)化、機(jī)械電子工程和海洋工程與技術(shù)等專業(yè)的課程內(nèi)容［4］。因此，改變傳統(tǒng)的主要依賴課堂書(shū)本講述，構(gòu)建學(xué)習(xí)和研究相結(jié)合的教學(xué)體系是培養(yǎng)實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的高素質(zhì)復(fù)合型人才的新工科相關(guān)課程教學(xué)的關(guān)鍵［5-6］。并且，加強(qiáng)對(duì)在校學(xué)生的相關(guān)工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)成為高校培養(yǎng)學(xué)生的重要任務(wù)。

波浪發(fā)電技術(shù)與常規(guī)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)并不完全相同，具有其獨(dú)特的特點(diǎn)，現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在功能上無(wú)法進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。此外，現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)本身造價(jià)較高，進(jìn)行改造成本較大［7-8］。因此，需要研制可面向?qū)W生實(shí)驗(yàn)的波浪發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。本文針對(duì)以上需求，結(jié)合直驅(qū)式波浪瞬時(shí)發(fā)電具有瞬時(shí)功率周期波動(dòng)性的特點(diǎn)，引入超級(jí)電容儲(chǔ)能，開(kāi)展結(jié)合超級(jí)電容儲(chǔ)能的直驅(qū)式波浪發(fā)電技術(shù)研究?；谘芯砍晒?，研發(fā)并搭建了結(jié)合超級(jí)電容儲(chǔ)能的直驅(qū)式波浪發(fā)電實(shí)踐教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)組成和總體設(shè)計(jì)

直驅(qū)式波浪發(fā)電采用直線發(fā)電機(jī)，可直接將波浪能轉(zhuǎn)化為電能，能量轉(zhuǎn)換效率高，裝置可靠，維護(hù)量小。圖1 給出了典型的直驅(qū)式波浪發(fā)電結(jié)構(gòu)。

圖1 直驅(qū)式波浪發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)

直驅(qū)式波浪發(fā)電系統(tǒng)將波浪能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，然后通過(guò)永磁同步直線發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，系統(tǒng)中除了直接參與能量轉(zhuǎn)換的部件之外還包括功率變流器。由于直驅(qū)式波浪發(fā)電直驅(qū)式的特點(diǎn)，電動(dòng)機(jī)在往復(fù)運(yùn)動(dòng)的沖程末端也都存在速度過(guò)零，使得波浪發(fā)電的瞬時(shí)功率不斷波動(dòng)，波浪發(fā)電產(chǎn)生的電能具有瞬時(shí)功率波動(dòng)頻繁且波動(dòng)范圍大的特點(diǎn)［9］。海洋能供電都為遠(yuǎn)離陸地，多為獨(dú)島或者離網(wǎng)供電，因此，大多采用儲(chǔ)能裝置進(jìn)行功率波動(dòng)抑制和持續(xù)穩(wěn)定供電［10-11］。本文結(jié)合超級(jí)電容建立直驅(qū)式波浪發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以超級(jí)電容平抑波浪短期功率波動(dòng)的控制策略，用于平滑直驅(qū)式波浪能轉(zhuǎn)化裝置輸出功率。圖2 為含有儲(chǔ)能的直驅(qū)式波浪發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)由浮子式波浪機(jī)、永磁同步直線發(fā)電機(jī)、三相電壓型PWM 全控整流器、超級(jí)電容儲(chǔ)能、DC／DC變換器和負(fù)載組成。

圖2 直驅(qū)式波浪發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

基于以上直驅(qū)式波浪發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，研發(fā)了直驅(qū)式波浪發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。直驅(qū)式波浪發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件由原動(dòng)機(jī)、主電路、數(shù)字控制系統(tǒng)構(gòu)成。原動(dòng)機(jī)部分包括變頻器、異步電動(dòng)機(jī)、變速箱、曲柄連桿機(jī)構(gòu)；主電路部分包括永磁同步直線發(fā)電機(jī)、功率開(kāi)關(guān)管、電容、功率電阻、超級(jí)電容；數(shù)字控制系統(tǒng)部分包括主控板、電流檢測(cè)電路、動(dòng)子位置檢測(cè)電路、直流側(cè)電壓檢測(cè)電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、PWM信號(hào)功率放大電路等。

2 直驅(qū)式波浪發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)原動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)

直驅(qū)式波浪發(fā)電無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室直接實(shí)現(xiàn)，因波浪水池造價(jià)和占地均很高，但波浪的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可以采用電動(dòng)機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)，因此基于曲軸連桿和異步電動(dòng)機(jī)搭建了直驅(qū)式波浪發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)原動(dòng)機(jī)部分平臺(tái)。

原動(dòng)機(jī)部分用于模擬浮子式波浪機(jī)，異步電動(dòng)機(jī)與曲柄連桿機(jī)構(gòu)相連，曲柄連桿機(jī)構(gòu)與直線發(fā)電機(jī)連接關(guān)系示如圖3 所示。如果異步電動(dòng)機(jī)以恒定速度帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)盤(pán)會(huì)拖著連桿使曲柄連桿機(jī)構(gòu)的活塞在水平方向以接近正弦變化的速度做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因?yàn)榛钊?jīng)過(guò)聯(lián)軸器與發(fā)電機(jī)動(dòng)子相連，兩者保持靜止，所以運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同。同時(shí)，可以采用變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行頻率控制下速度調(diào)節(jié)，從而可模擬不同頻率的波浪運(yùn)動(dòng)。這樣原動(dòng)機(jī)部分可以模擬波浪的波動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

圖3 直驅(qū)式波浪發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)原動(dòng)機(jī)部分

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)機(jī)側(cè)控制設(shè)計(jì)

直驅(qū)式波浪發(fā)電系統(tǒng)，乃至以發(fā)電機(jī)為轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的其他新能源發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)側(cè)運(yùn)行控制是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件。為實(shí)現(xiàn)機(jī)側(cè)對(duì)于最優(yōu)能量捕獲的實(shí)現(xiàn)，采用全控整流變換電路，并包含了位置檢測(cè)電路、機(jī)側(cè)三相電流檢測(cè)電路、PWM 驅(qū)動(dòng)電路、直流側(cè)電壓檢測(cè)電路和DSP 核心開(kāi)發(fā)板。結(jié)構(gòu)如圖4 所示。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)機(jī)側(cè)控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)搭建如圖5 所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)電機(jī)結(jié)構(gòu)

圖5 直驅(qū)式波浪發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)機(jī)側(cè)控制平臺(tái)部分

對(duì)于直驅(qū)式波浪發(fā)電機(jī)，通過(guò)發(fā)電機(jī)的電磁力控制可控制電動(dòng)機(jī)的捕獲功率［12］。因此，以波浪的周期和幅值為輸入信號(hào)，可在線計(jì)算電磁力最優(yōu)目標(biāo)值。通過(guò)電動(dòng)機(jī)d／q解耦控制實(shí)現(xiàn)電磁力對(duì)最優(yōu)目標(biāo)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(qū)式波浪發(fā)電系統(tǒng)機(jī)側(cè)控制示意圖，主要包括1 個(gè)最大功率跟蹤控制器，2 個(gè)電流內(nèi)環(huán)和1 個(gè)解耦控制器以及定子電流采樣和SVPWM發(fā)生部分。

圖6 直驅(qū)式波浪發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)機(jī)側(cè)控制框圖

通過(guò)安裝在發(fā)電機(jī)上的位置傳感器可以測(cè)得動(dòng)子的實(shí)時(shí)位置x，經(jīng)過(guò)線性轉(zhuǎn)化得到動(dòng)子運(yùn)動(dòng)的電角度θr，θr對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)ωr即可作為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)速度。機(jī)側(cè)控制系統(tǒng)有兩個(gè)電流內(nèi)環(huán)，分別是d軸內(nèi)環(huán)和q軸內(nèi)環(huán)。實(shí)時(shí)采集發(fā)電機(jī)三相定子電流，經(jīng)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(shè)為0，再將測(cè)量值id與給定值比較以產(chǎn)生電流偏差值，q軸電流內(nèi)環(huán)也是如此，與d軸電流內(nèi)環(huán)的區(qū)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(jí)電容的儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

不同于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，即使在波浪穩(wěn)定情形下，永磁同步直線發(fā)電機(jī)所捕獲的電能也是大幅度瞬時(shí)波動(dòng)的，在離網(wǎng)系統(tǒng)中，如果直接給負(fù)載供電，系統(tǒng)不能維持穩(wěn)定，所以必須結(jié)合儲(chǔ)能裝置才能實(shí)現(xiàn)離網(wǎng)正常運(yùn)行［14］。超級(jí)電容的充放電時(shí)間較快，非常適合用于解決直驅(qū)式波浪發(fā)電直流側(cè)功率瞬時(shí)波動(dòng)［15］。因此，搭建了基于超級(jí)電容的儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。圖7 為超級(jí)電容控制部分框圖。采用直流母線或負(fù)載功率穩(wěn)定作為控制目標(biāo)，通過(guò)PWM和移動(dòng)相技術(shù)對(duì)DC／DC 變換器進(jìn)行控制。

圖7 儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)控制策略

根據(jù)以上控制策略，搭建了基于超級(jí)電容的儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，平臺(tái)主要由超級(jí)電容、DC／DC 變換器和快速原型控制器和上位機(jī)組成。通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行控制程序設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)快速原型控制器轉(zhuǎn)換成DSP 程序，輸出DC／DC變換器控制脈沖，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容實(shí)時(shí)對(duì)負(fù)載和直流母線波動(dòng)抑制。

圖8 為基于超級(jí)電容的儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)部分具體電路和系統(tǒng)組成。

圖8 基于超級(jí)電容的儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

上位機(jī)除了可以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制程序更改，進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，同時(shí)可以對(duì)中間變量和控制量提供顯示和存儲(chǔ)，這樣在實(shí)驗(yàn)同時(shí)，可以清晰地掌握細(xì)節(jié)變化，有助于對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行深入分析和研究。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過(guò)對(duì)DSP 程序和快速原型控制器程序設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)出結(jié)合儲(chǔ)能的直驅(qū)式波浪發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及其軟件系統(tǒng)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)面向?qū)ο鬄樾履茉纯茖W(xué)與工程、電氣工程及其自動(dòng)化、機(jī)械電子工程和海洋工程與技術(shù)的本科生和研究生，可進(jìn)行新能源和儲(chǔ)能運(yùn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并可應(yīng)用于校內(nèi)課外研學(xué)，可培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和工程創(chuàng)新能力。

圖9 結(jié)合儲(chǔ)能的直驅(qū)式波浪發(fā)電實(shí)驗(yàn)整體平臺(tái)

對(duì)該系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行了模擬波浪發(fā)電實(shí)驗(yàn)、最優(yōu)能量捕獲實(shí)驗(yàn)和直流母線功率波動(dòng)抑制實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

5.1 原動(dòng)機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)

首先模擬了波浪直驅(qū)下電動(dòng)機(jī)輸出，針對(duì)波浪頻率設(shè)定變頻器，實(shí)現(xiàn)對(duì)波浪頻率和速度跟隨。圖10 為直驅(qū)下的動(dòng)子速度和相應(yīng)的端電壓波形。

圖10 動(dòng)子速度v和相空載電動(dòng)勢(shì)eC

從圖中可以看出，采用直驅(qū)式波浪發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以完全模擬波浪直驅(qū)運(yùn)行和電動(dòng)機(jī)輸出。驗(yàn)證了原動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)模擬的合理性。

5.2 最優(yōu)能量捕獲實(shí)驗(yàn)

根據(jù)機(jī)側(cè)控制框圖進(jìn)行了最優(yōu)能量捕獲的控制實(shí)驗(yàn)，根據(jù)原動(dòng)力輸入功率波動(dòng)，計(jì)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(jìn)而實(shí)現(xiàn)能量跟隨。圖11 為采用最優(yōu)能量捕獲時(shí)獲得d、q軸電流給定和實(shí)際值。圖12 為q軸電流和電機(jī)相電流。

圖11 最優(yōu)能量捕捉時(shí)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(dòng)機(jī)瞬態(tài)速度及能量最大時(shí)，負(fù)載能量輸出最大，實(shí)現(xiàn)了對(duì)原動(dòng)機(jī)的最優(yōu)能量捕獲，同時(shí)給定和反饋跟隨性能很好。驗(yàn)證了機(jī)側(cè)最優(yōu)能量捕獲控制策略和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)能量捕獲的可行性。

5.3 儲(chǔ)能直流母線補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)

機(jī)側(cè)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)能量捕獲，輸出功率必然是波動(dòng)，形成對(duì)直流母線和負(fù)載側(cè)的波動(dòng)沖擊。圖13 為沒(méi)有儲(chǔ)能時(shí)直流母線側(cè)的功率波動(dòng)。

圖13 最優(yōu)能量捕獲的有功瞬時(shí)功率

超級(jí)電容儲(chǔ)能的應(yīng)用可補(bǔ)償功率波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)直流母線和負(fù)載測(cè)得功率和電壓穩(wěn)定。圖14 為有儲(chǔ)能時(shí)的電流波動(dòng)和直流母線側(cè)電壓情況。

圖14 儲(chǔ)能電流和直流母線側(cè)電壓

從圖中儲(chǔ)能的電流波動(dòng)和最優(yōu)能量捕獲的有功瞬時(shí)功率可以看出，超級(jí)電容電流對(duì)最優(yōu)能量捕獲的有功瞬時(shí)功率進(jìn)行了補(bǔ)償，電流波動(dòng)和有功瞬時(shí)功率波動(dòng)正好補(bǔ)償，使得直流側(cè)電壓穩(wěn)定，從而輸出穩(wěn)定的負(fù)載電壓。

6 結(jié)語(yǔ)

本文研發(fā)了一套結(jié)合儲(chǔ)能直驅(qū)式波浪發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可應(yīng)用于為海洋可再生能源知識(shí)相關(guān)的新能源科學(xué)與工程、電氣工程及其自動(dòng)化、機(jī)械電子工程和海洋工程與技術(shù)等專業(yè)的本科教學(xué)和實(shí)踐能力鍛煉。同時(shí)，可作為相關(guān)專業(yè)研究生的科研開(kāi)發(fā)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有助于學(xué)生在深入了解波浪發(fā)電等海洋可再生能源發(fā)電中所存在的特有問(wèn)題和技術(shù)，并可以分析掌握各類整流器、DC／DC 變換器的應(yīng)用和開(kāi)發(fā)流程，幫助學(xué)生掌握發(fā)電側(cè)儲(chǔ)能技術(shù)、新能源發(fā)電控制技術(shù)以及電能質(zhì)量?jī)?yōu)化等具體知識(shí)應(yīng)用和實(shí)踐，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)可改善實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。開(kāi)放的上位機(jī)平臺(tái)和程序?yàn)閷W(xué)生提供了自己動(dòng)手進(jìn)行程序設(shè)計(jì)和研究的機(jī)會(huì)，有助于提升學(xué)生的工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力。