[科普中国]-液压蓄能式WEC发电系统

简介

分析了液压蓄能式波浪能转换器(WEC)的工作原理和优势;根据液压马达和永磁同步发电机的数学方程推导出了发电系统的4个基本特性，分析了蓄能器压力和发电机负载对转速、电压和功率的影响;针对液压蓄能式WEC发电系统的两种工作模式—恒电阻模式和恒转速模式，建立了液压蓄能式WEC发电系统的Matlab / Simulink仿真模型，并进行了仿真实验，结果验证了关于液压蓄能式WEC发电系统特性推理的正确性. 海洋占据着地球71%的面积，蕴含着丰富的能源，包括潮汐能、潮流能、波浪能、温差能和盐差能等.其中，波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能的总和.波浪的主要成因是风的扰动，而风是来自于太阳能的热不平衡，所以归根结底波浪能也来自于太阳.波浪能的研究己有200多年历史，截至目前，关于波浪能发电装置(WEC )的专利己有1500多项。按固定方式可分为固定式和漂浮式，按安装位置可分为岸式和离岸式，按能量俘获方式可分为振荡水柱式、筏式、收缩波道式、点吸收式、鸭式、正摆式、反摆式、波流转子式、虎鲸式、波整流式、波浪旋流式等1.

虽然采用液压能量转换系统的WEC比较多，且前文提到的大部分装置己取得成功，但是，针对采用液压能量转换系统的WEC特性的研究却比较少，特别是对具有一定蓄能环节的液压蓄能式WEC发电系统特性的研究更是鲜见报道，同时，WEC漂浮于海面，任何故障的测定和排除都非常困难，寻找高效的输电方式和可靠的变电方式，离不开对WEC发电系统特性的研究.液压蓄能式WEC的发电系统几乎具有相同的特性，相对独立于波浪能俘获方式及其装置具体形态.将针对该类型WEC发电系统特性展开研究，以期对波浪能装置群并网方式、机侧变换控制方式，特别是外环控制对象的选定提供指导.

液压蓄能式WEC发电系统工作原理液压蓄能式WEC发电系统由液压缸、蓄能器、油箱、液压马达、发电机、电力变换器和负载组成。

波浪能通过波浪能俘获装置的液压缸转化为液压能，储存在蓄能器中.在波浪作用下，液压缸不断做功，蓄能器压力不断升高，当压力上升到上限值时，液压自治控制系统启动液压马达，发电机发电，此时，液压能转化为电能.在发电期间，若波况较好，蓄能器压力很难下降到下限值，那么发电机组将连续发电;若波况较差，蓄能器压力下降，当压力下降到下限值后，液压自治控制系统关闭液压马达，进入下一个蓄能过程.可见，蓄能器起到储存波浪能转化来的液压能的作用，收集一定能量后再集中发电，即实现液压蓄能发电功能.

液压蓄能式WEC发电系统仿真模型恒电阻模式的液压蓄能式WEC发电系统仿真基本参数如下:蓄能器容量为2 mL，液压马达启动压力为20 MPa，停止压力为9 MPa，流量为60mL/r，发电机额定转速为1500 r /min，输出功率为25 kW，电压为400 V.恒电阻模式的液压蓄能式WEC发电系统仿真结果。

电阻负载R,恒定，由于蓄能器压力不断下降，发电机的转速、输出相电压和功率跟随下降;发电机转速、输出相电压和功率的大小与电阻大小有关，其负载电阻越大，发电机转速、输出相电压和功率也越大，但是发电时间相对较短，总电功却基本相同.

恒转速模式的液压蓄能式WEC发电系统仿真恒转速模式时，把发电机的负载改为整流器加蓄电池组，蓄电池组容量为1200 Ah，液压蓄能发电系统的其他参数保持与恒电阻模式一致，恒转速模式的液压蓄能式 WEC发电机系统仿真结果。

发电机负载为蓄电池组时，发电机转速和输出相电压基本不变，液压蓄能发电系统工作在恒转速模式.在发电过程中，由于压力差下降，发电功率不断下降.发电机转速与负载电压有关，负载电压越大，发电机转速越高.同恒电阻模式一样，发电机的电功基本相同，当直流电压负载为350,500 V时，发电机输出总电功分别为7.52,7. 74 w"h. 4. 3装置在实际海况下的波形。

总结液压蓄能式WEC是WEC中的一个大类，其最大的共同点是此类装置的发电特性基本相同，与波浪能俘获装置形态和波浪能俘获方式没有直接关系，可以把液压蓄能发电系统与波浪能独立开来.从理论上定性分析了液压蓄能式WEC发电系统的4个基本特性，并通过计算机仿真软件Matlab /Simulink深入研究了液压蓄能式WEC发电系统的两种工作模式:恒电阻模式和恒转速模式.仿真结果和WEC实海况测试曲线证明了，关于液压蓄能式WEC发电系统特性的推理是正确的.本研究是液压蓄能式WEC装置侧电力变换器研制和WEC群直流并网的理论基础，对波浪发电场电力系统研究具有十分重要的意义.