- 頭條振蕩浮子式波浪能轉換裝置的全電氣化模擬研究2020-04-12 作者：方紅偉、宋如楠、姜茹、胡玉潔 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語天津大學電氣自動化與信息工程學院、中國北方車輛研究所的研究人員方紅偉、宋如楠、姜茹、胡玉潔，在2019年第14期《電工技術學報》上撰文，分析了一種不具有封閉環形纜繩結構的振蕩浮子式波浪能轉換裝置（WEC）的運行原理，引入似變壓器阻抗變換器模擬繩纜，采用全電氣化模擬的方法建立系統的電路模型。 分析該系統線性臨界穩定條件，并分別采取被動負載控制和反應式控制建立了相應的仿真模型。同時研究了反應式控制下的纜繩拉力與波浪入射力的關系，研究結果表明所提全電氣波浪能轉換裝置電路模型的性能與理論分析相吻合。
波浪能是當前海上可再生能源的主要能源之一。從20世紀70年代開始，很多國家就開始對波浪能發電進行了研究，現已開發出了擺式、振蕩水柱式（空氣式）、點頭鴨式、點吸收式和浮子式等多種形式的波浪能發電裝置。其中一種典型點吸收式波浪能技術——振蕩浮子式波浪能轉換裝置（Wave Energy Converter, WEC）近年來發展迅猛，具有易移動、建造成本低等特點。
目前對波浪能轉換裝置的研究中，波浪能功率捕獲與控制是一個相當難的問題。
- 在這一方面，文獻[8]著眼于擺式波浪發電系統的建模與功率控制技術，運用電氣化模擬建立了包含永磁同步電機在內的電路模型，并運用電力電子技術對功率進行控制。
- Johannes Falnes的著作則詳細論述了振蕩浮子式波浪能轉換裝置從電氣建模到功率控制的過程。
- Elisabetta Tedeschi與Eiril Bj?rnstad等均從建立波浪能轉換裝置的等效電路研究出發，再應用電機分析的基本方法設計波浪能轉換裝置的相關性能指標。
- 文獻[12]將電氣化模擬思想用于點吸收式WEC系統建模，并通過海上實驗驗證了該電路模型的正確性。
由此可見，在對波浪發電的研究大部分著眼于波浪能轉換裝置的水動力學的現狀下，電氣化模擬被認為是一種簡便而可靠的解決方式。它的主要思想是將波浪能轉換裝置在模型上變換為等效電氣元件，建立從波浪能轉換裝置到負載的全局性等效電路，運用電路原理的方法，模擬求解不同海況下的響應，易于波浪能轉換裝置的控制設計和理論分析。
機械系統和電氣系統是兩種不同類型的系統。它們分別用兩類物理量描述，遵循不同的物理定律。然而，這兩種物理性質迥異的系統，其運動微分方程卻在數學上具有相同的形式，這就表示可以把這兩種不同的系統在形式上相互轉化。
本文使用“力—電壓”和“速度—電流”的模擬關系進行電氣化模擬。此時，定力源相當于電壓源或電動勢，定速源相當于電流源，質量m相當于電感L，阻尼系數c相當于電阻R，彈簧剛度k1相當于電容的倒數1/C。并聯的機械元件擁有相同的運動速度，因此相當于串聯的電氣元件擁有相同的電流。引入復數量后，機械阻抗相當于電路阻抗。同時，所有參與模擬關系的物理量均在國際單位制下量化。
采用上述機電對應關系，建立了全電氣化模擬WEC系統的電路模型，模型中引入了似變壓器阻抗變換器（Quasi-Transformer Impedance Converter, QTIC）模擬繩纜，分析了系統的線性臨界穩定條件，并研究了被動負載控制和反應式控制兩種控制策略在該波浪發電裝置上的適應性。
圖1 振蕩浮子式波浪能轉換裝置
總結
本文對一種無封閉纜繩結構的振蕩浮子式波浪能轉換裝置進行了受力分析，并使用電氣化模擬的方法建立了其對應的電路模型。根據電路模型，對被動負載控制和反應式控制下的電機性能進行了分析。
分析結果證明了無封閉纜繩結構的振蕩浮子式波浪能轉換裝置可以在自身參數適當的情況下穩定地運行在線性狀態。同時，被動負載控制下，電機始終工作在發電機狀態，而反應式控制下電機會在部分時間段內工作在電動機狀態。反應式控制下電機發出的有功功率比被動負載控制下的功率大。
