王項(xiàng)南，劉華江，段云棋

（國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

波浪能發(fā)電裝置液壓模擬測(cè)試技術(shù)研究

王項(xiàng)南，劉華江，段云棋

（國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

文中針對(duì)波浪能發(fā)電裝置液壓系統(tǒng)測(cè)試需要，介紹了液壓系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)的研制工作。該平臺(tái)采用由電液伺服閥和比例壓力閥組成的液壓系統(tǒng)模擬波浪能發(fā)電裝置在波浪作用下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試液壓系統(tǒng)工作性能。建立系統(tǒng)傳遞函數(shù)，分析了系統(tǒng)穩(wěn)定性；通過(guò)計(jì)算仿真分析，其結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的波浪能發(fā)電裝置液壓檢測(cè)平臺(tái)能夠滿足模擬波浪輸入條件的要求。

波浪能發(fā)電裝置；液壓系統(tǒng)；波浪模擬；測(cè)試平臺(tái)

為緩解能源短缺帶給社會(huì)發(fā)展的制約，尋找可再生能源作為補(bǔ)充或替代能源已成為全球共識(shí)。波浪能發(fā)電技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用有利于緩解世界所面臨的能源短缺、溫室氣體及大氣污染等各種問(wèn)題帶來(lái)的壓力。此外，開發(fā)利用海洋波浪能對(duì)于解決我國(guó)偏遠(yuǎn)沿海和海島地區(qū)供電問(wèn)題意義重大[1]。

波浪能的利用是包括能量俘獲、傳遞及多種形式相互轉(zhuǎn)換的復(fù)雜過(guò)程，影響系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率的環(huán)節(jié)和因素較多[2-3]。波浪能發(fā)電裝置設(shè)計(jì)、加工完成后，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)其液壓傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行工作性能測(cè)試和分析，以此為依據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)改進(jìn)和優(yōu)化，可使系統(tǒng)的工作性能達(dá)到比較理想的狀態(tài)且節(jié)約成本。因此，為規(guī)范和引導(dǎo)波浪能利用技術(shù)的開發(fā)工作，相關(guān)的測(cè)試方法和模擬測(cè)試技術(shù)研究工作是十分有必要的。

1 波浪能發(fā)電裝置液壓系統(tǒng)測(cè)試方法

多數(shù)波浪能發(fā)電裝置液壓系統(tǒng)采用液壓缸作為能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，液壓缸在波浪作用下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，如圖1所示為擺式波浪能發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)原理，圖2為擺板在波浪作用下運(yùn)動(dòng)規(guī)律，液壓缸活塞腔容積變化為液壓系統(tǒng)提供高壓油，液壓系統(tǒng)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。波浪能發(fā)電裝置需布放到海上工作，調(diào)試?yán)щy，針對(duì)波浪能發(fā)電裝置液壓系統(tǒng)的工作特性研制測(cè)試平臺(tái)，為液壓系統(tǒng)提往復(fù)運(yùn)動(dòng)動(dòng)力源，測(cè)試液壓系統(tǒng)工作性能。

圖1 擺式波浪能發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)原理圖

圖2 擺板運(yùn)動(dòng)曲線

圖3 波浪能液壓系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)組成

波浪能液壓傳動(dòng)系統(tǒng)綜合檢測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)包括：輸入模擬裝置、安裝平臺(tái)、模擬負(fù)載裝置、控制系統(tǒng)。測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)采用液壓站驅(qū)動(dòng)液壓缸作為動(dòng)力源，液壓缸驅(qū)動(dòng)測(cè)試平臺(tái)推板帶動(dòng)液壓缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)。波浪能發(fā)電裝置液壓系統(tǒng)為被測(cè)液壓系統(tǒng)，由被測(cè)試發(fā)電裝置研制方提供，輸入端為液壓缸，輸出端為液壓馬達(dá)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能—液壓能—機(jī)械能的轉(zhuǎn)換[2]。

被測(cè)系統(tǒng)液壓缸安裝在測(cè)試平臺(tái)上，液壓馬達(dá)輸出軸連接轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器和磁粉制動(dòng)器。被測(cè)系統(tǒng)將測(cè)試平臺(tái)輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液壓能，再經(jīng)過(guò)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。磁粉制動(dòng)器根據(jù)電磁原理利用磁粉產(chǎn)生阻力轉(zhuǎn)矩的，阻力轉(zhuǎn)矩與激磁電流基本成線性關(guān)系。液壓馬達(dá)輸出軸與制動(dòng)器之間安裝有轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器，可以采集液壓馬達(dá)的輸出參數(shù)。液壓伺服閥和加載裝置信號(hào)由計(jì)算機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓缸運(yùn)動(dòng)速度和液壓馬達(dá)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的控制、調(diào)節(jié)。試驗(yàn)臺(tái)輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡傳遞到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)軟件可以對(duì)采集的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。

將液壓模擬測(cè)試裝置的輸入輸出端與被測(cè)液壓系統(tǒng)連接，根據(jù)被測(cè)液壓系統(tǒng)生產(chǎn)廠家提供的液壓缸及馬達(dá)工作特性參數(shù)（行程、工作壓力、缸徑，發(fā)電機(jī)扭矩等），計(jì)算出模擬輸入、輸出裝置的相應(yīng)參數(shù)，設(shè)定采樣頻率，啟動(dòng)模擬輸入裝置。波能裝置運(yùn)行平穩(wěn)后，利用扭矩儀測(cè)量波浪能轉(zhuǎn)換輸出的扭矩和轉(zhuǎn)速。處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算波能功率、轉(zhuǎn)換效率及系統(tǒng)運(yùn)行特性，得出波浪能俘獲裝置的轉(zhuǎn)換效率及相應(yīng)狀態(tài)參數(shù)。

2 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

建立波浪能液壓傳動(dòng)系統(tǒng)檢測(cè)平臺(tái)如圖4所示，根據(jù)波浪能發(fā)電裝置液壓系統(tǒng)確定液壓系統(tǒng)檢測(cè)平臺(tái)的特征參數(shù)。平臺(tái)需要為被測(cè)系統(tǒng)液壓缸提供可控的動(dòng)力源，測(cè)試平臺(tái)采用伺服閥控制驅(qū)動(dòng)液壓缸來(lái)為被測(cè)系統(tǒng)提供驅(qū)動(dòng)力。驅(qū)動(dòng)液壓缸推動(dòng)測(cè)試平臺(tái)滑塊移動(dòng)，帶動(dòng)被測(cè)液壓系統(tǒng)液壓缸活塞桿左右運(yùn)動(dòng)，使波浪能發(fā)電裝置液壓系統(tǒng)工作。液壓缸驅(qū)動(dòng)形式液壓系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)模擬波浪能發(fā)電裝置的第一級(jí)能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)形式與往復(fù)式波浪能發(fā)電裝置的液壓油缸運(yùn)動(dòng)形式相同，因此可以作為模擬輸入能量源。根據(jù)被測(cè)波浪能發(fā)電裝置在不同波浪條件和負(fù)載條件下的工作條件，推算其液壓缸運(yùn)動(dòng)周期、速度等工作參數(shù)作為測(cè)試平臺(tái)的輸入?yún)?shù)。

圖4 測(cè)試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

該液壓系統(tǒng)由液壓缸、伺服閥、伺服放大器、位移傳感器及負(fù)載構(gòu)成。伺服閥傳遞函數(shù)為：

式中：Kav為伺服閥增益；ωav為伺服閥固有頻率；ζav為伺服閥阻尼比[5-6]。

對(duì)稱閥控非對(duì)稱液壓缸動(dòng)力機(jī)構(gòu)傳遞函數(shù)為：

由圖可求得閥控缸位置控制系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為：

系統(tǒng)參數(shù)為：A1=9.5×10-3m2，A2=2.37×10-3m2，ωsv=600 rad/s，ζsv=0.7，βe=6.85×108Pa，Kce1=Kce2=0.46×10-9

圖5 液壓系統(tǒng)傳遞函數(shù)圖

在y＞0和y＜0的情況下，存在動(dòng)態(tài)不對(duì)稱性。當(dāng)y＞0時(shí)，其幅值裕度為Kg=4.28 dB，相位裕度γ= 80.2°；當(dāng)y＜0時(shí)，其幅值裕度為Kg=5.44 dB，相位裕度γ=81.6°，該系統(tǒng)是穩(wěn)定的[5-7]。

圖6 系統(tǒng)伯德圖

2.2 系統(tǒng)工作性能仿真分析

經(jīng)過(guò)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)化，建立系統(tǒng)模型[4,8]。設(shè)定負(fù)載為阻尼C=105N/(m/s)，液壓缸在波浪作用下大致為周期5 s，行程0.3 m的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)模擬負(fù)載設(shè)定壓力閥壓力值，將給定信號(hào)和液壓缸位置反饋信號(hào)進(jìn)行PID處理得到伺服閥輸入信號(hào)，計(jì)算得到液壓缸運(yùn)動(dòng)位移曲線。位置誤差在0.05 m以內(nèi)，可以達(dá)到模擬實(shí)驗(yàn)要求。

圖7 液壓系統(tǒng)模型仿真結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)海洋波浪能發(fā)電裝置液壓系統(tǒng)測(cè)試需求，設(shè)計(jì)了海洋波浪能發(fā)電裝置液壓系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)的方案，該平臺(tái)可以對(duì)波浪能發(fā)電裝置的液壓系統(tǒng)工作性能進(jìn)行測(cè)試，為波浪能發(fā)電裝置測(cè)試平臺(tái)研制和相關(guān)工作具有一定指導(dǎo)意義。

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Study on the Hydraulic Simulation System for Wave Energy Converters

WANG Xiang-nan,LIU Hua-jiang,DUAN Yun-qi
National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China

Aimed at meeting the need of hydraulic transmission system testing for wave energy converters,the detecting bench of wave energy converters is designed and introduced in this paper.The hydraulic simulation system provides the wave energy converter with a hydraulic system reciprocating motion simulating the wave environment to test the wave energy converter.This paper analyzes the stability of the hydraulic simulation system with transfer function.The computational simulation of the hydraulic system is carried out,which indicates that the detecting bench of wave energy converters can be used for testing the wave energy converter hydraulic system.

wave energy converter;hydraulic transmission system;wave simulation system;testing platform

P743.2

A

1003-2029（2017）04-0030-04

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.04.006

2017-04-12

海洋可再生能源專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(GHME2014ZC01)

王項(xiàng)南(1965-)，男，研究員，主要研究方向?yàn)椴ɡ四荛_發(fā)利用技術(shù)。E-mail:notckj@vip.sina.com