牛宏偉，池 波

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一種波浪能轉(zhuǎn)換裝置及其液壓式PTO變阻尼控制策略研究

牛宏偉，池 波

（中海油田服務(wù)股份有限公司，北京 101149）

本文提出一種波浪能轉(zhuǎn)換裝置來產(chǎn)生電能，為水下裝置提供持續(xù)的能源供給，建立了其液壓式PTO的數(shù)學(xué)模型。為提高裝置對(duì)海況的適應(yīng)性和能量俘獲效率，分析了其實(shí)現(xiàn)變阻尼控制的方法，對(duì)不同海況下和波浪周期內(nèi)的變阻尼控制策略進(jìn)行了數(shù)值仿真。

波浪能轉(zhuǎn)換裝置 液壓式PTO 變阻尼控制

0 引言

布置水下傳感器網(wǎng)絡(luò)是水下海洋觀測的主要手段之一。它是將能耗較低、具有短距離通信的水下傳感器節(jié)點(diǎn)部署到指定海域，利用節(jié)點(diǎn)的自組織能力自動(dòng)建立起觀測網(wǎng)絡(luò)[1]。由于水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)之間沒有光電復(fù)合纜的連接，節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)根據(jù)觀測需要布放到目標(biāo)海域，具有非常強(qiáng)的靈活性。但節(jié)點(diǎn)不能通過光電復(fù)合纜向岸基電站獲取能源，其供電一般是通過蓄電池實(shí)現(xiàn)，大大限制了水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作時(shí)間。這也是水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與海底有線觀測網(wǎng)相比最大的短板。

如果無線傳感器節(jié)點(diǎn)能夠從海洋環(huán)境中獲取可持續(xù)的能源，那么水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將具有比肩海底觀測網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢。

1 一種為水下設(shè)備供電的波浪能轉(zhuǎn)換裝置

如圖1所示為水下設(shè)備供電的一種波浪能轉(zhuǎn)換裝置的總體結(jié)構(gòu)組成。圖中左上部圖形為局部放大圖，其余為三個(gè)角度的視圖，主要由浮體、阻尼板、張力纜、鴨頭擺、PTO系統(tǒng)（擺動(dòng)液壓缸、往復(fù)液壓缸）及系泊系統(tǒng)組成。其中，浮體與阻尼板之間的四根張力纜在進(jìn)入浮體后均經(jīng)過一組滑輪組后系固在卷筒上；滑輪組由兩個(gè)定滑輪和一個(gè)動(dòng)滑輪組成；動(dòng)滑輪的軸與往復(fù)液壓缸的活塞桿鉸接，往復(fù)液壓缸缸體固連在浮體上；阻尼板為可調(diào)壓載的沉箱結(jié)構(gòu)，阻尼板排空壓載時(shí)受負(fù)浮力；浮體吃水部分為n形結(jié)構(gòu)，液流可從下部穿過，以利于鴨頭擺與波浪傳播方向形成較大的夾角；鴨頭擺形狀似鴨頭，具有頸部、頭部及嘴部，頸部與浮體鉸接，頭部通過擺動(dòng)液壓缸與浮體鉸接；擺動(dòng)液壓缸及往復(fù)液壓缸的油路與PTO系統(tǒng)相連接。裝置采用單點(diǎn)系泊方式，阻尼板與系泊纜相連接，同時(shí)光電復(fù)合纜通過與系泊纜松弛捆綁的方式接入海底節(jié)點(diǎn)，光電復(fù)合纜一方面將波浪能發(fā)電裝置產(chǎn)生的電能輸送給海底節(jié)點(diǎn)，同時(shí)將節(jié)點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)傳送給浮體上天線，實(shí)現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳送[2]。

圖1 一種波浪能轉(zhuǎn)換裝置

2 波浪能轉(zhuǎn)換裝置液壓式PTO

PTO系統(tǒng)是波浪能發(fā)電的能量中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，一般是將波浪能轉(zhuǎn)換裝置俘獲的動(dòng)能或勢能帶走送給二次轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。液壓傳動(dòng)具有柔性、易于調(diào)速、傳遞功率大、功率重量比大、抗沖擊性好、抗過載性好的特點(diǎn)，因此在波浪能發(fā)電傳動(dòng)領(lǐng)域廣泛使用液壓傳動(dòng)的形式。尤其是在液壓式PTO中加入蓄能器，能很好地起到穩(wěn)壓、蓄能的作用，克服了波浪能不穩(wěn)定的缺點(diǎn)[3]。

圖2 液壓式PTO系統(tǒng)組成

如圖2所示為水下設(shè)備供電的波浪能轉(zhuǎn)換裝置液壓式PTO系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包含：用于傳遞波浪能轉(zhuǎn)換裝置俘獲的波浪能的往復(fù)及擺動(dòng)液壓缸組、用于控制油路導(dǎo)通方向的整流閥組、用于過高壓力時(shí)卸荷的安全閥、用于蓄能穩(wěn)壓的高壓蓄能器、用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的液壓馬達(dá)、用于儲(chǔ)存和補(bǔ)充液壓油、保證背壓的低壓蓄能器、用于向閉式液壓系統(tǒng)補(bǔ)油的補(bǔ)油回路等。

3 波浪能轉(zhuǎn)換裝置液壓式PTO仿真模型

在液壓式PTO系統(tǒng)中主要有液壓缸、蓄能器、液壓馬達(dá)等核心液壓元件。對(duì)于液壓缸，如圖3所示為向有桿腔和無桿腔運(yùn)動(dòng)的示意圖[4]：

圖3 液壓缸受力示意圖

在波浪作用下向無桿腔運(yùn)動(dòng)時(shí)速度[5]：

穩(wěn)態(tài)時(shí)的平衡方程為（3-2）[5]：

桿腔運(yùn)動(dòng)時(shí)速度（3-3）[5]：

穩(wěn)態(tài)時(shí)的平衡方程為（3-4）[5]：

式中：1、2為液壓缸速度，v為高壓側(cè)流量，1、2分別為無桿腔活塞面積、有桿腔活塞面積，、分別為活塞直徑、活塞桿直徑，1、2分別為有桿腔、無桿腔壓力。

對(duì)于液壓馬達(dá)：

4 基于部分液壓缸旁通的變阻尼控制策略

4.1 液壓缸旁通的變阻尼控制策略

在本文的液壓式PTO系統(tǒng)中設(shè)計(jì)有六個(gè)液壓缸，其中兩個(gè)擺動(dòng)液壓缸的驅(qū)動(dòng)力分別來自于鴨頭擺，四個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)液壓缸的驅(qū)動(dòng)力共同來自于浮體升沉運(yùn)動(dòng)。往復(fù)運(yùn)動(dòng)的四個(gè)液壓缸中對(duì)角布置的液壓缸處于浮體穩(wěn)定性的考慮進(jìn)行了短接，因此是油路獨(dú)立的兩組液壓缸。這兩組液壓缸的特點(diǎn)是共同承擔(dān)浮體升沉運(yùn)動(dòng)作用的力。根據(jù)這一特點(diǎn)，提出一種通過旁通部分液壓缸的方法實(shí)現(xiàn)變阻尼控制，從而提高做功的時(shí)長、能量俘獲效率。具體是這樣實(shí)現(xiàn)的：當(dāng)波浪激勵(lì)力較小時(shí)，B1、B3組液壓缸旁通而獨(dú)立出PTO系統(tǒng)時(shí)，作用力將完全作用于另一組，相當(dāng)于活塞的作用面積減小，阻尼減小，仍接入系統(tǒng)的B2、B4液壓缸輸出壓力將會(huì)增大，從而克服背壓實(shí)現(xiàn)做功，如圖4（a）所示；當(dāng)波浪激勵(lì)力增大時(shí)，將旁通的液壓缸組B1、B3再次接入系統(tǒng)，相當(dāng)于增大了活塞的作用面積，阻尼增大，如圖4（b）所示。液壓缸的接入與否通過高速開關(guān)閥來實(shí)現(xiàn)[6]。

4.2 海況變?nèi)鯐r(shí)的變阻尼控制效果

當(dāng)海況變?nèi)鯐r(shí)，波浪能轉(zhuǎn)換裝置效率將會(huì)降低甚至不能工作，在仿真模型中通過調(diào)整液壓缸激勵(lì)的幅值大小來模擬海況的變化。

1）不采用部分液壓缸旁通的變阻尼控制策略時(shí)。當(dāng)不采用部分液壓缸旁通的策略時(shí)，如圖5所示為在不同激勵(lì)下高壓側(cè)系統(tǒng)壓力的變化情況，可以看出隨著波浪激勵(lì)的減小高壓側(cè)的穩(wěn)定壓力隨之減小。當(dāng)海況過于弱時(shí)液壓缸輸出的油液不足以維持高壓側(cè)壓力的穩(wěn)態(tài)變化，系統(tǒng)壓力間歇性突變，如圖5中激勵(lì)力輸入幅值為5 kN和6 kN時(shí)的情況。

2）采用部分液壓缸旁通的變阻尼控制策略時(shí)，通過對(duì)一組液壓缸進(jìn)行旁通，如圖6所示旁通一組液壓缸后在不同海況下高壓側(cè)的系統(tǒng)壓力。與圖5相比，看出在5 kN、6 kN的較弱海況下液壓缸的輸出壓力能夠克服蓄能器的預(yù)充壓力，PTO系統(tǒng)能夠較為穩(wěn)定的俘獲波浪能，很明顯的提高了裝置對(duì)海況的適應(yīng)性，保證了水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在長期的較弱海況下的電能供給。

圖4 基于液壓缸旁通的變阻尼控制策略

圖5 不同激勵(lì)下的高壓側(cè)系統(tǒng)壓力（閥后）

圖6 不同激勵(lì)下部分液壓缸旁通后高壓側(cè)系統(tǒng)壓力（閥后）

如圖7所示為對(duì)一組液壓缸旁通后不同海況下PTO系統(tǒng)的輸出功率，可以看出幅值為5 kN、6 kN的弱海況下輸出功率與旁通之前相比已經(jīng)變得穩(wěn)定，波動(dòng)率大大降低，系統(tǒng)能夠正常工作。因此，可以總結(jié)如下：在較弱海況下，對(duì)于本文中的混合型波浪能轉(zhuǎn)換裝置，采用液壓缸旁通的變阻尼控制策略能夠明顯的改善弱海況下的俘能效果，提高了裝置對(duì)海況的適應(yīng)性，對(duì)實(shí)際應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

圖7 采用變阻尼控制策略后不同激勵(lì)下PTO系統(tǒng)輸出功率

圖8 液壓缸旁通時(shí)長對(duì)高壓側(cè)系統(tǒng)壓力的影響

圖9 壓缸旁通時(shí)長對(duì)PTO系統(tǒng)的影響

4.3 波浪周期內(nèi)變阻尼控制策略

周期內(nèi)的液壓缸旁通時(shí)長決定了不同阻尼下的工作時(shí)長，最終也會(huì)影響能量的俘獲效果。旁通時(shí)長的大小通過調(diào)整PWM波占空比來實(shí)現(xiàn)。本文分別研究了0、0.25、0.50、0.75四種占空比下的PTO系統(tǒng)的俘能效果。如圖8所示為不同占空比下高壓側(cè)的系統(tǒng)壓力，其中占空比為零表示整個(gè)波浪周期內(nèi)高速開關(guān)閥始終處于右位，即液壓缸組未被旁通出系統(tǒng)。圖9為不同占空比下PTO系統(tǒng)的輸出功率情況?？梢钥闯?，通過周期內(nèi)旁通部分液壓缸的方法高壓側(cè)系統(tǒng)壓力及輸出功率大部分情況下均有所提高，在一定的占空比下，周期內(nèi)液壓缸旁通的變阻尼控制策略對(duì)于提高能量俘獲效率是有作用的。

同時(shí)，可以看出占空比為0和0.25時(shí)高壓側(cè)的系統(tǒng)壓力及輸出功率幾乎重合，表明在一個(gè)周期內(nèi)部分液壓缸旁通時(shí)長為25%時(shí)對(duì)PTO系統(tǒng)幾乎沒有影響。其原因主要是旁通時(shí)長過短，當(dāng)被旁通的液壓缸重新接入系統(tǒng)時(shí)，旁通狀態(tài)下液壓缸的輸出壓力仍然達(dá)不到高壓蓄能器的預(yù)充壓力，單向閥無法導(dǎo)通，旁通時(shí)間范圍內(nèi)波浪能沒有做功。

5 結(jié)論

本文提出一種波浪能轉(zhuǎn)換裝置來產(chǎn)生電能為水下設(shè)備尤其是傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供持續(xù)的能源供給，建立了其液壓式PTO的數(shù)學(xué)模型。為提高裝置對(duì)海況的適應(yīng)性和能量俘獲效率，分析了其實(shí)現(xiàn)變阻尼控制的方法，對(duì)不同海況下和波浪周期內(nèi)的變阻尼控制策略進(jìn)行了數(shù)值仿真，結(jié)果表明部分液壓缸旁通的變阻尼控制策略能增加波浪能轉(zhuǎn)換裝置在變化海況下的做功時(shí)長，提高海況適應(yīng)性和能量的俘獲效率，是一種有效控制策略。

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A Wave Energy Conversion Device and Research of Hydraulic PTO Variable Damping Control Strategy

Niu Hongwei, Chi Bo

（China Oilfield Services Limited, Beijing 101149, China）

TM612

A

1003-4862（2018）09-0057-04

2018-04-19

牛宏偉（1974-），男，本科。研究方向：電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化。Email: zhanghao_7128@163.com