摘" 要：由于波浪多自由度、隨機(jī)性和低速等特點(diǎn)，波浪能發(fā)電系統(tǒng)整體轉(zhuǎn)換效率仍處于較低水平，限制了波浪能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展。與此同時(shí)，電能濾波并網(wǎng)方法也間接制約著波浪發(fā)電系統(tǒng)的整體轉(zhuǎn)換效率。分類梳理國(guó)內(nèi)外振蕩體式波浪能裝置功率控制方法，總結(jié)各類波能裝置電能濾波并網(wǎng)技術(shù)，闡述波浪能裝置功率控制未來(lái)研究方向，可供波浪能發(fā)電功率控制和電能并網(wǎng)濾波領(lǐng)域的研究者參考。最終，應(yīng)用波浪能裝置功率控制可以提高初級(jí)俘能效率，對(duì)提高波浪能發(fā)電技術(shù)的工程經(jīng)濟(jì)性有重要意義。

關(guān)鍵詞：振蕩體式；波浪能裝置；功率控制；電能濾波并網(wǎng)；控制方法

中圖分類號(hào)：TK79" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）15-0089-04

Abstract： Due to the characteristics of multiple degrees of freedom， randomness and low speed of waves， the overall conversion efficiency of the wave power generation system is still at a low level， which limits the development of wave power generation technology. Meanwhile， it is noticed that the method of power filtering and grid connection also indirectly restricts the overall conversion efficiency of the wave power generation system. This paper sorts out the power control methods for oscillating-buoy type wave energy conversion devices both at home and abroad， summarizes the power filtering and grid-connected technology， and expounds the future research direction of the power control of wave power devices， which can be referred for the power control of wave energy converters and power grid-connected filtering. Finally， the application of power control strategies is conductive to improve the primary energy capture ratio， and significant for advancing the engineering economy of wave power generation technology.

Keywords： oscillating-buoy type; wave energy device; power control; power filter grid connection; control method

波浪能因其儲(chǔ)量豐富、分布廣泛、全天候等特點(diǎn)，成為科學(xué)家們重點(diǎn)探索開(kāi)發(fā)的海洋新能源之一。波浪能的有效開(kāi)發(fā)，也將助益緩解我國(guó)能源電力短缺現(xiàn)象[1]。然而，受困于波能裝置轉(zhuǎn)換效率低下、極端波況生存問(wèn)題、電能濾波并網(wǎng)等技術(shù)困難，波浪發(fā)電技術(shù)至今尚未成熟。為提高各型裝置的波能轉(zhuǎn)換效率，已有許多研究者圍繞波浪能轉(zhuǎn)換裝置功率控制技術(shù)進(jìn)行研究總結(jié)。Budar和Falnes[2]通過(guò)分析可調(diào)節(jié)振蕩頻率的點(diǎn)吸收波浪能裝置發(fā)現(xiàn)：裝置的振蕩頻率始終等于波浪的特征頻率有利于獲得最大的波浪能轉(zhuǎn)換效率。Salter等[3]依據(jù)控制策略的基本原理進(jìn)行劃分，簡(jiǎn)要介紹各型用于波浪能裝置功率控制的機(jī)械設(shè)計(jì)方式，并設(shè)計(jì)了一種結(jié)合往復(fù)流風(fēng)洞和液壓儲(chǔ)能罐的波浪發(fā)電系統(tǒng)。Wang等[4]以系統(tǒng)整體控制優(yōu)化為基礎(chǔ)，討論各類型波浪發(fā)電系統(tǒng)控制方式，并基于波周期相位劃分，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)負(fù)載阻尼系數(shù)來(lái)保證波浪發(fā)電系統(tǒng)在極端波況下的生存。Ozkop和Altas[5]列舉多種常見(jiàn)的波浪能系統(tǒng)控制策略，并總結(jié)了已有的電能質(zhì)量改善技術(shù)。Hals等[6]圍繞點(diǎn)吸收式波浪能系統(tǒng)簡(jiǎn)述多種控制方式及實(shí)現(xiàn)原理，并比較了各控制策略在規(guī)則波和不規(guī)則波條件下的優(yōu)缺點(diǎn)。劉華兵等[7]簡(jiǎn)述了幅值相位控制和復(fù)共軛控制基礎(chǔ)理論，并比較了多種波浪能裝置功率控制方法，但未涉及電能的并網(wǎng)濾波技術(shù)。Talaat等[8]比較了4種功率優(yōu)化算法以獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)，提出了通過(guò)調(diào)節(jié)波浪發(fā)電系統(tǒng)頻率和電壓以適應(yīng)孤島微電網(wǎng)的電能改善方案。Hong等[9]歸納采用不同機(jī)械結(jié)構(gòu)的波浪能發(fā)電系統(tǒng)及其對(duì)應(yīng)的功率控制方法，并指出不同功率控制方法非常依賴波浪能量轉(zhuǎn)換器的機(jī)械設(shè)計(jì)，因此跨類別比較功率控制方法以得到最優(yōu)控制策略難以實(shí)現(xiàn)。研究者圍繞波浪能裝置功率控制技術(shù)，提出了數(shù)量眾多的機(jī)械設(shè)計(jì)型式和與之對(duì)應(yīng)的控制策略，現(xiàn)有研究多集中于某一裝置類型的機(jī)械控制過(guò)程或功率尋優(yōu)算法的應(yīng)用，未考慮電能濾波并網(wǎng)技術(shù)。越來(lái)越多的示范工程及試運(yùn)行項(xiàng)目昭示著波浪能利用技術(shù)正處在商業(yè)化開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵時(shí)期，新提出的功率控制研究成果需要及時(shí)地整理和分析以供研究人員了解現(xiàn)有技術(shù)脈絡(luò)。本文針對(duì)振蕩體式波浪能裝置，分類總結(jié)不同的功率控制方法，兼顧電能濾波并網(wǎng)最新研究成果，分析現(xiàn)有控制方法的優(yōu)勢(shì)與不足，以此展望波浪能裝置功率控制方法未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

1" 振蕩體式波浪能裝置

從波浪能轉(zhuǎn)換的基本原理來(lái)看，一般通過(guò)捕能機(jī)構(gòu)捕獲波浪中的能量，再利用能量轉(zhuǎn)換和傳遞系統(tǒng)將捕獲的能量進(jìn)行傳遞、存儲(chǔ)、變換等處理，最終以電能型式輸出。雖然波浪能轉(zhuǎn)換裝置發(fā)展歷史長(zhǎng)、種類多，僅從能量轉(zhuǎn)換原理來(lái)看，可大致分為三大類：振蕩水柱式、聚波越浪式和振蕩體式。其中，最后一種類型（振蕩體式）由于其適用水深范圍廣、布置靈活，受到人們的廣泛關(guān)注。該類型裝置主要利用物體在波浪作用下的振蕩及搖擺等運(yùn)動(dòng)來(lái)吸收波浪能，結(jié)構(gòu)靈活，且體量相對(duì)波長(zhǎng)較小，易于向深水、陣列布置型式推廣。

2" 振蕩體式波浪能裝置功率控制

在規(guī)則波中，當(dāng)俘能浮體與波浪同時(shí)滿足幅值條件和相位條件時(shí)相對(duì)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)最大，可獲得較高的波能轉(zhuǎn)化效率，這是波浪能裝置功率控制的基礎(chǔ)[10]。海洋中波浪所具有的多自由度、非線性、隨機(jī)性和低速等特點(diǎn)使得波浪能發(fā)電裝置整體轉(zhuǎn)換效率較低，造成發(fā)電成本高企，嚴(yán)重制約了波浪能的商業(yè)化開(kāi)發(fā)。因此，為提高俘能浮體的能量吸收效率，研究者圍繞波浪能裝置功率控制提出了眾多的技術(shù)方案，可大致分為無(wú)源阻尼控制和無(wú)功控制2種類型，現(xiàn)代優(yōu)化算法常基于以上2種基本機(jī)械控制方法并進(jìn)行改進(jìn)[11]。

2.1" 無(wú)源阻尼控制

無(wú)源阻尼控制（Passive loading control）將能量攝取（Power Take-off， PTO）系統(tǒng)對(duì)波能轉(zhuǎn)換裝置（Wave Energy Converter， WEC）的反作用力看作阻尼力，并認(rèn)為其大小與俘能浮體振動(dòng)速度成正比。無(wú)須預(yù)測(cè)未來(lái)波浪力，控制結(jié)構(gòu)不對(duì)俘能浮體主動(dòng)做功，即沒(méi)有無(wú)功功率流，因而實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)可靠[3]。無(wú)源阻尼控制同樣有諸多限制，因較窄的諧振頻率區(qū)間僅適用于接近規(guī)則波的情況，當(dāng)遇到類似自然海況的不規(guī)則波時(shí)無(wú)法實(shí)時(shí)反饋調(diào)整俘能浮體的阻尼以達(dá)到浮體-波浪間的共振狀態(tài)，難以獲得較高的波能轉(zhuǎn)化效率[12]。作為一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的控制策略，無(wú)源阻尼控制策略主要包含鎖存控制和離合控制。

2.1.1" 鎖存控制

鎖存控制（Latching control）通過(guò)將浮體鎖止一段時(shí)間再釋放以匹配波浪相位，此時(shí)外界波浪周期應(yīng)大于浮體自振周期，因此適用于較小的浮子[13]。以規(guī)則波情況為例，當(dāng)浮體振蕩速度為零時(shí)鎖止浮體，并在預(yù)測(cè)波浪激振力峰值時(shí)刻前約1/4周期打開(kāi)鎖止閥使浮體自由隨波振蕩以與海浪達(dá)到相位匹配，如圖1所示。鎖存控制方法有完善的實(shí)現(xiàn)路徑，但必須考慮鎖止系統(tǒng)的機(jī)械磨損和不規(guī)則波海況下浮子釋放時(shí)間變得難以預(yù)測(cè)等問(wèn)題?；诎虢馕龇椒ǚ治鰰r(shí)域中WEC運(yùn)動(dòng)方程的解，然后用于計(jì)算最佳鎖存時(shí)長(zhǎng)，可顯著提高波能裝置輸出功率[14]。通過(guò)遠(yuǎn)離浮體一定距離的測(cè)量浮標(biāo)取得波浪周期，結(jié)合波浪傳播方程，基于波浪周期域劃分的鎖存控制方法可改善鎖存控制方法較窄的周期適用區(qū)間，提高波能裝置獲能效率[4]。

2.1.2" 離合控制

離合控制（Clutching control）一般運(yùn)用于氣動(dòng)渦輪或液壓發(fā)電裝置，通過(guò)設(shè)置旁通閥控制俘能浮體與PTO系統(tǒng)的傳力連接，當(dāng)浮體速度為零時(shí)打開(kāi)旁通閥，此時(shí)浮體與PTO系統(tǒng)之間無(wú)作用力，當(dāng)浮體具有一定速度時(shí)關(guān)閉旁通閥，此時(shí)PTO系統(tǒng)由氣室或液壓缸獲得浮體的機(jī)械能帶動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子發(fā)電，因此離合控制仍然是一類相位功率控制方法，只是機(jī)械結(jié)構(gòu)型式不同[6]。位于葡萄牙亞速爾群島的The Pico OWC波浪能發(fā)電振蕩氣室頂部設(shè)置旁通閥，利用海底波壓力傳感器預(yù)測(cè)將進(jìn)入振蕩氣室內(nèi)的波浪，通過(guò)控制啟閉氣室旁通閥可使汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速與波浪周期匹配，提高空氣渦輪機(jī)功率。

2.2" 無(wú)功控制

無(wú)功控制（Reactive control）不同于無(wú)源阻尼控制僅有浮體流向PTO系統(tǒng)的有功功率，可通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)主動(dòng)控制俘能浮體，將PTO力作為與渦輪發(fā)電轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成正比的阻尼力和浮體位移成正比的彈簧力的疊加，因此WEC裝置和PTO裝置之間有雙向功率流。理論上無(wú)功控制屬于最優(yōu)控制，但實(shí)際中常采用近似方法以達(dá)到有限條件下的近似最優(yōu)，因此在實(shí)際工程應(yīng)用的多為次優(yōu)控制，可分為幅值相位控制、近似復(fù)共軛控制和模型預(yù)測(cè)控制。

2.2.1" 幅值相位控制

幅值相位控制（Phase and amplitude control）通過(guò)WEC裝置和PTO裝置之間的雙向功率流控制WEC裝置的運(yùn)動(dòng)與波浪振蕩頻率相同而產(chǎn)生共振，且使波浪力與WEC裝置的速度同相位，此時(shí)發(fā)電機(jī)獲得最大功率。在一個(gè)波浪周期內(nèi)，發(fā)電機(jī)瞬時(shí)功率有正有負(fù)，即是WEC裝置與PTO裝置之間雙向功率流的體現(xiàn)。幅值相位控制是在閉鎖、鎖存等機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上通過(guò)PTO裝置向WEC裝置的“無(wú)功”，主動(dòng)控制WEC裝置的速度相位匹配外界波浪力，因此具有閉鎖、鎖存控制同樣的缺點(diǎn)，適用于海浪主頻率唯一且主頻率波動(dòng)較小的情況。依賴于反饋和前饋力的單模波能轉(zhuǎn)換器的逐波控制方法可較好實(shí)現(xiàn)波浪主頻率、幅值和波浪力的預(yù)測(cè)[15]。

2.2.2" 近似復(fù)共軛控制

近似復(fù)共軛控制（Approximate complex conjugate control）調(diào)節(jié)PTO系統(tǒng)阻尼使之與WEC系統(tǒng)內(nèi)阻抗共軛取得最大功率吸收，線性阻尼向PTO負(fù)載輸入有用功率，彈性阻尼對(duì)WEC系統(tǒng)輸入無(wú)功功率[7]。近似復(fù)共軛控制的優(yōu)點(diǎn)在于發(fā)電系統(tǒng)達(dá)到最大功率僅受PTO系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)行程、作用力和輸出功率等波浪發(fā)電系統(tǒng)自身限制，可以在一定范圍內(nèi)任意波浪頻率下達(dá)到共振，適用范圍更廣。最大功率點(diǎn)跟蹤方法結(jié)合近似復(fù)共軛控制可明顯提高永磁直驅(qū)式發(fā)電機(jī)的性能表現(xiàn)[16]。

2.2.3" 模型預(yù)測(cè)控制

模型預(yù)測(cè)控制（Model predictive control）是一種關(guān)于WEC裝置的幅值和相位的前反饋方法，利用系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)模型、未來(lái)輸入狀態(tài)來(lái)預(yù)測(cè)系統(tǒng)未來(lái)輸出，并不斷滾動(dòng)更新[17]。實(shí)時(shí)反饋更新的優(yōu)點(diǎn)使得模型預(yù)測(cè)控制在正確預(yù)測(cè)WEC裝置幅值和相位時(shí)可達(dá)到理論最優(yōu)，同時(shí)也有計(jì)算量大、對(duì)預(yù)測(cè)模型要求高、預(yù)測(cè)時(shí)長(zhǎng)短的缺點(diǎn)。眾多研究者嘗試多種智能算法以改善以上缺點(diǎn)，特殊目標(biāo)函數(shù)法進(jìn)行二次規(guī)劃求解、螢火蟲算法可改善以上缺點(diǎn)。

3" 電能濾波并網(wǎng)技術(shù)

波浪的非線性和往復(fù)特點(diǎn)使得波能裝置輸出功率波動(dòng)較大，需將不穩(wěn)定的交流電進(jìn)行濾波處理以滿足電網(wǎng)要求，可在波能發(fā)電裝置中設(shè)置蓄能飛輪、液壓蓄能器或網(wǎng)側(cè)建造蓄能電池、超級(jí)電容以達(dá)到此目的。除另設(shè)專門整流裝置外，研究者還將遺傳算法、發(fā)電轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制、模糊預(yù)測(cè)控制和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法應(yīng)用在電能濾波并網(wǎng)中，但此類技術(shù)尚不成熟[18]。因此，本節(jié)從已進(jìn)入實(shí)海況試驗(yàn)及發(fā)展較成熟的液壓蓄能流量、壓差反饋技術(shù)和儲(chǔ)能系統(tǒng)快速充、放電策略這2方面進(jìn)行介紹。

3.1" 液壓蓄能流量、壓差反饋技術(shù)

液壓發(fā)電馬達(dá)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速受到液壓缸輸入流量控制，因此通過(guò)比例流量閥反饋調(diào)節(jié)流量可間接控制液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，達(dá)到平穩(wěn)波能裝置輸出功率的目的。比例流量閥由液體壓力傳感器反饋控制流入液壓缸體流量來(lái)平穩(wěn)輸出功率，因此需試驗(yàn)得到缸內(nèi)壓差-流量閥開(kāi)度曲線，以取得裝置最優(yōu)輸出功率。模糊比例積分（Proportional Integral，PI）控制應(yīng)用于液壓蓄能功率平穩(wěn)研究中可快速得到馬達(dá)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速-流量曲線，并可更好地運(yùn)用于實(shí)海況波浪的資源評(píng)估中[19]。

3.2" 儲(chǔ)能系統(tǒng)快速充、放電策略

蓄能電池、超級(jí)電容可通過(guò)快速充放電來(lái)平抑波能裝置輸出功率大幅波動(dòng)，提高電能實(shí)際利用效率，且可作為直接電源為海洋浮標(biāo)等小型設(shè)備直接供電[20]。具有充放電時(shí)間短、使用壽命長(zhǎng)的超級(jí)電容適用波能輸出功率的低頻環(huán)境，可良好地平抑浮式波能平臺(tái)的發(fā)電功率波動(dòng)[21]。超級(jí)電容可與蓄電池構(gòu)成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，通過(guò)低通濾波器（Low Pass Filter， LPF）將輸出電流分為高頻、低頻，并有PI控制電路分配給蓄電池和超級(jí)電容，以此減少蓄電池充放電次數(shù)，實(shí)現(xiàn)電能濾波并網(wǎng)裝置的低成本、高效率、長(zhǎng)壽命[22]。

4" 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)整理波浪能裝置功率控制技術(shù)和電能濾波并網(wǎng)技術(shù)，分析了波浪能系統(tǒng)功率控制優(yōu)化的重要影響。首先從鎖存控制、離合控制、幅值相位控制、近似復(fù)共軛控制和模型預(yù)測(cè)控制5類基本功率控制技術(shù)分析其優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，并將現(xiàn)代智能算法的運(yùn)用、改善技術(shù)缺點(diǎn)的情況進(jìn)行概述；然后著眼于波浪能發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)端，簡(jiǎn)述常見(jiàn)的2類電能濾波并網(wǎng)方法，說(shuō)明適用情形和優(yōu)缺點(diǎn)。綜上，波浪能裝置功率控制可從以下2方面考慮：①現(xiàn)代智能算法基于5種基本功率控制技術(shù)的機(jī)械設(shè)計(jì)，并具有自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、計(jì)算迅速的優(yōu)點(diǎn)，可有效適應(yīng)自然波況寬頻域、非線性的特點(diǎn)，同時(shí)也需要指出智能算法的預(yù)測(cè)、反饋階段所要求的高預(yù)測(cè)精度和合適傳遞函數(shù)的選取仍難以保證，有待提出更完善的技術(shù)方法。②功率控制技術(shù)正從波浪能發(fā)電轉(zhuǎn)換過(guò)程的單個(gè)階段向系統(tǒng)化考慮轉(zhuǎn)變，網(wǎng)側(cè)的電能濾波并網(wǎng)技術(shù)越來(lái)越受到重視。

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