叶寅,王坤林,盛松伟,王文胜

（1.中国科学院广州能源研究所，广东广州 510640；2.中国科学院可再生能源重点实验室，广东广州 510640；3.广东省新能源和可再生能源研究开发与应用重点实验室，广东广州 510640）

0 引言

作为海洋能的一种,波浪能具有蕴藏量丰富、分布广泛、清洁无污染和可再生等特点，越来越受沿海国家和地区的重视[1]，[2]，因此，越来越多的波浪能装置被开发出来。波浪能装置种类繁多，从波浪能转换原理可以将波浪能装置分为气动式、液动式、液压式和特殊电机式[3]。其中，液压式波浪能装置是利用液压系统来进行能量转换和传递，由于液压系统被广泛应用于各行业中，元件都是标准的工业产品，因此，液压能量转换系统的可靠性可以得到保证[4]。此外，液压系统中可以加入短期的储能设备，用来平稳由于波浪的随机性而导致的不稳定能量，从而使发电趋于稳定，提高发电质量[5]。因此，目前大多数的波浪能装置都采用液压式的能量转换系统。

波浪能经过液压能量转换系统后驱动永磁发电机发电，发出的电经过电力变换最终输入负载端，负载的形式通常有两种，一种是电阻负载，一种是电池负载[6]。在波浪能装置开发的初期，发电机发出的电几乎都是用电阻来消耗，进行原理性的实验，即发电机接的是电阻负载。另外一种情况是波浪能装置发出的电进行并网或者给蓄电池充电，即发电机接的是电池负载。目前，在实海况下运行的发电并网装置十分稀少，因此，鲜有文献报道关于波浪能装置发电上网的情况。对于波浪能装置液压发电系统的研究也主要集中于电阻负载情况下的仿真和实验对比，如鲍经纬[7]对蓄能稳压浮力摆式波浪能发电系统进行了仿真研究；张家明[8]对电阻负载下的能量转换系统进行了仿真研究；张亚群[9]对蓄能稳压装置进行了实验研究；姚静[10]对液压能量转换系统进行了仿真研究。

有关波浪能装置液压发电系统在不同负载情况下的发电特性实验研究较少，特别是电池负载情况下的发电特性研究。这可能是因为在实验室进行液压发电系统实验需要较大的场地以及较大功率的原动机来模拟波浪出力；此外，在实验室进行发电上网研究更加困难，如果发电存储进入蓄电池，需要的蓄电池数量较大。针对上述的问题，本文在实验室设计了一套5 kW的波浪能装置液压发电系统，并配备了可调电阻设备和实验室发电并网设备，从而对液压发电系统的发电特性进行实验研究。

1 液压式波浪能装置的发电原理

图1为液压式波浪能装置的发电原理图。液压式波浪能装置主要分为4个部分：第一部分是获能机构，即液压缸或者液压泵，在波浪能装置吸波浮子的驱动下，获能机构将波浪能转换为往复运动的机械能；第二部分是蓄能机构，包括蓄能器和控制阀组；第三部分是液压发电机组，主要包括液压马达和永磁发电机；第四部分是电力变换系统。当波浪能装置接电阻负载时，永磁发电机发出的三相交流电直接接入电阻；当波浪能装置接电池负载时，永磁发电机发出的交流电经过整流逆变成直流电输入逆变器，经过逆变器转换成三相交流电并网。

图1 液压式波浪能装置的发电原理图Fig.1 Power generation schematic diagram of hydraulic WEC

2 实验设计

2.1 实验平台

为了研究液压能量转换系统的发电并网特性，根据波浪能液压发电原理在实验室搭建了如图2所示的液压能量转换系统实验平台。

图2 波浪能装置发电并网实验平台Fig.2 The experimental platform for grid connection of WEC

波浪能装置发电并网实验平台的工作原理：启动电动机带动柱塞泵旋转，从液压油箱中吸油，泵入液压缸无杆腔，推动活塞向有杆腔方向移动，使液压缸有杆腔通过单向阀将液压油打入蓄能器。当液压缸活塞移动到有杆腔的端部，电磁换向阀自动换向，使液压泵的油进入液压缸有杆腔，推动活塞向液压缸无杆腔移动，当液压缸的活塞运动至无杆腔的端部，电磁换向阀自动换向，使液压泵又开始向无杆腔泵油，如此往复运行，利用液压泵驱动液压缸来代替波浪力。在液压缸的不断往复运动中，蓄能器的压力会逐渐上升，当蓄能器的压力达到启动压力时，液动阀打开，蓄能器中的高压液压油冲击液压马达，液压马达带动发电机发电。如果液压缸的流量比较小，模拟的波浪比较小，输入的能量小于输出的能量，蓄能器的压力会逐渐降低，直至降低到关闭压力，液动换向阀关闭，液压马达和发电机关闭。如果液压缸的流量比较大，模拟的波浪比较大，液压马达和发电机开启后，输入的能量大于输出的能量，蓄能器的压力会继续上升，直至上升到溢流压力。永磁发电机发出的电经过电力变换系统进入电网或直接用电阻消耗。

2.2 实验参数

液压缸的行程为800 mm，活塞杆直径为40 mm，液压缸缸筒内径为63 mm；蓄能器的容积为32 L，共4支，以供调节使用；液压自治控制器的启闭压力调节值为0～16 MPa，液压马达的排量为16 mL/r，型号为A2F16；永磁发电机的额定转速为1 500 r/min，额定电压为400 V，额定功率为5 kW，变频器的额定功率为30 kW，频率为0～50 Hz；并网控制柜可调节充电电压，充电电压调节值为350～600 V；可调电阻设备的阻值调节值为0.1～100Ω。

测量设备主要包括流量传感器、压力传感器和扭矩仪。流量传感器的型号为VS2GP012V，测量精度为±0.3%；压力传感器的型号为HUBA 511.9 54603742，量程为0～40 MPa，测量精度为±0.3%；扭矩仪可以同时测量扭矩和转速，型号为AKC-215-300,转速的量程为0～5 000 r/min，扭矩的量程为0～300 N·m，测量精度为±0.1%。

2.3 电阻负载实验

启动压力设为11 MPa，关闭压力设为8 MPa，蓄能容积设为64 L，通过可调电阻箱调节电阻阻值，得到不同阻值情况下的液压发电系统的电机转速、电压和发电功率曲线，并计算发电效率。电阻阻值从57.6Ω开始，逐渐减小，分别取为51.2，44.8 ，38.4 ，32，26，20Ω（由于可调电阻箱的一个调节按钮损坏，无法均匀地调节电阻值，前3组实验的阻值间隔为6.4Ω，后3组的阻值间隔为6Ω）。

2.4 电池负载实验

设定蓄能容积为96 L，关闭压力为6 MPa，启动压力为10 MPa，通过逆变器，调节充电电压值，得到不同充电电压情况下的液压发电系统电压、电流和功率曲线，并计算发电效率。充电电压值从350 V开始，逐渐增大，分别取为400，450，500，550，600 V。

设定蓄能容积为96 L，关闭压力为6 MPa，充电电压为400 V，通过调节阀组控制器，来调节启动压力，得到不同启动压力下的液压发电系统电压、电流和功率曲线，并计算发电效率。系统的启动压力值分别设为8，10，12，14，16 MPa。

3 结果与分析

3.1 电阻负载实验结果与分析

液压发电系统在不同电负载下的发电特性参数曲线如图3所示。从图3可以看出：在负载阻值逐渐减小的情况下，发电的时间逐渐变长，当负载阻值为57.6Ω时，发电时长约为66 s，当负载阻值为20Ω时，发电时长约为181 s；电压、发电机转速和发电功率均随着负载阻值的减小而减小，相应的曲线由陡峭逐渐变得平稳，表明发电参数的波动随着负载阻值的减小而逐渐趋于平缓；电压曲线和发电机转速曲线的变化基本趋于一致，和电压曲线及发电机转速曲线相比，发电功率曲线更为陡峭，这是因为电压和发电机转速成正比例关系，和发电功率成平方关系。

图3 不同电阻负载下的发电特性参数曲线Fig.3 The power generation characteristic parameter curves under differen t resistance loads

通过得到的液压特性参数和发电功率特性参数可以计算出液压发电系统的发电效率，其中输入的能量Ein可以表示为蓄能器压力和流量的乘积，再对时间的积分。

液压发电系统在不同电阻负载下的发电效率如图4所示。从图4可以看出，随着负载阻值的降低，发电效率呈现出先增大后减小的变化趋势，当负载阻值为26Ω时，发电效率达到最大值85.0 1%。

图4 不同电阻负载下的发电效率Fig.4 The generation efficiency under different resistance loads

3.2 电池负载实验结果与分析

液压发电系统在不同充电电压下的发电特性参数曲线如图5所示。

从图5可以看出，由于启动压力和关闭压力均相同，在蓄能器容积不变的情况下，蓄能器存储的能量是一样的，随着充电电压的不断升高，单次储能后的发电时间越来越短，当充电电压为350 V时，发电时间为108 s，当充电电压为600 V时，发电时间只有63 s；随着充电电压的不断升高，电流和发电功率的曲线越来越陡，发电平均功率越来越大，而发电电流的变化范围（2～4 A）基本相同，只是由于发电时间的变短，发电电流曲线和发电功率曲线一样变得越来越陡。对比图3（a）和图5（a）可知：在电阻负载下，电压随着发电时间逐渐下降；在电池负载下，电压并没有下降，而是维持在一个相对恒定的值。由于发电机的电压值和发电机转速成正比[9]，因此，发电机转速也基本处于恒定值。

图5 不同电池负载下的发电特性参数曲线Fig.5 The power generation characteristic parameter curves under different battery loads

在电池负载情况下，发电机输出的能量Eout，2可以表示为

测得的发电特性参数如表1所示。从表1可以看出，随着充电电压的增大，发电效率从最高的75.3 9%降到了66.0 1%。

表1 不同充电电压下的发电效率Table 1 The generation efficiency under different charging voltages

液压发电系统在不同启动压力下的发电特性参数曲线如图6所示。从图6可以看出：随着启动压力的升高，发电时间逐渐变长；发出的电能[图6（c）中曲线下方的面积]也逐渐增多；改变启动压力，发电机的电压基本不变（330 V左右）；随着启动压力的升高，发电机的电流逐步增大。

图6 不同启动压力下的发电特性参数曲线Fig.6 The power generation characteristic parameter curves under different start-up pressure

综合可知，在电池负载情况下，发电电压与设定的充电电压呈正比，发电电流与设定的启动压力成正比。

通过式（5），（6）计算出的液压发电系统的发电效率如表2所示。从表2可以看出，随着启动压力的增加，发电效率呈现出缓慢增加的趋势，当启动压力为8 MPa时，发电效率为69.97%，当启动压力增加至16 MPa时，发电效率增加到了77.9 2%。

表2 不同启动压力下的发电效率Table 2 The generation efficiency under different start-up pressure

4 结论

①在发电机接电阻负载时，发电电压和电机转速均随着能量的释放一直在变化。随着电阻阻值的减小，发电时长逐渐增加，发电电压、电机转速和发电功率曲线均变的平缓，发电效率先增大后减小，存在一个最优的负载阻值。

②在发电机接电池负载时，减小电池负载的充电电压值，发电时长变长，发电机电压和转速逐渐减小，而发电电流基本不变，发电电流曲线随着发电时长的增加而变得更为平缓，发电功率曲线也更趋于平缓，发电效率随着充电电压值的减小而升高。增大启动压力，发电时长也会增加，与改变充电电压的情况刚好相反，此时电压值基本不变，而发电机电流会逐渐增加，发电功率也会逐渐增大，并且发出的电能也会增多，发电效率也会逐渐增加。