学术简报︱振荡浮子式波浪能转换装置的全电气化模拟研究
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天津大学电气自动化与信息工程学院、中国北方车辆研究所的研究人员方红伟、宋如楠、姜茹、胡玉洁，在2019年第14期《电工技术学报》上撰文，分析了一种不具有封闭环形缆绳结构的振荡浮子式波浪能转换装置（WEC）的运行原理，引入似变压器阻抗变换器模拟绳缆，采用全电气化模拟的方法建立系统的电路模型。
分析该系统线性临界稳定条件，并分别采取被动负载控制和反应式控制建立了相应的仿真模型。同时研究了反应式控制下的缆绳拉力与波浪入射力的关系，研究结果表明所提全电气波浪能转换装置电路模型的性能与理论分析相吻合。
波浪能是当前海上可再生能源的主要能源之一。从20世纪70年代开始，很多国家就开始对波浪能发电进行了研究，现已开发出了摆式、振荡水柱式（空气式）、点头鸭式、点吸收式和浮子式等多种形式的波浪能发电装置。其中一种典型点吸收式波浪能技术——振荡浮子式波浪能转换装置（Wave Energy Converter, WEC）近年来发展迅猛，具有易移动、建造成本低等特点。
目前对波浪能转换装置的研究中，波浪能功率捕获与控制是一个相当难的问题。
在这一方面，文献[8]着眼于摆式波浪发电系统的建模与功率控制技术，运用电气化模拟建立了包含永磁同步电机在内的电路模型，并运用电力电子技术对功率进行控制。
Johannes Falnes的著作则详细论述了振荡浮子式波浪能转换装置从电气建模到功率控制的过程。
Elisabetta Tedeschi与Eiril Bjørnstad等均从建立波浪能转换装置的等效电路研究出发，再应用电机分析的基本方法设计波浪能转换装置的相关性能指标。
文献[12]将电气化模拟思想用于点吸收式WEC系统建模，并通过海上实验验证了该电路模型的正确性。
由此可见，在对波浪发电的研究大部分着眼于波浪能转换装置的水动力学的现状下，电气化模拟被认为是一种简便而可靠的解决方式。它的主要思想是将波浪能转换装置在模型上变换为等效电气元件，建立从波浪能转换装置到负载的全局性等效电路，运用电路原理的方法，模拟求解不同海况下的响应，易于波浪能转换装置的控制设计和理论分析。
机械系统和电气系统是两种不同类型的系统。它们分别用两类物理量描述，遵循不同的物理定律。然而，这两种物理性质迥异的系统，其运动微分方程却在数学上具有相同的形式，这就表示可以把这两种不同的系统在形式上相互转化。
本文使用“力—电压”和“速度—电流”的模拟关系进行电气化模拟。此时，定力源相当于电压源或电动势，定速源相当于电流源，质量m相当于电感L，阻尼系数c相当于电阻R，弹簧刚度k1相当于电容的倒数1/C。并联的机械元件拥有相同的运动速度，因此相当于串联的电气元件拥有相同的电流。引入复数量后，机械阻抗相当于电路阻抗。同时，所有参与模拟关系的物理量均在国际单位制下量化。
采用上述机电对应关系，建立了全电气化模拟WEC系统的电路模型，模型中引入了似变压器阻抗变换器（Quasi-Transformer Impedance Converter, QTIC）模拟绳缆，分析了系统的线性临界稳定条件，并研究了被动负载控制和反应式控制两种控制策略在该波浪发电装置上的适应性。
图1 振荡浮子式波浪能转换装置
本文对一种无封闭缆绳结构的振荡浮子式波浪能转换装置进行了受力分析，并使用电气化模拟的方法建立了其对应的电路模型。根据电路模型，对被动负载控制和反应式控制下的电机性能进行了分析。
分析结果证明了无封闭缆绳结构的振荡浮子式波浪能转换装置可以在自身参数适当的情况下稳定地运行在线性状态。同时，被动负载控制下，电机始终工作在发电机状态，而反应式控制下电机会在部分时间段内工作在电动机状态。反应式控制下电机发出的有功功率比被动负载控制下的功率大。