直驱式波浪发电系统能量跟踪控制
2017第四届轨道交通供电系统技术大会
会议由中国电工技术学会主办，将于2017年11月28日在北京铁道大厦召开，研讨电工科技最新研究成果对轨道交通供电领域所带来的革新影响和应用前景，推进协同创新。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
东南大学电气工程学院的研究人员杨健、黄磊、仲伟波、胡敏强，在2017年《电工技术学报》增刊1上撰文，针对直驱式波浪发电系统输出功率波动特性以及直线电机动子往复运动特性,提出一种基于永磁直线电机动子运动方向判断方法的能量跟踪控制策略。
首先,根据永磁直线电机数学模型进行仿真模型的搭建和分析,并基于仿真结果设计圆筒式永磁直线电机。进而,提出波浪发电能量跟踪控制策略,并搭建直驱式波浪发电系统整体仿真模型。最后,基于设计的圆筒式永磁直线电机搭建直驱式波浪发电系统硬件模拟平台进行实验研究。
通过仿真和实验验证了永磁直线电机动子运动方向判断的方法和能量跟踪控制策略的有效性。
近年来随着社会和经济的不断发展，能源危机和环境污染的问题日益凸显，因此，可再生能源吸引了越来越多研究学者的关注。波浪能作为一种清洁可再生能源，具有功率密度高、无污染、可预测性好、蕴藏量丰富等特点，通过合理研究开发可以进一步缓解能源危机和环境污染等问题。
为了将波浪能转换为电能，国内外学者研发了很多波浪发电转换装置，主要有振荡水柱式、点吸收式、阀式、直驱式等，本文研究的主要是直驱式波浪发电系统。
早期的波浪发电系统通常使用传统的旋转电机，将波浪能转换为电能。然而，传统的旋转同步电机不能将波浪能直接转换为电能，需要通过中间装置来完成这一过程，即多级能量转换，结构复杂，转换效率较低。采用永磁直线电机（Linear Permanent Magnet Generator, LPMG）的直驱形式波浪发电逐步得到了广泛关注。
永磁直线电机的动子可以随着波浪的运动而做上下往复运动，从而完成波浪能到电能的转换，简化了波浪能的提取过程，可以实现一级能量转换，有效地提高了波浪能的转换效率。
直驱式波浪发电系统即采用永磁直线电机将波浪能转换为电能，目前，直驱式波浪发电控制策略的研究主要针对前端的机械结构和后端的电能处理两个模块。研究前端机械结构的主要目的是使直驱式波浪发电系统的浮子与波浪发生共振，从而尽可能多地提取到波浪能。
研究后端电能处理的主要目的是实现永磁直线电机输出功率的平滑和可控，国内外研究的主要控制策略有能量功率预测控制策略、矢量控制策略等。目前的运行控制中，对LPMG运动方向的判别没有进行有效的验证，且LPMG输出电压频率太高，与实际海况中的波浪运动频率较低的运动特性不相符合，且没有通过硬件试验来验证其仿真结果。
对于波浪能最大能量跟踪控制策略，多通过结合水动力学方面的知识对LPMG本体进行实时控制，使浮子运动与波浪运动产生共振，从而实现波浪的最大能量转换[11]。但在实际应用中，受限于硬件条件、外部环境等因素，LPMG系统浮子往往不能实时反馈跟踪波浪的运动，较难实现浮子与波浪的共振运动。
本文采用d轴电流id=0的控制策略，结合永磁直线电机样机的设计参数及 LPMG动子的运动特性，在电能处理模块设置q轴电流的参考值与动子运动速度相匹配，使控制器实现对直驱式波浪发电系统输出能量的有效跟踪控制。
基于以上控制策略，搭建一套低频波浪永磁直线发电模拟系统进行仿真分析，同时通过搭建硬件实验平台对仿真系统进行验证。为了提高电机控制性能，本文采用一种判断永磁直线电机动子运动方向的方法，在电机内部定子端部埋设三个线性霍尔传感器，根据其输出信号特征来判断动子的运动方向。仿真和实验结果验证了控制策略和永磁直线电机动子判断方法的有效性。
图20 波浪发电系统电能处理模块