一種波浪能轉換裝置及其液壓式PTO變阻尼控制策略研究

牛宏偉，池 波

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一種波浪能轉換裝置及其液壓式PTO變阻尼控制策略研究

牛宏偉，池 波

（中海油田服務股份有限公司，北京 101149）

本文提出一種波浪能轉換裝置來產生電能，為水下裝置提供持續的能源供給，建立了其液壓式PTO的數學模型。為提高裝置對海況的適應性和能量俘獲效率，分析了其實現變阻尼控制的方法，對不同海況下和波浪周期內的變阻尼控制策略進行了數值仿真。

波浪能轉換裝置 液壓式PTO 變阻尼控制

0 引言

布置水下傳感器網絡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點部署到指定海域，利用節點的自組織能力自動建立起觀測網絡[1]。由于水下無線傳感器網絡的節點之間沒有光電復合纜的連接，節點可以隨時根據觀測需要布放到目標海域，具有非常強的靈活性。但節點不能通過光電復合纜向岸基電站獲取能源，其供電一般是通過蓄電池實現，大大限制了水下無線傳感器網絡的工作時間。這也是水下無線傳感器網絡與海底有線觀測網相比最大的短板。

如果無線傳感器節點能夠從海洋環境中獲取可持續的能源，那么水下無線傳感器網絡將具有比肩海底觀測網絡的優勢。

1 一種為水下設備供電的波浪能轉換裝置

如圖1所示為水下設備供電的一種波浪能轉換裝置的總體結構組成。圖中左上部圖形為局部放大圖，其余為三個角度的視圖，主要由浮體、阻尼板、張力纜、鴨頭擺、PTO系統（擺動液壓缸、往復液壓缸）及系泊系統組成。其中，浮體與阻尼板之間的四根張力纜在進入浮體后均經過一組滑輪組后系固在卷筒上；滑輪組由兩個定滑輪和一個動滑輪組成；動滑輪的軸與往復液壓缸的活塞桿鉸接，往復液壓缸缸體固連在浮體上；阻尼板為可調壓載的沉箱結構，阻尼板排空壓載時受負浮力；浮體吃水部分為n形結構，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，頭部通過擺動液壓缸與浮體鉸接；擺動液壓缸及往復液壓缸的油路與PTO系統相連接。裝置采用單點系泊方式，阻尼板與系泊纜相連接，同時光電復合纜通過與系泊纜松弛捆綁的方式接入海底節點，光電復合纜一方面將波浪能發電裝置產生的電能輸送給海底節點，同時將節點的觀測數據傳送給浮體上天線，實現觀測數據的實時傳送[2]。

圖1 一種波浪能轉換裝置

2 波浪能轉換裝置液壓式PTO

PTO系統是波浪能發電的能量中間轉換環節，一般是將波浪能轉換裝置俘獲的動能或勢能帶走送給二次轉換環節。液壓傳動具有柔性、易于調速、傳遞功率大、功率重量比大、抗沖擊性好、抗過載性好的特點，因此在波浪能發電傳動領域廣泛使用液壓傳動的形式。尤其是在液壓式PTO中加入蓄能器，能很好地起到穩壓、蓄能的作用，克服了波浪能不穩定的缺點[3]。

圖2 液壓式PTO系統組成

如圖2所示為水下設備供電的波浪能轉換裝置液壓式PTO系統，該系統主要包含：用于傳遞波浪能轉換裝置俘獲的波浪能的往復及擺動液壓缸組、用于控制油路導通方向的整流閥組、用于過高壓力時卸荷的安全閥、用于蓄能穩壓的高壓蓄能器、用于驅動發電機的液壓馬達、用于儲存和補充液壓油、保證背壓的低壓蓄能器、用于向閉式液壓系統補油的補油回路等。

3 波浪能轉換裝置液壓式PTO仿真模型

在液壓式PTO系統中主要有液壓缸、蓄能器、液壓馬達等核心液壓元件。對于液壓缸，如圖3所示為向有桿腔和無桿腔運動的示意圖[4]：

圖3 液壓缸受力示意圖

在波浪作用下向無桿腔運動時速度[5]：

穩態時的平衡方程為（3-2）[5]：

桿腔運動時速度（3-3）[5]：

穩態時的平衡方程為（3-4）[5]：

式中：1、2為液壓缸速度，v為高壓側流量，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。

對于液壓馬達：

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系統中設計有六個液壓缸，其中兩個擺動液壓缸的驅動力分別來自于鴨頭擺，四個往復運動液壓缸的驅動力共同來自于浮體升沉運動。往復運動的四個液壓缸中對角布置的液壓缸處于浮體穩定性的考慮進行了短接，因此是油路獨立的兩組液壓缸。這兩組液壓缸的特點是共同承擔浮體升沉運動作用的力。根據這一特點，提出一種通過旁通部分液壓缸的方法實現變阻尼控制，從而提高做功的時長、能量俘獲效率。具體是這樣實現的：當波浪激勵力較小時，B1、B3組液壓缸旁通而獨立出PTO系統時，作用力將完全作用于另一組，相當于活塞的作用面積減小，阻尼減小，仍接入系統的B2、B4液壓缸輸出壓力將會增大，從而克服背壓實現做功，如圖4（a）所示；當波浪激勵力增大時，將旁通的液壓缸組B1、B3再次接入系統，相當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閥來實現[6]。

4.2 海況變弱時的變阻尼控制效果

當海況變弱時，波浪能轉換裝置效率將會降低甚至不能工作，在仿真模型中通過調整液壓缸激勵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。當不采用部分液壓缸旁通的策略時，如圖5所示為在不同激勵下高壓側系統壓力的變化情況，可以看出隨著波浪激勵的減小高壓側的穩定壓力隨之減小。當海況過于弱時液壓缸輸出的油液不足以維持高壓側壓力的穩態變化，系統壓力間歇性突變，如圖5中激勵力輸入幅值為5 kN和6 kN時的情況。

2）采用部分液壓缸旁通的變阻尼控制策略時，通過對一組液壓缸進行旁通，如圖6所示旁通一組液壓缸后在不同海況下高壓側的系統壓力。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充壓力，PTO系統能夠較為穩定的俘獲波浪能，很明顯的提高了裝置對海況的適應性，保證了水下無線傳感器網絡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 不同激勵下的高壓側系統壓力（閥后）

圖6 不同激勵下部分液壓缸旁通后高壓側系統壓力（閥后）

如圖7所示為對一組液壓缸旁通后不同海況下PTO系統的輸出功率，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變得穩定，波動率大大降低，系統能夠正常工作。因此，可以總結如下：在較弱海況下，對于本文中的混合型波浪能轉換裝置，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，提高了裝置對海況的適應性，對實際應用具有一定的參考價值。

圖7 采用變阻尼控制策略后不同激勵下PTO系統輸出功率

圖8 液壓缸旁通時長對高壓側系統壓力的影響

圖9 壓缸旁通時長對PTO系統的影響

4.3 波浪周期內變阻尼控制策略

周期內的液壓缸旁通時長決定了不同阻尼下的工作時長，最終也會影響能量的俘獲效果。旁通時長的大小通過調整PWM波占空比來實現。本文分別研究了0、0.25、0.50、0.75四種占空比下的PTO系統的俘能效果。如圖8所示為不同占空比下高壓側的系統壓力，其中占空比為零表示整個波浪周期內高速開關閥始終處于右位，即液壓缸組未被旁通出系統。圖9為不同占空比下PTO系統的輸出功率情況。可以看出，通過周期內旁通部分液壓缸的方法高壓側系統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，周期內液壓缸旁通的變阻尼控制策略對于提高能量俘獲效率是有作用的。

同時，可以看出占空比為0和0.25時高壓側的系統壓力及輸出功率幾乎重合，表明在一個周期內部分液壓缸旁通時長為25%時對PTO系統幾乎沒有影響。其原因主要是旁通時長過短，當被旁通的液壓缸重新接入系統時，旁通狀態下液壓缸的輸出壓力仍然達不到高壓蓄能器的預充壓力，單向閥無法導通，旁通時間范圍內波浪能沒有做功。

5 結論

本文提出一種波浪能轉換裝置來產生電能為水下設備尤其是傳感器網絡節點提供持續的能源供給，建立了其液壓式PTO的數學模型。為提高裝置對海況的適應性和能量俘獲效率，分析了其實現變阻尼控制的方法，對不同海況下和波浪周期內的變阻尼控制策略進行了數值仿真，結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換裝置在變化海況下的做功時長，提高海況適應性和能量的俘獲效率，是一種有效控制策略。

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[3] 馬雅麗, 黃志堅. 蓄能器實用技術[M]. 化學工業出版社, 2007.

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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：電力系統及其自動化。Email: zhanghao_7128@163.com