波浪能裝置液壓發(fā)電系統(tǒng)實驗研究

葉寅,王坤林,盛松偉,王文勝

（1.中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣東廣州 510640；2.中國科學(xué)院可再生能源重點實驗室，廣東廣州 510640；3.廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點實驗室，廣東廣州 510640）

0 引言

作為海洋能的一種,波浪能具有蘊(yùn)藏量豐富、分布廣泛、清潔無污染和可再生等特點，越來越受沿海國家和地區(qū)的重視[1]，[2]，因此，越來越多的波浪能裝置被開發(fā)出來。波浪能裝置種類繁多，從波浪能轉(zhuǎn)換原理可以將波浪能裝置分為氣動式、液動式、液壓式和特殊電機(jī)式[3]。其中，液壓式波浪能裝置是利用液壓系統(tǒng)來進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換和傳遞，由于液壓系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)中，元件都是標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)產(chǎn)品，因此，液壓能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的可靠性可以得到保證[4]。此外，液壓系統(tǒng)中可以加入短期的儲能設(shè)備，用來平穩(wěn)由于波浪的隨機(jī)性而導(dǎo)致的不穩(wěn)定能量，從而使發(fā)電趨于穩(wěn)定，提高發(fā)電質(zhì)量[5]。因此，目前大多數(shù)的波浪能裝置都采用液壓式的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

波浪能經(jīng)過液壓能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)后驅(qū)動永磁發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)出的電經(jīng)過電力變換最終輸入負(fù)載端，負(fù)載的形式通常有兩種，一種是電阻負(fù)載，一種是電池負(fù)載[6]。在波浪能裝置開發(fā)的初期，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電幾乎都是用電阻來消耗，進(jìn)行原理性的實驗，即發(fā)電機(jī)接的是電阻負(fù)載。另外一種情況是波浪能裝置發(fā)出的電進(jìn)行并網(wǎng)或者給蓄電池充電，即發(fā)電機(jī)接的是電池負(fù)載。目前，在實海況下運(yùn)行的發(fā)電并網(wǎng)裝置十分稀少，因此，鮮有文獻(xiàn)報道關(guān)于波浪能裝置發(fā)電上網(wǎng)的情況。對于波浪能裝置液壓發(fā)電系統(tǒng)的研究也主要集中于電阻負(fù)載情況下的仿真和實驗對比，如鮑經(jīng)緯[7]對蓄能穩(wěn)壓浮力擺式波浪能發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究；張家明[8]對電阻負(fù)載下的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究；張亞群[9]對蓄能穩(wěn)壓裝置進(jìn)行了實驗研究；姚靜[10]對液壓能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。

有關(guān)波浪能裝置液壓發(fā)電系統(tǒng)在不同負(fù)載情況下的發(fā)電特性實驗研究較少，特別是電池負(fù)載情況下的發(fā)電特性研究。這可能是因為在實驗室進(jìn)行液壓發(fā)電系統(tǒng)實驗需要較大的場地以及較大功率的原動機(jī)來模擬波浪出力；此外，在實驗室進(jìn)行發(fā)電上網(wǎng)研究更加困難，如果發(fā)電存儲進(jìn)入蓄電池，需要的蓄電池數(shù)量較大。針對上述的問題，本文在實驗室設(shè)計了一套5 kW的波浪能裝置液壓發(fā)電系統(tǒng)，并配備了可調(diào)電阻設(shè)備和實驗室發(fā)電并網(wǎng)設(shè)備，從而對液壓發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電特性進(jìn)行實驗研究。

1 液壓式波浪能裝置的發(fā)電原理

圖1為液壓式波浪能裝置的發(fā)電原理圖。液壓式波浪能裝置主要分為4個部分：第一部分是獲能機(jī)構(gòu)，即液壓缸或者液壓泵，在波浪能裝置吸波浮子的驅(qū)動下，獲能機(jī)構(gòu)將波浪能轉(zhuǎn)換為往復(fù)運(yùn)動的機(jī)械能；第二部分是蓄能機(jī)構(gòu)，包括蓄能器和控制閥組；第三部分是液壓發(fā)電機(jī)組，主要包括液壓馬達(dá)和永磁發(fā)電機(jī)；第四部分是電力變換系統(tǒng)。當(dāng)波浪能裝置接電阻負(fù)載時，永磁發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相交流電直接接入電阻；當(dāng)波浪能裝置接電池負(fù)載時，永磁發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電經(jīng)過整流逆變成直流電輸入逆變器，經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)換成三相交流電并網(wǎng)。

圖1 液壓式波浪能裝置的發(fā)電原理圖Fig.1 Power generation schematic diagram of hydraulic WEC

2 實驗設(shè)計

2.1 實驗平臺

為了研究液壓能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的發(fā)電并網(wǎng)特性，根據(jù)波浪能液壓發(fā)電原理在實驗室搭建了如圖2所示的液壓能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)實驗平臺。

圖2 波浪能裝置發(fā)電并網(wǎng)實驗平臺Fig.2 The experimental platform for grid connection of WEC

波浪能裝置發(fā)電并網(wǎng)實驗平臺的工作原理：啟動電動機(jī)帶動柱塞泵旋轉(zhuǎn)，從液壓油箱中吸油，泵入液壓缸無桿腔，推動活塞向有桿腔方向移動，使液壓缸有桿腔通過單向閥將液壓油打入蓄能器。當(dāng)液壓缸活塞移動到有桿腔的端部，電磁換向閥自動換向，使液壓泵的油進(jìn)入液壓缸有桿腔，推動活塞向液壓缸無桿腔移動，當(dāng)液壓缸的活塞運(yùn)動至無桿腔的端部，電磁換向閥自動換向，使液壓泵又開始向無桿腔泵油，如此往復(fù)運(yùn)行，利用液壓泵驅(qū)動液壓缸來代替波浪力。在液壓缸的不斷往復(fù)運(yùn)動中，蓄能器的壓力會逐漸上升，當(dāng)蓄能器的壓力達(dá)到啟動壓力時，液動閥打開，蓄能器中的高壓液壓油沖擊液壓馬達(dá)，液壓馬達(dá)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。如果液壓缸的流量比較小，模擬的波浪比較小，輸入的能量小于輸出的能量，蓄能器的壓力會逐漸降低，直至降低到關(guān)閉壓力，液動換向閥關(guān)閉，液壓馬達(dá)和發(fā)電機(jī)關(guān)閉。如果液壓缸的流量比較大，模擬的波浪比較大，液壓馬達(dá)和發(fā)電機(jī)開啟后，輸入的能量大于輸出的能量，蓄能器的壓力會繼續(xù)上升，直至上升到溢流壓力。永磁發(fā)電機(jī)發(fā)出的電經(jīng)過電力變換系統(tǒng)進(jìn)入電網(wǎng)或直接用電阻消耗。

2.2 實驗參數(shù)

液壓缸的行程為800 mm，活塞桿直徑為40 mm，液壓缸缸筒內(nèi)徑為63 mm；蓄能器的容積為32 L，共4支，以供調(diào)節(jié)使用；液壓自治控制器的啟閉壓力調(diào)節(jié)值為0～16 MPa，液壓馬達(dá)的排量為16 mL/r，型號為A2F16；永磁發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，額定電壓為400 V，額定功率為5 kW，變頻器的額定功率為30 kW，頻率為0～50 Hz；并網(wǎng)控制柜可調(diào)節(jié)充電電壓，充電電壓調(diào)節(jié)值為350～600 V；可調(diào)電阻設(shè)備的阻值調(diào)節(jié)值為0.1～100Ω。

測量設(shè)備主要包括流量傳感器、壓力傳感器和扭矩儀。流量傳感器的型號為VS2GP012V，測量精度為±0.3%；壓力傳感器的型號為HUBA 511.9 54603742，量程為0～40 MPa，測量精度為±0.3%；扭矩儀可以同時測量扭矩和轉(zhuǎn)速，型號為AKC-215-300,轉(zhuǎn)速的量程為0～5 000 r/min，扭矩的量程為0～300 N·m，測量精度為±0.1%。

2.3 電阻負(fù)載實驗

啟動壓力設(shè)為11 MPa，關(guān)閉壓力設(shè)為8 MPa，蓄能容積設(shè)為64 L，通過可調(diào)電阻箱調(diào)節(jié)電阻阻值，得到不同阻值情況下的液壓發(fā)電系統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速、電壓和發(fā)電功率曲線，并計算發(fā)電效率。電阻阻值從57.6Ω開始，逐漸減小，分別取為51.2，44.8 ，38.4 ，32，26，20Ω（由于可調(diào)電阻箱的一個調(diào)節(jié)按鈕損壞，無法均勻地調(diào)節(jié)電阻值，前3組實驗的阻值間隔為6.4Ω，后3組的阻值間隔為6Ω）。

2.4 電池負(fù)載實驗

設(shè)定蓄能容積為96 L，關(guān)閉壓力為6 MPa，啟動壓力為10 MPa，通過逆變器，調(diào)節(jié)充電電壓值，得到不同充電電壓情況下的液壓發(fā)電系統(tǒng)電壓、電流和功率曲線，并計算發(fā)電效率。充電電壓值從350 V開始，逐漸增大，分別取為400，450，500，550，600 V。

設(shè)定蓄能容積為96 L，關(guān)閉壓力為6 MPa，充電電壓為400 V，通過調(diào)節(jié)閥組控制器，來調(diào)節(jié)啟動壓力，得到不同啟動壓力下的液壓發(fā)電系統(tǒng)電壓、電流和功率曲線，并計算發(fā)電效率。系統(tǒng)的啟動壓力值分別設(shè)為8，10，12，14，16 MPa。

3 結(jié)果與分析

3.1 電阻負(fù)載實驗結(jié)果與分析

液壓發(fā)電系統(tǒng)在不同電負(fù)載下的發(fā)電特性參數(shù)曲線如圖3所示。從圖3可以看出：在負(fù)載阻值逐漸減小的情況下，發(fā)電的時間逐漸變長，當(dāng)負(fù)載阻值為57.6Ω時，發(fā)電時長約為66 s，當(dāng)負(fù)載阻值為20Ω時，發(fā)電時長約為181 s；電壓、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)電功率均隨著負(fù)載阻值的減小而減小，相應(yīng)的曲線由陡峭逐漸變得平穩(wěn)，表明發(fā)電參數(shù)的波動隨著負(fù)載阻值的減小而逐漸趨于平緩；電壓曲線和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線的變化基本趨于一致，和電壓曲線及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線相比，發(fā)電功率曲線更為陡峭，這是因為電壓和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比例關(guān)系，和發(fā)電功率成平方關(guān)系。

圖3 不同電阻負(fù)載下的發(fā)電特性參數(shù)曲線Fig.3 The power generation characteristic parameter curves under differen t resistance loads

通過得到的液壓特性參數(shù)和發(fā)電功率特性參數(shù)可以計算出液壓發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率，其中輸入的能量Ein可以表示為蓄能器壓力和流量的乘積，再對時間的積分。

液壓發(fā)電系統(tǒng)在不同電阻負(fù)載下的發(fā)電效率如圖4所示。從圖4可以看出，隨著負(fù)載阻值的降低，發(fā)電效率呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，當(dāng)負(fù)載阻值為26Ω時，發(fā)電效率達(dá)到最大值85.0 1%。

圖4 不同電阻負(fù)載下的發(fā)電效率Fig.4 The generation efficiency under different resistance loads

3.2 電池負(fù)載實驗結(jié)果與分析

液壓發(fā)電系統(tǒng)在不同充電電壓下的發(fā)電特性參數(shù)曲線如圖5所示。

從圖5可以看出，由于啟動壓力和關(guān)閉壓力均相同，在蓄能器容積不變的情況下，蓄能器存儲的能量是一樣的，隨著充電電壓的不斷升高，單次儲能后的發(fā)電時間越來越短，當(dāng)充電電壓為350 V時，發(fā)電時間為108 s，當(dāng)充電電壓為600 V時，發(fā)電時間只有63 s；隨著充電電壓的不斷升高，電流和發(fā)電功率的曲線越來越陡，發(fā)電平均功率越來越大，而發(fā)電電流的變化范圍（2～4 A）基本相同，只是由于發(fā)電時間的變短，發(fā)電電流曲線和發(fā)電功率曲線一樣變得越來越陡。對比圖3（a）和圖5（a）可知：在電阻負(fù)載下，電壓隨著發(fā)電時間逐漸下降；在電池負(fù)載下，電壓并沒有下降，而是維持在一個相對恒定的值。由于發(fā)電機(jī)的電壓值和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比[9]，因此，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速也基本處于恒定值。

圖5 不同電池負(fù)載下的發(fā)電特性參數(shù)曲線Fig.5 The power generation characteristic parameter curves under different battery loads

在電池負(fù)載情況下，發(fā)電機(jī)輸出的能量Eout，2可以表示為

測得的發(fā)電特性參數(shù)如表1所示。從表1可以看出，隨著充電電壓的增大，發(fā)電效率從最高的75.3 9%降到了66.0 1%。

表1 不同充電電壓下的發(fā)電效率Table 1 The generation efficiency under different charging voltages

液壓發(fā)電系統(tǒng)在不同啟動壓力下的發(fā)電特性參數(shù)曲線如圖6所示。從圖6可以看出：隨著啟動壓力的升高，發(fā)電時間逐漸變長；發(fā)出的電能[圖6（c）中曲線下方的面積]也逐漸增多；改變啟動壓力，發(fā)電機(jī)的電壓基本不變（330 V左右）；隨著啟動壓力的升高，發(fā)電機(jī)的電流逐步增大。

圖6 不同啟動壓力下的發(fā)電特性參數(shù)曲線Fig.6 The power generation characteristic parameter curves under different start-up pressure

綜合可知，在電池負(fù)載情況下，發(fā)電電壓與設(shè)定的充電電壓呈正比，發(fā)電電流與設(shè)定的啟動壓力成正比。

通過式（5），（6）計算出的液壓發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率如表2所示。從表2可以看出，隨著啟動壓力的增加，發(fā)電效率呈現(xiàn)出緩慢增加的趨勢，當(dāng)啟動壓力為8 MPa時，發(fā)電效率為69.97%，當(dāng)啟動壓力增加至16 MPa時，發(fā)電效率增加到了77.9 2%。

表2 不同啟動壓力下的發(fā)電效率Table 2 The generation efficiency under different start-up pressure

4 結(jié)論

①在發(fā)電機(jī)接電阻負(fù)載時，發(fā)電電壓和電機(jī)轉(zhuǎn)速均隨著能量的釋放一直在變化。隨著電阻阻值的減小，發(fā)電時長逐漸增加，發(fā)電電壓、電機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)電功率曲線均變的平緩，發(fā)電效率先增大后減小，存在一個最優(yōu)的負(fù)載阻值。

②在發(fā)電機(jī)接電池負(fù)載時，減小電池負(fù)載的充電電壓值，發(fā)電時長變長，發(fā)電機(jī)電壓和轉(zhuǎn)速逐漸減小，而發(fā)電電流基本不變，發(fā)電電流曲線隨著發(fā)電時長的增加而變得更為平緩，發(fā)電功率曲線也更趨于平緩，發(fā)電效率隨著充電電壓值的減小而升高。增大啟動壓力，發(fā)電時長也會增加，與改變充電電壓的情況剛好相反，此時電壓值基本不變，而發(fā)電機(jī)電流會逐漸增加，發(fā)電功率也會逐漸增大，并且發(fā)出的電能也會增多，發(fā)電效率也會逐漸增加。