有效利用清洁、可再生的能源,是当前主要沿海国家的战略选择[1]。作为一种品质较高的海洋能,波浪能相比太阳能、风能等可再生能源具有密度大、理论能量捕获效率以及实际效率高、能够在更长时间内产生能量、对海洋生态影响小等优势[2]。与其他可再生能源装置相比,波浪能发电装置可以更加稳定高效、更长时间的为海上用电设备提供电能,且波浪能具有储量大、分布广、受时间限制相对较小、开发和利用对环境产生的负面影响较小等特点,是未来海洋能利用的主要方向[3,4,5,6]。

波浪能发电装置种类繁多,当前开发利用波浪能的方式主要有[7,8,9,10]:利用海洋波浪上下起伏所产生的空气流的能量发电;装置运动部件与波浪接触发生垂荡、纵摇等运动,利用俘获的海浪能量发电;波浪涌入特殊流道,波浪能将海水引入到高水位蓄水池内,利用水位差实现发电。

液压式波浪能量传递系统可以将浮体俘获的波浪能通过液压油的压力能进行传递,继而转换为方便利用的能量,其具有工作平稳、柔性传输、蓄能稳压、传递大扭矩和过载保护等特点,刚好适用于复杂海况下波浪能装置的能量传递,液压能量传动方式在波浪能装置中占据主导地位[11]。

此外,发展海洋仪器,开展海洋观测、监测、监视和通信活动,是提高海洋信息化程度的重要方法[12]。锚泊浮台是一类海洋仪器设备搭载平台,既可以作为海洋综合信息感知层,解决海洋缺少立体信息综合感知能力的问题;也可以作为海上通信服务节点,解决目前我国海洋缺少高效、远程、可靠和安全的通信手段的问题。然而,能源供应成为锚泊浮台大范围推广和长期稳定运行的瓶颈问题,探索新型供电方式已成为解决海上供电困境的关键措施[2]。

因此,本研究将漂浮式波浪能发电装置集成于锚泊浮台,重点开展适用于锚泊浮台波浪能供电装置的液压系统研究,针对已有锚泊浮台,特殊设计液压能量转换系统,制定系统运行控制策略以及工作实现方案,提出能够为锚泊浮台连续稳定供电的蓄能发电方案,以期实现“就地取能,海能海用”。

1、液压能量转换系统设计

波浪能供电装置由机械结构、液压系统、电气系统组成,如图1和图2所示。波浪能经三级能量转换传递系统实现到电能的转化,第一级为能量俘获系统,由浮体、导向柱等机械结构组成,俘获波浪能并转换为浮体起伏运动的机械能而输出;第二级为液压传动系统,由液压缸、控制阀组、蓄能器、液压马达等液压元件组成,通过液压缸将浮体机械能转换成高压油的压力能,经液压系统实现能量的稳向、增速、稳速与传递,经液压马达将压力能转换旋转机械能对外输出;第三级为电气系统,液压马达对发电机做功,实现电能的最终转化,并经整流、稳压、逆变、滤波等后续处理后输出稳定的电力用于浮台及搭载仪器设备的供电或储存在蓄电池组。

图2装置能量转化与传递过程

波浪能供电装置的主体结构与组成如图3所示,主要由浮体、导向装置、液压缸和液压能量传递系统等构成。

锚泊浮台的底舱位于水面20m以下,并通过锚链固定,正常海况下,锚泊浮台受波浪影响较小,能够稳定漂浮于海面。为适应锚泊浮台的工况特点,采用振荡浮子式波浪能发电方案。2根导向柱通过上、下安装座实现安装固定,上安装座通过浮台立柱连接架固定安装在3根立柱之间,下安装座通过焊接底座固定在浮台下甲板,并由相应的定位机构保证导向柱安装精度。浮体与导向柱配合安装,并通过连接法兰与液压缸缸筒连接。在波浪作用下,受导向结构的限制,捕能浮体仅能够在锚泊浮台上、下甲板之间的区域内发生垂荡运动。

图1波浪能供电装置的组成

图3适用于锚泊浮台的波浪能供电装置结构图

液压缸活塞杆通过支撑连接架与浮台上甲板固定连接,连接液压缸上、下油腔的管道内置于活塞杆中,并经相应的管路穿过浮台上甲板与油箱连接。发电机组与蓄能器组安装在浮台底舱中,布放在上甲板与底舱的液压元件和电气元件分别通过布放于立柱中的液压管路、电力与控制线路实现连接,电气与控制系统内置于底舱。

波浪能供电装置液压系统的主要功能是实现发电与浮体下潜。系统发电工作实现过程如图4所示,浮体下潜工作实现过程如图5所示,应急蓄能器充油工作实现过程如图6所示。

根据各工作状态实现过程,对系统传动回路进行了设计,液压能量转换系统原理如图7所示,系统主要由发电回路与浮体下潜回路组成,包含液压缸油腔配流支路、大小功率发电支路、浮体下潜支路和卸荷支路等,各支路之间相互导通配合,使系统满足相应的工作模式要求。

图4液压系统发电工作实现过程

图5液压系统浮体下潜工作实现过程

图6应急蓄能器充油工作实现过程

图7波浪能供电装置的液压能量转换系统原理图

1)系统发电工作

液压缸活塞杆固定,浮体与缸筒连接为一体,浮体与波浪相互作用带动缸筒相对液压缸活塞发生运动。当浮体向上运动时,低压液压油由油箱经单向阀5-2吸入液压缸上腔,高压油自液压缸下腔经单向阀5-3流向发电主油路。当浮体向下运动时,低压液压油由油箱经单向阀5-1吸入液压缸下腔,高压液压油自液压缸上腔经单向阀5-4流向发电主油路。发电主油路的高压油先流经并联在主油路的发电蓄能器组,再流向不同功率的发电机组,经液压马达实现能量的输出。发电蓄能器组通过单向节流阀14与主油路连接,电磁开关阀用于蓄能器卸荷,电磁铁5YA持续通电实现主动卸荷。

机械定位电磁阀17控制接入主发电油路的蓄能器数量,满足不同波况接入不同功率马达时最佳蓄能器参数要求,电磁铁6YA和7YA通电分别控制增加与减少接入蓄能器数量。电磁先导阀大功率马达与主发电油路之间的导通与阻断控制,机械定位电磁阀23实现对小功率马达与主发电油路之间的导通与阻断控制。其中,机械定位电磁阀具有电磁铁通电切换阀芯状态、断电后保持阀芯状态的特点,大功率马达的额定流量超过机械定位电磁阀容许的最大流量,因此采用以机械定位电磁阀为先导阀、插装阀为主阀体的复合阀来满足相应的工作要求。电磁铁1YA与2YA通电分别控制大功率马达的接入与阻断,电磁铁3YA与4YA通电分别控制小功率马达的接入与阻断。在液压马达进油口前接入调速阀,调定系统最大发电容许流量。

在油路中设置相应的安全阀组与传感器元件,限制发电回路最高压力。压力传感器SP1与流量传感器SQ1分别测量液压缸流出高压油液的压力和流量,SQ2测量流向液压马达的高压油流量,SP2和SP3分别测量大功率、小功率发电支路的压力,SQ3和SQ4分别测量大功率、小功率发电支路的流量,SP4用于监控回油路压力,SP5用于监控泄油路压力,温度传感器ST1和液位传感器SY1分别用于监控油箱内液压油的温度和液位。

2)浮体下潜工作

当上限位行程开关CK1在短时间内被连续触发时,表明波况超过装置正常工作所容许的最大波高,浮体下潜避险。浮体下潜时,启动应急电机带动液压泵为液压缸下腔供能,液压缸带动浮体下潜,单向节流阀28调定浮体下潜的速度。当浮体下潜至设定位置处,下接触磁性开关CK2触发,液压缸上、下腔油口被阻断,浮体锁定。在应急电机无法启动时,接入应急蓄能器提供浮体下潜动力,工作过程与启动电机实现下潜基本一致。

在海况从恶劣恢复到适合正常发电后,液压缸与发电回路接通,浮体锁定被解除,在浮力作用下自然上浮至正常发电位置,系统回收上浮能量用于发电,经发电回路节流作用限制浮体的上浮速度,促使浮体上浮稳定。

2、液压能量转换系统的控制策略

2.1 总体运行策略

波浪能供电装置液压系统的工作模式包括:正常发电模式、生存模式和故障模式,其中正常模式包含应急蓄能器充油子模式,各工作模式之间的切换如图8所示,切换条件被触发后,系统切换工作模式:

图8液压系统工作模式切换示意图

(1)正常发电模式内不同发电状态自循环切换;

(2)正常发电模式转生存模式:CK1触发频率≥3次/10min,风速W≥8m/s或岸基发送指令,生存模式下,系统发电油路被阻断,浮体下潜与锁定;

(3)生存模式转正常发电模式:风速W<8m/s,或岸基发送指令,浮体解除锁定,发电油路导通,浮体上浮,系统由生存状态转换至正常发电状态;

(4)生存模式转故障模式,浮体无法正常下潜或上浮,切入故障模式,系统不再切换至正常发电状态,由故障模式主导系统工作直至故障解除;

(5)正常发电模式转故障模式:设备故障报警,不可进行正常发电工作;

(6)故障模式下,若为严重故障,进入生存模式,浮体下潜;

(7)正常发电模式下,系统电力充足时,启动应急蓄能器充油子模式。

液压系统的总体运行策略如图9所示。

液压能量转换系统启动后,首先对系统中各类传感元件、电磁开关等监测元件进行供电,系统进行状态自检,读取系统工作状态反馈数据,控制系统进入相应的工作模式。

图9液压系统的总体运行策略

图10发电子模式之间相互切换过程控制逻辑图

故障模式的优先级最高,生存模式次之,正常发电模式最低,在判断系统不进入故障模式和生存模式后,系统方可进入正常发电模式。正常发电模式下,系统保持巡检故障信息和CK1触发信息,一旦触发进入故障模式、生存模式的条件,系统自动跳出正常发电模式下的发电循环状态。进入故障模式后,必须经人工干预排除故障后才可进行系统重启。进入生存模式后,耗电元件全部断开电源,系统进入休眠状态,仅监测海况信息。恢复适合装置发电工作的海况后,系统重启。

2.2 正常发电模式控制策略

正常发电模式主要由发电子模式1、发电子模式2和应急蓄能器充油子模式组成。发电子模式1与发电子模式2之间相互切换过程如图10中所示。

发电子模式1:保持5kW发电机组(DG5)与备用发电蓄能器接入发电回路,系统进入5kW发电工作循环。

发电子模式2:断开DG5与备用发电蓄能器,保持1kW发电机组(DG1)接入,系统进入1kW发电工作循环。

当系统进入正常发电模式时,首先将液压缸与DG5接入发电回路。若浮体由生存模式切换到正常发电模式,将液压缸接入发电回路即解除了浮体的锁定。系统默认运行发电子模式1,当DG5平均发电功率低于1kW时,系统切换发电子模式2;当DG1平均发电功率高于1kW时,系统切换发电子模式2;当系统压力低于5MPa时,不可连续发电,进入间断蓄能发电状态。相对于DG1,DG5适应海况变化的能力更强,可靠性更高。

此外,系统根据DG5平均发电功率的大小决策发电回路是否接入DG1:当DG5平均发电功率高于5kW时,系统控制DG1接入;在DG5平均发电功率低于4kW后,系统控制DG1发电机组断开,系统进行发电状态切换自循环。

应急蓄能器充油子模式的控制逻辑如图11所示。

图11应急蓄能器充油子模式控制逻辑图

应急蓄能器充油子模式定时启动,可与发电子模式1或发电子模式2同时运行,但不可相互切换。进入应急蓄能器充油子模式后,在系统蓄电池电量充足的情况下,启动应急液压泵将压力异常的应急蓄能器充油至压力正常。

2.3 生存模式控制策略

生存模式的控制逻辑如图12所示。

图12生存模式的控制逻辑图

当CK1在短时间被连续触发或者系统出现严重故障时,均引起系统进入生存模式。生存模式中,首先进行发电回路的卸荷与发电机组的断开,以防止系统内压力急剧对发电机组造成损坏。随后切断发电回路与液压缸油腔的连接,将下潜回路接入液压缸油腔,默认通过应急液压泵供能来推动液压缸带动浮体下潜。在足够长的时间后,若浮体未下潜至设定深度,则开启应急蓄能器储备压力源推动浮体下潜。

2.4 故障模式控制策略

故障模式的控制逻辑如图13所示。

图13故障模式的控制逻辑图

液压能量转换系统启动后,自动进行故障信息巡检,巡检工作过程不受系统工作模式的影响。在系统出现严重故障时,装置处于不稳定状态,会造成浮台结构的损坏,此时系统进入生存模式,浮体下潜,装置不再为浮台供电,下潜至最低位置的浮体,受到波浪运动的影响较低,降低了破坏浮台的风险。当故障为一般故障时,装置还可以正常发电,但是为避免故障加剧,系统进入不反复切换发电状态的故障发电子模式,此时发电回路接入5kW发电机组,不再根据波况切换不同的发电功率状态。

3、工作模式控制系统设计

波浪能供电装置的工作模式控制系统实现液压系统工作模式切换的自动控制、动作指令的远程控制以及系统运行状态/故障信息的监测等,并将监控信息上传,管理人员在岸上通过任务系统即可查阅系统工作状态;在系统出现严重报警时,通过人工干预实现浮体下潜,并安排人员及时到现场排除故障,控制原理如图14所示。

4、结论

本研究根据锚泊浮台的结构特性和工况特点,特殊设计了波浪能供电液压能量转换系统,并分别制订了发电模式、生存模式、故障模式3种控制运行策略;提出工作模式控制系统的原理方案,实现对液压系统工作的自动/远程控制、系统保护等工作的监控以及工作状态信息/故障反馈信息的上传。据此实现稳定的波浪能发电,并保障整套基于锚泊浮台波浪能发电系统工作的可靠性与安全性。

图14波浪能装置工作模式控制系统原理图

参考文献：

[1]郑崇伟,李崇银.海洋强国视野下的“海上丝绸之路”海洋新能源评估[J].哈尔滨工程大学学报,2020,41(2):175-183.

[2]张伟.液压波浪能发电装置稳定性及控制策略研究[D].济南:山东大学,2018.

[3]任玉刚,刘延俊,丁忠军,等.基于深海运载器的小型岩芯取样钻机发展现状分析[J].海洋技术学报,2019,38(3):92-99.

[4]高红,梁睿智,築地徹浩.波浪能转化液压系统动态特性及能量转化的研究[J].液压与气动,2019,(6):1-4.

[7]王炳通,何宏舟,郑松根,等.基于液压传递的典型波浪能发电装置研究综述[J].能源与环境,2019,(5):2-5,8.

[10]陈东,王峣,高文磊.共振波力发电装置液压换能系统控制研究[J].液压与气动,2017,(5):41-47.

[11]贺彤彤.锚泊浮台波浪能供电装置设计优化与水动力性能研究[D].济南:山东大学,2019.

[12]张家明,黎明,张帅,等.100kW组合型振荡浮子式波浪发电装置能量转换系统研究[J].太阳能学报,2017,38(12):167-174.

陈志,王登帅,刘延俊,王冬海,王伟,薛钢.适用于锚泊浮台的波浪能供电装置液压系统设计[J].液压与气动,2020(11):99-106.

基金:海洋可再生能源专项资金项目(GHME2017YY01);NSFC-山东联合基金项目(U1706230).