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关于一种蓄能与电力系统的物理试验模型的分析

2020-07-03 211 上传者：管理员

摘要：针对基于蓄能器的波浪能发电系统中液压能到电能转换环节的效率问题，设计一种蓄能与电力系统的物理试验模型，该模型将波浪不规则往复运动能量收集存储，通过对蓄能器的释放进行控制，将波浪能转换成稳定、连续的旋转机械能，转化为电能输出。通过试验研究的方式，对基于蓄能器的液压蓄能式发电系统的发电特性、蓄能器工作特性、系统压力分布特性展开试验研究，发现降低蓄能器的初始压力、提高发电系统的释放压力可提高发电效率；蓄能器出现压力不能完全释放的现象，并且充气压力、负载电阻越大现象越明显；提出蓄能器充气压力、释放压力的选择方法，得到提高蓄能器工作效率的有效手段，探讨蓄能发电系统的控制方案，为基于蓄能器的发电系统的资源配置、控制策略的设计提供参考依据，具有一定的应用价值。

关键词：
波浪能
波浪能转换
海洋资源
液压传动
蓄能器
试验研究
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随着陆地资源开发的加剧，海洋能源的开发与利用成为关注的焦点[1,2]，波浪能由于具有能量密度大、能源分布广泛等特点，其发电技术得到快速发展[3]，英国、美国、澳大利亚、丹麦等国家的波浪能开发技术和应用规模居世界领先地位，其中部分样机已实现商业化应用[2]。在国家自然科学基金会、科技部、中国科学院相关科技计划和专项资金的支持下，中国有十几个研究所和大学开展了波浪能转换装置的研究[4]。中国的波浪能技术已进入工程样机实海况测试阶段[4]，基本实现自主创新的技术过程，正在对可靠性、实用化、高效转换等方面的技术难点进行技术攻关[4]。基于蓄能器的液压式波浪能转换形式，能实现对不稳定波浪能的吸收、存储、集中释放，实现电能的平稳输出[5]，由于具有良好的工作性能、转换效率高、惯性小、无需增速机构、输出稳定、可过载保护、应用安全的特点，在波浪能发电装置转换形式中占据主导地位[6,7]，目前，国内外学者和科研团队在该领域开展了大量研究工作，并取得了一系列成果。陈启卷等[7]建立囊式蓄能器及管路的动力学模型，探讨了充气压力为额定压力的关系，及接口管路对发电特性影响；宋瑞银等[8]针对波浪能液压蓄能系统恒功率控制方法进行研究，得到液压蓄能发电的工作压力与负载有关，并研究了功率与比例阀的开口度的关系；曹飞飞等[9]对比分析无蓄能器和含蓄能器时波能发电装置的工作特性，探讨了蓄能器初始压力、释放压力对装置发电量及发电功率的影响。对液压发电系统中蓄能器工作特点的研究文献相对较少。

本文在上述蓄能器的液压式波浪能转换形式研究成果的基础上，通过设定蓄能器的充气压力、释放压力、负载电阻等参数的变化，对基于蓄能器的液压蓄能式发电系统的发电特性、蓄能器的工作特性、系统压力分布特性展开试验研究，并进一步开展基于蓄能器的发电系统的压力资源配置及其控制策略的研究。

1、液压发电系统试验模型方案设计

试验模型发电系统的工作原理如图1所示，主要包括电动机、液压泵、马达、蓄能器、压力传感器、流量传感器、压力继电器、电磁换向阀、发电机等。试验过程中，电动机带动液压泵工作，将液压能逐渐积累至蓄能器，此过程中压力继电器对蓄能器内部的压力进行实时监测，当压力达到压力继电器1的额定值，压力继电器1向电磁阀释放触发信号，电磁阀打开，蓄能器内部的液压油驱动液压马达带动发电机旋转实现液压能到电能的转换，释放过程中蓄能器压力逐渐降低，当压力降低至压力继电器2的额定值，压力继电器2向电磁阀释放触发信号，电磁阀关闭，蓄能器进入下一个蓄能周期。

图1波浪能液压蓄能发电系统原理

发电系统中布置多个压力传感器和流量传感器，实现对发电系统内部压力、流量数据的记录，为后期发电系统的效能评估提供数据。

2、试验模型样机配置

试验模型样机如图2所示。试验中采用自主设计研发的海洋能发电测试系统，实时监控液压系统压力、流量变化，记录液压马达的转速及发电系统的输出电压、电流值。液压发电系统的额定工作压力5.0MPa，电动机的额定转速1420r/min，液压泵的排量1mL/r，液压马达排量8mL/r，发电机额定功率50W，蓄能器选用公称容积2.5L，充气压力分别选取0.5、1.0、1.5MPa规格的囊式蓄能器。发电系统产生的交流电经过整流后以直流电形式输出，并通过可调电阻负实现电能的消耗。

图2发电试验系统组成

3、液压发电系统各部件数学模型

液压泵实现机械能向液压能的转化，简化内摩擦及转动部分的惯性，液压泵的特性方程为：

式中，qB——泵的输出流量，m3/s;nB——液压泵的转速，r/min;VB——液压泵的排量，m3/r;G——反映液压泵内泄漏程度的液导，m3/（Pa·s);p1、p2——泵的出、进油口的压力，Pa。

根据波义耳定律，蓄能器存储液压油体积为：

式中，Vf——液压油体积，m3;Vacc——蓄能器公称容积，m3;ppr——蓄能器预充压力，Pa;pair——大气压力Pa;pacc——蓄能器压力，Pa。

蓄能器的释放流量为：

蓄能器输出的流量为液压马达的输入，液压马达的输出转矩为：

式中，VM——液压马达排量，m3/r;pΔ——液压马达进出口压力差，Pa；ηM——液压马达的机械效率。

发电机输出功率与负载电阻的关系为：

式中，N——每相绕组串联匝数；K——电动势绕组因数；μ——发电机电枢绕组极对数；nM——系统转速，r/min；Φ——磁通量；R1——发电机负载电阻，Ω；Rr——发电机电枢电阻，Ω；k——发电机效率；ω——液压马达角速度，rad/s。

4、基于蓄能器的发电系统发电特性研究

4.1充气压力、负载阻值对发电特性的影响

图3、图4为充气压力分别为0.5、1.0、1.5MPa的蓄能器，在相同释放压力（5.0MPa）不同负载电阻的条件下，1个发电周期内发电系统的输出电流、电压随时间的变化情况。可以发现，同一个蓄能器，接入的负载电阻越大，发电系统的输出电流越小，电压越大，发电周期越短；负载电阻越大，输出电流、电压随时间的变化速率越快。在相同负载电阻，相同释放压力的条件下，蓄能器的充气压力越大，发电系统的发电周期越短，输出电流、电压随时间的变化速率越快。蓄能器作用下的发电系统的输出电流、电压值均出现瞬间增大，之后逐渐减小的变化过程，并且变化速率随时间逐渐减缓。与充气压力为0.5和1.5MPa的蓄能器相比，充气压力为1.0MPa时，试验模型的瞬时输出功率较好。基于蓄能器的波浪能发电系统明显克服了波浪能周期短、不稳定、非持续的缺点，在连续输出时稳定性还存在不足。

图3发电机输出电流

图4发电机输出电压

图5为充气压力0.5、1.0、1.5MPa的蓄能器，在相同释放压力，不同消耗电阻作用下的发电周期、总发电量、平均发电功率随负载电阻的变化情况。

图5发电特性

如图5a所示，发电系统的发电周期随负载电阻的增加逐渐减小，相同负载电阻条件下，蓄能器充气压力越大，系统的发电周期越短，发电周期对负载电阻的响应越稳定。如图5b所示，发电系统在1个发电周期的总发电量随接入负载电阻值的增加先逐渐增大后逐渐减小，在负载电阻为10～25Ω时试验模型系统的总发电量最大。与充气压力为0.5、1.5MPa的蓄能器相比，充气压力为1.0MPa的蓄能器，在1个发电周期里发电量最多，约为700J。如图5c所示，发电系统的平均发电功率随负载电阻值的增加出现先逐渐增大后逐渐减小的趋势；在相同负载、相同释放压力的条件下，蓄能器充气压力越大，试验模型的平均发电效率越高。

考虑到发电系统的使用寿命及发电系统的输出效率，在满足发电机对最低扭矩的需求条件下，降低蓄能器的充气压力，有利于提高发电系统的工作性能、降低负载的电阻、提高发电系统的输出电流，进而提高发电系统的发电效率。

4.2蓄能器释放压力对发电特性的影响

图6为充气压力1.0MPa的蓄能器在释放压力分别为5.0、4.0、3.0MPa不同消耗电阻作用下的发电周期、总发电量、平均发电功率随负载电阻的变化情况。可以发现：在1个发电周期中，释放压力越大，发电周期、总发电量、平均发电功率越大，发电系统在负载电阻为10～25Ω时发电特性处于最优阶段，其特性不随释放压力的变化而变化，释放压力的调节不影响发电系统的本质特性。在蓄能器的性能参数允许的范围内，适当增加蓄能器的释放压力，能有效延长发电时间，在提高发电效率的同时延长蓄能器的使用寿命。

图6释放压力对发电特性的影响

5、蓄能器工作特性研究

针对发电系统中蓄能器内部压力及输出流量随时间及负载电阻的变化情况进行研究。以发电系统中压力计2所测压力pp2为蓄能器的压力变化，以压力计3所测压力pp3为驱动发电机的有效压力。

5.1充气压力及负载对蓄能器工作特性的影响

图7、图8为充气压力0.5、1.0、1.5MPa的蓄能器，在释放压力5.0MPa，不同消耗电阻作用下，1个发电周期内蓄能器的压力pp2、流量qacc的历时变化曲线。

图7蓄能器压力变化曲线

图8蓄能器流量变化曲线

如图7、图8所示，蓄能器的工作周期与发电系统的发电周期变化规律一致。同一个蓄能器，接入的负载电阻值越大，蓄能器的释放速度越快，随时间变化越急促；预充气压力越大的蓄能器，相同负载条件下，释放速度越快，单位时间速度的变化越剧烈。蓄能器的释放过程中，释放速度先快速增加后逐渐降低，压力随液压油的释放而快速损耗，持续放油的能力逐渐减弱，这也是导致发电机系统输出电能不稳的主要原因。

5.2充气压力及负载对蓄能器残余压力的影响

发电系统中接入负载电阻值较大，发电机感应电流越小，磁力扭矩较小，马达接近空转，蓄能器释放过程中的“背压”较小，输油管内部压力迅速降低，压力继电器快速触发，留给蓄能器的反应时间较短，蓄能器压力未得到充分释放又进入到下一个蓄能周期，在蓄能器内部形成部分残余压力pcy:

图9为充气压力分别为0.5、1.0、1.5MPa的蓄能器，在相同释放压力条件下，蓄能器残余压力随负载电阻、充气压力的变化情况为如图9所示，蓄能器充气压力、负载电阻越大，残余压力越大。蓄能器残余压力是导致充气压力大的蓄能器瞬时发电特性较弱的主要原因之一。由于系统残余压力的存在，蓄能器进入稳定的工作循环后，起始压力大于发电系统设定的初始压力，并呈逐渐增加的趋势，导致蓄能器的储能时间逐渐变短，蓄能器工作频率逐渐增大，直接缩短蓄能器的使用寿命。减小蓄能器的充气压力，虽然能增加单周期蓄能器的释放体积，但蓄能器的释放速度降低，发电机的旋转速度较低，不利于发电效率的提高，降低充气压力不能有效解决发电系统的效率问题。在保证蓄能器有足够充气压力的同时降低蓄能器的残余压力是提高发电效率的有效途径。增加输出电流、增设压力继电器延时触发装置是保障蓄能器能量充分释放的有效手段。

图9蓄能器残余压力变化情况

6、控制策略设计研究

由试验研究发现，在发电系统实际样机的设计过程中，对蓄能器释放压力、释放速度的控制及压力、流速的保持是保持发电系统持续、稳定发电的前提。针对不同波浪环境及供电需求，还需结合蓄能器的工作特点，选择不同的控制策略来实现电能的平稳输出。在波浪能资源比较贫乏的海域，使蓄能器起到逐渐收集波浪能的作用，之后通过对蓄能器组的释放过程进行控制，使液压马达运转在1个基本稳定的范围，实现电能的平稳输出。原理如图10a所示，此时蓄能器的充气压力，根据发电机对最低扭矩的需求确定。在波浪能资源比较丰富的海域，波浪能捕获装置产生的液压能直接用于驱动发电系统，蓄能器在一个波浪周期中起到“削峰补谷”的稳压作用，将一个波浪周期中多余的能量暂时存储，用于补充进程中能量不足的时刻，实现能量的平稳输出，原理如图10b所示，此时蓄能器的充气压力，根据发电机额定转速的需求进行合理选择。

图10能量平稳控制方案

7、结论

1）在满足发电机最低扭矩需求的条件下，降低发电系统的初始压力、提高发电系统的释放压力，可使液压系统存储更多的液压油、延长发电时间、增大发电量、提高发电效率。

2）蓄能器工作过程中会出现压力得不到完全释放的现象，并且充气压力、负载电阻越大现象越明显；蓄能器残余压力的存在使系统的传递效率降低，瞬时发电特性变弱。增加输出电流或增加压力继电器延时触发装置能有效降低蓄能器的残余压力，提高发电效率。

3）基于蓄能器的波能发电系统在电能输出的稳定性方面还存在不足。针对不同波浪环境条件，需采取不同的发电控制策略：在波浪能资源比较匮乏的海域，使蓄能器起蓄能作用，通过对蓄能器的释放过程进行控制，实现电能的相对平稳输出；波浪能资源比较丰富时，蓄能器起到“削峰补谷”的稳压作用，辅助实现能量的平稳、连续的能量转换。

参考文献：

[1]官玮玮,陈诗.海洋可再生能源管理的国际化视野[J].现代经济信息,2018(1):20-22.

[2]金翔龙.“十三五”期间我国海洋可再生能源发展的几点思考[J].海洋技术学报,2016,35(5):1-4.

[3]马哲.振荡浮子式波浪发电装置的水动力学特性研究[D].青岛:中国海洋大学,2013.

[4]刘伟民,麻常雷,陈凤云,等.海洋可再生能源开发利用与技术进展[J].海洋科学进展,2018,36(1):1-18.

[5]史宏达,曲娜,曹飞飞,等.振荡浮子波能发电装置浮子运动性能的试验研究[J].中国海洋大学学报,2017,47(6):124-130.

[6]曲娜,刘臻.液压作用下的振荡浮子波能装置物理模型试验设计[J].中国水运,2018,18(3):109-111.

[7]陈启卷,许志翔,岳旭辉,等.波力发电液压PTO系统蓄能器特性建模与参数优化[J].应用基础与工程科学学报,2019,27(1):226-237.

[8]宋瑞银,李越,陈俊华,等.间歇性波浪能发电系统恒功率控制实验研究[J].水力发电学报,2016,35(7):99-105.

[9]曹飞飞,史宏达,赵晨羽,等.振荡浮子波浪发电装置物理模型试验研究[J].太阳能学报,2020,41(5):244-249.

宋文杰,史宏达,刘鹏,蒋庆林,于慧彬.基于蓄能器的波浪能发电系统工作特性试验研究[J].太阳能学报,2020,41(06):164-170.

基金:国家海洋局海洋可再生能源资金项目(GHME2016YY02);山东省重大科技创新工程项目(2019JZZY010902);威海市人民政府-山东省科学院产学研协同创新基金项目(2018GC02);山东省科学院院地产学研协同创新基金(YDLH41903CZ).