一种波浪能转换装置及其液压式PTO变阻尼控制策略研究

牛宏伟，池 波



一种波浪能转换装置及其液压式PTO变阻尼控制策略研究

牛宏伟，池 波

（中海油田服务股份有限公司，北京 101149）

本文提出一种波浪能转换装置来产生电能，为水下装置提供持续的能源供给，建立了其液压式PTO的数学模型。为提高装置对海况的适应性和能量俘获效率，分析了其实现变阻尼控制的方法，对不同海况下和波浪周期内的变阻尼控制策略进行了数值仿真。

波浪能转换装置 液压式PTO 变阻尼控制

0 引言

布置水下传感器网络是水下海洋观测的主要手段之一。它是将能耗较低、具有短距离通信的水下传感器节点部署到指定海域，利用节点的自组织能力自动建立起观测网络[1]。由于水下无线传感器网络的节点之间没有光电复合缆的连接，节点可以随时根据观测需要布放到目标海域，具有非常强的灵活性。但节点不能通过光电复合缆向岸基电站获取能源，其供电一般是通过蓄电池实现，大大限制了水下无线传感器网络的工作时间。这也是水下无线传感器网络与海底有线观测网相比最大的短板。

如果无线传感器节点能够从海洋环境中获取可持续的能源，那么水下无线传感器网络将具有比肩海底观测网络的优势。

1 一种为水下设备供电的波浪能转换装置

如图1所示为水下设备供电的一种波浪能转换装置的总体结构组成。图中左上部图形为局部放大图，其余为三个角度的视图，主要由浮体、阻尼板、张力缆、鸭头摆、PTO系统（摆动液压缸、往复液压缸）及系泊系统组成。其中，浮体与阻尼板之间的四根张力缆在进入浮体后均经过一组滑轮组后系固在卷筒上；滑轮组由两个定滑轮和一个动滑轮组成；动滑轮的轴与往复液压缸的活塞杆铰接，往复液压缸缸体固连在浮体上；阻尼板为可调压载的沉箱结构，阻尼板排空压载时受负浮力；浮体吃水部分为n形结构，液流可从下部穿过，以利于鸭头摆与波浪传播方向形成较大的夹角；鸭头摆形状似鸭头，具有颈部、头部及嘴部，颈部与浮体铰接，头部通过摆动液压缸与浮体铰接；摆动液压缸及往复液压缸的油路与PTO系统相连接。装置采用单点系泊方式，阻尼板与系泊缆相连接，同时光电复合缆通过与系泊缆松弛捆绑的方式接入海底节点，光电复合缆一方面将波浪能发电装置产生的电能输送给海底节点，同时将节点的观测数据传送给浮体上天线，实现观测数据的实时传送[2]。

图1 一种波浪能转换装置

2 波浪能转换装置液压式PTO

PTO系统是波浪能发电的能量中间转换环节，一般是将波浪能转换装置俘获的动能或势能带走送给二次转换环节。液压传动具有柔性、易于调速、传递功率大、功率重量比大、抗冲击性好、抗过载性好的特点，因此在波浪能发电传动领域广泛使用液压传动的形式。尤其是在液压式PTO中加入蓄能器，能很好地起到稳压、蓄能的作用，克服了波浪能不稳定的缺点[3]。

图2 液压式PTO系统组成

如图2所示为水下设备供电的波浪能转换装置液压式PTO系统，该系统主要包含：用于传递波浪能转换装置俘获的波浪能的往复及摆动液压缸组、用于控制油路导通方向的整流阀组、用于过高压力时卸荷的安全阀、用于蓄能稳压的高压蓄能器、用于驱动发电机的液压马达、用于储存和补充液压油、保证背压的低压蓄能器、用于向闭式液压系统补油的补油回路等。

3 波浪能转换装置液压式PTO仿真模型

在液压式PTO系统中主要有液压缸、蓄能器、液压马达等核心液压元件。对于液压缸，如图3所示为向有杆腔和无杆腔运动的示意图[4]：

图3 液压缸受力示意图

在波浪作用下向无杆腔运动时速度[5]：

稳态时的平衡方程为（3-2）[5]：

杆腔运动时速度（3-3）[5]：

稳态时的平衡方程为（3-4）[5]：

式中：1、2为液压缸速度，v为高压侧流量，1、2分别为无杆腔活塞面积、有杆腔活塞面积，、分别为活塞直径、活塞杆直径，1、2分别为有杆腔、无杆腔压力。

对于液压马达：

4 基于部分液压缸旁通的变阻尼控制策略

4.1 液压缸旁通的变阻尼控制策略

在本文的液压式PTO系统中设计有六个液压缸，其中两个摆动液压缸的驱动力分别来自于鸭头摆，四个往复运动液压缸的驱动力共同来自于浮体升沉运动。往复运动的四个液压缸中对角布置的液压缸处于浮体稳定性的考虑进行了短接，因此是油路独立的两组液压缸。这两组液压缸的特点是共同承担浮体升沉运动作用的力。根据这一特点，提出一种通过旁通部分液压缸的方法实现变阻尼控制，从而提高做功的时长、能量俘获效率。具体是这样实现的：当波浪激励力较小时，B1、B3组液压缸旁通而独立出PTO系统时，作用力将完全作用于另一组，相当于活塞的作用面积减小，阻尼减小，仍接入系统的B2、B4液压缸输出压力将会增大，从而克服背压实现做功，如图4（a）所示；当波浪激励力增大时，将旁通的液压缸组B1、B3再次接入系统，相当于增大了活塞的作用面积，阻尼增大，如图4（b）所示。液压缸的接入与否通过高速开关阀来实现[6]。

4.2 海况变弱时的变阻尼控制效果

当海况变弱时，波浪能转换装置效率将会降低甚至不能工作，在仿真模型中通过调整液压缸激励的幅值大小来模拟海况的变化。

1）不采用部分液压缸旁通的变阻尼控制策略时。当不采用部分液压缸旁通的策略时，如图5所示为在不同激励下高压侧系统压力的变化情况，可以看出随着波浪激励的减小高压侧的稳定压力随之减小。当海况过于弱时液压缸输出的油液不足以维持高压侧压力的稳态变化，系统压力间歇性突变，如图5中激励力输入幅值为5 kN和6 kN时的情况。

2）采用部分液压缸旁通的变阻尼控制策略时，通过对一组液压缸进行旁通，如图6所示旁通一组液压缸后在不同海况下高压侧的系统压力。与图5相比，看出在5 kN、6 kN的较弱海况下液压缸的输出压力能够克服蓄能器的预充压力，PTO系统能够较为稳定的俘获波浪能，很明显的提高了装置对海况的适应性，保证了水下无线传感器网络在长期的较弱海况下的电能供给。

图4 基于液压缸旁通的变阻尼控制策略

图5 不同激励下的高压侧系统压力（阀后）

图6 不同激励下部分液压缸旁通后高压侧系统压力（阀后）

如图7所示为对一组液压缸旁通后不同海况下PTO系统的输出功率，可以看出幅值为5 kN、6 kN的弱海况下输出功率与旁通之前相比已经变得稳定，波动率大大降低，系统能够正常工作。因此，可以总结如下：在较弱海况下，对于本文中的混合型波浪能转换装置，采用液压缸旁通的变阻尼控制策略能够明显的改善弱海况下的俘能效果，提高了装置对海况的适应性，对实际应用具有一定的参考价值。

图7 采用变阻尼控制策略后不同激励下PTO系统输出功率

图8 液压缸旁通时长对高压侧系统压力的影响

图9 压缸旁通时长对PTO系统的影响

4.3 波浪周期内变阻尼控制策略

周期内的液压缸旁通时长决定了不同阻尼下的工作时长，最终也会影响能量的俘获效果。旁通时长的大小通过调整PWM波占空比来实现。本文分别研究了0、0.25、0.50、0.75四种占空比下的PTO系统的俘能效果。如图8所示为不同占空比下高压侧的系统压力，其中占空比为零表示整个波浪周期内高速开关阀始终处于右位，即液压缸组未被旁通出系统。图9为不同占空比下PTO系统的输出功率情况。可以看出，通过周期内旁通部分液压缸的方法高压侧系统压力及输出功率大部分情况下均有所提高，在一定的占空比下，周期内液压缸旁通的变阻尼控制策略对于提高能量俘获效率是有作用的。

同时，可以看出占空比为0和0.25时高压侧的系统压力及输出功率几乎重合，表明在一个周期内部分液压缸旁通时长为25%时对PTO系统几乎没有影响。其原因主要是旁通时长过短，当被旁通的液压缸重新接入系统时，旁通状态下液压缸的输出压力仍然达不到高压蓄能器的预充压力，单向阀无法导通，旁通时间范围内波浪能没有做功。

5 结论

本文提出一种波浪能转换装置来产生电能为水下设备尤其是传感器网络节点提供持续的能源供给，建立了其液压式PTO的数学模型。为提高装置对海况的适应性和能量俘获效率，分析了其实现变阻尼控制的方法，对不同海况下和波浪周期内的变阻尼控制策略进行了数值仿真，结果表明部分液压缸旁通的变阻尼控制策略能增加波浪能转换装置在变化海况下的做功时长，提高海况适应性和能量的俘获效率，是一种有效控制策略。

[1] 尹路, 李延斌, 马金钢. 海洋观测技术现状综述[J]. 舰船电子工程, 2013(11): 4-7.

[2] 张大海. 浮力摆式波浪能发电装置关键技术研究[D]. 浙江大学, 2011.

[3] 马雅丽, 黄志坚. 蓄能器实用技术[M]. 化学工业出版社, 2007.

[4] Mohamed K H, Sahoo N C, Ibrahim T B. A survey of technologies used in wave energy conversion systems: International Conference on Energy, Automation, and Signal, 2011[C].

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[6] Henriques J C C, Lopes M F P, Lopes M C, et al. Design and testing of a non-linear power take-off simulator for a bottom-hinged plate wave ene-rgy converter[J]. Ocean Engineering, 2011, 38(11–12): 1331-1337.

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

牛宏伟（1974-），男，本科。研究方向：电力系统及其自动化。Email: zhanghao_7128@163.com