直接式波浪能采集的研究現(xiàn)狀與展望

陳仁文 劉 川 張宇翔

（南京航空航天大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京，210016）

引 言

目前，人類所消耗的能源仍以石油、煤炭、天然氣等傳統(tǒng)礦物能源為主。但隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)能源的需求越來越大，加速了能源的消耗，因此開發(fā)和利用可再生清潔能源已經(jīng)迫在眉睫[1]。近年來，風(fēng)能、太陽能等能源的開發(fā)利用進(jìn)展不錯(cuò)[2-3]，但對(duì)于蘊(yùn)藏極其豐富、能量密度大的海洋波浪能的開發(fā)和利用還相對(duì)滯后，需要加大研發(fā)力度。傳統(tǒng)的波能采集裝置，如點(diǎn)頭鴨式[4-5]、越浪式[6-8]、振蕩水柱式[9-11]等，由于存在轉(zhuǎn)換機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、轉(zhuǎn)換效率低、耐沖擊腐蝕能力差等缺點(diǎn)，實(shí)用性較差。近年來，一種以提高轉(zhuǎn)換效率、穩(wěn)定可靠為目的的能量采集裝置——直接式波能采集裝置，成為研究的熱點(diǎn)。本文圍繞直接式波浪能量采集的特點(diǎn)、主要類型、進(jìn)展情況、充電控制策略和電源管理等內(nèi)容，對(duì)直接式波浪能量采集研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

1 直接式波能采集的優(yōu)勢(shì)及結(jié)構(gòu)形式

1.1 波浪發(fā)電的一般結(jié)構(gòu)

波浪能采集器（Wave energy harvester，WEH）也叫波浪能轉(zhuǎn)換器（Wave energy converter，WEC），或者波浪發(fā)電機(jī)（Wave generator，WG），有很多類型。按照波能俘獲方式分類，有振蕩水柱式、浮子式、擺式、鴨子式、筏式、蚌式以及收縮坡道式等；按照波浪能量轉(zhuǎn)換方式分類，則有氣動(dòng)式、液壓式和蓄水式等[12-18]。

波浪發(fā)電結(jié)構(gòu)一般有3級(jí)，如圖1所示。第1級(jí)作用是波浪能的捕獲或者獲取，它直接接受波浪力作用，這一級(jí)的典型部件有浮體、腔體等；第2級(jí)的功能是能量傳遞，包括機(jī)械傳動(dòng)、水力傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)和氣體傳動(dòng)等，將捕獲的能量繼續(xù)傳遞至第3級(jí)；第3級(jí)負(fù)責(zé)最終的能量轉(zhuǎn)換，這一級(jí)通常是旋轉(zhuǎn)電機(jī)或者直線電機(jī)，它們負(fù)責(zé)將傳遞來的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。能量經(jīng)歷3個(gè)過程：波浪能（動(dòng)能+勢(shì)能）—液體能量、氣體能量、機(jī)械能等—電能。

圖1 波浪能采集器的3級(jí)轉(zhuǎn)換框圖Fig.1 Block diagram of wave energy harvesters

1.2 直接式海浪發(fā)電的特點(diǎn)

目前大部分的波能發(fā)電都具有3級(jí)結(jié)構(gòu)，這種發(fā)電裝置有以下一些問題需要改進(jìn)：

(1)能量轉(zhuǎn)換效率不高。很多能量轉(zhuǎn)換都要經(jīng)過幾級(jí)能量耦合和轉(zhuǎn)換，每級(jí)的能量耦合和轉(zhuǎn)換都有能量損失。因此，大多數(shù)的波浪能量轉(zhuǎn)換裝置的效率只有10%～30%[19]。

(2)波能發(fā)電裝置對(duì)波浪的適應(yīng)性較差。一般設(shè)計(jì)的波能發(fā)電結(jié)構(gòu)是在一定波浪下的最優(yōu)設(shè)計(jì)，但這種設(shè)計(jì)是固定的，是根據(jù)波浪特點(diǎn)設(shè)計(jì)與之匹配的固定波浪發(fā)電裝置，并不能根據(jù)波浪方向和波浪波高、頻率等參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)實(shí)時(shí)在線調(diào)整，以產(chǎn)生最佳功率輸出，當(dāng)波浪參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，其轉(zhuǎn)換效率會(huì)顯著下降[20]。

(3)能量收集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、抗沖擊能力差、建設(shè)成本高。當(dāng)前大部分波能發(fā)電系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機(jī)體易被腐蝕、對(duì)選材要求較高。而且，大部分能量轉(zhuǎn)換依靠液體或氣體推動(dòng)透平和電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，而其中的透平設(shè)計(jì)及其耐久性也是技術(shù)難點(diǎn)[21]。圖2所示為鴨式波浪能量收集裝置，從圖中可以看出其復(fù)雜性[22]。

然而，直接式波能采集結(jié)構(gòu)相對(duì)要簡(jiǎn)單得多。它的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中的定子和動(dòng)子直接受波浪力的作用而產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。動(dòng)子和定子上分別布置了線圈繞組和永磁體磁芯，線圈切割磁力線，從而輸出電能。這種發(fā)電裝置由于沒有第2級(jí)的中間能量傳遞環(huán)節(jié)使得結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此能量轉(zhuǎn)換效率得到提高。另外，簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)使整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)更能耐受沖擊，可靠性更高、更實(shí)用。特別值得一提的是，直接式能量采集結(jié)構(gòu)更利于實(shí)現(xiàn)在線自適應(yīng)控制，以使其在輸入波參數(shù)變化時(shí)仍能獲得最大功率輸出。

1.3 直接式海浪發(fā)電的結(jié)構(gòu)

直接式波能采集裝置的結(jié)構(gòu)主要分為以下兩類。

（1）直線式能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

直線式能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的靈感來源于直線電機(jī)。傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)是旋轉(zhuǎn)式的，由旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)永磁體旋轉(zhuǎn)，使定子上的線圈中感生出電動(dòng)勢(shì)。而這類直線式結(jié)構(gòu)由定子和動(dòng)子組成。在波浪直接作用下，定子和動(dòng)子之間受迫產(chǎn)生相對(duì)的直線運(yùn)動(dòng)，而不是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。一般有幾組繞組分布在定子上，而在動(dòng)子上則布置有永磁體陣列，使其沿軸向產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)。目前流行的點(diǎn)吸收式波能采集器就屬于這類結(jié)構(gòu)，如圖3所示[22]。這種直線發(fā)電機(jī)的定子固定在海床上，動(dòng)子連接到浮子，定子中包含繞組，動(dòng)子上有永磁陣列。當(dāng)浮子振蕩時(shí)，將在定子中感應(yīng)出電流。

新的磁性材料和變頻電子設(shè)備應(yīng)用可以大大降低直線電機(jī)的成本，使得波浪能發(fā)電利用直線發(fā)電機(jī)成為一種趨勢(shì)。相比于液壓或渦輪系統(tǒng)的復(fù)雜性帶來的可靠性和維護(hù)等問題，直線發(fā)電機(jī)更加簡(jiǎn)單，而且浮子和電機(jī)之間沒有中間裝置，直線發(fā)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械能直接轉(zhuǎn)換為電能，轉(zhuǎn)換效率高。

Trapanese等[23]設(shè)計(jì)出一種直接式WEC，該WEC包括直線發(fā)電機(jī)、電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和海水電解槽。直線發(fā)電機(jī)的使用提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。而且為了儲(chǔ)存能量，該系統(tǒng)還能產(chǎn)生氫氣。Pan等[24]提出了一種基于非對(duì)稱雙向直線開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)的WEC互補(bǔ)功率的補(bǔ)償方案，保證了WEC的輸出電壓的控制精度和系統(tǒng)魯棒性。重慶交通大學(xué)的吳林鍵等[25]提出了一種基于直線電機(jī)的“章魚”型波浪能發(fā)電裝置，如圖4所示。該裝置采用8個(gè)方向整體結(jié)構(gòu)來布置觸腳，8個(gè)觸腳均勻環(huán)繞在八角浮力盤的四周，可從各個(gè)角度迎接海浪，充分利用波浪能發(fā)電。它使用直線發(fā)電機(jī)直接將波動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，簡(jiǎn)化了中間能量傳遞的環(huán)節(jié)，降低了中間環(huán)節(jié)的功率損耗，從而提高了波浪能轉(zhuǎn)換效率。已經(jīng)建成的浮子式波浪能采集裝置有英國的Aqua Buyov裝置[26]、阿基米德波浪擺和美國OPT公司的動(dòng)力浮標(biāo)（Power Buoy）[27]等。

圖2 一種鴨式波浪能量收集裝置Fig.2 A salter duck WEC

圖3 永磁直線發(fā)電機(jī)的示意圖Fig.3 Schematic representation of permanent magnet linear generator

圖4 章魚型波浪能發(fā)電機(jī)Fig.4 Octopus wave energy generator

本文提出了一種多浮筒直接式海洋波浪采集裝置[28]，如圖5所示。這種結(jié)構(gòu)由多個(gè)浮筒級(jí)聯(lián)構(gòu)成，浮筒之間的連接部件就是直線發(fā)電機(jī)，如圖6所示。該部件的定子固定在一個(gè)浮筒中，其動(dòng)子則與相鄰的浮筒固聯(lián)。由于機(jī)械約束，定子相對(duì)轉(zhuǎn)子只能進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)。每個(gè)浮筒的下部都有偏心質(zhì)量，保證浮筒在水面不會(huì)側(cè)翻。

圖5 多浮筒直接式海洋波浪發(fā)電結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of a multi-buoy direct wave energy generator

圖6 直接式發(fā)電部件原理圖Fig.6 Schematic diagram of the direct power generation unit

（2）轉(zhuǎn)動(dòng)式能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

為了使浮筒更能與波浪耦合，同時(shí)為了結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，本文還提出了一種鉸鏈?zhǔn)缴咝尾懿杉Y(jié)構(gòu)，如圖7所示[29]。這種能量采集結(jié)構(gòu)包含若干線圈浮體和若干十字形的永磁浮體，它們間隔布置，在海浪波浪作用下起伏，從而線圈浮體與十字永磁浮體由于鉸鏈的約束，做相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。永磁浮體上布置了一種扇形Halbach永磁陣列結(jié)構(gòu)，線圈浮體上則安排了多組線圈，也成弧形布置，如圖8所示[29]。Halbach布置方式有利于增強(qiáng)單邊磁場(chǎng)，使得在相同波浪下?lián)Q能結(jié)構(gòu)能夠獲得更大電能輸出。

圖7 鉸鏈?zhǔn)缴咝尾懿杉Y(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic diagram of hinged snake-like wave energy converter

圖8 轉(zhuǎn)動(dòng)式發(fā)電部件結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of the rotary power generation part

2 直接式波浪發(fā)電過程的控制和效率優(yōu)化

直接式波浪發(fā)電系統(tǒng)從本質(zhì)上適合進(jìn)行能量采集過程的控制?？刂颇康氖窃谝欢úɡ俗饔孟芦@得最大的輸出功率，亦即獲得最優(yōu)的能量轉(zhuǎn)換效率。因?yàn)榭刂剖冀K是在自適應(yīng)跟蹤最大功率輸出，所以稱其為最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum power point tracking，MPPT）控制?？刂频母麻g隔可以從小時(shí)到毫秒級(jí)保證其實(shí)時(shí)性。對(duì)直接式波浪發(fā)電系統(tǒng)控制包含兩個(gè)方面：一是對(duì)發(fā)電裝置中線圈電流的控制，通過調(diào)節(jié)電磁阻尼，控制波能采集結(jié)構(gòu)對(duì)波浪的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)；二是調(diào)節(jié)浮筒長度、彈簧剛度等參數(shù)，以使受波體能夠適應(yīng)波浪參數(shù)的變化。

2.1 充電電流控制

直接式結(jié)構(gòu)中的電機(jī)定子和動(dòng)子直接受波浪力的作用，在線圈中感生出電流，給蓄能元件充電。線圈中感生的電流同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，阻礙動(dòng)子和定子之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這個(gè)阻礙力通常叫做電磁阻尼。調(diào)節(jié)電磁阻尼可通過直接改變負(fù)載電阻來實(shí)現(xiàn)。本文提出通過調(diào)節(jié)線圈向儲(chǔ)能元件的充電電流來實(shí)現(xiàn)電磁阻尼調(diào)節(jié)的新思路，其目的是實(shí)現(xiàn)波能結(jié)構(gòu)對(duì)波浪的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，從而通過一定控制算法來獲得最大的功率輸出。

一般情況下，波浪能發(fā)電裝置都是根據(jù)所在海域的實(shí)際波浪頻率設(shè)計(jì)的。如果裝置的固有頻率與波浪頻率重合，浮子與波浪的速度是同相的，則可以實(shí)現(xiàn)共振以最大程度地捕獲波浪能。然而，海洋中的波浪頻率是時(shí)刻變化的，當(dāng)波浪頻率偏離裝置固有頻率時(shí)，其能量捕獲效率在裝置不受控時(shí)將會(huì)顯著減小。因此，需要將波能轉(zhuǎn)換裝置設(shè)計(jì)成一種能夠在寬頻率范圍內(nèi)諧振并且自適應(yīng)調(diào)節(jié)的裝置。目前常用的波浪能發(fā)電裝置的控制方案是阻尼控制和鎖止控制等。

（1）阻尼控制

以點(diǎn)吸收式WEC為例，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)WEC裝置的無阻尼固有頻率接近入射波的主頻時(shí)，點(diǎn)吸收式WEC可以實(shí)現(xiàn)對(duì)能量最有效的捕獲[30]。在共振時(shí)，浮子與波浪的速度是同相的，利用入射波的動(dòng)態(tài)壓力，引起能量從波浪到浮子的大量傳遞[31]，此時(shí)可從波浪中捕獲最大功率。因此，裝置的運(yùn)動(dòng)取決于阻尼的大?。喝绻l(fā)電系統(tǒng)阻尼太高，則運(yùn)動(dòng)受到限制并且產(chǎn)生的功率很??；如果阻尼太小，則阻尼器吸收的功率很小，并且?guī)缀鯖]有功率消耗。對(duì)于一個(gè)波能發(fā)電系統(tǒng)，合適的阻尼對(duì)于高效能量采集至關(guān)重要。通過調(diào)節(jié)發(fā)電結(jié)構(gòu)阻尼大小以捕獲最大功率，是一種非常有效的措施。

為獲得最大的電能輸出，研究者們熱衷于采用電磁阻尼控制的方法，而電磁阻尼的控制主要有恒定最優(yōu)阻尼控制[32]、在線阻尼控制[33-34]和最大功率點(diǎn)跟蹤控制[35-36]等方法。

假設(shè)入射波為簡(jiǎn)單的正弦波，如果在WEC響應(yīng)波浪的整個(gè)周期內(nèi)都采用恒定的阻尼系數(shù)，就稱為恒阻尼控制。如果該阻尼能使WEC吸收最大的波浪能量，則稱這種控制是最優(yōu)阻尼控制。Irina等[32]針對(duì)其應(yīng)用的對(duì)象，采用了阻尼為5～400 kNs/m之間按照5 kNs/m的步長進(jìn)行搜索，得到最大平均吸收功率時(shí)所對(duì)應(yīng)的阻尼作為最優(yōu)阻尼，實(shí)現(xiàn)了恒定最優(yōu)阻尼控制。

然而真實(shí)的波浪頻率是不停變化的，恒阻尼并不能滿足所有周期范圍內(nèi)最大功率的輸出，因此阻尼的在線控制策略應(yīng)運(yùn)而生。Son等[33]利用非線性模型預(yù)測(cè)控制方法，通過具有脈沖寬度調(diào)制技術(shù)的固態(tài)繼電器產(chǎn)生模擬電流，實(shí)現(xiàn)永磁直線電機(jī)的阻尼在線控制。Jama[34]提出一種新的在線阻尼控制策略，該策略通過調(diào)節(jié)單開關(guān)三相升壓整流器的占空比，實(shí)時(shí)控制永磁直線電機(jī)的阻尼力。

Lekube等[35]使用外向傳感器，采用最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)來使系統(tǒng)效率最大化?？刂茮Q策基于由沿渦輪機(jī)定位的壓力傳感器測(cè)量的壓降，為此，對(duì)于不同的測(cè)量信號(hào)實(shí)現(xiàn)了基于傳感器的新型流量控制器。仿真結(jié)果表明，基于流量控制的最大功率點(diǎn)跟蹤策略能夠提高輸出功率。Lettenmaier等[36]提出了一種新的最大功率點(diǎn)跟蹤算法，即循環(huán)算法，該算法用于控制隨機(jī)海域中的波浪能轉(zhuǎn)換器。Lettenmaier將該算法與常規(guī)的擾動(dòng)觀察算法（Perturb and observe algorithm，POA）進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，循環(huán)算法比擾動(dòng)觀測(cè)算法獲得了更好的效果。

（2）鎖止控制

鎖止控制是一種相位控制方法。該方法是指根據(jù)一定的控制策略，在WEC響應(yīng)過程中不斷鎖定和釋放WEC中定子和動(dòng)子，使其相對(duì)運(yùn)動(dòng)處于交替鎖定和釋放狀態(tài)的一種控制方法。

鎖止控制的原理如圖9所示[37]。圖中：曲線a是入射波的波形；曲線b是起伏浮子的垂直位移曲線，浮子質(zhì)量很大，其固有頻率與波浪的頻率相匹配（理想的共振條件）；曲線c是具有較小質(zhì)量物體的垂直位移，因此具有較高的固有頻率，在行程的極限處被鎖定。當(dāng)波浪力達(dá)到合適的大小時(shí)，浮子將被釋放，因此其速度將與波浪的激勵(lì)力幾乎同相，此時(shí)浮子的速度在波峰或波谷處達(dá)到最大值。

Budal等[38]分析了點(diǎn)吸收式WEC，如果波浪的激勵(lì)力與WEC的速度同相位，可以大大增加其能量的吸收，他們提出通過鎖止控制的方法來調(diào)節(jié)WEC相位。因?yàn)樵谝粋€(gè)波浪周期WEC的動(dòng)子速度有兩次為0，因此可以在一個(gè)周期內(nèi)鎖止1～2次。

Irina等[32]提出了兩種在鎖止控制釋放階段阻尼力的確定方法，分別叫做最優(yōu)鎖止和次優(yōu)鎖止控制。針對(duì)其應(yīng)用的對(duì)象，采用了5 kNs/m阻尼步長，在5～400 kNs/m之間進(jìn)行搜索，得到最大平均吸收功率時(shí)所對(duì)應(yīng)的阻尼作為最優(yōu)阻尼，這種控制稱為最優(yōu)鎖止控制。而在釋放階段采用的阻尼為前述恒定阻尼控制下得到的最優(yōu)阻尼，則稱為次優(yōu)鎖止控制。仿真結(jié)果表明，不管是最優(yōu)還是次優(yōu)鎖

止，效果都要優(yōu)于恒定阻尼的最優(yōu)控制，而最優(yōu)鎖止控制在這3種控制方案中效果最佳，這為以后的研究和設(shè)計(jì)提供了十分有益的參考。但是，Irina等認(rèn)為鎖止控制增加了WEC損壞的風(fēng)險(xiǎn)。因?yàn)樵趶?qiáng)激勵(lì)波浪下，這種控制方式較恒阻尼控制方式，其能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的動(dòng)子會(huì)產(chǎn)生更大的位移幅值，容易造成更大的沖擊，對(duì)WEC結(jié)構(gòu)的耐沖擊能力提出了更高的要求。

Liu等[39]提出了一種用于雙浮體波浪能發(fā)電裝置的反饋鎖止控制策略，他們采用永磁直線發(fā)電機(jī)，在不規(guī)則的波浪條件下建立了一種基于鎖止力計(jì)算的反饋控制策略。結(jié)果表明，所提出的反饋鎖止控制非常有效地提高了雙浮體波浪能發(fā)電裝置的吸收能量效率。Li等[40]開發(fā)了一種預(yù)測(cè)波浪力的實(shí)時(shí)鎖止控制器，并將其應(yīng)用于點(diǎn)吸收式波浪能發(fā)電裝置，以最大化其能量吸收。

2.2 波能轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)節(jié)

對(duì)于點(diǎn)吸收式WEC，海洋波浪的波長變化對(duì)能量轉(zhuǎn)換的效率不會(huì)產(chǎn)生非常顯著的影響。但是，對(duì)于蛇形波浪能采集裝置，其浮筒的長度直接影響了WEC對(duì)不同波長波浪的響應(yīng)。顯然，浮筒長度等于波浪波長的1/2是最優(yōu)的長度尺寸，這種長度正好能夠與波浪波長匹配，以使其達(dá)到最大的響應(yīng)。但是在不同的天氣條件下，海洋波浪的參數(shù)會(huì)發(fā)生很大的變化，這使得固定長度浮筒的WEC很難適應(yīng)這種變化。因此，本文提出一種可以在一定時(shí)間內(nèi)、以一定時(shí)間間隔調(diào)節(jié)浮筒長度的方案。通過傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量海洋波浪的相關(guān)參數(shù)，反饋給控制器自適應(yīng)調(diào)整浮筒的長度，以適應(yīng)海浪波長的變化。

此外，對(duì)波能轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)節(jié)還包括對(duì)彈簧剛度的調(diào)節(jié)等。Chen等[41]提出一種新型的全封閉雙質(zhì)量-彈簧-阻尼器浮子系統(tǒng)。隨著系統(tǒng)共振頻率的變化從而改變系統(tǒng)內(nèi)部物體的質(zhì)量與彈簧剛度，以適應(yīng)波浪的變化，提高捕獲功率。Peng等[42]利用輔助彈簧進(jìn)行調(diào)諧，使得系統(tǒng)可以在變化的波浪中保持較寬頻帶內(nèi)的高能量捕獲。

圖9 鎖止控制原理圖Fig.9 Schematic diagram of latching control

3 波能發(fā)電的電能管理系統(tǒng)

與振動(dòng)能量和電磁輻射能量回收等方式不同，海洋波浪能量回收的能量大，可用于向市電電網(wǎng)供電。但是，波浪能的收集很大程度上受氣候條件影響，具有間歇性且不可控。如果直接使用波浪能收集裝置供電，其供電質(zhì)量很難滿足用戶的需求。可以將回收到的儲(chǔ)能元件上的電通過逆變送入交流電網(wǎng)，但是這樣做需要通過相應(yīng)DC-AC、AC-DC等電力電子器件構(gòu)成的多級(jí)能量變換裝置。若接入合適電壓等級(jí)的直流微電網(wǎng)，將省去部分交直流變換裝置，可減小成本、降低損耗。由于直流微電網(wǎng)技術(shù)并不涉及無功補(bǔ)償和頻率調(diào)整的問題，所以可以有效提高系統(tǒng)的安全運(yùn)行能力，可接入儲(chǔ)能系統(tǒng)，還能大大降低成本。因此，研究可向直流微電網(wǎng)供電的波能發(fā)電的電源管理技術(shù)具有重要意義。

通過電源管理將波浪發(fā)電系統(tǒng)與直流微電網(wǎng)連接是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。Fang等[43]針對(duì)小規(guī)模分布式發(fā)電機(jī)，提出了一種基于模糊決策的方法和控制器設(shè)計(jì)方法，用于解決近海工業(yè)微電網(wǎng)中的能量分配問題，充分考慮了發(fā)電和消耗關(guān)系，淡水剩余量與存儲(chǔ)單元的充電狀態(tài)。Perez等[44]提出了一種控制策略，通過超級(jí)電容器調(diào)節(jié)微電網(wǎng)直流母線的電壓，控制律適用于將超級(jí)電容器連接到直流電網(wǎng)的雙向升壓轉(zhuǎn)換器?？刂品桨富趧?dòng)態(tài)反饋線性化，包括在不同的時(shí)間尺度動(dòng)態(tài)中分離系統(tǒng)，從而創(chuàng)建簡(jiǎn)化的模型。Du等[45]提出了一種協(xié)調(diào)微電網(wǎng)系統(tǒng)能量管理的最優(yōu)分布式模型預(yù)測(cè)控制策略。通過系統(tǒng)之間的信息交換，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)微電網(wǎng)可以保持其自身的系統(tǒng)供需平衡，并保證分布式微電網(wǎng)系統(tǒng)的閉環(huán)穩(wěn)定性。Heymann等[46]通過引入非線性、連續(xù)時(shí)間、滾動(dòng)范圍公式，提出了一種新的微電網(wǎng)能量管理問題的方法，將能源管理問題制定為確定性最優(yōu)控制問題。對(duì)于動(dòng)態(tài)規(guī)劃原理方法，實(shí)施半拉格朗日方案，該方案適用于處理柴油發(fā)電機(jī)的開/關(guān)模式的切換時(shí)間的優(yōu)化。梁海峰等[47]提出帶有電壓補(bǔ)償環(huán)節(jié)的“虛擬電抗法”改進(jìn)傳統(tǒng)下垂控制方法，功率按容量分配，電壓并不大幅減少；同時(shí)提出了“以曲代直”的“反S”下垂控制策略，可以解決下垂控制中大功率或大負(fù)荷微源投切時(shí)的頻率越限問題。劉英培等[48]提出了一種非線性下垂控制策略，來解決混合多端直流輸電系統(tǒng)功率協(xié)調(diào)控制問題。該策略可以協(xié)調(diào)分配各換流站有功功率，有效降低各換流站直流電壓的靜態(tài)偏差，同時(shí)提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。馮偉等[49]基于分層控制提出了一種微電網(wǎng)并網(wǎng)電能質(zhì)量主動(dòng)提升控制策略，可以減少微電網(wǎng)向電網(wǎng)注入的穩(wěn)態(tài)諧波電流，降低由于并網(wǎng)開關(guān)閉合導(dǎo)致電網(wǎng)對(duì)微電網(wǎng)的諧波電流沖擊。

4 總結(jié)與展望

研究波浪能發(fā)電技術(shù)的目的在于解決能源的匱乏以及沿海區(qū)域的供電問題，目前國內(nèi)外在該領(lǐng)域已經(jīng)取得了一些研究進(jìn)展。鑒于傳統(tǒng)波浪發(fā)電具有能量轉(zhuǎn)換效率低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、耐沖擊能力差等缺點(diǎn)，目前研究熱點(diǎn)已經(jīng)逐漸轉(zhuǎn)移到直接式波浪發(fā)電的研究上。研究內(nèi)容涉及到能量轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)、能量轉(zhuǎn)換控制、電源管理等。未來需要研究的內(nèi)容和發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)在：

（1）直接式波能發(fā)電結(jié)構(gòu)將成為WEC的主流，它也是最具發(fā)展前途和實(shí)用性的波能發(fā)電結(jié)構(gòu)之一。

（2）為了滿足增加輸出功率，以及大規(guī)模應(yīng)用、減少成本等需求，直接式波能發(fā)電結(jié)構(gòu)向陣列式發(fā)展。

（3）通過參數(shù)調(diào)節(jié)和阻尼控制，進(jìn)行波能轉(zhuǎn)換效率在線跟蹤優(yōu)化等方法將會(huì)吸引越來越多的研究者。

（4）結(jié)合波能采集結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、水動(dòng)力學(xué)、電磁力學(xué)及電學(xué)等學(xué)科的多學(xué)科優(yōu)化問題將成為設(shè)計(jì)高效WEC必須解決的問題。

（5）波能發(fā)電結(jié)構(gòu)如何耐受極端海洋氣候條件、耐腐蝕和長期可靠工作等問題，是實(shí)現(xiàn)WEC大規(guī)模應(yīng)用必須解決并受到高度重視的問題。

相信在未來，波浪能發(fā)電技術(shù)將會(huì)在世界范圍內(nèi)普及應(yīng)用，推動(dòng)新能源開發(fā)的進(jìn)步與發(fā)展。