海上風(fēng)浪結(jié)合發(fā)電系統(tǒng)用兩自由度發(fā)電機(jī)研究綜述及展望

聶 瑞，司紀(jì)凱，張國(guó)振，程志平，李忠文

（鄭州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

0 引言

在全球能源日益短缺的今天，能源問題作為一個(gè)世界性問題正在制約著世界各國(guó)的快速發(fā)展。許多敏銳的發(fā)達(dá)國(guó)家很早便開始大力倡導(dǎo)可再生能源的開發(fā)利用，以應(yīng)對(duì)愈演愈烈的能源危機(jī)及環(huán)境危機(jī)［1］。我國(guó)是世界上最大的能源生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，面臨著能源需求量巨大、能源供給制約多、能源生產(chǎn)和消費(fèi)嚴(yán)重危害生態(tài)環(huán)境等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。2020 年9月，我國(guó)明確提出“雙碳”目標(biāo)，勇敢承擔(dān)推進(jìn)能源綠色低碳轉(zhuǎn)型的重任。在全球能源革命的推動(dòng)下，發(fā)展以可再生能源為基礎(chǔ)的能源技術(shù)創(chuàng)新能夠增強(qiáng)我國(guó)能源自主保障能力，這對(duì)應(yīng)對(duì)能源供需格局新變化、國(guó)際能源發(fā)展新趨勢(shì)、保障國(guó)家能源安全具有重要意義［2］。

在眾多可再生能源中，太陽(yáng)能和陸上風(fēng)能的開發(fā)利用已經(jīng)逐漸產(chǎn)業(yè)化及規(guī)?；沁@2 種能源發(fā)展受地域限制嚴(yán)重；核能發(fā)電在占地規(guī)模及能源供應(yīng)可靠性方面有著明顯優(yōu)勢(shì)，但是大量的放射性物質(zhì)潛在威脅著人類及生態(tài)的安全；相較之下，海上風(fēng)能和波浪能具有無(wú)污染、儲(chǔ)量大、分布廣泛、能量密度高、能量形式集中等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此近年來海上風(fēng)能和波浪能引起了廣泛關(guān)注，成為了世界能源專家所探尋的理想新能源［3-6］。為了引導(dǎo)和推進(jìn)海上風(fēng)能、波浪能等海洋可再生能源的技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，美國(guó)、英國(guó)、加拿大等國(guó)家積極推行相應(yīng)的海洋可再生能源激勵(lì)政策［7］。我國(guó)國(guó)務(wù)院辦公廳在2014年印發(fā)的《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動(dòng)計(jì)劃（2014—2020 年）》中提出我國(guó)能源發(fā)展以“節(jié)約、清潔、安全”為戰(zhàn)略方針，并明確以“降低傳統(tǒng)能源消費(fèi)比重，大力發(fā)展可再生能源”為國(guó)家能源發(fā)展的五大戰(zhàn)略任務(wù)之一。在該行動(dòng)計(jì)劃期間，我國(guó)海洋局相繼印發(fā)了《海洋可再生能源發(fā)展綱要（2013—2016 年）》《海洋可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，除此之外我國(guó)還提出了海洋強(qiáng)國(guó)、生態(tài)文明建設(shè)等國(guó)家戰(zhàn)略和“一帶一路”倡議。我國(guó)能源技術(shù)革命日新月異，這些緊盯國(guó)際能源科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)變革前沿所制定的激勵(lì)政策，為包含海上風(fēng)能和波浪能在內(nèi)的海洋可再生能源發(fā)展帶來了前所未有的歷史機(jī)遇［6］。

現(xiàn)有的海上風(fēng)能與波浪能發(fā)電系統(tǒng)可分為獨(dú)立開發(fā)系統(tǒng)和綜合開發(fā)系統(tǒng)2 類。本文對(duì)現(xiàn)有的海上風(fēng)能與波浪能發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行綜述，并針對(duì)一種基于兩自由度直線旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)LRG（Linear-Rotary Generator）的新型海上風(fēng)浪結(jié)合發(fā)電WWCEC（Wind-Wave Combined Energy Conversion）系統(tǒng)進(jìn)行重點(diǎn)探討。對(duì)作為新型海上WWCEC 系統(tǒng)核心能量轉(zhuǎn)換裝置的兩自由度LRG 的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)該系統(tǒng)的可行性進(jìn)行了初步驗(yàn)證，隨后探討了該類發(fā)電機(jī)的研究熱點(diǎn)及難點(diǎn)。最后，對(duì)海上WWCEC 系統(tǒng)用兩自由度發(fā)電機(jī)未來主要的研究方向進(jìn)行了展望。

1 海上風(fēng)能和波浪能發(fā)電系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

1.1 獨(dú)立開發(fā)海上風(fēng)能和波浪能的發(fā)電系統(tǒng)

從海上風(fēng)能和波浪能發(fā)電引起關(guān)注開始，獨(dú)立開發(fā)2種能量的發(fā)電系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。

1）海上風(fēng)能發(fā)電。海上風(fēng)電是在陸地風(fēng)電的基礎(chǔ)上針對(duì)海上風(fēng)環(huán)境進(jìn)行適應(yīng)性“海洋化”發(fā)展起來的［8-9］。海上風(fēng)力發(fā)電的機(jī)理仍是通過風(fēng)機(jī)葉片收集海上風(fēng)能，通過齒輪箱等裝置提升風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的有效發(fā)電。除此之外，近年來為了提高風(fēng)電機(jī)組的可靠性和效率，去除齒輪箱的直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)也成為研究的熱點(diǎn)方案。隨著海上風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展，其將成為各國(guó)沿海地區(qū)重要的能量來源。

2）海上波浪能發(fā)電。為了利用蘊(yùn)藏豐富的波浪能資源，國(guó)內(nèi)外相繼開發(fā)了許多波浪能轉(zhuǎn)換裝置。美國(guó)利用一種海浪發(fā)電浮標(biāo)裝置為歐胡島軍事基地輸送電能，當(dāng)海水波動(dòng)時(shí)浮漂通過海底電纜及齒輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)有效發(fā)電；丹麥Wave Star 公司利用多個(gè)漂浮模塊研發(fā)了一種海浪發(fā)電裝置，漂浮模塊通過傳動(dòng)裝置與發(fā)電機(jī)結(jié)合，在海浪起伏過程中，浮漂模塊通過傳動(dòng)裝置帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)從而產(chǎn)生電能；澳大利亞的Wave Swell Energy 公司開發(fā)了采用柱狀結(jié)構(gòu)的海浪發(fā)電系統(tǒng)，利用海浪涌入、涌出造成的腔體空氣流動(dòng)驅(qū)動(dòng)渦輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電；我國(guó)2013 年自主研發(fā)了“萬(wàn)山號(hào)”鷹式海浪發(fā)電平臺(tái)［10］，該平臺(tái)上安裝了多個(gè)波浪能吸收體，它們共享能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和錨泊系統(tǒng)，該平臺(tái)利用具有儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的液壓轉(zhuǎn)換裝置，實(shí)現(xiàn)了波浪能-液壓能-電能的轉(zhuǎn)換。此外，近年來基于直線發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)的振蕩浮子式波浪能發(fā)電系統(tǒng)也因其具有更高的能量轉(zhuǎn)換效率而引起了廣泛關(guān)注［11］。

經(jīng)過科研工作者的不懈努力，獨(dú)立的海上風(fēng)能或波浪能發(fā)電系統(tǒng)取得了階段性的研究進(jìn)展。但是這2 種發(fā)電系統(tǒng)均需要構(gòu)建各自的海上平臺(tái)、機(jī)械能轉(zhuǎn)換裝置，并配備相應(yīng)的發(fā)電機(jī)及控制器，造成了海域面積緊缺、開發(fā)成本高等問題。除此之外，風(fēng)能和波浪能的波動(dòng)性、間歇性和不連續(xù)性還使得單獨(dú)的風(fēng)電系統(tǒng)／波浪能發(fā)電系統(tǒng)難以持續(xù)穩(wěn)定地輸出電能。因此，為了實(shí)現(xiàn)海洋可再生能源的高效利用，對(duì)多種海洋能源進(jìn)行綜合開發(fā)勢(shì)在必行。

1.2 傳統(tǒng)的海上WWCEC系統(tǒng)

近年來將海上風(fēng)能和波浪能進(jìn)行綜合利用的海上WWCEC 系統(tǒng)引起了廣泛關(guān)注［12-14］。在這種系統(tǒng)中，風(fēng)能和波浪能轉(zhuǎn)換裝置共用系泊系統(tǒng)、電力基礎(chǔ)設(shè)備及海域，其相較于獨(dú)立的風(fēng)電系統(tǒng)／波浪能發(fā)電系統(tǒng)具有單位海域能量產(chǎn)出高、成本低、不工作小時(shí)數(shù)少等優(yōu)勢(shì)［13］，成為了新能源發(fā)電領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。傳統(tǒng)的WWCEC 系統(tǒng)可以分為平臺(tái)共用式［15-17］與機(jī)械耦合式［18］WWCEC系統(tǒng)2類。

1）平臺(tái)共用式WWCEC 系統(tǒng)。較為典型的平臺(tái)共用式WWCEC 系統(tǒng)包括挪威遠(yuǎn)洋能源公司開發(fā)的三角形單浮體雙風(fēng)機(jī)平臺(tái)W2Power［15］和蘇格蘭綠色海洋能源公司研制的Wave Treader，該類WWCEC系統(tǒng)的示意圖如附錄A 圖A1 所示。文獻(xiàn)［16］提出了一種平臺(tái)共用式WWCEC 系統(tǒng)，其中水平軸風(fēng)機(jī)收集風(fēng)能帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，而波浪能通過半球形浮子收集，隨后液壓馬達(dá)將液壓油的壓力能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，帶動(dòng)另一臺(tái)旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)發(fā)電。文獻(xiàn)［17］介紹了一種波浪發(fā)電部分較為特殊的平臺(tái)共用式WWCEC 系統(tǒng)，系統(tǒng)中風(fēng)能的收集及轉(zhuǎn)換仍為常規(guī)選擇，而波浪能經(jīng)由直驅(qū)波浪能發(fā)電機(jī)直接轉(zhuǎn)換。整體可見在這種系統(tǒng)中，風(fēng)能與波浪能共享平臺(tái)、設(shè)備及海域，但是風(fēng)力發(fā)電裝置與波浪能發(fā)電裝置仍是2 個(gè)獨(dú)立的體系，需要多臺(tái)發(fā)電機(jī)同時(shí)工作，且仍需多個(gè)控制器，因此系統(tǒng)體積依然龐大。

2）機(jī)械耦合式WWCEC 系統(tǒng)。這種系統(tǒng)可以通過機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)風(fēng)能與波浪能的耦合，然后利用同一臺(tái)發(fā)電機(jī)將收集的耦合動(dòng)能同時(shí)轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)集成度高、體積小。文獻(xiàn)［18］提出了一種機(jī)械耦合式WWCEC 系統(tǒng)，其通過收縮波道收集波浪能，通過風(fēng)機(jī)葉片收集風(fēng)能，齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)借助波浪軸錐棘輪和風(fēng)軸錐棘輪實(shí)現(xiàn)機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)換，其風(fēng)軸錐棘輪與波浪錐棘輪同時(shí)與輸出錐齒輪相嚙合，這使得收集的風(fēng)能與波浪能得以耦合，然后驅(qū)動(dòng)同一發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。這類WWCEC 系統(tǒng)減少了整個(gè)系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)數(shù)量，降低了開發(fā)成本，但是需要過多的機(jī)械設(shè)備，存在多級(jí)能量轉(zhuǎn)換過程，因而普遍具有效率低、可靠性低、穩(wěn)定性差、維護(hù)成本高等問題。

由此可以看出，傳統(tǒng)的2 類WWCEC 系統(tǒng)分別具有多電機(jī)和多傳動(dòng)裝置的缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)制約著WWCEC系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用。

1.3 新型海上WWCEC系統(tǒng)

為解決傳統(tǒng)WWCEC 系統(tǒng)中多電機(jī)、多傳動(dòng)裝置制約系統(tǒng)效率、增加系統(tǒng)體積和成本的問題，學(xué)者們創(chuàng)造性地提出了一種基于兩自由度LRG 的新型直驅(qū)WWCEC 系統(tǒng)［17，19-20］。這種系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)利用風(fēng)能與波浪能的直驅(qū)式一體化發(fā)電，能夠可觀地降低系統(tǒng)的成本及體積，提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)［17，19-20］對(duì)基于LRG 的WWCEC 系統(tǒng)展開研究，該類WWCEC系統(tǒng)的示意圖如附錄A圖A2所示。這種系統(tǒng)一般包括垂直軸風(fēng)機(jī)、LRG、浮子、懸浮平臺(tái)或樁基。垂直軸風(fēng)機(jī)安裝在塔筒之上，而LRG 安裝在塔筒的底部，軸與風(fēng)機(jī)相連隨風(fēng)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)也連接在浮子之上隨著海浪上下運(yùn)動(dòng)，因此LRG 的動(dòng)子可以相對(duì)于定子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、直線或螺旋運(yùn)動(dòng)，使得LRG 產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)有效發(fā)電。這種WWCEC 系統(tǒng)將單獨(dú)的旋轉(zhuǎn)發(fā)電系統(tǒng)與單獨(dú)的直線發(fā)電系統(tǒng)集成在一個(gè)單元中，節(jié)省了許多能量轉(zhuǎn)換裝置，因此其成本及效率相較于傳統(tǒng)理念中的WWCEC系統(tǒng)更低。通過總結(jié)上述內(nèi)容，表1對(duì)比了不同海上風(fēng)浪發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、控制方式特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)，表2對(duì)比了不同海上風(fēng)浪發(fā)電系統(tǒng)的平臺(tái)設(shè)計(jì)復(fù)雜度、電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜度及電機(jī)控制復(fù)雜度。

表1 不同海上風(fēng)浪發(fā)電系統(tǒng)性能比較Table 1 Comparison of performance among different offshore wind-wave energy conversion systems

表2 不同海上風(fēng)浪發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度比較Table 2 Comparison of design complexity among different offshore wind-wave energy conversion systems

綜上，LRG 是新型WWCEC 系統(tǒng)的核心能量轉(zhuǎn)換裝置。得益于LRG 的運(yùn)用，新型直驅(qū)WWCEC 系統(tǒng)既不需要多臺(tái)發(fā)電機(jī)同時(shí)工作，又避免了過多的機(jī)械傳動(dòng)裝置，能可觀地降低系統(tǒng)的成本及體積，提高系統(tǒng)效率及運(yùn)行穩(wěn)定性；但是另一方面，LRG的電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制復(fù)雜度都比傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)／直線發(fā)電機(jī)更高?？梢?，要想實(shí)現(xiàn)新型WWCEC 系統(tǒng)的大規(guī)模應(yīng)用，對(duì)LRG進(jìn)行深入研究至關(guān)重要。

2 兩自由度LRG研究現(xiàn)狀

兩自由度直線旋轉(zhuǎn)電機(jī)LRM（Linear-Rotary Machine）的概念已經(jīng)被提出了近70 a 的時(shí)間，隨著電機(jī)理論的不斷完善以及機(jī)械制造水平的不斷提高，該類電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)在智能加工制造、機(jī)器人、國(guó)防科技等領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)，從而引起了國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注［21］?，F(xiàn)有研究表明，與兩自由度直線旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)相比，有關(guān)兩自由度電機(jī)作為發(fā)電機(jī)（LRG）的研究仍處于起步階段，主要集中在新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究、電磁特性研究、優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究、系統(tǒng)建模研究以及控制策略研究5個(gè)方面。

2.1 兩自由度LRG拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀

在國(guó)外，克盧日·納波卡技術(shù)大學(xué)的Szabó L 教授對(duì)基于LRG 的WWCEC 系統(tǒng)進(jìn)行了分析［17］，提出現(xiàn)有的大多數(shù)LRM 都可以作為發(fā)電機(jī)進(jìn)行工作，并對(duì)感應(yīng)LRM、永磁LRM 以及變磁阻LRM 這3 類常見的LRM 進(jìn)行了歸納綜述，其中永磁LRM 以高效率、高功率密度的特點(diǎn)成為了WWCEC 應(yīng)用場(chǎng)合的有力競(jìng)爭(zhēng)者，但是海上平臺(tái)的強(qiáng)震環(huán)境、散熱條件使得永磁體面臨著退磁的風(fēng)險(xiǎn)，惡劣的海上環(huán)境是永磁LRG 在WWCEC 系統(tǒng)成功應(yīng)用前必須面對(duì)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

在國(guó)內(nèi)，東南大學(xué)的付興賀教授提出了一種應(yīng)用于WWCEC 系統(tǒng)的內(nèi)外并聯(lián)式兩自由度永磁同步LRG［19］，如附錄A 圖A3 所示。這種內(nèi)外并聯(lián)式兩自由度永磁同步LRG 為外轉(zhuǎn)子、定子、內(nèi)動(dòng)子結(jié)構(gòu)，永磁體分別表貼在外轉(zhuǎn)子和內(nèi)動(dòng)子上。外轉(zhuǎn)子及中間定子外側(cè)構(gòu)成旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)單元用于風(fēng)能-電能轉(zhuǎn)換，中間定子內(nèi)側(cè)及內(nèi)動(dòng)子構(gòu)成直線發(fā)電機(jī)單元用于波浪能-電能轉(zhuǎn)換，兩部分單元的繞組分別嵌放在中間定子內(nèi)側(cè)及外側(cè)的開槽中。江蘇大學(xué)的徐磊學(xué)者也提出了一種應(yīng)用于WWCEC 系統(tǒng)的內(nèi)外并聯(lián)式兩自由度永磁同步LRG［20］，如附錄A 圖A4 所示，其結(jié)構(gòu)組成為外定子、動(dòng)子和內(nèi)定子。在風(fēng)浪的外部動(dòng)能輸入下，內(nèi)外表面貼有N、S 磁極交替分布永磁體的動(dòng)子進(jìn)行螺旋運(yùn)動(dòng)，定子部分的繞組中感應(yīng)出交變的磁鏈從而實(shí)現(xiàn)有效發(fā)電。文獻(xiàn)［19］提出的永磁LRG為單定子、雙動(dòng)子結(jié)構(gòu)，而文獻(xiàn)［20］提出的永磁LRG 為雙定子、單動(dòng)子結(jié)構(gòu)，可見這2 種電機(jī)有相似的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，即繞組纏繞在定子上，永磁體貼于運(yùn)動(dòng)體表面。結(jié)合文獻(xiàn)［17］對(duì)永磁LRG用于WWCEC系統(tǒng)的總結(jié)，現(xiàn)有的永磁LRG 都存在因強(qiáng)震退磁風(fēng)險(xiǎn)而可靠性不高的問題，因此其他適用于WWCEC 系統(tǒng)的LRG新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仍亟待提出。

2.2 兩自由度LRG電磁特性研究現(xiàn)狀

2.2.1 基于有限元的特性分析

電磁特性分析是LRG 性能研究的重要部分。文獻(xiàn)［19］利用有限元法分析了所提出的永磁LRG的三相反電勢(shì)、端電壓、氣隙磁密及發(fā)電機(jī)的外特性曲線，研究表明所提出的永磁LRG 的旋轉(zhuǎn)單元和直線單元的效率分別為90%和87.1%，而且外轉(zhuǎn)子和內(nèi)動(dòng)子的轉(zhuǎn)速／速度變化對(duì)效率的大小幾乎沒有影響。文獻(xiàn)［19］還對(duì)比了所提出的永磁LRG 與單一風(fēng)力發(fā)電機(jī)和單一波浪能發(fā)電機(jī)的功率密度，結(jié)果表明基于兩自由度電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)勢(shì)，所提出的LRG 的功率密度要明顯高于單一自由度的發(fā)電機(jī)，該結(jié)果證明了LRG用于WWCEC系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)［22］針對(duì)附錄A 圖A4 所示的永磁LRG 的端部效應(yīng)進(jìn)行分析，端部效應(yīng)對(duì)該LRG 的磁密、磁鏈、電感、電磁力／電磁轉(zhuǎn)矩、齒槽轉(zhuǎn)矩／定位力以及輸出功率的影響通過三維有限元分析獲得，其仿真結(jié)果的有效性通過實(shí)驗(yàn)得到了驗(yàn)證。除此之外，文獻(xiàn)［22］的研究結(jié)果還表明內(nèi)定子的存在不僅僅會(huì)影響電機(jī)旋轉(zhuǎn)單元的性能，還會(huì)影響直線單元的性能，這種2 個(gè)運(yùn)動(dòng)單元之間相互影響的特性也就是兩自由度電機(jī)所具有的特殊的耦合關(guān)系，往往被稱為耦合效應(yīng)。文獻(xiàn)［20］針對(duì)附錄A 圖A4 所示的LRG 的耦合效應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步研究，有限元結(jié)果表明該LRG 內(nèi)外運(yùn)動(dòng)部分的正交耦合磁場(chǎng)及耦合運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)功率捕獲效率降低及動(dòng)態(tài)性能惡化，這意味著耦合效應(yīng)對(duì)LRG 性能的影響明顯。因此，對(duì)耦合效應(yīng)進(jìn)行研究也是LRG電磁特性研究中的一個(gè)重點(diǎn)。

2.2.2 耦合效應(yīng)分析

耦合效應(yīng)是由LRG 不同于單自由度發(fā)電機(jī)的一個(gè)重要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)造成的：LRG 可以在直線和旋轉(zhuǎn)2 種運(yùn)動(dòng)下都實(shí)現(xiàn)發(fā)電，其本體結(jié)構(gòu)上通常有共用的鐵芯或空間結(jié)構(gòu)，造成了2 個(gè)自由度之間必然相互影響。復(fù)雜的耦合關(guān)系影響著2 個(gè)自由度各自的電磁特性及運(yùn)動(dòng)特性，如何定量或定性地分析這些耦合關(guān)系對(duì)發(fā)電機(jī)性能的影響，以及如何利用或是消除這些影響，是促進(jìn)LRG 進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用過程中必須要解決的科學(xué)問題。通過總結(jié)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn)，有關(guān)LRG 耦合效應(yīng)研究的文獻(xiàn)還比較少，但是LRM 作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)有關(guān)耦合效應(yīng)的研究已經(jīng)取得階段性成果，它們可以作為L(zhǎng)RG 耦合效應(yīng)研究時(shí)的重要借鑒，下面對(duì)LRM 耦合效應(yīng)研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)。

波蘭圣十字工業(yè)大學(xué)Mendrela E學(xué)者提出一種雙繞組、單電樞結(jié)構(gòu)的兩自由度感應(yīng)LRM［23-24］，該電機(jī)的2套繞組垂直分布，該結(jié)構(gòu)特點(diǎn)造成了2套繞組之間耦合效應(yīng)嚴(yán)重，特性難以分析。文獻(xiàn)［23］和文獻(xiàn)［24］針對(duì)所提出的雙電樞兩自由度感應(yīng)LRM 的耦合效應(yīng)展開研究，基于電壓源供電下時(shí)域暫態(tài)分析以及滑差技術(shù)，提出了一種新算法來完成這種感應(yīng)LRM 耦合效應(yīng)的三維有限元分析，分析結(jié)果表明由于直線運(yùn)動(dòng)部分端部效應(yīng)的存在，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部分的性能受直線運(yùn)動(dòng)的影響，當(dāng)直線部分的線速度越大時(shí)，這種耦合效應(yīng)越明顯，旋轉(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)速下降越多。

東南大學(xué)林明耀老師團(tuán)隊(duì)對(duì)文獻(xiàn)［19］中提及的雙定子兩自由度永磁LRM 的正交磁場(chǎng)進(jìn)行研究［25］，提出了用于量化直線運(yùn)動(dòng)部分和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部分耦合關(guān)系的耦合系數(shù)，它們與動(dòng)子鐵芯合成相對(duì)磁導(dǎo)率成正比。耦合系數(shù)越大時(shí)，各自的轉(zhuǎn)矩和電磁力損失越小，這表明2 個(gè)自由度之間的耦合較弱。仿真結(jié)果表明正交磁場(chǎng)中的耦合效應(yīng)隨著勵(lì)磁電流的大小而變化，當(dāng)設(shè)置了合適的正交磁通時(shí)，合成相對(duì)磁導(dǎo)率會(huì)達(dá)到理論最大值，磁場(chǎng)中的耦合效應(yīng)也會(huì)被削弱。

鄭州大學(xué)的司紀(jì)凱教授提出了對(duì)半并聯(lián)式兩自由度感應(yīng)LRM［26-29］如附錄A 圖A5 所示，定子由兩部分弧形定子組成，一個(gè)弧形定子為旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電機(jī)定子，用于產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，一個(gè)弧形定子為直線感應(yīng)電機(jī)定子，用于產(chǎn)生行波磁場(chǎng)，動(dòng)子為鍍銅的實(shí)心鐵芯結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)［26］對(duì)其所提出的對(duì)半并聯(lián)式兩自由度感應(yīng)LRM 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)特性分析，其實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如附錄A 圖A6 所示，當(dāng)旋轉(zhuǎn)單元電樞通電時(shí)，直線單元的繞組中會(huì)產(chǎn)生如附錄A 圖A6（a）所示的感應(yīng)電壓，不同線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓隨轉(zhuǎn)差率變化規(guī)律如附錄A 圖A6（b）所示?？梢妼?shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果基本一致，這證明了旋轉(zhuǎn)單元中的電樞反應(yīng)會(huì)通過磁場(chǎng)影響直線單元的電磁及運(yùn)動(dòng)特性。該研究得到了與文獻(xiàn)［20］一致的結(jié)論，即螺旋運(yùn)動(dòng)中運(yùn)動(dòng)耦合效應(yīng)確實(shí)存在。文獻(xiàn)［26］還引入了阻轉(zhuǎn)矩和阻力的概念來表征耦合效應(yīng)所帶來的影響，其正確性通過三維有限元方法得到了驗(yàn)證［26，28］。除此之外，該研究團(tuán)隊(duì)還完成了對(duì)半并聯(lián)式兩自由度感應(yīng)LRM 靜態(tài)磁耦合效應(yīng)的分析［27］以及動(dòng)態(tài)磁耦合效應(yīng)的分析［29］，研究結(jié)果表明這種電機(jī)2 個(gè)自由度之間磁耦合效應(yīng)的存在使得一個(gè)自由度繞組通電時(shí)，另一個(gè)自由度的繞組會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流，從而導(dǎo)致在電機(jī)螺旋運(yùn)動(dòng)下?lián)p失速度以及加劇振動(dòng)，這種特性隨著通電頻率和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部分轉(zhuǎn)速的增加更加明顯，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了分析結(jié)果和仿真結(jié)果的正確性，這也說明耦合效應(yīng)會(huì)影響兩自由度電機(jī)的高精度控制。

2.3 兩自由度LRG優(yōu)化設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀

2.3.1 初始尺寸設(shè)計(jì)

在LRG 優(yōu)化設(shè)計(jì)研究方面，文獻(xiàn)［19］給出了永磁LRG 初始尺寸的確定過程如附錄A 圖A3 所示，旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)單元以及直線發(fā)電機(jī)單元的關(guān)鍵尺寸公式依據(jù)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論給出，旋轉(zhuǎn)單元的主要尺寸為：

式中：D1為定子外徑；l為定子的軸向長(zhǎng)度；PN1為旋轉(zhuǎn)單元的額定功率；cosφN1為旋轉(zhuǎn)單元的額定功率因數(shù)；nN為旋轉(zhuǎn)單元的額定轉(zhuǎn)速；kE1為旋轉(zhuǎn)單元?dú)庀峨妱?shì)計(jì)算系數(shù)；α′p1為旋轉(zhuǎn)單元計(jì)算極弧系數(shù)；kNM1為旋轉(zhuǎn)單元?dú)庀洞艌?chǎng)的波形系數(shù)；kdp1為旋轉(zhuǎn)單元的繞組系數(shù)；A1為旋轉(zhuǎn)單元的線負(fù)荷；Bδ1為旋轉(zhuǎn)單元?dú)庀洞磐芏鹊淖畲笾怠?/p>

直線單元的主要尺寸表達(dá)式為：

式中：D2為定子內(nèi)徑；PN2為直線單元的額定功率；cosφN2為直線單元的額定功率因數(shù)；vN為直線單元的額定速度；kE2為直線單元?dú)庀峨妱?shì)計(jì)算系數(shù)；α′p2為直線單元計(jì)算極弧系數(shù)；kNM2為直線單元?dú)庀洞艌?chǎng)波形系數(shù)；kdp2為直線單元的繞組系數(shù)；A2為直線單元的線負(fù)荷；Bδ2為直線單元?dú)庀洞磐芏鹊淖畲笾怠?/p>

旋轉(zhuǎn)單元與直線單元尺寸之間的相互關(guān)系表達(dá)式如下：

式中：D3為一個(gè)虛擬邊界的直徑。

該永磁LRG的關(guān)鍵尺寸可以通過式（4）獲得。

文獻(xiàn)［19］僅對(duì)所提電機(jī)的初始尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，并沒有給出具體優(yōu)化過程。由現(xiàn)有研究可見，由于兩自由度LRG 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜，其優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中所涉及的結(jié)構(gòu)參數(shù)較多，目前還沒有形成統(tǒng)一的優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。除了最基礎(chǔ)的初始尺寸設(shè)計(jì)之外，關(guān)于LRG 的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究還集中在抑制其端部效應(yīng)及耦合效應(yīng)對(duì)電機(jī)性能的負(fù)面影響方面。

2.3.2 抑制端部效應(yīng)及耦合效應(yīng)負(fù)面影響的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

文獻(xiàn)［22］為了抑制端部效應(yīng)對(duì)所提出的永磁LRG 性能的負(fù)面影響，對(duì)比研究了動(dòng)子內(nèi)側(cè)永磁體與內(nèi)定子長(zhǎng)度一致的LRG（被命名為SLIPMLRG）和動(dòng)子內(nèi)側(cè)永磁體與動(dòng)子軸向長(zhǎng)度抑制的LRG（被命名為L(zhǎng)LIPMLRG）的性能差異。研究結(jié)果表明SLIPMLRG 具有較小的齒槽轉(zhuǎn)矩，而LLIPMLRG 具有更穩(wěn)定的磁通分布。整體而言內(nèi)定子的存在加劇了2 種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩／電磁力波動(dòng)，且相較之下，LLIPMLRG 所受端部效應(yīng)的負(fù)面影響更小，因此文獻(xiàn)［22］選擇LLIPMLRG 作為優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，且對(duì)外定子的端部寬度相對(duì)于定位力之間的敏感性進(jìn)行了分析，選定了使得直線單元定位力最小的外定子端部寬度，最終進(jìn)行了樣機(jī)制造，完成了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

除了抑制端部效應(yīng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化方法外，還有一些抑制LRM／LRG 耦合效應(yīng)負(fù)面影響的設(shè)計(jì)方法被提出。英國(guó)謝菲爾德大學(xué)Turner A教授提出一種用于汽車自動(dòng)換擋器的級(jí)聯(lián)式兩自由度永磁LRM［30］，如附錄A 圖A7 所示，1 臺(tái)直線永磁電機(jī)和1臺(tái)旋轉(zhuǎn)永磁電機(jī)同軸級(jí)聯(lián)，2 臺(tái)電機(jī)共用同一個(gè)動(dòng)子及運(yùn)動(dòng)軸，直線定子和旋轉(zhuǎn)定子被定子隔磁盤隔開，因此其定子間幾乎不存在磁耦合效應(yīng)，但是當(dāng)共用的動(dòng)子做直線、旋轉(zhuǎn)或螺旋運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩者之間的機(jī)械運(yùn)動(dòng)耦合使得電機(jī)2 個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)性能受到影響，該方法對(duì)從抑制耦合效應(yīng)的角度進(jìn)行兩自由度電機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義。

除了利用隔磁盤削弱磁耦合效應(yīng)的設(shè)計(jì)方法之外，德國(guó)開姆尼茨工業(yè)大學(xué)的學(xué)者提出了一種如附錄A 圖A8 所示的永磁體矩陣式交替排列的方式用以解耦兩自由度永磁LRM 的直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)［31］，直線運(yùn)動(dòng)繞組和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)繞組為2 套單獨(dú)勵(lì)磁的三相繞組。

20 世紀(jì)80 年代美國(guó)肯塔基大學(xué)Cathey J 學(xué)者提出了一種如附錄A 圖A9 所示的繞組斜向纏繞在定子鐵芯上的兩自由度感應(yīng)LRM［32］，其通過螺旋形三相繞組通電在氣隙中產(chǎn)生螺旋形的空間磁場(chǎng)，使得電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)旋轉(zhuǎn)、直線、螺旋運(yùn)動(dòng)多種運(yùn)動(dòng)形式。這種電機(jī)的直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)間存在耦合關(guān)系，若要消除這種耦合關(guān)系，則需要在另外一個(gè)定子中設(shè)置一個(gè)相反方向的螺旋形三相繞組。

司紀(jì)凱教授團(tuán)隊(duì)為了補(bǔ)償對(duì)半并聯(lián)式兩自由度感應(yīng)LRM 中由耦合效應(yīng)造成的阻轉(zhuǎn)矩和阻力，提出了斜槽優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法［26］，有限元計(jì)算結(jié)果表明這種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可以改善電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和輸出電磁力，降低運(yùn)動(dòng)耦合給電機(jī)帶來的負(fù)面影響。

2.4 兩自由度LRG系統(tǒng)建模研究現(xiàn)狀

發(fā)電機(jī)系統(tǒng)建模是研究發(fā)電機(jī)性能及開發(fā)新型控制策略的重要一環(huán)?，F(xiàn)有研究表明，對(duì)兩自由度LRG 系統(tǒng)進(jìn)行建模通常是通過有限元軟件實(shí)現(xiàn)的。由于兩自由度LRG 結(jié)構(gòu)的特殊性，二維有限元模型不再能反映LRG 的真實(shí)空間結(jié)構(gòu)，因此文獻(xiàn)［19］和文獻(xiàn)［22］對(duì)LRG 進(jìn)行研究時(shí)均采用三維有限元方法。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可以發(fā)現(xiàn)，三維有限元模型基本能夠反映兩自由度LRG 的真實(shí)特性，其誤差均在可接受范圍之內(nèi)，但是三維有限元模型的建立及求解需要過多的計(jì)算資源及時(shí)間，對(duì)于兩自由度LRG 系統(tǒng)的仿真不太適用，尤其是涉及新型發(fā)電系統(tǒng)控制策略開發(fā)時(shí)，有限元建模更難以實(shí)現(xiàn)。因此，對(duì)于兩自由度LRG 的系統(tǒng)建?？梢越梃b兩自由度LRM 的研究成果，比如等效磁路法［22］以及基于MATLAB／Simulink 的數(shù)學(xué)建模方法［33］，其中前者可以節(jié)省大量的計(jì)算時(shí)間，而后者是開發(fā)新型控制策略的良好工具。

2.5 兩自由度LRG控制策略研究現(xiàn)狀

兩自由度LRG 的控制策略開發(fā)目前還集中在解決直線單元與旋轉(zhuǎn)單元耦合關(guān)系對(duì)發(fā)電機(jī)特性的影響方面，即研究解耦控制策略。文獻(xiàn)［20］基于矢量控制，搭建了用于WWCEC 系統(tǒng)的兩自由度永磁LRG 的數(shù)學(xué)模型，在此模型的基礎(chǔ)上提出了一種包括磁鏈解耦和功率解耦在內(nèi)的新型解耦控制策略，研究表明正交磁場(chǎng)導(dǎo)致了螺旋運(yùn)動(dòng)時(shí)電機(jī)的磁通減小，為了使得發(fā)電機(jī)在螺旋運(yùn)動(dòng)時(shí)的輸出功率仍能達(dá)到目標(biāo)值，該控制策略通過加大控制環(huán)中的電流來維持平衡，仿真和實(shí)驗(yàn)研究表明所提出的解耦控制策略具有良好的動(dòng)態(tài)性能。深圳大學(xué)的潘劍飛教授研究了一種如附錄A 圖A10 所示的兩自由度開關(guān)磁阻LRM，并提出了2 種用于控制該LRM 的解耦控制策略［33-34］。第一種方法為了最小化直線單元繞組通電對(duì)旋轉(zhuǎn)單元轉(zhuǎn)矩特性的影響［34］，對(duì)直線單元繞組的三相電流進(jìn)行了分區(qū)域控制，最終實(shí)現(xiàn)了解耦控制，即直線單元不會(huì)對(duì)旋轉(zhuǎn)單元產(chǎn)生影響，但是這種方法并沒有改善旋轉(zhuǎn)單元繞組通電時(shí)對(duì)直線單元的影響，該控制策略的控制框圖如圖1 所示。第二種方法通過設(shè)定合適的轉(zhuǎn)矩及推力分配方程［33］，實(shí)現(xiàn)了2 個(gè)自由度獨(dú)立的位置控制，但是這種方法難以用于該LRM的高精度位置跟蹤。

圖1 開關(guān)磁阻LRM解耦控制策略框圖Fig.1 Block diagram of decoupled control strategy for switched reluctance LRM

而針對(duì)應(yīng)用于WWCEC 系統(tǒng)的兩自由度LRG，其作為多能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的核心裝備，除了改善性能的控制策略外，多能互補(bǔ)的控制策略及后續(xù)的并網(wǎng)策略也亟待開發(fā)，其可以參考已有的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)［35-37］及風(fēng)光儲(chǔ)互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)［38］的研究成果。由風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)自適應(yīng)控制演變而來的風(fēng)浪互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)自適應(yīng)控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。圖中：urq、irq、i*rq分別為旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)單元的q軸電壓、電流、期望電流；urd、ird、i*rd分別為旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)單元的d軸電壓、電流、期望電流；ulq、ilq、i*lq分別為直線發(fā)電機(jī)單元的q軸電壓、電流、期望電流；uld、ild、i*ld分別為直線發(fā)電機(jī)單元的d軸電壓、電流、期望電流；n和v分別為L(zhǎng)RG 的轉(zhuǎn)速和直線速度；n*和v*分別為L(zhǎng)RG 的期望轉(zhuǎn)速和期望直線速度。為了保證系統(tǒng)輸出電能的穩(wěn)定性，以風(fēng)電作為主要的發(fā)電源、波浪能發(fā)電作為輔助發(fā)電源的供電方式，依據(jù)負(fù)載側(cè)需求改變蓄電池的充放電狀態(tài)，該結(jié)構(gòu)框圖可以成為制定新型WWCEC系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制的重要參考。

圖2 風(fēng)浪互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)自適應(yīng)控制結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of adaptive control structure for wind-wave complementary energy conversion system

3 兩自由度發(fā)電機(jī)用于新型海上WWCEC系統(tǒng)的可行性初步驗(yàn)證

目前用于新型WWCEC系統(tǒng)的LRG以永磁LRG為主，這是因?yàn)橛来虐l(fā)電機(jī)具有功率密度高、效率高等突出優(yōu)點(diǎn)［39-42］。因此本節(jié)提出2 種可以用于新型WWCEC 系統(tǒng)的永磁LRG，一種為永磁同步LRG，另一種為磁通切換永磁LRG，并通過有限元分析對(duì)它們用于WWCEC系統(tǒng)的可行性進(jìn)行初步驗(yàn)證。

3.1 永磁同步LRG的可行性分析

圖3 為一種內(nèi)外雙定子結(jié)構(gòu)的永磁同步LRG，其永磁體貼于動(dòng)子內(nèi)外表面，是一種動(dòng)子永磁型直線旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)MPMLRG（Mover Permanent Magnet Linear-Rotary Generator）。其外定子與動(dòng)子外側(cè)可構(gòu)成類似于12 槽20 極結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)永磁同步發(fā)電機(jī)，內(nèi)定子與動(dòng)子內(nèi)側(cè)構(gòu)成類似于12槽20極結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)直線永磁同步發(fā)電機(jī)，旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)單元與直線發(fā)電機(jī)單元共用動(dòng)子軛部分。

圖3 MPMLRG結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structural schematic diagram of MPMLRG

該MPMLRG 在不同位置下的磁路分布示意圖如附錄A 圖A11 所示。以旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)單元的A 相為例，在風(fēng)能的作用下，當(dāng)動(dòng)子旋轉(zhuǎn)到位置1時(shí)，A相繞組所纏繞定子磁極的中心線與由內(nèi)徑向外徑方向充磁的永磁體中心線對(duì)齊，與A 相繞組匝鏈的磁通則由外徑指向內(nèi)徑；當(dāng)動(dòng)子旋轉(zhuǎn)到位置2 時(shí)，A 相繞組所纏繞定子磁極的中心線與由外徑向內(nèi)徑方向充磁的永磁體中心線對(duì)齊，與A 相繞組匝鏈的磁通則由內(nèi)徑指向外徑。由此可見，A 相繞組會(huì)感應(yīng)出交變的電壓，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)能向電能的轉(zhuǎn)換。直線發(fā)電機(jī)單元的運(yùn)行原理與旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)單元類似，不再贅述。

綜上所述，所提出的MPMLRG 結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示，其可以在外力作用下，實(shí)現(xiàn)有效發(fā)電，用于新型WWCEC系統(tǒng)中的理論可行性得以驗(yàn)證。

3.2 磁通切換LRG的可行性分析

與圖3 所示的MPMLRG 結(jié)構(gòu)類似，本文還提出了如圖4 所示的一種內(nèi)外雙定子結(jié)構(gòu)的磁通切換永磁LRG，其永磁體及繞組均位于內(nèi)外定子上，動(dòng)子僅由鐵磁材料制成，是一種定子永磁型直線旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)SPMLRG（Stator Permanent Magnet Linear-Rotary Generator）。外定子與動(dòng)子外側(cè)可構(gòu)成類似于12 槽10 極結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)磁通切換永磁發(fā)電機(jī)，內(nèi)定子與動(dòng)子內(nèi)側(cè)構(gòu)成類似于12 槽10 極結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)直線磁通切換永磁發(fā)電機(jī)，2 個(gè)發(fā)電機(jī)單元共用動(dòng)子軛部分。本節(jié)所提出的MPMLRG 和SPMLRG 具有相同的反電勢(shì)周期，這有助于對(duì)這2 種發(fā)電機(jī)的反電勢(shì)特性進(jìn)行比較。

圖4 SPMLRG結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structural schematic diagram of SPMLRG

該SPMLRG 在不同位置下的磁路分布示意圖如附錄A 圖A12 所示。以旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)單元的A 相為例，在風(fēng)能輸入的作用下，當(dāng)動(dòng)子旋轉(zhuǎn)到位置1 時(shí)，根據(jù)磁通總沿著磁阻最小的路徑閉合的“磁阻最小原理”，與A 相繞組匝鏈的磁通由內(nèi)徑指向外徑；當(dāng)動(dòng)子旋轉(zhuǎn)到位置2 時(shí)，與A 相繞組匝鏈的磁通則改變?yōu)橛赏鈴街赶騼?nèi)徑。隨著動(dòng)子圓周方向位置的不斷變化，A 相繞組會(huì)感應(yīng)出交變的電壓，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)能向電能的轉(zhuǎn)換。該發(fā)電機(jī)中直線發(fā)電機(jī)單元的運(yùn)行原理與旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)單元類似，不再贅述。同樣地，SPMLRG 用于新型WWCEC 系統(tǒng)中的理論可行性得以驗(yàn)證。

3.3 基于有限元方法的可行性初步驗(yàn)證

文獻(xiàn)［43］對(duì)本文所提出的SPMLRG 進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，其中所用的多目標(biāo)優(yōu)化方法為基于改進(jìn)熵權(quán)法的優(yōu)劣解距離法。為了保證對(duì)比的公平性與合理性，用同樣的優(yōu)化方法設(shè)計(jì)了1臺(tái)如圖3所示的MPMLRG，2臺(tái)LRG 具有相同的關(guān)鍵尺寸，其數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 所提出的LRG關(guān)鍵尺寸Table 3 Key sizes of proposed LRG

利用有限元軟件完成了2 臺(tái)LRG 的有限元建模，并進(jìn)行了空載情況下的特性分析，獲得了旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)單元的空載反電勢(shì)UR、齒槽轉(zhuǎn)矩Tco，以及直線發(fā)電機(jī)單元的空載反電勢(shì)UL和定位力Fde波形，當(dāng)電機(jī)的動(dòng)子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)300 r／min、直線1 m／s 的螺旋運(yùn)動(dòng)時(shí)，2臺(tái)電機(jī)的空載特性如圖5所示。圖中：URMS為發(fā)電機(jī)反電勢(shì)的有效值；THD 表示反電勢(shì)的總諧波畸變率；θ為動(dòng)子旋轉(zhuǎn)角，反映了動(dòng)子在旋轉(zhuǎn)方向上的位置；x為與初始位置之間的直線距離，反映了動(dòng)子在直線方向上的位置。由圖5 可見，當(dāng)電機(jī)動(dòng)子進(jìn)行直線、旋轉(zhuǎn)或螺旋運(yùn)動(dòng)時(shí)（仿真中給予強(qiáng)制速度時(shí)），所提出的2 種發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)／直線單元均能夠感應(yīng)出交變的電壓，實(shí)現(xiàn)有效發(fā)電。另外計(jì)算可得，MPMLRG 的Tco峰峰值為2.2 N·m，SPMLRG 的Tco峰峰值為21.4 N·m；MPMLRG的Fde峰峰值為53.7 N，SPMLRG的Fde峰峰值為46.2 N。

圖5 所提出的2種LRG的空載特性Fig.5 Performances of both proposed LRGs under no-load condition

圖6 為額定負(fù)載情況下，所提出的2 種LRG 輸出功率P與效率η隨動(dòng)子運(yùn)動(dòng)速度變化的曲線。可以看出，隨著動(dòng)子旋轉(zhuǎn)速度及直線運(yùn)動(dòng)速度的上升，2 種LRG 的輸出功率升高，效率基本不變，但旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)單元的效率要優(yōu)于直線發(fā)電機(jī)單元的效率，這是由直線方向運(yùn)動(dòng)速度較低造成的。MPMLRG 的輸出功率要高于SPMLRG，但是其效率要略低于SPMLRG。從以上仿真分析可以看出，所提出的2種LRG 在不同的輸入風(fēng)速、波浪直線運(yùn)動(dòng)速度的情況下都可以實(shí)現(xiàn)有效發(fā)電，LRG 用于新型WWCEC 系統(tǒng)的可行性初步得到驗(yàn)證。

圖6 額定負(fù)載情況下所提出的2種LRG輸出功率與效率Fig.6 Output power and efficiency of both proposed LRGs under rated-load condition

3.4 兩自由度發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)加工方案分析

結(jié)合制造商對(duì)LRG 的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)加工方案進(jìn)行了初步的分析與制定，LRG 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)加工方案示意圖如附錄A 圖A13 所示。為了模擬新型WWCEC 系統(tǒng)中風(fēng)能和波浪能的輸入，LRG 的動(dòng)子通過法蘭與一套旋轉(zhuǎn)對(duì)拖電機(jī)相連，而旋轉(zhuǎn)對(duì)拖電機(jī)及LRG 的動(dòng)子安裝在直線對(duì)拖電機(jī)的初級(jí)上。當(dāng)直線對(duì)拖電機(jī)繞組有序勵(lì)磁時(shí)，旋轉(zhuǎn)對(duì)拖電機(jī)及LRG 的動(dòng)子會(huì)在導(dǎo)軌上做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，若此時(shí)旋轉(zhuǎn)對(duì)拖電機(jī)也處于工作狀態(tài)，其會(huì)使得LRG 的動(dòng)子同時(shí)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因此，通過對(duì)旋轉(zhuǎn)對(duì)拖電機(jī)和直線對(duì)拖電機(jī)的合理控制，可實(shí)現(xiàn)LRG 進(jìn)行直線、旋轉(zhuǎn)或螺旋運(yùn)動(dòng)，從而模擬單獨(dú)波浪能輸入、單獨(dú)風(fēng)能輸入以及波浪能和風(fēng)能共同輸入3 種能量輸入情況，在合理調(diào)速控制下還能模擬不同的風(fēng)速和波浪速度。此外，對(duì)于所提出的內(nèi)外雙定子結(jié)構(gòu)的MPMLRG 和SPMLRG，內(nèi)定子的安裝方式是一大難題，在該方案中通過支撐桿單端支撐內(nèi)定子，在對(duì)支撐桿進(jìn)行力學(xué)分析后發(fā)現(xiàn)，所制定的LRG實(shí)驗(yàn)平臺(tái)加工方案是可行的。

4 基于兩自由度發(fā)電機(jī)的新型海上WWCEC系統(tǒng)關(guān)鍵問題

4.1 海上環(huán)境下發(fā)電系統(tǒng)的可靠性難以保證

海上環(huán)境為風(fēng)電系統(tǒng)、波浪能發(fā)電系統(tǒng)等海上資源開發(fā)系統(tǒng)的構(gòu)建提供了充裕的空間，但是海上環(huán)境潮濕，海水具有高腐蝕性，這些條件對(duì)海上環(huán)境中工作部件的材料以及保護(hù)機(jī)構(gòu)提出了較高的要求。此外，海浪的震蕩波動(dòng)會(huì)給海洋中的機(jī)械構(gòu)件帶來極大的應(yīng)力沖擊。因此在惡劣的海上工作條件下，建立能夠適應(yīng)海上環(huán)境的平臺(tái)，包括LRG、電力轉(zhuǎn)換設(shè)備、浮漂、風(fēng)機(jī)等，保證整個(gè)海上平臺(tái)及發(fā)電系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行成為了一個(gè)難題。尤其是作為系統(tǒng)核心能量轉(zhuǎn)換裝置的LRG，其運(yùn)行可靠性對(duì)系統(tǒng)而言至關(guān)重要。

4.2 高性能兩自由度風(fēng)浪結(jié)合發(fā)電機(jī)仍很缺少

LRG 是新型WWCEC 系統(tǒng)的核心能量轉(zhuǎn)換裝置，得益于這種新型發(fā)電機(jī)的應(yīng)用，新型WWCEC 系統(tǒng)規(guī)避了傳統(tǒng)WWCEC 系統(tǒng)多電機(jī)、多傳動(dòng)裝置的缺點(diǎn)，因而在系統(tǒng)效率方面具有一定優(yōu)勢(shì)。但該系統(tǒng)中風(fēng)能和波浪能2 種能量形式的同時(shí)轉(zhuǎn)換均基于1臺(tái)LRG 實(shí)現(xiàn)，這對(duì)LRG 性能提出了較高的要求，其需要兼顧直線、旋轉(zhuǎn)和螺旋運(yùn)動(dòng)3 種運(yùn)動(dòng)形式、直線發(fā)電單元及旋轉(zhuǎn)發(fā)電單元2 套發(fā)電系統(tǒng)，還要在海上平臺(tái)的強(qiáng)震環(huán)境及散熱條件下表現(xiàn)出優(yōu)越的輸出功率和發(fā)電效率，保證系統(tǒng)的整體效率優(yōu)勢(shì)，因而提出更多的高性能LRG拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)新型WWCEC系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用而言十分重要。而且，LRG 是一種集成度發(fā)電機(jī)，其與LRM 一樣也會(huì)受到耦合效應(yīng)的影響，然而對(duì)于現(xiàn)有的LRG 耦合效應(yīng)相關(guān)的研究還很缺乏，其清晰的耦合效應(yīng)影響機(jī)理及發(fā)電特性研究都還沒有完善。因此，對(duì)高性能LRG 進(jìn)行深入研究是新型WWCEC系統(tǒng)研究中的關(guān)鍵問題之一。

4.3 兩自由度發(fā)電機(jī)高性能控制策略研究不充分

在LRG 中，旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)單元和直線發(fā)電機(jī)單元之間因耦合效應(yīng)的存在而相互影響，該影響會(huì)體現(xiàn)在2 個(gè)發(fā)電機(jī)單元的輸出特性上，包括輸出功率、效率等，此時(shí)就需要通過合理的控制來改善其功率輸出。而針對(duì)LRG 自身性能特點(diǎn)，傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)控制策略往往不能直接使用，需要進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)和適配，例如研究適合LRG 的解耦控制策略、矢量控制策略、直接功率控制策略等。但是就目前的研究而言，可以提高LRG 輸出特性和運(yùn)行特性的高性能控制策略研究還很缺乏，這限制了LRG 的性能提升和大規(guī)模應(yīng)用。因此，與傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)／直線發(fā)電機(jī)研究相同，高性能控制策略研究也是LRG 相關(guān)研究中的重點(diǎn)。

4.4 WWCEC協(xié)調(diào)運(yùn)行機(jī)制不完善

海上風(fēng)能和波浪能具有波動(dòng)性、間歇性和不規(guī)則性，單獨(dú)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和波浪能發(fā)電系統(tǒng)都難以持續(xù)穩(wěn)定地輸出電能。將風(fēng)能與波浪能綜合開發(fā)的新型WWCEC 系統(tǒng)在電能輸出穩(wěn)定性上具有更加明顯的優(yōu)勢(shì)。但是與目前研究較多的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電控制相比，有關(guān)風(fēng)浪互補(bǔ)發(fā)電控制的研究還比較少，2 種能量形式的協(xié)調(diào)運(yùn)行機(jī)制還不完善。因此，結(jié)合近海岸風(fēng)速及波浪速度的真實(shí)數(shù)據(jù)，研究風(fēng)浪互補(bǔ)發(fā)電控制策略是新型WWCEC 系統(tǒng)應(yīng)用前需要解決的關(guān)鍵問題。

5 基于兩自由度發(fā)電機(jī)的新型海上WWCEC系統(tǒng)主要研究方向

5.1 兩自由度風(fēng)浪結(jié)合發(fā)電機(jī)新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究

新型直驅(qū)WWCEC系統(tǒng)中的LRG需要工作在惡劣的海上強(qiáng)震環(huán)境下，如果該LRG 故障或者損壞，有可能造成整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓，而其作為海上設(shè)備的維修成本卻相當(dāng)昂貴。通過分析LRG 的發(fā)展動(dòng)態(tài)可以發(fā)現(xiàn)，永磁LRG 是新型直驅(qū)WWCEC 系統(tǒng)的有力競(jìng)爭(zhēng)者。從第3 節(jié)可以看出，所提出的2 種LRG各具特性優(yōu)勢(shì)。MPMLRG 相當(dāng)于2臺(tái)永磁同步發(fā)電機(jī)的結(jié)合體，近年來永磁同步發(fā)電機(jī)的相關(guān)研究較多，技術(shù)也相對(duì)成熟，但是其永磁體位于動(dòng)子上，在海上風(fēng)浪平臺(tái)的強(qiáng)震、潮濕環(huán)境下，動(dòng)子上的永磁體具有不可逆退磁的風(fēng)險(xiǎn)。而SPMLRG 的永磁體及繞組均裝配在內(nèi)外定子上，可以成為規(guī)避永磁體退磁風(fēng)險(xiǎn)的LRG 結(jié)構(gòu)選擇之一，但是有關(guān)定子永磁型發(fā)電機(jī)的研究相對(duì)較少，相關(guān)技術(shù)發(fā)展還并不完善，且其具有定子裝配工藝更加復(fù)雜、功率密度相對(duì)受限等缺點(diǎn)。因此，對(duì)于適合新型WWCEC 系統(tǒng)的LRG拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還需要進(jìn)行更加深入的分析，例如利用集合電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、機(jī)械應(yīng)力場(chǎng)的多物理場(chǎng)模型進(jìn)行分析，研究能夠適應(yīng)海上惡劣環(huán)境的其他新型LRG拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

5.2 兩自由度風(fēng)浪結(jié)合發(fā)電機(jī)通用設(shè)計(jì)準(zhǔn)則歸納

LRG 的電磁參數(shù)決定著該發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度、推力密度、發(fā)電功率和效率，影響著發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、散熱及運(yùn)行可靠性。新型發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵尺寸與其電磁功率、電負(fù)荷、磁負(fù)荷之間的關(guān)系是電機(jī)設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵，決定著電機(jī)設(shè)計(jì)過程中其他電磁參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理選擇。兩自由度風(fēng)浪結(jié)合發(fā)電機(jī)以新型直驅(qū)WWCEC 系統(tǒng)為應(yīng)用背景，其電負(fù)荷的合理選擇要結(jié)合海上環(huán)境的冷卻條件，除此之外2 個(gè)發(fā)電機(jī)單元的關(guān)鍵尺寸之間相互制約，存在著競(jìng)爭(zhēng)有限空間的關(guān)系。因此如何在2 個(gè)發(fā)電機(jī)單元相互制衡的關(guān)系下建立適用于WWCEC的LRG關(guān)鍵尺寸確定準(zhǔn)則，是保證兩自由度風(fēng)浪結(jié)合發(fā)電機(jī)整體設(shè)計(jì)合理性的重要基礎(chǔ)。歸納兩自由度風(fēng)浪結(jié)合發(fā)電機(jī)的通用設(shè)計(jì)準(zhǔn)則有助于提高電機(jī)設(shè)計(jì)的效率，有利于提升發(fā)電機(jī)的輸出性能，也是這一研究領(lǐng)域中亟待填補(bǔ)的空白。

5.3 兩自由度風(fēng)浪結(jié)合發(fā)電機(jī)耦合效應(yīng)研究

LRG 與兩自由度直線旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)雖然構(gòu)造相似，但是它們的工作目的及能量轉(zhuǎn)換方向不同，因而進(jìn)行耦合效應(yīng)分析時(shí)的重點(diǎn)會(huì)有所差別。LRM 的耦合效應(yīng)分析著重于耦合效應(yīng)對(duì)運(yùn)動(dòng)特性的影響方面，LRG 的耦合效應(yīng)分析應(yīng)著重于耦合效應(yīng)對(duì)發(fā)電特性的影響方面，例如衡量耦合效應(yīng)對(duì)發(fā)電機(jī)靜態(tài)電磁場(chǎng)下電磁特性的影響，包括動(dòng)子鐵芯磁密、繞組磁鏈、齒槽轉(zhuǎn)矩／定位力等；研究在不同運(yùn)行模式下耦合效應(yīng)對(duì)發(fā)電機(jī)瞬態(tài)電磁場(chǎng)下的輸出功率、效率、感應(yīng)電壓、損耗等特性的影響規(guī)律等。相較之下，LRG耦合效應(yīng)分析還缺乏系列性研究成果。除此之外，耦合效應(yīng)抑制策略的研究對(duì)改善LRG 性能具有重要意義，但是LRG 耦合效應(yīng)的抑制策略成果還比較少，尤其是之前鮮有抑制LRG 耦合效應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，一些易于實(shí)現(xiàn)的LRG 耦合效應(yīng)抑制策略亟待提出。

5.4 WWCEC系統(tǒng)建模研究

WWCEC 系統(tǒng)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型是進(jìn)行LRG 研究和系統(tǒng)控制策略開發(fā)時(shí)的重要工具。而LRG 是一種高集成度電機(jī)，其自身耦合效應(yīng)影響機(jī)理復(fù)雜，這為L(zhǎng)RG 的準(zhǔn)確建模增加了難度，因而建立考慮了耦合效應(yīng)影響的LRG 的數(shù)學(xué)模型是十分重要的。在LRG 研究的過程中可以選用以下2 種建模方式：一是通過三維有限元軟件建立LRG 的模型，在有限元模型中兩部分發(fā)電機(jī)單元特性相互影響，耦合效應(yīng)會(huì)包含在LRG 整體模型中；二是建立LRG 的數(shù)學(xué)模型，在分別建立了旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)單元和直線發(fā)電機(jī)單元后，加入兩者之間耦合效應(yīng)帶來的影響，例如“耦合因子”的引入，建立起兩者之間相互影響的橋梁，實(shí)現(xiàn)LRG精確的數(shù)學(xué)建模。完整的WWCEC系統(tǒng)模型還包括近海岸波浪速度與風(fēng)速變化關(guān)系的數(shù)學(xué)模型、控制系統(tǒng)及電能后處理數(shù)學(xué)模型。利用完整的WWCEC 系統(tǒng)模型進(jìn)行電磁分析及特性模擬，開發(fā)適合WWCEC 系統(tǒng)的高性能控制策略，可以推進(jìn)新型WWCEC系統(tǒng)的快速發(fā)展。

5.5 風(fēng)浪互補(bǔ)發(fā)電協(xié)調(diào)控制策略開發(fā)

在基于LRG的WWCEC系統(tǒng)控制方式的未來發(fā)展中，穩(wěn)定性好、易于實(shí)現(xiàn)的風(fēng)浪互補(bǔ)發(fā)電協(xié)調(diào)控制策略是熱點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一。新型WWCEC 系統(tǒng)將2種能量進(jìn)行結(jié)合開發(fā)，基于LRG 的WWCEC 平臺(tái)在“低風(fēng)能，高波浪能”“高風(fēng)能，低波浪能”以及“高風(fēng)能，高波浪能”3 種可以實(shí)現(xiàn)有效能量轉(zhuǎn)化的情況下，將2 種能量進(jìn)行合理的轉(zhuǎn)化匹配，制定合理的WWCEC 協(xié)調(diào)運(yùn)行機(jī)制。不同的能量輸入情況下，主要工作的發(fā)電機(jī)單元不同，且各發(fā)電機(jī)單元輸出特性會(huì)超出或者低于負(fù)載側(cè)需求，因此可以結(jié)合蓄電池等儲(chǔ)能裝置，利用風(fēng)浪互補(bǔ)發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤控制，構(gòu)建發(fā)電協(xié)調(diào)控制運(yùn)行規(guī)則。當(dāng)LRG 整體輸出功率高于負(fù)載要求時(shí)，系統(tǒng)向儲(chǔ)能裝置充電，而當(dāng)LRG 整體輸出功率低于負(fù)載要求時(shí)，蓄電池對(duì)負(fù)載放電。科學(xué)的WWCEC 協(xié)調(diào)控制運(yùn)行規(guī)則能夠使得WWCEC 系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)不同能量輸入情況及不同能量變化情況時(shí)，輸出功率穩(wěn)定，不工作小時(shí)數(shù)少，抗擾動(dòng)性良好，這也是使得WWCWC 系統(tǒng)優(yōu)于單獨(dú)的風(fēng)能／波浪能發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵。此外，如何在保證控制效果的同時(shí)，降低風(fēng)浪互補(bǔ)發(fā)電協(xié)調(diào)控制的復(fù)雜度是學(xué)者們需要充分考慮的內(nèi)容之一，這是實(shí)現(xiàn)基于LRG的WWCEC系統(tǒng)成功大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。

6 結(jié)論

WWCEC 系統(tǒng)將為我國(guó)可再生能源發(fā)展開辟新的路徑，其成功應(yīng)用可以大幅緩解全球化石能源的危機(jī)。相較于傳統(tǒng)的發(fā)電系統(tǒng)組成，將兩自由度LRM 運(yùn)用于WWCEC 系統(tǒng)是一種降低系統(tǒng)成本、提高系統(tǒng)效率和集成度的有效解決方案，但是惡劣的海上環(huán)境給這種新型WWCEC 系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。除此之外，傳統(tǒng)的電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)理論和控制方法難以應(yīng)對(duì)WWCEC 系統(tǒng)對(duì)LRG提出的性能要求。

本文基于WWCEC 的背景，闡述了獨(dú)立開發(fā)海上風(fēng)能和波浪能的發(fā)電系統(tǒng)和WWCEC 系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，然后對(duì)作為新型WWCEC 系統(tǒng)核心能量轉(zhuǎn)換裝置的LRG 研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，通過有限元方法初步驗(yàn)證了LRG 用于WWCEC 系統(tǒng)的可行性，隨后歸納了該系統(tǒng)發(fā)展過程中正在面臨的關(guān)鍵問題，討論了接下來主要的研究方向。未來，可以從本文所探討的研究方向入手，進(jìn)一步深化兩自由度WWCEC系統(tǒng)的重要理論和方法，為促進(jìn)這種面向海洋的、多能結(jié)合的直驅(qū)式一體化發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化奠定理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

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