王同春
中国船舶集团有限公司第七一○研究所，湖北 宜昌 443003
摘 要：介绍了“大万山岛波浪能独立电力系统示范工程”阀式波浪能转换装置的组成。阐述了技术路线和技术方案。进行了技术分析。
关键词：海洋波浪能发电；新能源技术示范
1 概述
“大万山岛波浪能独立电力系统示范工程”阀式波浪能转换装置由4个直径3.5m、长20m的浮筒组成，浮筒与浮筒之间通过1个万向节及4个液压缸相互连接。当波浪来临时，浮筒间产生水平和垂直两个方向的相对运动，驱动4个液压缸作往复直线运动，以此俘获并吸收波浪的能量。
海上装置由4个浮筒组成，因此有3个连接关节；每个关节处共有4个液压缸，其中每2个液压缸与相应管路、阀件、蓄能器、液压马达等构成一个独立的液压系统，通过对液压系统压力和排量的控制，液压马达转速稳定在1200r/min～1500 r/min之间，液压马达驱动三相交流永磁发电机（发电机额定转速1500r/min）工作，发电机输出电压稳定在400V附近；400V为“液压——发电机”装置闭环控制的目标值。
2 技术路线
2.1 发电机
通过液压马达驱动的发电机输出电压、转速难以稳定，不能将6台发电机输出的三相交流电直接并车（并联）。单就技术而言，本发电装置既可选用交流同步发电机，也可选用交流永磁同步发电机，还可选用直流发电机，后续都需对输出的电能作进一步处理，方可进行并网、传输。针对示范工程，必须结合总体技术、应用环境、成本、采购等环节进行综合考虑，选用最适合本工程的发电机。发电机选择需考虑以下因素：
a)发电机效率；
b)励磁及控制；
c)负载特性；
d)转速；
e)环境适应性；
f)电能后处理；
g)制造与价格；
h)供货周期。
本示范工程时间紧、任务重，直接在电机型普中选择，或选择型普中的电机作少量改进是比较可行的办法；发电机效率也是一个重要考虑因素；由于发电机安装在海上浮筒中，要尽量做到免维护，复杂的励磁控制就不太合适。
此外，发电机应具备以下特殊要求：(1)起动转矩尽可能低；(2)在85％额定转速下，发电机的空载电压应不低于额定电压；(3)在150％额定转速下，发电机在额定电压下应能过载150％运行2min；(4)发电机在空载情况下，应能承受2倍额定转速，历时2min，转子结构应不发生损坏及有害变形；(5)发电机应该在1200～1500rpm的转速范围内发电效率不小95%。经综合评估和分析，本方案选用交流永磁同步发电机。
2.2 整流
陆上大型电网或船舶电站，都采用交流同步发电机多台并网运行，频率50Hz，利用变压器升压后传输。基于以下原因，本方案无法采用交流并网技术。
a)6台发电机中，无输出功率、频率都稳定的核心机组；
b)只有依托稳定运行的核心机组，其它机组才能与之并网运行；
c)6台发电机输出电压、频率、相序、相位都不相同，达不到交流输出直接并网的条件；
d)现有液压控制技术不能保证发电机转速稳定在并网所需精度范围。
因此，必须对6台发电机输出电能单独整流，即AC/DC,然后再进行下一步的处理。
2.3 变流及输送方案
本装置配置6台50kW的发电机，需输送的电能为300kW，传输距离约1500m。从电能输送角度考虑，交流或直流方案都非常成熟。两种方案技术途径如下：
a)交流输送：先将发电机输出整流，然后升压、逆变，再交流并网，最后传输，在岸上控制室通过变压器降压,工作流程及环节：AC/DC、DC/AC、AC/AC；
b)直流输送：先将发电机输出整流，然后升压，最后传输，在岸上控制室逆变为最终用户所需电制，工作流程及环节：AC/DC、DC/DC、DC/AC。
电能交流与直流传输的性能对照表如表2所示：
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经综合分析：为提高海上浮筒内设备的可靠性和维修性，需尽可能降低浮筒内发电及电能变换设备的复杂度，力求将技术复杂的设备放在岸上控制室；基于这一原则，本方案选用直流传输技术路线。
3 技术方案
3.1 发电机
发电机技术指标如下：
a)额定电压：AC400V；
b)额定功率：50kW；
c)额定频率：50Hz；
d)绝缘等级：F级绝缘；
e)绝缘电压：2000V；
f)额定转速：1500rpm。
3.2 变流方案
本示范工程将马达的转动的机械能转换成电能，同时，将装置内部多台发电机发出的电能并流输送到岸上。岸上设置有双向直流变换器、大容量的蓄电池组及大功率的逆变电源装置，将海底电缆传输来的直流电源经过大功率的三相逆变装置、隔离变压器转化三相380V/50Hz和单相220V/50Hz交流电，供岛上交流负荷使用。另外，双向直流变换器将海底电缆输送来的电能一方面对蓄电池进行充电，另一方面当波浪发电装置的电能不稳定或不足时，通过蓄电池组的储能来提供能量。
该发电系统是一个包含蓄电池组储能的混合发电系统，发电方案的原理框图如图1所示：
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图1 波浪发电系统原理框图
上图中，G代表6台发电机机，规格为 AC三相400V输出，额定功率50kW。每2台分别放置于三个浮筒内，三个浮筒分别放置100kW整流电源装置，该装置将交流电压整流、升压到1006V直流输出。再通过较长距离(1.5km)的海底电缆，将该直流电压输送到岸上的变流装置和储能装置。考虑电缆阻抗引起的电压跌落，可适当提高传输直流电压。直流电压经过电缆送到岸上后，母线电压会在一定范围内波动，因此，我们通过DC/DC变换器装置进行升压和稳压。DC/AC逆变装置将直流电转换为三相400VAC/50Hz 的交流电输出。
DC/DC变换器装置的功能为：在发电机转速正常情况下，将海底电缆传输来的直流电压进行功率转换，输出稳定的1006VDC电压，为三相大功率逆变电源提供直流输入，同时为蓄电池组提供浮充电压，实现电能的储存。当发电机转速偏低，无法提供足够的能量时，由蓄电池组释放储存的能量，为逆变装置提供直流输入电源，保证逆变装置DC/AC输出稳定。DC/AC三相逆变子系统将额定输入1006VDC的直流输入电压逆变为三相为400VAC的交流电压，再通过一个隔离调压变压器，输出稳定的380VAC三相交流电压，供各种负载使用。
系统原理示意图如图2所示。图2中，G是6个50kW永磁同步发电机组，每个机组产生400VAC的三相交流电，经过三相桥式不控整流器，实现交流电到直流电的转换。该直流电压随波浪的强弱而变化。由于从发电机到岸上的距离较远，约1.5km左右，为减少较大的直流电流在传输电缆上的损耗，必须设置一个升压环节，使输出的直流电压升高到要求的1006VDC。6个相同的直流升压装置位于整流装置的后面，通过控制电路实现彼此并联运行，实现发电机的负荷匹配及最大容量的输出，避免个别发电机转速较低而出现过负荷的状况。在下图电路中，LDC1-6、TDC1-6和DDC1-6实现直流升压功能。VDC1的电压设定在1006VDC（考虑线上损耗，可适当提高），经过海底电缆将直流电压输送到岸上。
对于三相桥式整流电路，其输出的直流电压计算公式为：
Ud=1.35*U1
采用400V输出的永磁发电机，Ud最大值为540VDC。由于Ud随发电机转速变化而变化，因此，Ud的波动范围较大。
整个发电系统的功率变换部分，包括整流、DC/DC变换和逆变系统均采用模块化并联冗余的设计，提高系统可靠性。
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图2 海洋波浪发电系统原理图
岸上储能装置为免维护铅酸蓄电池组，图中Bb表示。DC/DC变换器装置输入为海底电缆输送来的直流电压。上述装置无法发电时，需要启动备用柴油机来进行发电。
逆变电源装置将变换器和蓄电池输出的直流电压逆变为单相和三相交流电压。Lf1-3和Cf1-3是输出低通滤波器，用以滤除高频SPWM电路产生的高频分量。逆变系统采用三相独立的设计方式，输出的U、V和W及中线N，组成一个完整的三相系统，经过一个Y/Y的隔离调压变压器，输出220VAC/50Hz的单相三线和380VAC/50Hz的三相四线交流电源，供单、三相交流负载使用。
逆变电源装置采用模块化并联设计方案，三相独立的设计方式具备优异的三相承担100%不平衡负载的能力。整个方案中，包含有3个完整的电源子系统，分别是整流电源装置、DC/DC变换器电源装置和三相逆变电源装置。每个系统设置有独立的配电单元和监控CSU单元，监控单元可以实现RS485的通信功能，将各子系统的运行参数和工作状态上报给集中控制系统。
整个系统具备如下特点：
a)全部采用最新的高频功率变换技术，具备体积小、重量轻和效率高的特点；
b)模块化并联冗余设计，可靠性高。单个模块故障，不影响系统的运行；另外，容量可依据需要增大或减小，便于扩容；
c)三相独立的逆变方式具备优异的100%不平衡负载能力；
d)系统可以同时提供单、三相交流电；
e)系统具备通信功能，可以实现整个电站的集中监控。
4 技术分析
4.1 整流电源装置
整流电源装置分别置于2#、3#、4#浮筒内，同时每个浮筒放置两台50kW的永磁发电机，每台发电机将交流输出送到整流装置实现整流及升压功能：
a)将三相交流电整流为直流电压，采用三相不控整流，每个发电机后面设置一个整流桥；
b)将整流得来的直流电压通过一个DC/DC变换电路实现升压功能，同时6台直流电源彼此并联，统一输出一个1006VDC的直流电压。
整流电源子系统的原理框图见图3。
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图3 直流电源系统原理框图
上图中三相整流拟采用目前通用的三相全桥整流，采用不控整流的优点是电路简单、可靠性高。缺点是输出电压随发电机的转速变化而改变，另外，需要设置无源功率因数校正来减少输入端的谐波电流对发电机的不利影响。
整流电源子系统技术上的关键点有：
a)整流/升压装置的最大输入功率跟踪技术，根据发电机的输出特性，判断其最大输出功率，从而动态调整电源装置的最大输出容量；
b)发电机的电压不稳定，造成DC/DC升压部分的设计难度增大。特别是要避免发电机过载；
c)电源装置固定安装在海上浮筒内，要求具备抗振动和冲击的能力；
d)需要考虑电源的热设计。
4.2 海底电缆的选择
发电系统采用6个50kW的发电机，整个输出功率为300kW，不考虑直流电源的转换效率，以海底电缆需要传输300kW的能量到岸上，电缆长度以1.5km，传输的直流电压为1000V进行计算，则电缆上额定直流电流为： 300000/1000=300A。
海底电缆理论上越粗越好，这样电流流过时引起的压降和损耗比较小。但从成本上考虑，又希望越细则成本越低，因此需要进行折中考虑。实际采用200mm2的直流电缆，下面计算阻抗及引起的电压降。
截面积为200mm2的铜芯电缆，计算铜导线的电阻公式为：
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式中，
R为物体的电阻（欧姆）；
ρ为导线的电阻率，单位为欧姆米（Ω. mm2/m) ，纯铜线在25℃时的电阻率是0.018 Ω.mm2/m（欧姆米），。
L为长度，单位为米（m）
S为截面积，单位为平方米（mm2）
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则送到DC/DC装置输入端的直流电压变化范围为：925～1006V。
铜芯电缆的选择，需要综合考虑以下几部分因素：
a)经济性因素。电缆截面积越大，价格越高，但损耗越小；
b)传输电压越高，电缆截面积越小，但安全性降低，电源装置的造价增加；
c)可靠性因素，要求电缆结实可靠，能够抵御一定强度的拉扯和折弯而不损坏；
d)电缆较长而电流较大，另外电压较高，需充分考虑线间分布电容和对地电容的影响。
4.3 蓄电池组配置
蓄电池组实现极端情况下（海上发电机停机等）为岛上民用用电提供能量，以备份1个小时为例。选择12V/节的铅酸免维护蓄电池，一般每节的浮充电压设为13.6V，选择蓄电池组浮充电压在1006V。
蓄电池的充电方式选择为浮充方式，DC/DC变换器装置通过一个BOOST升压电路，产生为蓄电池充电的浮充电压。如果选择蓄电池节数较少，端电压低于海底电缆送来的直流电压，这样势必需要选择降压电路来实现充电功能；此时如果DC/DC装置出现故障而导致直通时，1006V的直流母线电压输入到蓄电池组两端，存在充电电压过高而损坏蓄电池组的可能性。因此选择较高蓄电池端电压的方案，即BOOST升压电路。初步考虑配置如下蓄电池：
1000/13.6=73.5，则选择74只12V蓄电池串联，额定蓄电池端电压为：12×74=888V，浮充电压为1006V。
逆变装置最大输出功率为300kW，设逆变效率为96%，负载功率因数为0.8，蓄电池组额定电压为888V，而蓄电池组的最大放电电流为：
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。
综合考虑，可选择12V/150Ah的蓄电池，一共需要148只。为提高可靠性，采用图4的连接方式。一共2组并联，总蓄电池容量为888V/300Ah。
蓄电池组采用浮充模式进行充电。
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图4 蓄电池组连接方式
可以根据实际情况，调整蓄电池单体容量大小和串联蓄电池组个数。
4.4 DC/DC变换器装置
1006V的直流电压经过海底电缆传输到岸上，经过一个DC/DC升压变换装置进行功率变换。该装置具备两个功能：
a)经过功率变换，将海底电缆传输来的直流母线电压经过稳压输出到三相逆变电源系统，为逆变系统提供能量输入；
b)在波浪发电装置能量充分时，将海底电缆传输来的直流电压进行电压转换，对蓄电池组进行浮充控制。
在本方案中，假设采用4.3中选择的蓄电池组，根据一般按照0.15C的充电电流来考虑，则DC/DC变换器在充电时的电流最大为：
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。
取12V蓄电池的浮充电压为13.6V，则蓄电池组的浮充电压为：
。
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确定充电时变换器的输出容量为1006V/45A，即46kW。
而在蓄电池放电时，需要提供的最大容量为逆变负载满负荷输出，则为：
300kVA×0.8=240kW。
以逆变装置0.96的转换效率，输入直流电压按照1006V计算，则需要DC/DC变换器的输出电流为：
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。
因此，DC/DC变换装置的放电时的最大功率要达到300kW以上，即额定输出为1006V/294A。
DC/DC变换器装置采用模块化并联冗余设计，即提高系统可靠性，又具备很好的操作性能，便于运输、安装和维护功能。每个变换器模块容量为25kW，采用12个模块并联设计，总容量300kW。
4.5逆变电源装置
逆变电源系统采用三个独立单相组成一个单相三线和三相四线交流输出，逆变部分采用并联化冗余设计，可靠性大大提高。
该系统采用目前成熟的模块化并联技术，实现大功率的三相并联逆变输出，具备很高的可靠性，另外由于单个逆变模块体积小，重量轻，便于设备的运输及安装。
初步考虑，单个逆变模块容量输出三相400Vac/50Hz，单个容量30kVA，一共需要10只逆变模块，总输出容量300kVA。
4.6 发电分系统关键技术
发电分系统包含以下关键技术：
a)利用海洋波浪能发电时，发电机最大输出功率跟踪技术。本方案保证6台发电机在工作时，输出最大功率，并保证发电机不过载；
b)蓄电池的能量潮汐控制技术。由于波浪发电的不稳定性，要求DC/DC变换器装置对蓄电池的充电和放电能够科学、高效的管理，最大限度利用发电机功率并且保证输出交流电源的稳定性；
c)各种功率变换模块的并联冗余技术，特别是逆变模块的并联冗余技术。在提高系统可靠性的同时，改变了传统意义上的大功率电源装置体积大、重量大，不便于运输和安装的印象，使整个电源装置体积小，重量轻。
5．装置组成
5.1 整流电源装置
整流电源装置采用模块化结构，每台发电机接1套完整的系统，系统设置1个监控和1输出功率为50kW的整流模块。一共设置6套50kW的系统，6套系统并联运行，总输出功率达300kW。
1个浮筒内放置1个宽600mm，深600mm和高1600mm的机柜，机柜内部设置2套系统。另外，海上波浪引起浮筒的旋转和抖动，此整流/升压装置的机柜要求结实和抗震动性能要好。
5.2 DC/DC换流器装置
DC/DC直流变换器装置采用模块化结构，每个模块输出功率为50kW，6台并联，额定输出300kW。系统上设置一个监控单元，完成对蓄电池的充电控制功能。
5.3逆变电源装置
逆变电源系统采用模块化结构，每个模块输出功率为30kVA，10个模块并联，额定输出300kVA。逆变模块采用目前先进的高频功率变换技术、无主锁相和自动均流等技术，具备很高的可靠性。
6 结束语
每个液压系统驱动一台额定功率为50kW的交流永磁同步发电机，共6台，全系统总装机功率为300kW。因每台发电机输出电压、频率都不相同，需对发电机输出交流电作三相整流（AC/DC）处理、然后进行直流升压（DC/DC），最后将6台发电机产生的能量并流（并联），通过海底电缆传输至岛上控制室（变流室）。
在控制室，对直流电做如下处理：先通过DC/DC变换器将直流电压稳定在1006V，同时为蓄电池浮充，然后经过DC/AC逆变为3相400V交流电，通过变压器隔离和调压、最后供给终端用户3相380V交流电。当发电机输出总功率大于用户负载功率时，发电机向蓄电池浮充，蓄电池储能；当用户功率大于发电机输出总功率时，蓄电池向逆变装置供电，蓄电池放电。
当遇到极端恶劣天气或系统故障时，波浪能装置不能提供电力。为保障供电，设置一台应急发电机，直接为用户供电。大万山岛波浪能独立电力系统示范工程于2018年圆满通过了国家海洋局的验收。