王同春
（中国船舶集团有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）
摘 要：本文探讨了一种新型波浪能发电变电及输送系统。文章介绍了实现方法；论述了具体实施方式及工作原理。
关键词：波浪能；发电；发电变电；输送系统
0 引言
21世纪是海洋的世纪，人类向大海索取资源已成为必然的趋势。然而远离大陆开发海洋，人们最需要的是拥有足够的电能和淡水。利用海洋波浪能发电，为深入开发海洋资源、改善驻海岛官兵生活面貌开辟了新途径。海洋中有丰富的波浪能和水，其中波浪能是品位最高（以机械能的形式存在）、最易于直接利用、取之不尽的可再生清洁能源。在此种背景下，西方海洋大国利用新技术纷纷展开试验，研制出漂浮式波浪能装置、固定式波浪能装置等。利用转化装置将波浪能转化为机械能，再将机械能转化为电能。但是由于波浪能的不稳定性，在变电与传输的过程中损耗较大，导致这些装置的最大总发电效率比较低，从能源利用的角度来说，其造价仍过于昂贵。针对此种情况，有必要研究一种特殊的针对波浪能发电特点的变电及输送方法，本文研究了一种阀式波浪能转换装置所发出的电能进行变电及输送的方法。
1 实现方法
本文中的整个变电及传输装置包含以下部分：整流/升压电源装置，海底电缆，直流变换器装置，蓄电池组柜，逆变电源装置和隔离变压器。
发电机发出的AC三相400V输出由整流/升压电源装置将交流电压整流、升压到1006V直流输出。
通过1.5km的海底电缆传输到岸上，然后通过直流变换器装置进行稳压，在发电机转速正常情况下，将海底电缆传输来的变化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，保证逆变电源装置输出稳定。
蓄电池组柜用以在波浪能充足时，将多余的波浪能储存在蓄电池内，这样在波浪能不足时，蓄电池组开始放电，保证交流负荷供电的不间断。
大功率逆变电源系统将额定输入1006Vdc的直流输入电压逆变为单相230Vac和三相为400Vac的交流电压，再通过一个变比为1：1隔离变压器，输出稳定的230/400Vac交流电压，供各种负载使用。图1是发电变电及传输方法原理框图。
.png)
图1 发电变电及传输方法原理框图
2具体实施方式
300kW波浪发电系统是一个包含蓄电池组储能的混合发电系统，波浪发电方案的原理框图见图1所示。整个发电装置包含以下部分：整流/升压电源装置，海底电缆，直流变换器装置，蓄电池组柜，逆变电源装置和隔离变压器。
图1中，G代表6台发电机机，规格为 AC三相400V输出，额定功率50kW。分别放置于2#～4#三个浮筒内，2#～4#三个浮筒内每个发电机后面设置一个50kW整流/升压电源装置，该装置将交流电压整流、升压到1006V直流输出。另外6套50kW整流/升压装置之间有通信电缆连接，实现所有装置的直流输出并联运行。高压直流母线经过1#浮筒，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。整流/升压装置的通信电缆还将每台装置的工作参数和运行状态传输到1#浮筒内的控制系统，用以实现整个装置的集中监控功能，比如控制整流升压装置的开关机功能等。
考虑远距离海底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变换器装置进行稳压。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变化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装置提供直流输入，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。
蓄电池组柜用以在波浪能充足时，将多余的波浪能储存在蓄电池内，这样在波浪能不足时，蓄电池组开始放电，保证交流负荷供电的不间断。
大功率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单相230Vac和三相为400Vac的交流电压，再通过一个变比为1：1隔离变压器，输出稳定的230/400Vac交流电压，供各种负载使用。
系统原理示意图见图2所示。
.png)
图2 系统原理图
图2中， 1#～6# G是6个50kW永磁同步发电机组，每个机组产生280～480Vac的三相交流电，经过由D1～D6，D1’～D6’……组成的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，并且变化范围较宽。
3连接说明
1)发电机与“整流/升压装置”：三相交流永磁发电机输出线（3根）分别接二极管“D1”与“D2”之间、“D3”与“D4”之间、“D5”与“D6”之间；“D1～D6” 为三相不可控整流桥；“D1、D3、D5”串接电感“L1”，“L1”再串接开关管“Q1”，“Q1”再串接“D2、D4、D6”；“D7”与“C1”先串联，然后与“Q1”及“D8”并联。
2)直流变换装置：升压装置电容“C1”两端接直流变换装置输入。“L2”与“Q2、D10”串联，“Q2”与“D10”并联；“D9”与“C2”先串联，然后与“Q2、D10”并联。
3)蓄电池组：直流变换器“C2”两端为输出，接蓄电池组。
4)逆变电源装置：逆变电源为三相全桥逆变结构。3组电路相同，以第一组为例，“C3”与“C4”并联，接蓄电池两端，为逆变器输入；“Q3”与“D11”并联，“Q4”与“D12”并联，然后“Q3”与“Q4”串联；“C3、C4”与“Q3、Q4”组成并联结构；“Q3、Q4”中间点接电感“L3”，“L3”另一端接电容“C9”， “C9” 另一端接“C3、C4”的中间点； “C9”两端为该组输出，接对应的隔离变压器，一端接变压器抽头“A”，另一端接变压器中性点。
5)隔离变压器：隔离变压器为“星/星”结构。
4工作原理
以1#发电机的50kW升压装置为例来说明。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。升压电路由图2中的L1、Q1 、D1和D2 组成，为Boost升压电路。当IGBT Q1导通时，电感L1的电流上升。当Q1关断时，电感L1的电流下降，储存在电感L1中的能量释放出来，经过二极管D1为储能电容充电。通过控制Q1的开通和关断时间，保证C1上的电压稳定升压到需要的1006V直流高压。每个整流升压装置通过CPU进行控制，实现发电机的最大输出功率跟踪技术（MPPT），保证整流升压装置的最大功率输出。
其它50kW整流升压装置的工作原理与上述类似。整流升压装置之间采用RS485通讯，控制6个整流升压装置的输出电压和电流，实现并联运行，保证跟踪6台发电机组的最大输入功率，输出稳定的直流电压，实现整流升压功能。
根据传输距离和输出损耗确定一定截面积的海底电缆，整流升压装置输出的直流高压经过正、负的海底电缆传输到岸上。
岸上设备包括DC/DC器装置、储能单元蓄电池组柜、逆变电源装置和隔离变压器装置几部分。
DC/DC变换器装置也是一个Boost升压电路，由图2中的L2、Q2、D2和Q9组成。由于海底光缆较长且传输电流较大，电缆上的压降较大。通过DC/DC变换器再次进行稳压和升压，保证逆变电源装置输入的稳定。同时，DC/DC变换器可以为蓄电池进行充放电管理，在波浪能充足的时候，将多于的电能储存在蓄电池内。当波浪能不足时，由蓄电池组提供补充能量，保证发电系统输出的稳定。
蓄电池组柜由74只12V蓄电池串联，额定蓄电池端电压为：888V，浮充电压为1006V。蓄电池的充电方式选择为浮充方式。
逆变电源装置采用三个独立的半桥逆变器组成，通过高频SPWM调制技术，输出三相交流电压。图2中的U相逆变器由C3、C4、Q3、Q4、D11、D12、L3和C9组成，V相逆变器由C5、C6、Q5、Q6、D13、D14、L4和C10组成，W相逆变器由C7、C8、Q7、Q8、D15、D16、L5和C11组成。三个半桥逆变器输出三相四线的交流电压，再经过一个Y/Y工频隔离变压器T1，输出230Vac/400Vac的单相、三相交流电源，供给各交流负载，输出功率达到300kW。
整个发电系统的功率变换部分，包括整流/升压装置、直流直流变换器装置和逆变电源装置均采用模块化并联冗余的设计，提高系统可靠性。
参考文献
[1] 高大晓，王方杰，史宏达，等.国外波浪能发电装置的研究进展[J].海洋开发与管理,2012(11)
[2] 顾煜炯.波浪能发电技术研究进展[J].电网与清洁能源,2016(5)
[3] 岳文艳,张友恒. 波浪能发电装置的研究[J]. 甘肃科技纵横,2011(4)
[4] 黄铭.英国波浪发电设备及其系泊系统的研究[J].水电能源科学,2006(4)