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控制与算法 ★ 5.0

共振式波浪能转换装置的设计原则:功率捕获与流动性能基准测试

Design Principles for Resonant Wave Energy Converters: Benchmarking Power Capture and Flow

作者 Alicia Keow · Jantzen Lee · Giorgio Bacelli · Ryan G. Coe
期刊 IEEE Transactions on Energy Conversion
出版日期 2025年7月
技术分类 控制与算法
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 波浪能转换器 控制协同设计 能量提取装置 阻抗匹配 功率传输
语言:

中文摘要

波浪能转换器(WECs)中的控制协同设计(CCD)在系统设计过程中将控制器、能量提取装置(PTO)和浮体模型进行集成,以优化功率输出。本研究运用双共轭阻抗匹配原理,将PTO建模为二端口网络,揭示了输入和输出端口的阻抗匹配条件与浮体、PTO和控制器的函数关系。本研究探讨了在给定浮体受空间和压载能力限制的情况下,飞轮式俯仰谐振器PTO的适配问题。结果表明,浮体施加的物理约束会影响PTO的性能。虽然通过控制器调谐可实现最佳输出阻抗匹配,且在浮体的限制范围内飞轮惯性达到最大,但PTO的输入阻抗仍小于浮体固有阻抗的复共轭。这种不匹配限制了PTO产生足够反作用扭矩的能力,尤其是在共振频率之外,从而导致窄带功率传输。研究结果强调需要对PTO设计进行修改以提高输入功率传输效率。为此,提出了基于摆的PTO机制作为替代方案,以与多种浮体运动模式相耦合,并在遵循系统约束的前提下提高波浪能到电能的转换效率。

English Abstract

Control co-design (CCD) in Wave Energy Converters (WECs) integrates the controller, power take-off (PTO), and buoy models during system design to optimize power output. Using the bi-conjugate impedance matching principle, this study models the PTO as a two-port network, revealing impedance matching conditions at the input and output ports as a function of the buoy, PTO, and controller. This study examines the pairing of a flywheel-type pitch resonator PTO within a given buoy constrained by limited space and ballast capacity. The results show that physical constraints imposed by the buoy affect PTO performance. While controller tuning achieves optimal output impedance matching and flywheel inertia is maximized within the buoy's limitations, the PTO's input impedance remains smaller than the complex conjugate of the buoy's intrinsic impedance. This mismatch limits the PTO's ability to generate sufficient reaction torque, particularly outside the resonance frequency, resulting in narrow-band power transfer. The findings emphasize the need for PTO design modifications to improve input power transfer. Pendulum-based PTO mechanisms are proposed as alternatives to couple with multiple buoy motion modes and improve wave-to-wire efficiency while respecting system constraints.
S

SunView 深度解读

从阳光电源新能源业务视角来看,这篇关于波浪能转换器的研究虽聚焦海洋能领域,但其核心技术原理与我司储能和电力电子业务存在显著的技术协同价值。

论文提出的控制协同设计(CCD)方法论与阳光电源在光伏逆变器和储能系统中采用的"发电-储能-并网"一体化设计理念高度契合。特别是双共轭阻抗匹配原理,本质上是通过优化能量转换链路各环节的阻抗特性来最大化功率传输效率,这与我司逆变器MPPT算法和储能PCS功率调节的底层逻辑一致。研究中将PTO(功率输出装置)建模为双端口网络的方法,可直接借鉴到我司混合储能系统中飞轮储能与电化学储能的协同控制设计中。

技术成熟度方面,该研究仍处于理论优化阶段,其揭示的关键问题——物理约束导致的窄带功率传输——恰恰是阳光电源可发挥优势的领域。我司在宽频段功率电子变换、多模态能量管理方面积累的技术能力,特别是1500V高压储能系统的拓扑设计经验,可为波浪能装置提供更优的电气接口方案。

潜在机遇在于:一是将我司成熟的储能变流器技术应用于海洋能并网,提升波浪能发电的电网友好性;二是探索飞轮储能与电池储能的混合方案,平抑波浪能的间歇性特征。挑战则包括海洋环境的高盐雾、高湿度对电力电子设备的可靠性要求,以及波浪能当前较高的度电成本。建议将此作为前瞻性技术储备,关注其在海岛微网等特定场景的应用可能性。