0 引言
波浪能是一种无碳排放、能量密度大、传播过程损失小的新型可再生能源。近年来，波浪能转换技术的发展十分迅速，在欧洲和美国已经有波浪能转换装置实现了商业化应用[1]。在我国，越来越多的波浪能装置投入到实际应用中。
目前，在波浪能发电控制技术领域的研究主要集中在实现波浪能发电系统的最大功率捕获和改善电能质量问题[9]，针对波浪能发电功率波动平抑的研究相对较少。TEDESCHI等[10]将储能元件放置在岸上电网侧，使得并网输出能量满足电能质量的要求。NIE等[11]提出了在直流环节采用混合储能系统以实现功率平滑。BRANDO等[12]在直流环节采用了超级电容储存技术，以平滑波能装置的发电功率波动。PARWAL等[13]讨论了有无储能系统和不同类型的储能系统的影响，分析了波能装置并网的功率波动和电压闪烁。SOUSOUNIS等[14]为离网运行的波能装置阵列设计了储能环节，平稳地为岛上住宅负荷供电。王坤林等[15]针对自治控制模式下液压蓄能式波能装置，采用多液压发电机组技术可以降低波能装置输出功率脉动的幅值，但并不能实现无级平滑过渡。为了平抑波能装置的输出功率脉动，使并网功率更加平滑，研究人员提出一种基于有功功率补偿原理的输出功率平抑方法，在波能装置逆变器交流侧下挂一台有功功率补偿装置，实现多台液压发电机组启动和停止时输出功率脉动的平抑。
功率补偿装置仅吸收脉动功率，而不是全部发电功率，可以仅用非常小容量的电池，改善大功率波能装置电力输出性能。以平抑机组最大脉动功率为基准，最小容量为目标配备蓄能系统。蓄电池能量管理系统研究主要集中在维持荷电状态（state of charge, SOC）处于半饱和状态。针对有功功率补偿装置随时具备吸收和补偿的需求，避免过充或过放，对蓄能系统荷电状态和电压划分区间，确定趋中功率，实现蓄能系统荷电状态自动回调趋中，随时具备大功率充电和放电能力，保障波能装置输出功率平稳上网。
1 有功功率补偿装置蓄能系统配置方法
1.1 基于波能装置的有功功率补偿原理
功率波动的大小与波浪条件、蓄能器大小、液压自治控制、发电机装机功率和机组数量等影响有关。在低海况时，蓄能器压力上升时间长，停机时间远大于发电时间，发电机组的工作模式则是断续发电。在高海况时，虽然部分机组工作在连续发电模式，但还是有部分机组断续发电。在断续发电模式下，每台发电机组的启动或停止都会带来一个正向或负向的功率脉动，因此波能装置送出微电网的功率存在脉动现象。
在波能装置与微电网之间添加一台有功功率补偿装置，用以吸收正向脉动功率或补偿负向脉动功率，从而平抑波能装置输出脉动，如图2所示。
当液压发电机组启动或停止时，装置侧并网有功功率会出现正向骤升或负向骤降的脉动现象，系统检测到脉动功率后，有功功率补偿装置将自动吸收正向脉动功率或补偿负向脉动功率。当功率补偿过后，波浪能装置使微网侧并网功率变得平稳，功率补偿装置则停止工作。
1.2 蓄能系统容量配置方法
功率补偿装置仅在装置侧功率突变时才短暂处于大功率运行，因此无需配置大容量蓄电池。同一波能装置的多台液压发电机组一般不会同时启停[16]，功率补偿装置的蓄电池容量在设计时只需针对波能装置中装机功率最大的发电机组匹配即可。由于功率补偿装置需要及时平抑波能装置输出脉动功率，其工作于大功率的时间虽然不长，但功率较大，因此蓄能系统的选型要采用充放电倍率大的电池，如三元锂电池和磷酸铁锂电池等。蓄能系统电池的选取只要满足充放电倍率即可。从波能装置液压发电系统仿真模型多机组输出功率曲线[15]以及实海况波能装置输出功率曲线[16]可以看出，波能装置有功功率的最大波动幅值为多机组中装置容量最大机组的输出功率。因此，波能装置输出脉动平抑功率补偿装置蓄电池小容量配置方法要满足机组最大功率，蓄能系统最大充放电功率：
${{P}_{\max }}=U{{I}_{\text{max}}}$
式中：U为蓄电池组电压；${{I}_{\max }}$为蓄能系统允许的最大充放电电流。
蓄能系统允许的最大充放电电流：
${{I}_{\max }}\le {{m}_{\max }}{{C}_{\min }}$
式中：${{m}_{\max }}$为蓄电池允许充放电倍数；${{C}_{\min }}$为蓄电池组最小容量。
联合式（1）和式（2），得到蓄电池需要配置的最小容量：
${{C}_{\min }}\ge \frac{{{P}_{\max }}}{{{m}_{\max }}U}$
2 能量管理控制策略
2.1 一维SOC划分区间法
功率补偿装置应当具备随时平抑波能装置的正向脉动功率和负向脉动功率的能力，闲时状态下需要将蓄能系统SOC调整至中间水平。提出蓄能系统能量趋中管理策略，实时采集蓄电池组实际出力信息，计算蓄电池的SOC。将蓄电池的SOC划分为五个调节区间，分别为正II区、正I区、合理区、负I区和负II区，每个调节区间对应一个充放电功率。为区分补偿波能装置脉动平抑功率和调整SOC保持在中间水平的充放电功率，分别称为忙时平抑功率和闲时趋中功率。当蓄电池SOC进入非合理区，能量管理系统主动以闲时趋中功率对蓄电池进行充放电，使其SOC回归到合理区。一维SOC划分区间设定范围和功率补偿装置响应的电池闲时趋中功率见表1。表中${{P}_{\text{BCH}}}$为电池闲时趋中功率，${{P}_{\text{BCH}}}$> 0表示蓄电池充电。
表1 蓄电池能量管理一维SOC动作表Table 1 One-dimensional action of SOC in battery energy management |
| 调节区间 | SOC/% | 趋中功率 |
|---|---|---|
| 正II区 | 80 ~ 100 | −PBCH |
| 正I区 | 60 ~ 80 | −0.5PBCH |
| 合理区 | 40 ~ 60 | 0 |
| 负I区 | 20 ~ 40 | 0.5PBCH |
| 负II区 | 0 ~ 20 | PBCH |
XIAO等[17]采用自主恢复SOC的控制方法，其充电功率较大，能快速恢复蓄电池的SOC。有功功率补偿装置蓄能系统仅在液压发电机组启动时吸收脉动功率，此时蓄能系统充电；停止时补偿负向脉动功率，蓄能系统放电，两者动作时间均非常短，能量非常小，而且充电和放电电量相差不大，具有一定的能量恢复能力。因此，蓄能系统所需要趋中功率并不大，可取二十分之一的最大液压发电机组的输出功率：
${{P}_{\text{BCH}}}=0.05U{{I}_{\text{max}}}$
2.2 一维电压划分区间法
通过SOC划分蓄电池调节区间，依赖于SOC计算的准确性。若蓄电池SOC较长时间处于中间水平，SOC的计算准确性将显著降低。蓄电池电压可作为表征SOC的间接参数，可按电压划分调节区间。蓄电池调节区间电压设定范围和功率补偿装置的响应动作见表2。表中VPII、VPI、VNI、VNII为调节区间划分蓄电池组电压设定值。
表2 蓄电池能量管理一维电压动作表Table 2 One-dimensional action of voltage in battery energy management |
| 调节区间 | 电压/V | 趋中功率 |
|---|---|---|
| 正II区 | U > VPII | −PBCH |
| 正I区 | VPI < U ≤ VPII | −0.5PBCH |
| 合理区 | VNI ≤ U ≤ VPI | 0 |
| 负I区 | VNII ≤ U < VNI | 0.5PBCH |
| 负II区 | U < VNII | PBCH |
2.3 二维划分区间法
蓄电池能量管理SOC划分区间和电压划分区间都是蓄电池闲时趋中功率的一维判断法，判断依据单一，区间颗粒度较粗，不能排除系统长期工作在中间水平引起SOC准确性下降，或电压采集信号丢失等系列问题，提出二维划分区间法，同时判断蓄电池SOC和电压参数，来确定蓄电池充放电趋中功率，具有更小颗粒的网格，还可避免在工程上某一输入参数丢失带来的不确定性。蓄电池SOC和电压二维划分区间法如表3所示。
表3 蓄电池能量管理二维动作表Table 3 Two-dimensional action of battery energy management |
| 电压/V | SOC/% | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 0 ~ 20 | 20 ~ 40 | 40 ~ 60 | 60 ~ 80 | 80 ~ 100 | |
| U < VNII | 负II区 | 负II区 | 负I区 | 合理区 | 负I区 |
| VNII ≤ U < VNI | 负II区 | 负I区 | 合理区 | 合理区 | 正I区 |
| VNI ≤ U ≤ VPI | 负II区 | 负I区 | 合理区 | 正I区 | 正II区 |
| VPI < U ≤ VPII | 负I区 | 合理区 | 合理区 | 正I区 | 正II区 |
| U > VPII | 正I区 | 合理区 | 正I区 | 正II区 | 正II区 |
系统正常运行时，表3中斜对角线上带深色背景的动作表才是真实存在的状态。当SOC准确度下降，或者电压信号丢失等特殊时段，系统状态将会进入对角线外其他区间，偏离越远的区间出现的概率将越低。这也是二维划分区间法为蓄能系统状态判断的优势，更大范围内精准确定趋中功率。
3 建模、仿真与实验
3.1 仿真模型
为验证波能装置输出脉动功率平抑能量趋中管理策略的可行性，建立了液压波浪能发变电系统仿真模型，液压发电机组经过整流后连接到直流母线，通过逆变器连接到微电网，逆变器后下挂有功功率补偿装置。仿真模型如图3所示。
模型中液压发电机组装机功率为100 kW，蓄电池允许充放电倍数取2 h−1，电压为800 V，根据式（3）可计算出蓄电池组最小容量为62.5 A∙h，仿真模型系统参数见表4。
表4 模型参数Table 4 Model parameters |
| 仿真模型 | 参数 | 数值 |
|---|---|---|
| 蓄能器 | 容积/L | 400 |
| 液压马达 | 排量/(mL/r) | 200 |
| 启动压力/MPa | 20 | |
| 停止压力/MPa | 10 | |
| 同步发电机 | 转速/(r/min) | 1 500 |
| 输出电压/V | 400 | |
| 功率/kW | 100 | |
| 蓄电池 | 容量/(A∙h) | 62.5 |
| 额定电压/V | 800 |
不同区间变化具有相似性，能量趋中管理策略仿真实验以一维SOC划分区间法中正I区回归合理区和负I区回归合理区展开。设置蓄电池组初始化SOC在合理区边缘，分别通过吸收正向脉动功率和补偿负向脉动功率，使蓄电池SOC离开合理区，从而对闲时趋中功率的有效性进行测试。
根据式（4）和仿真系统参数，可以求得正II区、正I区、负I区、负II区的趋中功率分别为 −5、−2.5、2.5和5 kW。能量趋中管理策略仅在补偿装置闲时动作，蓄电池以趋中功率充放电使其SOC恢复至合理区。
3.2 正I区回归合理区试验与结果分析
假设蓄电池组的初始SOC为59.999%，当液压发电机组启动时，产生的脉动功率可达100 kW。为了平抑脉动功率，补偿装置工作于忙时平抑功率状态，蓄电池组SOC上升。仿真结果如图4所示。
图4 吸收正向脉动功率能量趋中管理仿真试验：（a）发电功率与并网功率；（b）补偿装置功率；（c）闲时趋中功率；（d）有无趋中功率的电池SOC对比Fig. 4 Simulation test of energy management for absorbing positive pulsating power: (a) generation power and grid-connected power; (b) compensation device power; (c) idle convergence power; (d) comparison of battery SOC with and without convergence power |
当启动完成后，能量趋中管理策略主动判断补偿装置闲时状态以及蓄电池所处调节区间，对蓄电池组以闲时趋中功率进行放电管理。
由图4（a）可知，发电机启动产生正向脉动功率后，补偿装置及时吸收正向脉动功率从而使得并网功率上升缓慢。由图4（b、d）可见，补偿装置吸收功率时，电池吸收能量，蓄电池SOC超出合理区，能量趋中管理系统控制趋中功率，在蓄电池闲时释放能量，蓄电池SOC重新回到合理区，停止放电，吸收脉动功率的能量与释放的能量大致相等。由图4（c）可知，当蓄电池处于闲时工作状态时，自动判断电池调节区间，以对应的趋中功率对蓄电池及时放电，SOC自动调整趋中。图4（d）对比了有无电池能量趋中管理策略时的电池SOC，无能量趋中管理的蓄电池在吸收脉动功率后，会使蓄电池SOC超出合理区且无SOC调节能力，难以回归合理区，较高SOC条件下大功率充电将引起过充现象。带有能量趋中管理的蓄电池在吸收脉动功率后能量趋中管理系统自动控制趋中功率，及时释放能量，使得蓄电池SOC及时回归合理区，具备随时大功率充电能力。
3.3 负I区回归合理区试验与结果分析
假设蓄电池组的初始SOC为40.005%，当液压发电机组停止时，产生负向脉动功率，补偿装置工作于忙时平抑功率状态，补偿脉动功率，蓄电池组SOC下降。当停机完成后，能量趋中管理系统判断蓄电池闲时状态和SOC所处调节区间，控制蓄电池组以闲时趋中功率进行充电，仿真结果如图5所示。功率补偿装置忙时补偿发电机停止产生的负向脉动功率，使并网功率平滑缓慢下降。
图5 补偿负向脉动功率能量趋中管理仿真试验：（a）发电功率与并网功率；（b）补偿装置功率；（c）闲时趋中功率；（d）有无趋中功率的电池SOC对比Fig. 5 Simulation test of energy management for compensating negative pulsating power: (a) generation power and grid-connected power; (b) compensation device power; (c) idle convergence power; (d) comparison of battery SOC with and without convergence power |
闲时由能量趋中管理系统对蓄电池以趋中功率进行及时充电。图5（b）中可见，能量趋中管理系统动作后，闲时趋中功率自动对蓄电池进行充电，直至电池SOC回归到合理区。对比无能量趋中管理系统的蓄电池，带能量趋中管理系统的蓄电池能够在补偿负向脉动后自主恢复电池电量，使蓄电池SOC很快回归合理区，具备随时大功率放电能力，可避免不断补偿发电机组负向脉动引起的电池过放现象。
仿真结果表明，在功率补偿装置补偿发电机启停引起的脉动功率后，能量趋中管理系统能够自动判断闲时与忙时状态，以合适的趋中功率，自动恢复蓄电池SOC回归至合理区，实现功率补偿装置长久可靠运行。
3.4 原理样机开发
通过以上研究，开展了波能装置输出脉动有功功率补偿原理样机研制，可平抑最大30 kW脉动输出，如图6所示。蓄能系统采用磷酸铁锂电池，蓄电池允许充放电倍数取1.5 h−1，蓄电池组电压取742.4 V，蓄电池组最小容量仅需26.94 A∙h，为留一定安全余量，电池容量配备36 A∙h。通过工作状态判断以及蓄电池状态判断，确定趋中功率，开发蓄能系统趋中管理策略。该原理样机已完成调试与检测，即将投入波能装置中示范应用和实海况验证。
4 结论
针对波能装置多液压发电机组频繁启动和停止引起送出功率脉动，难以满足海岛微电网的要求，在逆变器并网侧加入有功功率补偿装置的基础上，采用蓄电池容量配置方法以及能量趋中管理策略，以小容量配置实现大功率平抑。建立了波能装置液压发电系统功率补偿仿真模型，试验表明能量趋中管理策略能使蓄电池SOC处于合理区。结论如下：
（1）根据波能装置有功功率补偿原理和短时大功率充放电需求，提出蓄电池最小容量配置计算方法，可以降低成本。
（2）根据蓄电池SOC和电压数据，划分了蓄电池的不同调节区间，确定了与之对应的闲时趋中功率，经试验验证，在该功率作用下蓄电池SOC能及时回归合理区。
（3）基于能量趋中管理控制的有功功率补偿装置在平抑波能装置脉动功率后，蓄电池电量能够自动趋中，具备随时大功率充电和放电能力，从根源上避免小容量蓄电池过充和过放现象，实现小容量大功率的有机结合。