海洋波浪能发电概述

全球各地热量不均导致了风的产生，而这种风力又成为波浪的起因之一。于是，水粒子实现了圆周运动，成为了波浪的一部分^[1，2]。这种运动带有动能，而且这种能量既跟风速和风的持续时间有关，也跟受风力和海床条件影响的水体深度和面积有关。波浪仅在最接近海平面的水体出现，而潮汐则是从海平面到海底整个水体都在运动^[2]。世界各地断断续续的海岸线的总功率估计为2百万～3百万MW。美国和欧洲的西海岸、日本和新西兰的海岸是利用波浪能的理想场所^[1]。

波浪能发电系统将波浪自然振荡中的动能和势能转化为电能。利用这一能源有多种机制，其中一种方法就是让波浪拐弯或者汇聚到一个集中的狭窄通道之中，以增加它们的能量和规模。然后波浪就可以被输送到一个集水池当中，或者直接用于推动水轮机旋转^[1]。波浪能利用波浪装置和振荡水柱装置转换成电能。波浪能转换（WEC）是未来最可行的技术之一，不过由于它尚未成熟，因此波浪发电站的建设成本相当高昂。由于这些能源系统的复杂性、海况以及难以通过波涛汹涌的水体来传输电能，因此它们尚未进行商业化开发，也远未达到商业化成熟条件。此外，由于它们位于海上，因此与陆地发电系统相比，它们可能需要更高的运行和维护成本。

典型的波浪能发电系统由波浪能吸能器、水轮机、发电机、电力电子接口等组成。吸收器捕获波浪动能。被吸收的波浪机械动能要么是被输送给水轮机，要么就通过吸能器来直接驱动发电机。水轮机用于驱动发电机轴，因此它通常与带有旋转发电机的系统一起使用。在其他方法中，则使用直线运动发电机，它可以由能量吸收器或者装置的运动部件直接驱动。直线发电机和旋转发电机都能够产生不同频率和不同幅值的交流电压。

这种交流电压被整流为直流电压，以便利用含盐海水的直流传输优势。含盐海水的直流输电不需要额外的负极电缆，因此这将比传输交流形式的电能更具成本效益，交流传输需要三相电缆。输电电缆的长度取决于应用的位置，无论是近岸应用还是在海上应用。不过，这两种应用的原理都是相同的。在将直流电能从海洋输送到陆地之后，可以在电压调节器之前或之后使用一个DC-DC变换器或调压变压器。根据所用的电压调节系统的不同，可以在电压调节器之前或之后使用DC-AC逆变器。电压同步由逆变器来提供，而且逆变器的输出终端可以连接到电网上。

图4.1所示为一个波浪能发电的系统级结构图。WEC装置（包括吸能器、水轮机和发电机）被相互连接在一个水下变电站当中。该变电站含有连接装置和各个独立设备的控制器。发电机的输出通过DC-AC变换器与公共直流母线相连接，将电能传输到岸上。传输线将多台发电机的输出集群连接到岸上。岸上的逆变器将直流电压转换成50Hz或60Hz的交流电压以供并网。可以选用岸上分接开关或者DC-DC变换器来补偿电压变化。一个发电场可以使用一组吸收器、水轮机和发电机，以此来提高捕获的能源总量。

图4.1 波浪能发电的系统级结构图

另外，陆地上的变换器也可能会被移置到海上，以克服在陆地上的空间限制。这些变换器可以放置在一个平台上，或者是封闭在一个锚定在海底的浮标上。不过，这样就增加了系统的复杂水平，而且可能要比陆地上的变换器需要更多的维护工作。图4.2所示为一个从陆地移置到海上的DC-DC变换器。

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图4.2 系统级结构图：陆地上的DC-DC变换器被移置到海上

另一种方法是安装一个如图4.3所示的海上变压器。这将会提升电力传输能力，因为使用较高的电压输电能够减少输电损耗，其原因在于，对于相同的额定功率来说，在较高的传输电压水平下，传输电流较低。不过，这种方法无法进行直流输电。

作为一种替代方案，可以在发电机的AC-DC变换器之后安装升压DC-DC变换器。这样就能够使用如图4.4所示的高压直流输电线路。在这种情况下，传输损耗将保持在最低水平，而且只需要使用一根穿过海水的直流输电线即可。该结构的缺点是需要使用更多的功率组件，从而会带来一些额外的损耗，同时安装升压变换器也需要额外费用。

图4.3 使用海上变压器的系统级结构图

图4.4 使用高压直流输电线路的系统级结构图