一种利用锂离子电池的新型最大能量提取策略，用于阿基米德波浪摆动式波浪能转换系统

《Renewable Energy》：A novel maximum energy extraction strategy using lithium-ion batteries for Archimedes wave swing wave energy conversion systems

针对AWS波能转换系统受电网代码限制导致能量吸收受限的问题，提出基于非线性参考电流的MEE策略，集成双向DC-DC转换器和锂离子电池，通过七PI控制器优化能量提取，实验显示较传统方法提升90%、50%和33%。

　　波浪能是一种可再生的海洋能源，具有巨大的开发潜力。根据现有研究，全球波浪能的年发电量估计约为29,500太瓦时（TWh），这几乎相当于欧洲年用电量的十倍。波浪能转换系统（Wave Energy Conversion Systems, WECSs）的设计与优化，对于提升其经济性和可持续性至关重要。随着全球对清洁能源的需求不断增长，采用先进的控制策略和创新的设计方法来提高波浪能转换效率已成为研究的重点。

在波浪能转换系统中，浮体的运动是获取能量的关键。为了实现最大能量提取，浮体的运动速度必须与波浪的相位保持同步。此外，速度的振幅调节对于优化能量捕获同样重要。已有研究表明，通过将功率提取装置与浮体的多个运动自由度相匹配，可以实现更高的能量捕获效率。例如，一些研究提出了一种解耦的多自由度系统架构，使得每个功率提取装置能够独立优化能量捕获，从而提高了整体效率。

在具体技术方面，Archimedes Wave Swing（AWS）系统是一种广泛应用的波浪能转换装置。它通过浮体的垂直运动将波浪能转化为电能。然而，传统的控制方法往往受到电网代码的限制，无法在所有情况下实现最佳的能量吸收。因此，研究者们尝试采用不同的控制策略，如反馈线性化、相位控制、以及基于神经网络的模型预测方法，以克服这些限制。其中，反馈线性化方法被认为在某些情况下优于其他方法，但其应用仍然受到模型线性化假设的限制。

本研究提出了一种创新的非线性最大能量提取（Maximum Energy Extraction, MEE）策略，该策略基于AWS模型的非线性特性，通过构建一个非线性参考的交轴电流来实现能量最大化。这种方法能够更精确地捕捉波浪能的变化，从而提高能量转换效率。此外，研究还引入了双向DC-DC转换器与锂离子电池的组合，使得系统可以在需要时从电池中获取能量，以调节浮体的速度，从而在更广泛的波浪条件下实现高效能量捕获。

锂离子电池因其高能量密度、长使用寿命、快速充电能力和低维护需求，成为本研究中能量存储系统的首选。通过将电池与AWS系统相结合，系统能够在特定条件下提供额外的能量输入，帮助浮体维持最佳的运动状态，从而提高整体的能量输出。这种设计不仅提高了能量转换效率，还减少了对电网的依赖，使得波浪能转换系统在电网不稳定或无法提供实时支持的情况下仍能正常运行。

为了实现这一目标，系统采用了包括整流器、逆变器和中间直流环节在内的级联配置。整流器的作用是将浮体产生的交流电转换为直流电，同时通过调节交轴电流来最大化能量提取，并减少能量损失。逆变器则负责将直流电转换为符合电网要求的三相交流电，确保输出电压和频率的稳定性。此外，系统还包括了多个比例积分（Proportional-Integral, PI）控制器，用于优化能量提取过程、降低发电机损耗、控制双向转换器，并维持直流环节和公共连接点电压的稳定。

实验结果表明，采用该非线性控制策略的AWS-WECS系统相比传统未控制的系统、基于模型的控制方法（不考虑功率吸收）以及反馈线性化方法，能量输出分别提高了90%、50%和33%。这一显著提升验证了该策略在提高能量捕获效率方面的有效性。同时，系统还通过OP4610实时模拟器进行了实验验证，确保了其在实际应用中的可行性。

在波浪能转换系统的优化过程中，研究者们普遍关注如何提高能量捕获效率。然而，大多数现有研究主要集中在电网连接和能量平滑方面，而较少涉及如何通过非线性控制策略来实现更高的能量输出。因此，本研究的创新点在于，不仅提出了一种基于非线性模型的控制方法，还结合了锂离子电池作为能量存储单元，使得系统能够在不依赖电网的情况下实现更高效的能量转换。

此外，本研究还探讨了能量存储系统（Energy Storage System, ES）在波浪能转换系统中的作用。通过在系统中引入ES，可以有效解决波浪能输出波动的问题，提高系统的稳定性和可靠性。例如，一些研究已经表明，使用超级电容器或飞轮储能系统可以显著减少波浪能输出的波动性，从而提高系统的整体效率。本研究则进一步验证了锂离子电池在这一过程中的优势，尤其是在需要短时间内提供额外能量的情况下，其快速响应能力可以显著提升系统的性能。

综上所述，本研究提出了一种基于非线性模型和锂离子电池的创新最大能量提取策略，旨在提高波浪能转换系统的能量输出效率。通过引入双向DC-DC转换器和多个PI控制器，系统能够在复杂多变的波浪条件下实现稳定和高效的能量捕获。实验结果表明，该策略在提高能量输出方面具有显著优势，为未来波浪能转换系统的优化提供了新的思路和方法。