直驱波浪发电装置是一种利用海洋波浪中的振荡浮体并采用直驱能量提取系统的波浪发电装置，相较于传统的气压型和液压型波浪发电装置，其传动损耗低、控制自由度高，通过采用合适的控制算法能够在不同海况下控制浮体与波浪的相互运动匹配，从而大幅提高对波浪能的提取效率。

近年来，直驱波浪发电装置逐渐成为波浪发电领域的研究热点。双浮体直驱波浪发电装置不需要海上固定平台，能够通过锚系结构在海水中工作，是一种工程可行的直驱波浪发电方案，但其动力学模型更为复杂，相关控制算法缺少实际装置测试。

图1 双浮体直驱波浪发电装置示意图

清华大学电机系的黄宣睿、林泽川、肖曦，分析双浮体直驱波浪发电装置的动力学模型及其波浪能提取特性，指出锚链的等效刚度对装置的发电性能有重要的影响，创新性提出了采用类张力腿结构的双浮体装置结构，使之可以简化为单浮体装置进行设计和控制，且不会因为缺乏大型固定平台造成波浪能提取效率损失，减少了系统的安装成本。他们设计并制造了双浮体装置的原型实验样机，提出了一种基于模型预测控制的优化能量提取算法，并在波浪水槽实验室对装置进行了测试。

图2 装置实物与测试环境

研究者发现，注入适当的负功率可以有效提高装置的波浪能提取效率，原因是负功率可以提高浮体的振动幅度，从而更好地和波浪相互作用提取波浪能。因此，电阻控制、阻尼控制、闭锁控制三种控制的浮体位移幅度都较小，平均功率也较小，而模型预测控制存在负功率，浮体位移幅度更大，从而可以获取更多的波浪能。

表1 不同控制方法下装置运行关键参数对比

此外，他们指出，模型预测控制要求较高的建模精度，但实际波浪工况下的装置与理论模型会存误差，且实验装置未采用额外的传感器，仅通过算法进行波浪激励力辨识和预测，在控制算法执行时间降低50%的前提下，所提的改进模型预测控制在实际装置测试中能够稳定工作，取得了与传统模型预测控制一样的能量提取效率，且保证了浮体行程的限幅，相比其他算法能量提取效率显著提升，表现出了很好的鲁棒性和性能。

本工作成果发表在2024年第2期《电工技术学报》，论文标题为“双浮体直驱波浪发电装置建模分析与基于模型预测控制的能量提取算法研究”。本课题得到国家自然科学基金的支持。