《Journal of Marine Science and Engineering》：Field Environmental Variation and Physiological Responses of Apostichopus japonicus to Major Winter Stressors: Implications for Overwintering Risk Management
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基于永磁直线发电机（PMLG）的直驱式波浪发电系统在不规则波浪激励下会产生波动性电磁功率，这可能影响直流母线电压稳定性和负载侧电能质量。为平滑波动的输出功率，本研究提出一种基于经验模态分解（EMD）的电池–超级电容混合储能系统（HESS）功率分配策略。在所提策
基于永磁直线发电机（PMLG）的直驱式波浪发电系统在不规则波浪激励下会产生波动性电磁功率，这可能影响直流母线电压稳定性和负载侧电能质量。为平滑波动的输出功率，本研究提出一种基于经验模态分解（EMD）的电池–超级电容混合储能系统（HESS）功率分配策略。在所提策略中，EMD根据时间尺度特征将波动电磁功率分解为低频和高频分量。低频分量分配给电池进行能量缓冲，而高频分量分配给超级电容进行暂态功率补偿。发电机侧采用有限控制集模型预测电流控制（FCS-MPCC）以改善PMLG的电流响应，并设计了基于模型预测控制（MPC）的HESS控制器，以跟踪分配的功率指令并调节直流母线电压。仿真结果表明，电池功率跟踪误差为3.93 W，直流母线电压标准差为0.108 V；与低通滤波器（LPF）相比，EMD将负载阶跃电压偏差降低了11.94%。实验证实，PMLG的反电动势跟随动子速度，储能电流跟踪其参考值，且直流母线电压保持在参考值±2 V以内。
波浪能作为一种分布广泛、能量密度较高且可预测的海洋可再生能源，在沿海及岛屿供电中受到广泛关注。基于永磁直线发电机（PMLG）的直驱式波浪能转换装置因省去复杂机械传动环节而具有典型优势，但真实海况下的波浪激励具有随机性和非平稳性，导致PMLG输出的电磁功率呈现多频波动。这些波动若直接传递至直流母线或负载侧，将影响电压稳定性和电能质量，因此功率平滑是直驱式波浪发电系统面临的关键问题。现有低通滤波（LPF）功率分配方法采用固定截止频率，难以适应波浪主频随时间变化的非平稳特性，且会引入参考延迟。为此，研究人员提出了一种基于经验模态分解（EMD）的电池–超级电容混合储能系统（HESS）功率分配策略，并搭配发电机侧有限控制集模型预测电流控制（FCS-MPCC）与HESS侧模型预测控制（MPC），以实现功率波动自适应平抑与直流母线电压稳定。该研究成果发表于《Journal of Marine Science and Engineering》。
研究人员首先建立了浮子垂荡运动模型、PMLG同步dq参考系模型以及HESS（含电池和超级电容）的数学模型，为控制器设计和仿真提供基础。浮子与PMLG动子采用刚性连接，被视为单自由度耦合机械系统；PMLG模型忽略磁饱和、铁耗等非理想因素，采用dq轴方程描述；电池采用PNGV等效电路，超级电容采用简化RC模型。控制策略方面，发电机侧采用FCS-MPCC，通过离散化预测模型和代价函数优化选择开关状态，以改善PMLG电流响应。功率分配方面，利用EMD将波动电磁功率分解为若干本征模态函数（IMF），并通过频率混叠指数自动确定低频与高频分量的重建边界，避免固定截止频率的局限。其中低频分量作为电池功率参考，高频分量作为超级电容功率参考。HESS侧采用MPC分别控制两个双向DC–DC变换器，使电池支路跟踪低频功率指令，超级电容支路通过电压外环生成电流内环参考以补偿瞬态功率并调节直流母线电压。仿真在Simulink中完成，实验则搭建了包含波浪发电模拟器、PMLG、整流器、双支路储能变换器和直流负载的实验室平台。
仿真设置与发电机侧MPCC性能：在Simulink中建立系统模型，仿真结果表明d轴电流RMS误差为0.174 A，q轴电流RMS误差为0.184 A，说明FCS-MPCC提供了稳定的电流调节，电磁功率随动子往复速度变化，呈现脉动特性。
EMD功率分配结果与LPF对比：EMD分解显示IMF1–IMF6为高频分量，IMF7–IMF10及余项为低频分量，自动选取IMF6/IMF7边界，其频率混叠指数最小为0.187。与LPF相比，EMD将高频功率分量的标准差降低了72.47%，低频泄漏降低了93.48%（从93.14%降至6.07%），且避免了LPF产生的0.314 s额外延迟。负载阶跃后，EMD使最大直流母线电压偏差降低11.94%。
电池与超级电容控制性能：电池功率跟随低频参考，超级电容功率围绕零值快速变化；电池电流波形平滑，超级电容电流存在较快波动，二者RMS功率跟踪误差分别为3.93 W和14.63 W，RMS电流跟踪误差分别为0.099 A和0.081 A。
负载条件与直流母线电压稳定：负载功率在45 s时从约330 W跃升至约990 W，直流母线电压在启动阶段短暂过冲后收敛至330 V参考值，负载跃迁时最大偏差仅0.43 V，整个仿真后半段电压标准差为0.108 V，约为参考值的0.033%。
实验验证：搭建了实验室规模的直驱式波浪发电与HESS平台，实验表明PMLG反电动势随动子速度增大而幅值和频率增加，电池与超级电容电流均能跟踪各自参考，两者峰峰变化约为0.4 A和1.4 A，直流母线电压波动保持在±2 V内。
讨论部分指出，EMD能够依据信号自身时间尺度实现自适应分解，自动确定的边界可清晰分离快慢功率分量，使快速波动功率由超级电容承担，电池获得更平缓的功率指令，从而减少电池电流快速变化和频繁充放电，同时MPC控制器保证了功率跟踪与电压调节性能。研究结论翻译如下：本研究提出了一种结合发电机侧FCS-MPCC、EMD功率分配和HESS侧MPC的控制策略，通过频率混叠指数自动选择EMD重建边界而无需固定截止频率。在相同80 s输入和控制设置下，EMD将高频功率分量标准差从LPF下的204.9 W降至56.4 W，低频泄漏从93.14%降至6.07%，LPF额外引入0.314 s延迟；负载阶跃后最大直流母线电压偏差从0.484 V降至0.426 V。实验结果表明电池和超级电容电流均能跟踪参考，峰峰变化约0.4 A和1.4 A，直流母线电压波动约±2 V，验证了所提方法在功率平滑和电压稳定方面的有效性。未来工作可进一步考虑电池荷电状态、电流约束及老化因素，并开展不规则波浪条件下的系统级实验。
