直驱式波浪能发电系统因其具有发电效率高、结构简单等优势,逐渐得到广泛重视。然而,海洋环境复杂多变,导致直驱式波浪能发电装置环境适应性差,在极端环境下甚至发生倾覆、损毁;同时无规律的波浪起伏也造成实时精准波能跟踪极为困难,无法形成对波浪能的高效利用。针对复杂海洋环境,本文研制了一种具有多种海域适应性的直线发电机,进而对其设计出共振弹簧辅助系统机械结构,同时提出了一种基于非线性观测器的最大波能反步跟踪控制策略,确保直驱式波浪能发电系统的最大波能跟踪。主要研究内容如下:首先,针对直线发电机运行工况不稳定问题,提出了直线发电机电磁设计和优化方案。具体地,为确保直线发电机发电电压和功率达到较高的性能指标要求,针对永磁体材料、充磁方式、气隙大小和绕组匝数等,进行设计选型;为减小直线发电机发电过程中推力波动,确保运行工况平稳,针对直线发电机齿槽力和边端力进行了综合优化。通过Maxwell仿真比较各指标优化结果及综合优化结果,结果验证了通过选择合理的极槽数、槽口宽度和边端齿距离,可以有效减少齿槽力和边端力,使直线发电机运行工况平稳,同时达到了电压100V、功率800W性能指标。然后,为克服复杂波浪环境下装置倾斜、涡流损耗增大等问题,设计并验证出一种高适应性直线发电机。具体的,为摆脱极端环境下装置倾斜、倾覆带来的不利影响、减小摩擦力造成的能量损耗,设计了三滚珠-滑轨结构;为便于装置安装和维护、减小发电过程中的涡流损耗,设计了叠片式线圈齿槽结构。通过实验分析,结果表明随着频率和波高的增加,空载电压逐渐提高,同时波高对于空载电压的提升效果更加明显。最后,针对多变波浪环境中直驱式波浪能发电装置波浪能利用率低的问题,提出基于弹簧辅助系统的直驱式波浪能功率控制系统设计方法。具体地,为大幅度调整波浪能捕获装置的共振特性,设计了弹簧共振辅助系统,使之与波浪发生共振;为提高波浪能最大波能跟踪精度,结合弹簧辅助系统机械结构设计,提出了基于非线性观测器的反步跟踪控制策略,严格的理论分析确保整体发电控制系统的稳定性。通过大量仿真研究和比较分析,结果表明在规则波和不规则波中,基于非线性观测器的反步跟踪控制策略均可实现装置对波浪的有效跟踪,同时通过选择合理的弹簧辅助系统弹性系数,波浪能吸收效率提升10%-20%。