CN100343507C - 风力发电液压耦合控制系统及控制方法 - Google Patents

风力发电液压耦合控制系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属风力发电控制系统，特别涉及一种风力发电液压耦合控制系统及控制方法，由数个风力机(5)、齿轮箱(6)和发电机(17)等部件组成，在齿轮箱(6)出轴端和发电机(17)之间装有液压泵系统(1)、限压系统(2)、压力补偿系统(3)、恒流恒速系统(4)和制动系统(4-1)，风力机的转数随风速变化时，不会导至发电机发电的输出电压和频率不稳定；有利于发电机并网运行；可实现利用中型风力机群组成大型风力发电系统，其容量可达汽发电系统水平，系统端设有压力补偿系统，能保证有足够的转矩输出；可使风力机在最大效率转速下长期工作。

Description

风力发电液压耦合控制系统及控制方法
技术领域
本发明属风力发电控制系统，特别涉及一种风力发电液压耦合控制系统及控制方法。
背景技术
目前，世界上风力发电机尽管多种多样，归纳起来，可分为水平轴风力机和垂直轴风力机两种，其主要结构基本相同，由叶轮、齿轮箱、发电机和塔架组成，其工作原理是由叶轮将风能转化为机械能，再由机械能转化为电能，上述两种风力发电系统主要存在问题是：风力机的转数随风速的变化而变化，导至发电机输出电压和频率不稳定，不利于发电机并网运行；单台发电机容量小；维修困难，特别是巨型或大型风力机故障时维修十分困难，且维修费用高，一些大型风力机，因此而不能投入使用；风速过低时系统将终断发电。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种保证发电机输出电压和频率稳定、有利于发电机并网运行，单台发电机容量大，易于维修，使一些大型风力机能投入使用，风速过低时照常能发电的风力发电液压耦合控制系统及控制方法。
本发明解决技术问题采用的技术方案是：一种主要由多个风力机、齿轮箱和发电机等部件组成的风力发电液压耦合控制系统，其特点是在齿轮箱出轴端和发电机之间装有液压泵系统、限压系统、压力补偿系统、恒流恒速系统和制动系统；液压泵系统它包括多台液压泵、带磁性滤芯过滤器、泵插装式单向锥阀DJV1～DJVn、插装式溢流锥阀JV12、压力继电器SP1、压力表By1、比例溢流阀YL1、冷却器和油池；液压泵的转子与齿轮箱出轴固定连接，液压泵的A吸油入口与油池之间装有带磁性滤芯过滤器，液压泵的高压B出口与泵插装式单向锥阀DJV1、DJV2、……DJVn的A入口连接，多个泵插装式单向锥阀DJV1～DJVn的B出口并联并接压力继电器SP1、压力表By1和插装式溢流锥阀JV12的A入口；插装式溢流锥阀JV12的B出口接冷却器A入口，冷却器的B出口接到油池内，插装式溢流锥阀JV12的C出口接比例溢流阀YL1的A入口和C口，B出口接冷却器A入口，D端接控制信号；限压系统它包括：插装式单向锥阀JV3、JV4，插装式调节单向锥阀JV6、JV7，插装式溢流阀JV13、JV14，电磁阀YV2、YV3，压力调节阀VP1、VP2，截止开关KV1、KV2，压力继电器SP2～SP4和压力表By2；JV6、JV7的A入口分别与DJV1～DJVn的B出口及YV2、YV3的P口连接，C口分别接YV2、YV3的A口；JV3、JV4的B出口分别接C口、JV14、JV13的A入口、SP3、SP2、SP4、SP5、By2和KV2、KV1的一端；JV13、JV14的B出口分别接KV1、KV2的另一端和油池，C口分别接VP1、VP2的A、C口；YV2、YV3的T口分别接VP1、VP2的B出口和油池；压力补偿稳压系统它包括：一、二号蓄能器，一、二号蓄气瓶，压力继电器SP5，压力表By3～By5和截止开关KV3～KV6；一、二号蓄能器的A口分别接JV3、JV4的B出口、SP2、SP4、SP5和By3、By2，B口分别接一、二号蓄气瓶、KV3、KV5、KV6一端；KV3、KV5另一端接充气系统；KV4、KV6另一端分别接By4、By5；恒流恒速系统它包括：插装式调节单向锥阀JV8～JV11，电磁阀YV4、YV5，比例调速阀BS1、BS2，电磁阀YV4、YV5，压力表By6，液压马达和转速表；JV8、JV9的A入口分别接一、二号蓄能器的A口，B口分别接C口，JV10、JV11的A入口和YV4、YV5的P口；JV10、JV11的B口分别接BS1、BS2的A入口，C口分别接YV4、YV5的B口；YV4、YV5的T口接油池；BS1、BS2的B出口并联接液压马达A入口，BS1、BS2的D出口接油池；液压马达出轴和发电机主轴固定连接，液压马达的转数由转数仪测出；制动系统它包括：电磁阀YV6、YV7，压力调节阀VP3，插装式单向阀JV5和插装式溢流阀JV15；JV5的A口接YV6的P口、BS2、BS1的B口和液压马达的A口，B口接油池、VP3的B口和JV15的B口，C口接YV6的B口；JV15的A口接By6和液压马达的B口，C口接VP3的A、C口和YV7的A口；YV6、YV7的T口均接油池；风力发电液压耦合控制系统的控制方法有二种，第一种控制方法：首先打开KV3、KV5和KV4、KV6，向一、二号蓄能器、蓄气瓶充气，当压力达到系统压力的70％～95％时，关闭KV3、KV5；然后起动多个风力机，通过齿轮箱带动液压柱塞泵转动，油池中的油经带磁性滤芯过滤器进入液压柱塞泵A入口，高压油从液压柱塞泵B出口进入DJV1～DJVn的A入口，此时YV4、YV3得电，压力油从JV7的B出口进入JV3的A入口，打开单向阀，从JV3的B出口向一号蓄能器A入口充压力油，当压力油达到系统压力后，YV4失电，系统的压力油通过JV8、JV10、BS1进入液压马达，液压马达旋转带动发电机发电；液压马达的转数由转数仪测出，通过转速仪的转数大小，用电信号自动控制BS1通过压力油的流量大小；当风力机转速下降时，系统压力降低，一号蓄能器从A口放油，维持系统压力不变，供液压马达正常旋转，带动发电机发电；第二种控制方法：首先打开KV3、KV5和KV4、KV6，向一、二号蓄能器、蓄气瓶充气，当压力达到系统压力时，关闭KV3、KV5；然后起动多个风力机，通过齿轮箱带动液压柱塞泵转动，油池中的油经带磁性滤芯器进入液压柱塞泵A入口，高压油从液压柱塞泵B出口进入DJV1～DJVn的A入口，此时YV4、YV3得电，压力油从JV7的B出口进入JV3的A入口，打开单向阀，从JV3的B出口向一号蓄能器A入口充压力油；当压力油达到系统压力后，YV2、YV5得电，JV6开通，压力油从JV6的A口流入B口，再进入JV4的A口，再从JV4的B口向二号蓄能器充压力油；同时，YV3、YV4失电，一号蓄能器内的压力油通过JV8、JV10、BS1推动液压马达旋转，带动发电机转动发电；当一号蓄能器油压力不足时，二号蓄能器投入运行，一、二号蓄能器交替向液压马达供油，液压马达带动发电机发电。
本发明的有益效果是：当风力机的转数随风速变化时，不会导至发电机发电的输出电压和频率不稳定；有利于发电机并网运行；可实现利用中型风力机群组成大型风力发电系统，其容量可达汽发电系统水平，系统端设有压力补偿系统，能保证有足够的转矩输出；可使风力机在最大效率转速下长期工作。
附图说明
以下结合附图以实施例具体说明。
图1示风力发电液压耦合控制系统液压系统原理图。
图中，1-液压泵系统；2-限压系统；3-压力补偿稳压系统；4-恒流恒速系统；4-1-制动系统；5-风力机；6-齿轮箱；7-液压柱塞泵；8-冷却器；9-带磁性滤芯过滤器；10-油池；11-一号蓄能器；12-二号蓄能器；13-一号蓄气瓶；14-二号蓄气瓶；15-转速仪；16-液压马达；17-发电机；DJV1、DJV2、DJVn-泵插装式单向阀；JV3～JV5-插装式单向锥阀；JV6～JV11-插装式调节单向锥阀；JV12～JV15-插装式溢流锥阀；VP1～VP3-压力调节阀；By1～By6-压力表；SP1～SP5-压力继电器；KV1～KV6-截止开关；BS1、BS2-比例调速阀；YV1～YV7-电池阀；YL1～YL5-比例溢流阀
具体实施方式
参照附图，一种主要由三个风力机5、三个齿轮箱6和发电机17等主要部件组成的风力发电液压耦合控制系统，其特点是在齿轮箱6出轴端和发电机17之间装有液压泵系统1，限压系统2、压力补偿稳压系统3、恒流恒速系统4和制动系统4-1。液压泵系统1它包括三台柱塞泵7，三个带磁性滤芯过滤器9，三个泵插装式单向锥阀DJV1、DJV2、DJVn，插装式溢流阀JV12，压力继电器SP1，压力表By1，比例溢流阀YL1，冷却器8和油池10；液压柱塞泵7的转子与齿轮箱6的轴固定连接，液压柱塞泵7的A吸油入口与油池10之间装有带磁性滤芯过滤器9，液压柱塞泵7的B高压油出口与DJV1、DJV2、DJVn的A入口连接，三个DJV1、DJV2、DJVn的B出口并联并接SP1、By1和JV12的A入口，JV12的B出口接冷却器8的A入口，B出口接到油池10内；JV12的C出口接YL1的A入口和C口，B出口接冷却器8的A入口，D端接控制信号；压力继电器SP1和比例溢流阀YL1的D端接入电气控制系统中；插装溢流锥阀JV12是系统过压保护的。限压系统2它包括：插装式单向锥阀JV3、JV4，插装式调节单向锥阀JV6、JV7，插装式溢流锥阀JV13、JV14，电磁阀YV2、YV3，压力调节阀VP1、VP2，截止开关Ky1、Ky2，压力继电器SP2～SP4和压力表By2；JV6、JV7的A入口与DJV1、DJV2、DJVn的B出口、C口和YV2、YV3的P口连接，C口分别接YV2、YV3的A口；JV3、JV4的B出口分别接C口、JV14、JV13的A入口，SP3、SP2、SP4、By2和Ky2、Ky1一端；Jy13、Jy14的B出口分别接KV1、KV2的另一端和油池10，C口分别接VP1、VP2的A、C口；YV2、YV3的T口分别接VP1、VP2的B出口和油池10。压力补偿稳压系统3它包括：一、二号蓄能器11、12，一、二号蓄气瓶13、14，压力继电器SP5，压力表By3～By5和截止开关KV3～KV6；一、二号蓄能器11、12的A口分别接JV3、JV4的B出口、SP2、SP4、SP5和By3、By2，B口分别接一、二号蓄气瓶13、14，KV3、KV5、KV6一端；KV3、KV5另一端接充气系统；KV4、KV6另一端分别接By4、By5。恒流恒速系统4它包括：插装式调节单向锥阀JV8～JV11，电磁阀YV4、YV5，比例调速阀BS1、BS2，电磁阀YV4、YV5，压力表By6，液压马达16和转速仪15；JV8、JV9的A入口分别接一、二号蓄能器11、12的A口，B口分别接C口，JV10、JV11的A入口和YV4、YV5的P口；JV10、JV11的B口分别接BS1、BS2的A入口，C口分别接YV4、YV5的B口，YV4、YV5的T口接油池10；BS1、BS2的B出口并联接液压马达16的A入口；液压马达16出轴与发电机17主轴固定连接，液压马达16的转数由转数仪15测出；转速通过BS1、BS2的C端电信号，对其BS1和BS2的随机控制；BS1、BS2的D出口接油池10。制动系统4-1它包括：电磁阀YV6、YV7，压力调节阀VP3，插装式单向阀JV5和插装式溢流阀JV15；JV5的A口接YV6的P口、BS2、BS1的B口和液压马达16的A口、B口接油池10、VP3的B口和JV15的B口，C口接YV6的B口；JV15的A口接By6和液压马达16的B口，C口接VP3的A、C口和YV7的A口；YV6、YV7的T口均接油池10。
风力发电液压耦合控制系统的控制方法有两种，第一种方法：首先打开KV3、KV5和KV4、KV6，用充气系统向一、二号蓄能器11、12和一、二号蓄气瓶13、14充氮气，当压力达到设定的系统压力时，关闭KV3、KV5；然后起动三个风力机5，通过齿轮箱6带动液压柱塞泵7转动，油池10中的油经带磁性滤芯过滤器9的过滤进入液压柱塞泵7的A入口，高压油从液压柱塞泵7的B出口进入DJV1、DJV2、DJVn的A入口，此时YV4、YV3得电，压力油从JV7的B出口进入JV3的A入口，打开单向阀，从JV3的B出口向一号蓄能器A入口充压力油，当压力调至系统压力后，YV4失电，系统中的压力油通过JV8、JV10、BS1进入液压马达16，液压马达16旋转带动发电机17发电；液压马达16的转数由转速仪15测出，通过转速仪15的转数大小，用电信号自动控制BS1的通过压力油的流量大小；当风力机5下降时(风力减小)，系统压力降低，一号蓄能器11从A口放油，维持系统压力不变，供液压马达16正常旋转，带动发电机17发电。这种方法液压马达16的压力油主要依靠液压泵系统1、限压系统2、恒流恒转速系统4供给，当系统压力油压力降低时由压力补偿稳压系4中的一号蓄能器11给予补充；限位系统2和压力补偿稳压系统3均一套工作，一套作为备用。
第二种控制方法：开始阶段同第一种方法相同，首先打开KV3、KV5和KV4、KV6，向一、二号蓄能器11、12，一、二号蓄气瓶13、14充氮气，当压力达到系统设定的压力时，关闭KV3、KV5；起动三个风力机5，通过齿轮箱6带动液压柱塞泵7转动，油池10中的油经带磁性滤芯过滤器9进入液压柱塞泵7的A入口，高压油从液压柱塞泵7的B出口进入DJV1、DJV2、DJVn的A入口，此时YV4、YV3得电，压力油从JV7的B出口进入JV3的A入口，打开单向阀，从JV3的B出口向一号蓄能器11的A入口充压力油；当压力油达到系统压力后，YV2、YV1得电，JV6开通，压力油从JV6的A口流入B口，再进入JV4的A口，再从JV4的B口向二号蓄能器12充压力油；与此同时，YV3、YV4失电，一号蓄能器11内的压力油，通过JV8、JV10、BS1推动液压马达16旋转，带动发电机17转动发电；当一号蓄能器11压力不足时，二号蓄能器12投入运行，一、二号蓄能器11、12交替向液压马达16供油，液压马达16带动发电机17发电，这种方法的特点是：液压马达16高压油是由压力补偿稳压系统3中的一、二号蓄能器11、12中供给的。
当液压系统突然停电或发生紧急事故需停止发电机17运转时，电磁阀YV4、YV5、YV6、YV7失电，一号、二号蓄能器11、12内压力油经JV8、JV9、JV10、JV11、BS1、BS2进入液压马达16的A入口，同时经JV5流回油池10，液压马达16的B口液压油进入JV15的A入口，产生油压力后，推动液压马达16快速制动。

Claims (8)

1、一种风力发电液压耦合控制系统，由多个风力机(5)、齿轮箱(6)和发电机(17)等部件组成，其特征在于在齿轮箱(6)出轴端和发电机(17)之间装有液压泵系统(1)、限压系统(2)、压力补偿系统(3)、恒流恒速系统(4)和制动系统(4-1)；液压泵系统(1)包括：多台液压柱塞泵(7)、带磁性滤芯过滤器(9)、泵插装式单向锥阀DJV1～DJVn、插装式溢流锥阀JV12、压力继电器SP1、压力表By1、比例溢流阀YL1、冷却器(8)和油池(10)；限压系统(2)包括：插装式单向锥阀JV3、JV4，插装式调节单向锥阀JV6、JV7，插装式溢流阀JV13、JV14，电磁阀YV2、YV3，压力调节阀VP1、VP2，截止开关KV1、KV2，压力继电器SP2～SP4和压力表By2；压力补偿系统(3)包括：一、二号蓄能器(11)、(12)，一、二号蓄气瓶(13)、(14)，压力继电器SP5，压力表By3～By5和截止开关KV3～KV6；恒流恒速系统(4)包括：插装式调节单向锥阀JV8～JV11，电磁阀YV4、YV5，比例调速阀BS1、BS2，电磁阀YV4、YV5，压力表By6，液压马达(16)和转速仪(15)；JV8、JV9的A入口分别接一、二号蓄能器(11)、(12)的A口，B口分别接C口，JV10、JV11的A入口和YV4、YV5的P口；制动系统(4-1)包括：电磁阀YV6、YV7，压力调节阀VP3，插装式单向阀JV5和插装式溢流阀JV15。
2、根据权利要求1所述的风力发电液压耦合控制系统，其特征在于液压泵系统(1)的液压柱塞泵(7)的转子与齿轮箱(6)出轴固定连接，液压柱塞泵(7)的A吸油入口与油池(10)之间装有带磁性滤芯过滤器(9)，液压柱塞泵(7)的高压B出口与泵插装式单向锥阀DJV1、DJV2、......DJVn的A入口连接，多个泵插装式单向锥阀DJV1～DJVn的B出口并联并接压力继电器SP1、压力表By1和插装式溢流锥阀JV12的A入口；插装式溢流锥阀JV12的B出口接冷却器(8)A入口，冷却器(8)的B出口接到油池(10)内，插装式溢流锥阀JV12的C出口接比例溢流阀YL1的A入口和C口，B出口接冷却器(8)A入口，D端接控制信号。
3、根据权利要求1所述的风力发电液压耦合控制系统，其特征在于限压系统(2)的JV6、JV7的A入口分别与DJV1～DJVn的B出口及YV2、YV3的P口连接，C口分别接YV2、YV3的A口；JV3、JV4的B出口分别接C口、JV14、JV13的A入口、SP3、SP2、SP4、SP5、By2和KV2、KV1的一端；JV13、JV14的B出口分别接KV1、KV2的另一端和油池(10)，C口分别接VP1、VP2的A、C口；YV2、YV3的T口分别接VP1、VP2的B出口和油池(10)。
4、根据权利要求1所述的风力发电液压耦合控制系统，其特征在于压力补偿稳压系统(3)的一、二号蓄能器(11)、(12)的A口分别接JV3、JV4的B出口、SP2、SP4、SP5和By3、By2，B口分别接一、二号蓄气瓶(13)、(14)、KV3、KV5、KV6一端；KV3、KV5另一端接充气系统；KV4、KV6另一端分别接By4、By5。
5、根据权利要求1所述的风力发电液压耦合控制系统，其特征在于恒流恒速系统(4)的JV10、JV11的B口分别接BS1、BS2的A入口，C口分别接YV4、YV5的B口；YV4、YV5的T口接油池(10)；BS1、BS2的B出口并联接液压马达(16)A入口，BS1、BS2的D出口接油池(10)；液压马达(16)出轴和发电机(17)主轴固定连接，液压马达(16)的转数由转数仪(15)测出。
6、根据权利要求所述1的风力发电液压耦合控制系统，其特征在于制动系统(4-1)的JV5的A口接YV6的P口、BS2、BS1的B口和液压马达(16)的A口，B口接油池(10)、VP3的B口和JV15的B口，C口接YV6的B口；JV15的A口接By6和液压马达(16)的B口，C口接VP3的A、C口和YV7的A口；YV6、YV7的T口均接油池(10)。
7、一种采用权利要求1所述的风力发电液压耦合控制系统的控制方法，其特征在于该控制系统的控制方法，首先打开KV3、KV5和KV4、KV6，向一、二号蓄能器(11)、(12)、蓄气瓶(13)、(14)充气，当压力达到系统压力的70％～95％时，关闭KV3、KV5；然后起动多个风力机(5)，通过齿轮箱(6)带动液压柱塞泵(7)转动，油池(10)中的油经带磁性滤芯过滤器(9)进入液压柱塞泵(7)A入口，高压油从液压柱塞泵(7)B出口进入DJV1～DJVn的A入口，此时YV4、YV3得电，压力油从JV7的B出口进入JV3的A入口，打开单向阀，从JV3的B出口向一号蓄能器(11)A入口充压力油，当压力油达到系统压力后，YV4失电，系统的压力油通过JV8、JV10、BS1进入液压马达(16)，液压马达(16)旋转带动发电机(17)发电；液压马达(16)的转数由转数仪(15)测出，通过转速仪(15)的转数大小，用电信号自动控制BS1通过压力油的流量大小；当风力机(5)转速下降时，系统压力降低，一号蓄能器(11)从A口放油，维持系统压力不变，供液压马达(16)正常旋转，带动发电机(17)发电。
8、一种采用权利要求1所述的风力发电液压耦合控制系统的控制方法，其特征在于该控制系统的控制方法：首先打开KV3、KV5和KV4、KV6，向一、二号蓄能器(11)、(12)、一、二号蓄气瓶(13)、(14)充气，当压力达到系统压力时，关闭KV3、KV5；然后起动多个风力机(5)，通过齿轮箱(6)带动液压柱塞泵(7)转动，油池(10)中的油经带磁性滤芯器(9)进入液压柱塞泵(7)A入口，高压油从液压柱塞泵(7)B出口进入DJV1～DJVn的A入口，此时YV4、YV3得电，压力油从JV7的B出口进入JV3的A入口，打开单向阀，从JV3的B出口向一号蓄能器(11)A入口充压力油；当压力油达到系统压力后，YV2、YV5得电，JV6开通，压力油从JV6的A口流入B口，再进入JV4的A口，再从JV4的B口向二号蓄能器(12)充压力油；同时，YV3、YV4失电，一号蓄能器(11)内的压力油通过JV8、JV10、BS1推动液压马达(16)旋转，带动发电机(17)转动发电；当一号蓄能器(11)油压力不足时，二号蓄能器(12)投入运行，一、二号蓄能器(11)、(12)交替向液压马达(16)供油，液压马达(16)带动发电机(17)发电。
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