CN101350589A - 一种基于液压传动的海流发电变速恒频方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液压传动的海流发电变速恒频方法及其装置。将叶轮的主轴和变量泵相连，变量泵输出的高压油接入蓄能器和变量马达，永磁同步发电机和变量马达相连后接电网；在叶轮主轴和发电机主轴分别安装转速传感器，控制器根据叶轮转速和海流流速计算变量泵的排量信号并输出，调节变量泵的排量以改变变量泵主轴上的反扭矩，从而改变叶轮的转速，实现变速运转。控制器根据发电机的转速和额定转速计算变量马达的排量信号并输出，调节变量马达的排量使变量马达的转速恒定，使发电机发出额定频率的电能，实现恒频运转。本发明使海流发电装置的变速运转和其能量输出更加平稳，受海流的冲击影响更小，没有变流设备，具有较高的效率。

Description

一种基于液压传动的海流发电变速恒频方法及其装置

技术领域

本发明涉及发电系统的变速恒频方法及其装置，尤其是一种基于液压传动的海流发电变速恒频方法及其装置。

背景技术

水平轴式的海流发电装置是21世纪初开始进入研究领域的新型海流能开发利用装置，它基于贝兹能量捕获理论，通过叶轮捕获水流动能并将其转换为电能。类似于风力发电，当叶轮的转速随着水流速度变化时，可使叶轮捕获更多的海流能。当海流发电装置中的发电机和电网并联时，又要求发电机发出恒定频率的电能，即恒频运转。目前世界上所设计的水平轴式的海流发电装置其能量传递方式都为机械式传动，即叶轮通过齿轮箱带动发电机转动而发电，而齿轮箱的传动比是固定的，要使水平轴式的海流发电装置变速恒频运转可以运用风力发电领域中的变速恒频方法，主要有两种。一种方法是采用支持变速运转的双馈异步发电机，通过控制发电机使叶轮变速运转，从而发电机也随着叶轮变速运转，当发电机转速变化时，通过双馈异步发电机转子侧的变频装置的调节使得发电机发出的电能频率恒定。另一种方法是采用普通的同步发电机，在发电机和电网之间连接整流逆变控制器，通过整流逆变控制器的调节使叶轮变速运转，同时使得变速运转的发电机发出恒定频率的电能，然后并入电网。以上两种变速恒频方法都基于电气方式，都需要造价昂贵的变流设备，在能量传递过程中会造成15％以上的能量损失。在水平轴式的海流发电装置中，若采用电气式的变速恒频方法，由于发电机是叶轮经齿轮箱增速后带动发电的，发电机受海流的冲击影响较大，进而使叶轮的变速运转和海流发电装置的能量输出更不稳定。此外，其昂贵的发电机还要放置在水下，这给维修造成不便，变流设备的使用不仅造成能量的损失，还使得发电系统的结构庞大复杂，尤其使得电气系统复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于液压传动的海流发电变速恒频方法及其装置，利用液压传动方式进行能量的转换，在液压能传递过程中通过对变量液压泵、变量液压马达的排量调节来实现海流发电装置的变速和恒频运转，提高海流发电装置的能量捕获率，使海流发电装置的变速运转和能量输出更加稳定。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一、一种基于液压传动的海流发电变速恒频方法：

1)将叶轮的机械能输入变量液压泵的主轴，将变量液压马达输出的机械能输入永磁同步发电机的主轴，在叶轮的主轴和永磁同步发电机的主轴上分别安装转速传感器，在叶轮的转动平面上安装流速传感器，存储控制程序的PLC控制器分别与叶轮转速传感器、发电机转速传感器、流速传感器、变量液压泵和变量液压马达电气连接；

2)用流速传感器和叶轮转速传感器分别测量海流的流速v和叶轮的转速n_y，输入PLC控制器，PLC控制器根据海流的流速v和叶轮的最佳叶尖速比值λ_opt计算出叶轮的最佳转速n_opt，然后根据叶轮的最佳转速n_opt和叶轮的转速n_y由其内部的控制算法计算出变量液压泵的排量控制信号q_p并输出，通过变量液压泵的变量机构调节其排量，进而改变变量液压泵主轴上的反扭矩，从而改变叶轮的转速，实现叶轮的变速运转；

3)用发电机转速传感器测量永磁同步发电机的转速n_g，输入PLC控制器，PLC控制器根据转速n_g和永磁同步发电机的额定转速n_gN由其内部控制算法计算出变量液压马达的排量控制信号q_m并输出，通过变量液压马达的变量机构调节其排量，从而使变量液压马达的转速恒定在永磁同步发电机的额定转速n_gN，进而使永磁同步发电机发出恒定频率的电能，实现永磁同步发电机的恒频运转。

二、一种基于液压传动的海流发电变速恒频装置：

将叶轮的主轴和变量液压泵的主轴相连，变量液压泵通过油管与滤油器和油箱连接，滤油器的出口连接安全阀，变量液压泵输出的高压油经滤油器和单向阀接入蓄能器和变量液压马达，在蓄能器的入口安装截止阀，变量液压马达的主轴直接和永磁同步发电机的主轴相连，永磁同步发电机直接和电网相连；PLC控制器分别与叶轮转速传感器、发电机转速传感器、流速传感器、变量液压泵和变量液压马达电气连接。

本发明与背景技术相比具有的有益效果是：

1.相比基于电气式的变速恒频方法，基于液压传动的变速恒频方法使海流发电装置的变速运转和其能量输出传递更加平稳，受海流的冲击影响更小，尤其适用于水平轴式的海流发电装置。

2.采用变量液压泵和变量液压马达的排量调节来实现海流发电装置的变速恒频运转，简单可靠，能量在传递过程中损失较少，使发电系统具有较高的效率。

3.本发明方法所需的装置简单，发电机采用普通的永磁同步发电机，且可放置在海平面上，其输出电能可直接并入电网，省去了变流设备，使海流发电装置的电气系统简单可靠。

附图说明

图1是本发明的液压原理图。

图2是PLC控制器的工作原理图。

图3是叶轮的叶尖速比值和叶轮的能量捕获率之间的关系曲线。

图中：1、叶轮，2、叶轮转速传感器，3、流速传感器，4、变量液压泵，5、滤油器，6、安全阀，7、单向阀，8、截止阀，9、蓄能器，10、变量液压马达，11、油箱，12、发电机转速传感器，13、永磁同步发电机，14、电网，15、PLC控制器

v-流速传感器输出的海流流速信号，λ_opt-叶轮的最佳叶尖速比值

n_opt-叶轮的最佳转速信号，n_y-叶轮转速传感器输出的叶轮转速信号

n_ye-叶轮的转速偏差信号，q_p-变量液压泵的排量控制信号

n_eN-永磁同步发电机的额定转速值，n_g-发电机转速传感器输出的发电机转速信号

n_ge-发电机的转速偏差信号，q_m-变量液压马达的排量控制信号

C_P-叶轮的能量捕获率，C_Pmax-叶轮的最大能量捕获率

λ-叶轮的叶尖速比值

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图2所示，本发明将叶轮1的主轴和变量液压泵4的主轴相连，变量液压泵4通过油管与滤油器5和油箱11连接，滤油器5的出口连接安全阀6，变量液压泵4输出的高压油经滤油器5和单向阀7接入蓄能器9和变量液压马达10，在蓄能器9的入口安装截止阀8，变量液压马达10的主轴直接和永磁同步发电机13的主轴相连，永磁同步发电机13直接和电网14相连；在叶轮1的主轴和永磁同步发电机13的主轴上分别安装转速传感器2、12，在叶轮1的转动平面上安装流速传感器3，PLC控制器15分别与叶轮转速传感器2、发电机转速传感器12、流速传感器3、变量液压泵4和变量液压马达10电气连接。

如图1、图2所示，本发明用流速传感器3和叶轮转速传感器2分别测量海流的流速v和叶轮1的转速n_y，输入PLC控制器15，PLC控制器15根据海流的流速v和叶轮的最佳叶尖速比值λ_opt计算出叶轮的最佳转速n_opt，然后根据叶轮的最佳转速n_opt和叶轮的转速n_y由其内部的控制算法计算出变量液压泵4的排量控制信号q_p并输出，通过变量液压泵4的变量机构调节其排量，进而改变变量液压泵4主轴上的反扭矩，从而改变叶轮1的转速，实现叶轮1的变速运转。

用发电机转速传感器12测量永磁同步发电机13的转速n_g，输入PLC控制器15，PLC控制器15根据转速n_g和永磁同步发电机13的额定转速n_gN由其内部控制算法计算出变量液压马达10的排量控制信号q_m并输出，通过变量液压马达10的变量机构调节其排量，从而使变量液压马达10的转速恒定在永磁同步发电机13的额定转速n_gN，进而使永磁同步发电机13发出恒定频率的电能，实现永磁同步发电机13的恒频运转。

本发明的原理如下：

如图1所示，水平轴式的叶轮1在海流的流动冲击下产生升力而转动，捕获海流能并转换成机械能。叶轮直接带动变量液压泵4转动，将机械能输入至液压传动系统，变量液压泵从油箱吸入低压油，从其输出口输出具有一定压力和流量的液压油。变量液压泵4输出的高压油经过滤油器5和单向阀7部分流入蓄能器9中存储，部分流入变量液压马达10使液压马达主轴转动，从而直接带动永磁同步发电机13运转，将液压传动系统的液压能转换成机械能，发电机再将机械能转换成电能输出至电网。滤油器5的出口并联安全阀6，限制系统压力过高。滤油器5出口的单向阀7可防止蓄能器9和液压马达10的油液流向液压泵。蓄能器9入口安装的截止阀8在系统安装和维修时能封闭液压油液。

叶轮的叶尖速比值λ＝2πn_yR/60v，其中n_y为叶轮的转速，R为叶轮的半径，v为海流的流速。当叶片的安装角固定时，叶轮的能量捕获率C_P和叶轮的叶尖速比值λ(叶轮叶尖的线速度和海流流速之比)之间存在一种非线性的关系，如图3所示，当叶尖速比λ等于最佳的叶尖速比λ_opt时，叶轮的能量捕获率C_P可取到最大值C_Pmax，此时叶轮可以最大地捕获海流能。所以当海流的流速在额定流速以下变化时，改变叶轮的转速，使叶轮保持最佳叶尖速比λ_opt运转，就可以使叶轮的能量捕获率C_P保持最大，从而最大地捕获海流能。而当海流的流速在额定流速以上变化时，希望叶轮捕获的功率不随流速的变化而变化，保持额定的捕获功率，这时同样可以通过调节叶轮的转速改变叶尖速比λ，使叶轮的能量捕获率C_p变化从而使叶轮的捕获功率恒定在额定值。

如图1、2所示，在叶轮1的主轴和永磁同步发电机13的主轴上分别安装转速传感器2、12，在叶轮1的转动平面上安装流速传感器3，添加一个存储控制程序的PLC控制器15。用流速传感器测量海流的流速信号v，输入PLC控制器，PLC控制器根据叶轮的最佳叶尖速比值λ_opt和海流的流速信号v计算出叶轮的最佳转速信号n_opt，其中叶轮运转的最佳叶尖速比值λ_opt为存储在PLC控制器中的常数，该计算过程由存储在PLC控制器中的叶轮最佳转速计算程序完成。用叶轮转速传感器测量叶轮的转速n_y输入至PLC控制器，PLC控制器根据叶轮的最佳转速信号n_opt和叶轮的转速n_y计算出叶轮的转速偏差信号n_ye，然后由PLC控制器内部存储的数字PID控制算法计算出变量液压泵的排量控制信号q_p，并由PLC控制器输出，通过变量液压泵的变量机构调节变量泵的排量。而变量液压泵主轴上的反扭矩T_p＝p_pq_p/2π，其中p_p为泵的出口压力，由系统的负载决定，而系统的负载可视为不变，q_p为变量液压泵的排量，故调节变量液压泵的排量q_p就可以改变变量液压泵主轴上的反扭矩T_p，进而间接地改变叶轮的转速，实现叶轮的变速运转。以上通过调节液压泵的排量来控制叶轮的转速只对海流流速的低频分量响应，对流速的高频分量并不响应，流速高频分量引起的能量波动通过蓄能器来缓和。当流速在短时间内增大时，蓄能器把多余的能量储存起来，流速减小时，蓄能器把能量释放出来，使功率输出达到理想的状态。

当永磁同步发电机和电网并联时，要求永磁同步发电机发出的电能频率和电网的频率一致，这就要求同步发电机以其额定转速运转。如图1、2所示，本发明方法中，用发电机转速传感器测量发电机的转速n_g，输入PLC控制器，PLC控制器根据其内部存储的永磁同步发电机的额定转速值n_gN和输入的发电机转速n_g计算出发电机的转速偏差信号n_ge，并根据该偏差信号n_ge由PLC控制器内部存储的数字PID控制算法计算出变量液压马达的排量控制信号q_m，并从PLC控制器输出，通过变量液压马达的变量机构调节变量液压马达的排量。而变量液压马达的转速n_m＝60Q_mη_V/q_m，其中Q_m为流入液压马达的油液流量，随着叶轮捕获功率的大小而变化，η_V为液压马达的容积效率，可视为常量，q_m为液压马达的排量，故当流入液压马达的油液流量Q_m变化时，通过调节变量液压马达的排量q_m就可以使得变量液压马达的转速n_m恒定，保持为永磁同步发电机的额定转速值n_gN，进而使永磁同步发电机发出恒定频率的电能，实现永磁同步发电机的恒频运转。

Claims (2)

1、一种基于液压传动的海流发电变速恒频方法，其特征在于：

1)将叶轮的机械能输入变量液压泵的主轴，将变量液压马达输出的机械能输入永磁同步发电机的主轴，在叶轮的主轴和永磁同步发电机的主轴上分别安装转速传感器，在叶轮的转动平面上安装流速传感器，存储控制程序的PLC控制器分别与叶轮转速传感器、发电机转速传感器、流速传感器、变量液压泵和变量液压马达电气连接；

2)用流速传感器和叶轮转速传感器分别测量海流的流速v和叶轮的转速n_y，输入PLC控制器，PLC控制器根据海流的流速v和叶轮的最佳叶尖速比值λ_opt计算出叶轮的最佳转速n_opt，然后根据叶轮的最佳转速n_opt和叶轮的转速n_y由其内部的控制算法计算出变量液压泵的排量控制信号q_p并输出，通过变量液压泵的变量机构调节其排量，进而改变变量液压泵主轴上的反扭矩，从而改变叶轮的转速，实现叶轮的变速运转；

3)用发电机转速传感器测量永磁同步发电机的转速n_g，输入PLC控制器，PLC控制器根据转速n_g和永磁同步发电机的额定转速n_gN由其内部控制算法计算出变量液压马达的排量控制信号q_m并输出，通过变量液压马达的变量机构调节其排量，从而使变量液压马达的转速恒定在永磁同步发电机的额定转速n_gN，进而使永磁同步发电机发出恒定频率的电能，实现永磁同步发电机的恒频运转。

2、用于权利要求1所述的一种基于液压传动的海流发电变速恒频方法的装置，其特征在于：将叶轮(1)的主轴和变量液压泵(4)的主轴相连，变量液压泵(4)通过油管与滤油器(5)和油箱(11)连接，滤油器(5)的出口连接安全阀(6)，变量液压泵(4)输出的高压油经滤油器(5)和单向阀(7)接入蓄能器(9)和变量液压马达(10)，在蓄能器(9)的入口安装截止阀(8)，变量液压马达(10)的主轴直接和永磁同步发电机(13)的主轴相连，永磁同步发电机(13)直接和电网(14)相连；PLC控制器(15)分别与叶轮转速传感器(2)、发电机转速传感器(12)、流速传感器(3)、变量液压泵(4)和变量液压马达(10)电气连接。

Images