CN101380905A - 基于风能燃油混合动力的车载发电系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于风能燃油混合动力的车载发电系统，包括风力发电装置、燃油发电装置、蓄电装置、用电设备和控制器；所述风力发电装置和燃油发电装置的电能输出端并联后向用电设备供电，并同时与蓄电装置电连接；所述的风力发电装置为风力机、连轴器、高速飞轮以及风力发电机依次串接，并通过伸缩式升降塔架安装于移动车辆的车厢内；本发明还公开了基于风能燃油混合动力的车载发电系统的控制方法，通过控制器实现风能和燃油的混合优化发电与储能控制，最大程度上减少柴油耗油量，提高发电能力和供电时间，更好的为灾害救援、野外探险、军用作战等领域服务。

Description

基于风能燃油混合动力的车载发电系统及其控制方法

技术领域

本发明属于发电以及能源利用领域，涉及一种基于风能燃油混合动力的车载发电系统及其控制方法。

背景技术

传统移动车载发电系统是指在满足正常行车载人载货的需求之外，能够利用车载的柴油发电机在停车或行车进行发电，为多种电力设备提供紧急电力供应，在野外作业、科学考察、极地救援等领域，特别是在严重自然灾害和甚至战争等严酷的环境下发挥着关键作用。

传统移动车载发电系统的发电形式采用柴油动力，该模式存在如下问题：1)在野外作业、科学考察、极地救援等特殊环境下，通常距离可加油区极远，无法完成柴油的及时供给，而由于车载发电系统自身体积的限制，车载柴油量有限，从而造成电源供电能力和工作时间受到很大限制；2)一次能源的日益缺乏，造成国际石油价格日益飙升，发电成本逐步增加；3)人类环境的日益恶化、污染程度的加剧，迫切需求有新的能源替代方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提出一种基于风能燃油混合动力的车载发电系统及其控制方法，该发明可在户外风力充足的工作环境下，利用风力发电机实现风能到电能的转换，为电力设备提供能源供给，能源过剩时通过蓄能装置进行储存，当风力不足且蓄能装置不足以提供电力设备能源供给需求时，启用柴油发电机发电，从而最大程度上减少柴油耗油量，提高车载发电系统供电能力，减少环境污染，更好的为灾害现场救援、野外探险、军用作战等领域服务。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种基于风能燃油混合动力的车载发电系统，其特征在于，包括风力发电装置、燃油发电装置、蓄电装置、用电设备以及控制器；

所述风力发电装置和燃油发电装置的电能输出端并联后向用电设备供电，并同时与蓄电装置电连接；

所述的风力发电装置为风力机、连轴器、高速飞轮以及风力发电机依次串接；所述风力发电机的控制端接控制器；

所述的燃油发电装置为柴油机、变速箱、电磁离合器、飞轮、同步发电机依次连接；所述电磁离合器的控制端接控制器；

所述的蓄电装置由电磁开关、双向逆变器和蓄电池组依次串接组成；所述电磁开关和双向逆变器的控制端连接控制器。

所述的风力发电机的塔架部分为可升降式液压缸结构，由两个或多个活塞套装而成，下一级活塞杆是上一级活塞缸的缸筒，最上一级活塞的活塞杆支撑风力发电机的叶片及其他上部机构；缸筒与第一活柱组成一级缸；第一活柱与第二活柱组成二级缸；第二活柱与活塞杆组成三级缸，其它依次类推。

所述同步发电机的安装底座为机底油箱结构；所述的柴油机还通过所述的变速箱连接用于驱动车体的传动装置。

基于风能燃油混合动力的车载发电系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)首先进行系统初始化，然后切断电磁开关和电磁离合器；将控制变量电磁开关状态S_B、电磁离合器状态S_D、风力发电机工作状态S_w、风速V_W、用电负荷P_U、蓄电池组电压U_B、蓄电池组输出功率P_B、同步发电机发电功率P_D均设置为零；读入风力发电机额定功率P_W、风力发电机启动速度V_GS、蓄电池组饱和电压U_BM、蓄电池组最小允许电压U_BS、高速飞轮饱和蓄能容量E_FM、高速飞轮最小允许蓄能容量E_FS、同步发电机额定功率P_DS、同步发电机最低负荷功率PD_min，转入步骤2)；

2)控制工作流程如下：

①实时采集风速V_W、用电负荷P_U、蓄电池组电压U_B、风力发电机工作状态S_W、电磁离合器状态S_D、蓄电装置电磁开关状态S_B，转入流程②；

②如果蓄电池组电压U_B大于蓄电池组饱和电压U_BM，或蓄电池组电压U_B小于蓄电池组最小允许电压U_BS，若电磁开关闭合，则切断电磁开关，以避免蓄电池组的过度充放电；若风速V_W大于风力发电机启动速度V_GS，则转入流程③，否则转入流程④；

③若用电负荷P_U大于零或高速飞轮蓄能值E_F小于高速飞轮饱和蓄能容量E_FM，则启动风力发电机发电，转入步骤3)；否则返回步骤2)；

④在风速V_W小于风力发电机启动速度V_GS时，若用电负荷P_U大于零，则利用高速飞轮带动风力发电机发电，执行完毕后转向步骤3)；否则停止风力发电机运行，断开电磁离合器，停止同步发电机利用柴油发电，断开电磁开关，然后返回步骤2)；

3)控制工作流程如下：

①若风力发电机输出功率P_WO小于用电负荷P_U，则闭合电磁开关，蓄电池组通过双向逆变器向用电设备补充供电，若风力发电机输出功率P_WO与蓄电池组输出功率P_B之和仍小于用电负荷P_U，则闭合电磁离合器，启动同步发电机利用柴油发电；否则断开电磁离合器，关闭同步发电机，停止利用柴油发电；转入步骤2)；

②若P_WO大于等于用电负荷P_U，则对高速飞轮蓄能，若高速飞轮蓄能值E_F达到饱和蓄能容量E_FM，且蓄电池组电压U_B小于饱和电压U_BM，则闭合电磁开关，多余能量通过双向逆变器向蓄电池组充电；转入步骤2)。

本发明的有益效果：

基于风能燃油混合动力的车载发电系统是集机、电和自动控制技术为一体的综合性高科技装置，其机械、电气、控制部分互相协调工作，共同构成一个有机的整体。

本发明基于各参量(如当前的风速V_W、用电负荷P_U、蓄电池组电压U_B、风力发电机工作状态S_W、电磁离合器状态S_D、蓄电装置电磁开关状态S_B等)的实际检测值，再通过科学的控制策略，使得系统中的各机构(包括风力发电装置、燃油发电装置、蓄电装置)充分配合、协调工作，最大限度的提高发电效率和能源的利用效率；其中，具体涉及到风力发电机和燃油发电机的配合，高速飞轮的储能和风力发电机的配合，电池(组)和发电机、用电设备的配合等。因此，本发明具有智能控制以及能源利用效率高的特点。

本发明充分利用丰富的自然风能发电，可最大程度上减少柴油耗油量，节能环保，且能提高车载发电系统供电能力，提高车载发电系统的供电时间，可在野外作业、科学考察，特别是在严重自然灾害和战争等严酷的环境下为多种用电设备提供长时间稳定而可靠的紧急电力供应，在极端环境下能发挥关键作用。该发明可应用于各种工程车辆、坦克、远洋船舶、潜艇、极地科考车辆等民用和军工领域。

附图说明

图1为基于风能燃油混合动力的车载发电系统整体结构示意图；

图2为基于风能燃油混合动力的车载发电系统内部结构示意图；

图3为本发明实施例1的三级伸缩液压缸示意图；

图4为本发明实施例1控制流程图1；

图5为本发明实施例1控制流程图2；

图6为本发明实施例1控制流程图3。

附图标号说明：1-车载发电系统，2-伸缩式升降塔架，3-风力机，4-连轴器，5-高速飞轮，6-风力发电机，7-柴油机，8-电磁离合器，9-飞轮，10-同步发电机，11-电磁开关，12-缸筒，13-第一活柱，14-第二活柱，15-活塞杆，16-负载R，17-油箱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1～3所示，风力发电装置通过伸缩式升降塔架2安装于移动车辆的车厢内。当需要启动风力发电时，将风力发电装置升高至一定高度，以获取足够强度的风能；当停止风力发电时，将风力发电装置收缩至最低高度，从而使其处于车厢体内，以提高安全性，便于运输。该发明通过控制器实现风能和柴油的混合优化发电控制，其原理如下：在户外风力充足的工作环境下，利用风力发电装置实现风能到电能的转换，为用电设备提供能源供给，能源过剩时通过蓄能装置进行储存；当风力不足时，优先考虑蓄能装置对电力设备负荷进行供电；当风力不足且蓄能装置不足以提供电力设备负荷的能源供给需求时，启用车载的柴油机进行发电。该发明可最大程度上减少柴油耗油量，提高车载发电系统供电能力，减少环境污染，提高车载发电系统的工作时间和应用范围，更好的为灾害现场救援、野外探险、军用作战等领域服务。

如图1所示，基于风能燃油混合动力的车载发电系统主要包括风力发电装置、燃油发电装置、蓄电装置、控制器和用电设备。其中风力发电装置主要由风力机3、联轴器4、高速飞轮5、风力发电机6依次串接组成，其中风力机3通过联轴器4与高速飞轮5实现机械固接，高速飞轮5通过机械连接以驱动风力发电机6；燃油发电装置主要包括变速箱、电磁离合器8、普通飞轮9、同步发电机10和传动装置，柴油机7通过变速箱与传动装置形成机械连接，从而驱动车辆，变速箱用以调整柴油机1的输出的转动速度；另一方面柴油机1和变速箱形成机械连接后，通过电磁离合器8与飞轮9相连驱动同步发电机10发电，其中电磁离合器8的通断用于控制同步发电机10的启停动作，实现是否通过柴油机7进行发电的控制。风力发电机6和同步发电机10的输出电能，通过电缆线并联后向用电设备供电，并通过电磁开关11与蓄电装置形成电连接。蓄电装置主要由电磁开关11、双向逆变器、蓄电池组成，其中双向逆变器可向负载供电，即DC-AC功能，也可以向电池充电，即AC-DC功能，可实现直流和交流电能的双向流动，而电磁开关的通断控制蓄电池组的电能到用电设备的连通与否，从而实现蓄电池组的充放电控制。风力燃油混合发电控制系统与风力发电装置、燃油发电装置、蓄电装置存在电连接，实现实时信息的采集和控制执行信号的传输。控制器根据用电设备负荷情况、风力发电功率、蓄电池组容量情况等信息实时调整控制风力发电机功率与转速、柴油发电机功率和蓄电池组充放电，在满足电力设备负荷需求的前提下，保证发电质量，实现燃油最低损耗，提高车载发电系统供电能力和供电时间，延长蓄电池组使用寿命。

在本发明中，风力发电装置的特点是风力机3通过联轴器4与高速飞轮5相连后，利用风力发电机6实现风能和电能的转换，直接为电力设备供电，当风力较强或电力设备负荷较小时，若电能有剩余，则经过双向逆变器向蓄电池组充电，实现能量存储。高速飞轮5安装于风力发电机6的轴系上，利用高速飞轮5旋转时的惯性储能原理，当风力强时，风能即以动能形式储存在高速飞轮5中；当风力弱时，储存在高速飞轮5中的动能则释放出来驱动发电机发电，采用高速飞轮5蓄能可以平抑由于风力起伏而引起的发电机输出电能的波动，改善电能质量。此外高速飞轮5具有体积小、蓄能容量大的优点，特别适于移动式储能。本发明采用高速飞轮5进行蓄能，在提供同等蓄电容量的同时，可有效减少蓄电池组的容量和移动车载发电系统整体重量，并提高供电质量。

由于风速随高度发生变化，高度越高风速越大，从而可获取的风能越多，风力发电机效率相应会提高。因此发电过程中，要求风力发电机的塔架具有一定高度。因此移动车载发电系统在运动行驶过程中，一定高度的风轮将会产生很大的阻力，且存在很大的安全隐患。因此在本发明中，风力发电机的塔架部分采用可升降式机械结构2，当移动车载发电系统行驶过程中，塔架缩至最低高度，从而使风力发电装置基本处于车厢体内，当移动车载发电系统处于停止状态且具有一定风速时，根据当前蓄能状态和设备需求升高塔架，进行风力发电。

该发明的风力发电机的伸缩式升降塔架采用伸缩式液压缸结构，以实现风力发电装置的升降，它是由两个或多个活塞套装而成，前一级活塞杆是后一级活塞缸的缸筒，是可以得到较长工作行程的具有多级套筒形活塞杆的液压缸。当负载不发生变化时，随着缸筒内液压力的增加，各级缸筒将由低级缸筒到高级缸筒依次伸出；随着缸筒内液压力的下降，各级缸筒将按高级缸筒到低级缸筒依次回缩，实现塔架的自动伸缩和高度调整。伸缩式液压缸因其安装距离短、行程长的特点，在船舶、车辆等要求安装空间有限而行程要求却很高的场合得到广泛应用。

图3为三级伸缩液压缸。缸筒12与第一活柱13组成一级缸；第一活柱13与第二活柱14组成二级缸；第二活柱14与活塞杆15组成三级缸。当负载R16不发生变化时，随着缸筒内液压力的增加，各级缸筒将按一、二、三级依次伸出。对于多级伸缩式液压缸：伸出时，由于前一级活塞的有效面积比后一级有效面积大，前一级活塞所受到的推力比后一级活塞受到的推力大，所以前一级活塞先被推动；当前一级活塞运动到行程终点的时候，前一级活塞不能再运动，后一级活塞在液压的推动下运动。回缩的时候，后一级活塞首先受外力回缩。这时候前一级活塞还没有受到外力推动，当后一级全部回缩并与前一级活塞接触后，外力传递到前一级活塞，前一级活塞开始回缩。

燃油发电装置中，发电机为无刷自励交流同步发电机，采用自动电压调节，发电机的安装底座为机底油箱结构。柴油机发出的动力一部分经变速箱输出用于驱动车辆运行，另一部分通过变速箱输出带动同步发电机发电。在变速箱和同步发电机之间装有一个电磁离合器，可接收风力燃油混合发电控制系统的启停信号，实现柴油机的自动发电控制。电磁离合器通过飞轮与同步发电机相连接，可减少柴油机起停对系统造成的频率扰动和功率起伏影响，并可实现部分多余电能的储存，从而进一步减少蓄电池组容量。

控制器与风力发电装置、燃油发电装置、蓄电装置、用电设备存在电气连接，并采用基于风能燃油混合动力的车载发电系统的控制方法，实现风力发电装置、燃油发电装置、蓄电装置、用电设备组成的车载发电系统的优化控制。

基于风能燃油混合动力的车载发电系统的控制方法涉及的变量定义如下：

1)风力发电机额定功率P_W，风力发电机输出功率P_WO；

2)风速V_W，风力发电机启动速度V_GS；

3)用电负荷P_U；

4)蓄电池组电压U_B，蓄电池组饱和电压U_BM，蓄电池组最小允许电压U_BS，蓄电池组输出功率P_B；

5)高速飞轮蓄能值E_F，高速飞轮饱和蓄能容量E_FM，高速飞轮最小允许蓄能容量E_FS；

6)同步发电机额定功率P_DS，同步发电机最低负荷功率P_Dmin，同步发电机发电功率P_D；

7)电磁离合器状态S_D，闭合时S_D＝1，断开时S_D＝0；

8)蓄电装置电磁开关状态S_B，闭合时S_B＝1，断开时S_B＝0；

9)风力发电机工作状态S_w，发电状态S_w＝1，停止状态S_w＝0；

如图4～6所示，基于风能燃油混合动力的车载发电系统的控制方法，具体包括三个步骤：

1)如图4所示，步骤1)的控制工作流程如下：

首先进行系统初始化，然后切断电磁开关和电磁离合器；将控制变量电磁开关状态S_B、电磁离合器状态S_D、风力发电机工作状态S_w、风速V_W、用电负荷P_U、蓄电池组电压U_B、蓄电池组输出功率P_B、同步发电机发电功率P_D均设置为零；读入风力发电机额定功率P_W、风力发电机启动速度V_GS、蓄电池组饱和电压U_BM、蓄电池组最小允许电压U_BS、高速飞轮饱和蓄能容量E_FM、高速飞轮最小允许蓄能容量E_FS、同步发电机额定功率P_DS、同步发电机最低负荷功率P_Dmin，转入步骤2)；

2)如图5所示，步骤2)的控制工作流程如下：

①实时采集风速V_W、用电负荷P_U、蓄电池组电压U_B、风力发电机工作状态S_W、电磁离合器状态S_D、蓄电装置电磁开关状态S_B，转入流程②；

②如果蓄电池组电压U_B大于蓄电池组饱和电压U_BM，或蓄电池组电压U_B小于蓄电池组最小允许电压U_BS，若电磁开关闭合，则切断电磁开关，以避免蓄电池组的过度充放电；若风速V_W大于风力发电机启动速度V_GS，则转入流程③，否则转入流程④；

③若用电负荷P_U大于零或高速飞轮蓄能值E_F小于高速飞轮饱和蓄能容量E_FM，则启动风力发电机发电，转入步骤3)；否则返回步骤2)；

④在风速V_W小于风力发电机启动速度V_GS时，若用电负荷P_U大于零，则利用高速飞轮带动风力发电机发电，执行完毕后转向步骤3)；否则停止风力发电机运行，断开电磁离合器，停止同步发电机利用柴油发电，断开电磁开关，然后返回步骤2)；

3)步骤3)的控制工作流程如下：

①若风力发电机输出功率P_WO小于用电负荷P_U，则闭合电磁开关，蓄电池组通过双向逆变器向用电设备补充供电，若风力发电机输出功率P_WO与蓄电池组输出功率P_B之和仍小于用电负荷P_U，则闭合电磁离合器，启动同步发电机利用柴油发电；否则断开电磁离合器，关闭同步发电机，停止利用柴油发电；转入步骤2)；

②若P_WO大于等于用电负荷P_U，则对高速飞轮蓄能，若高速飞轮蓄能值E_F达到饱和蓄能容量E_FM，且蓄电池组电压U_B小于饱和电压U_BM，则闭合电磁开关，多余能量通过双向逆变器向蓄电池组充电；转入步骤2)。

Claims (4)

1.一种基于风能燃油混合动力的车载发电系统，其特征在于，包括风力发电装置、燃油发电装置、蓄电装置、用电设备以及控制器；

所述风力发电装置和燃油发电装置的电能输出端并联后向用电设备供电，并同时与蓄电装置电连接；

所述的风力发电装置为风力机、连轴器、高速飞轮以及风力发电机依次串接；所述风力发电机的控制端接控制器；

所述的燃油发电装置为柴油机、变速箱、电磁离合器、飞轮、同步发电机依次连接；所述电磁离合器的控制端接控制器；

所述的蓄电装置由电磁开关、双向逆变器和蓄电池组依次串接组成；所述电磁开关和双向逆变器的控制端连接控制器。

2.如权利要求1所述的基于风能燃油混合动力的车载发电系统，其特征在于，所述的风力发电机的塔架部分为可升降式液压缸结构，由两个或多个活塞套装而成，下一级活塞杆是上一级活塞缸的缸筒，最上一级活塞的活塞杆支撑风力发电机的叶片及其他上部机构；缸筒与第一活柱组成一级缸；第一活柱与第二活柱组成二级缸；第二活柱与活塞杆组成三级缸，其它依次类推。

3.如权利要求1所述的基于风能燃油混合动力的车载发电系统，其特征在于，所述同步发电机的安装底座为机底油箱结构；所述的柴油机还通过所述的变速箱连接用于驱动车体的传动装置。

4.如权利要求1～3任一项所述的基于风能燃油混合动力的车载发电系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)首先进行系统初始化，然后切断电磁开关和电磁离合器；将控制变量电磁开关状态S_B、电磁离合器状态S_D、风力发电机工作状态S_w、风速V_W、用电负荷P_U、蓄电池组电压U_B、蓄电池组输出功率P_B、同步发电机发电功率P_D均设置为零；读入风力发电机额定功率P_W、风力发电机启动速度V_GS、蓄电池组饱和电压U_BM、蓄电池组最小允许电压U_BS、高速飞轮饱和蓄能容量E_FM、高速飞轮最小允许蓄能容量E_FS、同步发电机额定功率P_DS、同步发电机最低负荷功率P_Dmin，转入步骤2)；

2)控制工作流程如下：

①实时采集风速V_W、用电负荷P_U、蓄电池组电压U_B、风力发电机工作状态S_w、电磁离合器状态S_D、蓄电装置电磁开关状态S_B，转入流程②；

②如果蓄电池组电压U_B大于蓄电池组饱和电压U_BM，或蓄电池组电压U_B小于蓄电池组最小允许电压U_BS，若电磁开关闭合，则切断电磁开关，以避免蓄电池组的过度充放电；若风速V_W大于风力发电机启动速度V_GS，则转入流程③，否则转入流程④；

③若用电负荷P_U大于零或高速飞轮蓄能值E_F小于高速飞轮饱和蓄能容量E_FM，则启动风力发电机发电，转入步骤3)；否则返回步骤2)；

④在风速V_W小于风力发电机启动速度V_GS时，若用电负荷P_U大于零，则利用高速飞轮带动风力发电机发电，执行完毕后转向步骤3)；否则停止风力发电机运行，断开电磁离合器，停止同步发电机利用柴油发电，断开电磁开关，然后返回步骤2)；

3)控制工作流程如下：

①若风力发电机输出功率P_WO小于用电负荷P_U，则闭合电磁开关，蓄电池组通过双向逆变器向用电设备补充供电，若风力发电机输出功率P_WO与蓄电池组输出功率P_B之和仍小于用电负荷P_U，则闭合电磁离合器，启动同步发电机利用柴油发电；否则断开电磁离合器，关闭同步发电机，停止利用柴油发电；转入步骤2)；

②若P_WO大于等于用电负荷P_U，则对高速飞轮蓄能，若高速飞轮蓄能值E_F达到饱和蓄能容量E_FM，且蓄电池组电压U_B小于饱和电压U_BM，则闭合电磁开关，多余能量通过双向逆变器向蓄电池组充电；转入步骤2)。

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