CN101737241B - 基于液压传动的波浪发电蓄能稳压恒频方法及其装置 - Google Patents

基于液压传动的波浪发电蓄能稳压恒频方法及其装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于液压传动的波浪发电蓄能稳压恒频方法及其装置。将浮力摆和液压缸相连，液压缸无杆腔输出的高压油经由控制集成阀通过高压油管接入高压蓄能器和变量马达的进油口，变量马达的出油口输出的低压油接入低压大容量蓄能器和控制集成阀流回液压缸有杆腔，变量马达的主轴连接永磁同步发电机，永磁同步发电机和整流模块、直流电能充放控制模块相连后接无级可调卸荷负载和蓄电池组。高压蓄能器和低压大容量蓄能器通过吸收由瞬变波浪变化引起的压力和流量波动，实现蓄能。控制器分别通过无级调节卸荷负载和液压马达排量，实现稳压和恒频。本发明使波浪发电装置能量输出更加平稳，受波浪的冲击影响更小，具有较高的效率。

Description

基于液压传动的波浪发电蓄能稳压恒频方法及其装置
技术领域
本发明涉及发电系统的蓄能稳压恒频方法及其装置，尤其是涉及一种基于液压传动的波浪发电蓄能稳压恒频方法及其装置。
背景技术
目前国内外业已商业化的波浪能利用装置中，其电能输送方式都是采用并网方式，通过大容量的电网来吸收小容量的不稳定电能。然而，波浪能利用发电装置一般建在远离电网的偏远地区或海上，发电上网意味着需要价格昂贵的长距离电缆或海底电缆，显然相对发电能力有限的波浪能利用发电装置来说，长距离输电并不是一种经济的选择。因此，研究波浪能就地取材、就地使用的独立发电技术就显得格外重要。波浪能利用发电装置采用独立工作方式需要解决波浪能不稳定的问题，如专利CN 1177136C等，当前人们已经采用的方式有采用储气罐或惯性轮蓄能，使得输出变得稍微平稳一些，谈不上稳定发电，无法独立为用户供电。专利CN101012802A、CN100462554C创造性的提出了蓄能稳压技术，即在液压系统回路之间增加了蓄能器，液压缸在波浪能驱动下输入不稳定能量，蓄能器把不稳定的能量输入转换为稳定的液压能，液压能驱动液压马达带动发电机发电。然而这样单一依靠蓄能器也只是从一级能量转换上实现了蓄能稳压，而如何为前一级转换提供最佳负载，使发电系统具备更好的抗冲击性则并没有涉及考虑。然而波浪能的一个显著特点，是其长、短周期性变化和随机性变化兼而有之，使输入功率和机械受力状态具有不确定性的特征。比如波浪大小按日、月季节都有不同的变化规律，而波浪能发电装置在不同的吃水深度和波浪高度变化时，都会捕获到不同的能量大小，输入功率一般是不稳定，不连续，甚至是快速突变的。显然，在波浪发电装置这样一个复杂系统中，没有电气自动控制系统的作用，单一依靠蓄能器是不能真正完全实现波浪能发电装置高效稳定的发电。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于液压传动的波浪发电蓄能稳压恒频方法及其装置，利用液压传动方式进行能量的转换，在液压传递过程中通过蓄能器来吸收波浪变化引起的能量波动，通过对卸荷负载的无级调节和变量马达的排量调节来实现波浪发电装置的稳压及恒频运转，提高波浪发电装置的能量捕获效率，使波浪发电装置的能量输出更加稳定。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一、一种基于液压传动的波浪发电蓄能稳压恒频方法：
1)将浮力摆的机械能输入液压缸，将变量马达输出的机械能输入永磁同步发电机的主轴，在永磁同步发电机上分别安装发电机转速传感器和发电机电压传感器，在蓄电池组和工作负载上也装有各自的蓄电池组电压传感器和工作负载电压传感器，存储控制程序的PLC控制器分别与发电机转速传感器、发电机电压传感器、蓄电池组电压传感器、工作负载电压传感器、直流电能充放控制模块、永磁同步发电机和变量马达电气连接；
2)利用高压蓄能器吸收由瞬变波浪波速变化引起的压力和流量波动，当波速增大时，高压蓄能器把多余的能量储存起来，波速减小时，高压蓄能器把能量释放出来，使到达变量马达的液压能是稳定的，低压大容量蓄能器一方面充当油箱，起到补充油液的作用，使补油管路保持一定压力，另一方面也可以吸收液压系统中油液的波动，高压蓄能器和低压大容量蓄能器的共同作用实现液压传动过程中的蓄能功能；
3)用电压传感器分别测量永磁同步发电机发出的电压值Vg、蓄电池组的电压值Vb和工作负载的电压值V工，输入PLC控制器，PLC控制器根据永磁同步发电机发出的电压值Vg、蓄电池组的电压值Vb、工作负载的电压值V工和事先存储在PLC内部程序中的工作负载的最佳工作电压值V工opt计算出卸荷负载需消耗掉的卸荷电压V卸荷，然后根据卸荷电压V卸荷由PLC内部的控制算法计算出直流电能充放控制模块的卸荷负载控制信号S卸荷并输出，通过直流电能充放控制模块切入或切出相应的卸荷负载，实现卸荷负载的无级可调，进而实现工作负载稳压在最佳工作电压值V工opt工作；
4)发电机转速传感器测量出永磁同步发电机的转速ng，输入PLC控制器，永磁同步发电机的额定转速ngN事先存储在PLC内部程序中，PLC根据已输入的发电机转速ng和额定转速ngN计算出发电机的转速偏差信号ngdif，并根据该偏差信号ngdif由PLC控制器内部存储的数字PID控制算法计算出变量马达的排量控制信号qm并输出，通过变量马达的变量机构调节变量马达排量，从而使变量马达的转速恒定在永磁同步发电机的额定转速ngN，实现永磁同步发电机的恒频运转。
二、一种基于液压传动的波浪发电蓄能稳压恒频装置：
将浮力摆分别和两个液压缸的活塞杆相连，两个液压缸的无杆腔与各自的控制集成阀同侧的一端连接，两个液压缸的有杆腔与各自的控制集成阀同侧的另一端连接，两个控制集成阀同侧的一端通过高压油管接入高压蓄能器和变量马达的一端，在高压蓄能器的入口安装第一截止阀，变量马达的主轴直接和永磁同步发电机的主轴相连，永磁同步发电机经由整流模块和直流电能充放控制模块相连，无级可调卸荷负载、蓄电池组和工作负载的两端并联连接在直流电能充放模块上；两个控制集成阀同侧的另一端通过低压油管接入低压大容量蓄能器和变量马达的另一端，在低压大容量蓄能器的入口安装第二截止阀；PLC控制器分别与发电机转速传感器、发电机电压传感器、蓄电池组电压传感器、工作负载电压传感器、直流电能充放控制模块、永磁同步发电机和变量马达电气连接。
所述的控制集成阀结构相同，均包括四个单向阀和两个安全阀，第一单向阀的进油口与第二单向阀的出油口串联后，第一安全阀的出油口与第二安全阀的出油口串联后，分别并联在液压缸无杆腔高压端和有杆腔的低压端之间，第一单向阀的出油口和第一安全阀的进油口接在无杆腔，第二单向阀的进油口和第二安全阀的进油口接在有杆腔，无杆腔经第三单向阀接入高压油管，第二单向阀进油口与第二安全阀的进油口和第四单向阀出油口连接，第一单向阀与第二单向阀的串接端经第一安全阀与第二安全阀的串接端与第四单向阀的进油口接入低压油管。
本发明具有的有益效果是：
相比现有的浮力摆式波浪发电装置，基于液压传动的蓄能稳压恒频方法使波浪发电装置结构简单可靠，其能量输出传递更加平稳，受波浪的冲击影响更小，能量在传递过程中损失较少，使发电系统具有较高的效率。
附图说明
图1是本发明的结构原理示意图。
图2是本发明的控制集成阀的结构原理示意图。
图中：1、浮力摆，2-3、液压缸，4-5、控制集成阀，6、高压蓄能器，7、截止阀，8、变量马达，9、永磁同步发电机，10、整流模块，11、PLC控制器，12、直流电能充放控制模块，13、无级可调卸荷负载，14、蓄电池组，15、工作负载，16、低压大容量蓄能器，17、截止阀，18、高压油管，19、低压油管，20、发电机电压传感器，21、蓄电池组电压传感器，22、工作负载电压传感器，23、发电机转速传感器。
Vg-电压传感器输出的永磁同步发电机的电压值信号，
Vb-电压传感器输出的蓄电池组的电压值信号，
V工-电压传感器输出的工作负载的电压值信号，
V工opt-工作负载的最佳工作电压值，
V卸荷-卸荷负载需消耗掉的卸荷电压值，
S卸荷-直流电能充放电控制模块中的无级调节卸荷负载的控制信号，
ng-转速传感器输出的永磁同步发电机的转速，
ngN-永磁同步发电机的额定转速，
ngdif-发电机的转速偏差信号，
qm-变量马达的排量控制信号。
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所示，本发明将浮力摆1分别和两个液压缸2、3的活塞杆相连，两个液压缸2、3的无杆腔与各自的控制集成阀4、5的高压端连接，两个液压缸2、3的有杆腔与各自的控制集成阀4、5的低压端连接，两个控制集成阀4、5的一端通过高压油管18接入高压蓄能器6和变量马达8的一端，在高压蓄能器6的入口安装第一截止阀7，变量马达8的主轴直接和永磁同步发电机9的主轴相连，永磁同步发电机9经由整流模块10和直流电能充放模块12相连，无级可调卸荷负载13、蓄电池组14和工作负载15的两端并联连接在直流电能充放模块12上；两个控制集成阀4、5的另一端通过低压油管19接入低压大容量蓄能器16和变量马达8的另一端，在低压大容量蓄能器16的入口安装第二截止阀17；PLC控制器11分别与发电机转速传感器23、发电机电压传感器20、蓄电池组电压传感器21、工作负载电压传感器22、直流电能充放控制模块12、永磁同步发电机9和变量马达8电气连接。
如图2所示，所述的控制集成阀4、5结构相同，均包括四个单向阀24、25、26、27和两个安全阀28、29，第一单向阀24的进油口与第二单向阀25的出油口串联后，第一安全阀28的出油口与第二安全阀29的出油口串联后，分别并联在液压缸无杆腔高压端和有杆腔的低压端之间，第一单向阀24的出油口和第一安全阀28的进油口接在高压端，第二单向阀25的进油口和第二安全阀29的进油口接在低压端，高压端经第三单向阀26接入高压油管18，第二单向阀25进油口与第二安全阀29的进油口和第四单向阀27出油口连接，第一单向阀24与第二单向阀25的串接端经第一安全阀28与第二安全阀29的串接端与第四单向阀27的进油口接入低压油管19。
控制集成阀4、5可以保护系统压力不超过设定的额定值，还可以保证系统低压回路随时向液压缸的低压腔补油，当压缩液压缸无杆腔时，液压缸无杆腔流出的高压油经单向阀26流入高压油管18，安全阀28保证液压缸无杆腔流出的高压油压力不超过设定的压力值，同时低压油管19经单向阀27给液压缸有杆腔进行补油；当压缩液压缸有杆腔时，液压缸有杆腔流出的液压油经单向阀25、24流入液压缸无杆腔进行补油，同时低压油管19也经单向阀24流入液压缸无杆腔进行补油，安全阀29保证液压缸有杆腔流出的低压油压力不超过设定的压力值。
如图1所示，本发明用利用高压蓄能器6吸收由瞬变波浪波速变化引起的压力和流量波动，当波速增大时，高压蓄能器6把多余的能量储存起来，波速减小时，高压蓄能器6把能量释放出来，使到达变量马达8的液压能是基本稳定的，低压大容量蓄能器16中的大容量是相对于高压蓄能器6的容量而言的，低压大容量蓄能器16一方面充当油箱，起到补充油液的作用，使低压油管19保持一定压力，另一方面也可以吸收液压系统中油液的波动。高压蓄能器6和低压大容量蓄能器16的共同作用实现液压传动过程中的蓄能功能；
用发电机电压传感器20、蓄电池组电压传感器21、工作负载电压传感器22分别测量永磁同步发电机9发出的电压值Vg、蓄电池组14的电压值Vb和工作负载15的电压值V工，输入PLC控制器11，PLC控制器11根据永磁同步发电机9发出的电压值Vg、蓄电池组14的电压值Vb、工作负载15的电压值V工和事先存储在PLC内部程序中的工作负载15的最佳工作电压值V工opt计算出无级可调卸荷负载13需消耗掉的卸荷电压V卸荷，然后根据卸荷电压V卸荷由其内部的控制算法计算出直流电能充放控制模块12的卸荷负载控制信号S卸荷并输出，通过直流电能充放控制模块12切入或切出相应的卸荷负载，实现卸荷负载13的无级可调，进而实现工作负载15稳压在最佳工作电压值V工opt工作；
发电机转速传感器23测量出永磁同步发电机9的转速ng，输入PLC控制器11，永磁同步发电机9的额定转速ngN事先存储在PLC内部程序中，PLC根据已输入的发电机转速ng和额定转速ngN计算出发电机的转速偏差信号ngdif，并根据该偏差信号ngdif由PLC控制器11内部存储的数字PID控制算法计算出变量马达8的排量控制信号qm并输出，通过变量马达8的变量机构调节其排量，从而使变量马达8的转速恒定在永磁同步发电机9的额定转速ngN，实现永磁同步发电机9的恒频运转。
本发明的原理如下：
如图1所示，浮力摆1在波浪的往复流动冲击下而随波往复摆动。捕获波浪能并转换成机械能。浮力摆1直接带动液压缸2、液压缸3交替往复运动，将机械能输入至液压传动系统，从液压缸无杆腔输出具有一定压力和流量的液压油。液压缸2和液压缸3的无杆腔输出的高压油分别通过集成控制阀4和集成控制阀5经由高压油管18部分流入高压蓄能器6中存储，部分流入变量马达8使变量马达主轴转动，，从而直接带动永磁同步发电机9运转，将液压传动系统的液压能转换成机械能，永磁同步发电机9再将机械能转换成电能输出。集成控制阀4和集成控制阀5的作用是当液压缸活塞向无杆腔压缩做功时，低压油可经集成控制阀向液压缸无杆腔补油，当液压缸活塞反向向有杆腔压缩时，无杆腔内的油液以及低压油管19的低压油可经由集成控制阀向液压缸无杆腔补油，同时集成控制阀还集成有安全阀的作用，限制系统压力过高。波速变化引起的能量波动可以通过高压蓄能器6来缓和，当波速增大时，高压蓄能器6把多余的能量储存起来，当波速减小时，高压蓄能器6把能量释放出来，使功率输出曲线达到理想的状态。低压大容量油路蓄能器16一方面起到油箱的作用来补充油液，保证随时可通过低压管路19向液压缸的低压腔补油，另一方面也可以吸收液压系统中油液的震动，降低噪音。高压蓄能器6和低压大容量蓄能器16入口处分别安装的截止阀7和截止阀17在系统安装和维修时能封闭液压油液。
如图1所示，在永磁同步发电机9、蓄电池组14和工作负载15上分别安装发电机电压传感器20、蓄电池组电压传感器21、工作负载电压传感器22，分别用以测量永磁同步发电机9发出的电压值Vg、蓄电池组14上的电压值Vb和工作负载上的电压值V工并输入PLC控制器11，PLC控制器11根据工作负载15的最佳工作电压值V工opt和永磁同步发电机9的电压值Vg、蓄电池组14的电压值Vb计算出卸荷负载13需消耗掉的卸荷电压V卸荷，其中工作负载15的最佳工作电压值V工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11中的卸荷电压计算程序完成。用电压传感器22测量工作负载15的电压V工输入至PLC控制器11，PLC控制器11根据工作负载15的最佳工作电压值V工opt和工作负载15的电压V工计算出工作负载15的电压偏差信号V工dif，然后由PLC控制器11内部存储的数字PID控制算法计算出直流电能充放控制模块12的卸荷负载无级调节控制信号S卸荷，并由PLC控制器11输出，通过直流电能充放控制模块12切入或切出相应大小的卸荷负载电阻实现卸荷负载13的无级可调，从而使工作负载15始终稳定在最佳工作电压值V工opt附近工作，实现系统稳压发电。
如图1所示，本发明方法中，用发电机转速传感器23测量永磁同步发电机9的转速ng，输入PLC控制器11，PLC控制器11根据其内部存储的永磁同步发电机9的额定转速值ngN和输入的发电机转速ng计算出永磁同步发电机9的转速偏差信号ngdif，并根据该偏差信号ngdif由PLC控制器11内部存储的数字PID控制算法计算出变量马达8的排量控制信号qm，并从PLC控制器11输出，通过变量马达8的变量机构调节变量马达8的排量，从而使得变量马达8的转速恒定，保持为永磁同步发电机9的额定转速值ngN，实现永磁同步发电机9恒频运转，系统发出恒定频率的电能。
直流电能充放控制模块12的核心功能：将三相永磁同步发电机9发出的电能通过工作负载15、蓄电池组14及无级可调卸荷负载13三部分完全消耗掉；系统运行时，永磁同步发电机9发出的交流电经整流模块10整流后，供给工作负载15，多余的电能储存在蓄电池组14中；永磁同步发电机9发出的电能较少无法满足工作负载15的需求时，蓄电池组14和永磁同步发电机9同时向工作负载15供电以满足工作负载15的需求；当工作负载15的电能需求较小，且蓄电池组14也处于将要充满电的状态时，直流电能充放控制模块12切入无级可调卸荷负载13，且实时地无级调节，将多余的电能消耗掉，维持发电系统能量的平衡。

Claims (3)

1.一种基于液压传动的波浪发电蓄能稳压恒频方法，其特征在于：
1)将浮力摆的机械能输入液压缸，将变量马达输出的机械能输入永磁同步发电机的主轴，在永磁同步发电机上分别安装发电机转速传感器和发电机电压传感器，在蓄电池组和工作负载上也装有各自的蓄电池组电压传感器和工作负载电压传感器，存储控制程序的PLC控制器分别与发电机转速传感器、发电机电压传感器、蓄电池组电压传感器、工作负载电压传感器、直流电能充放控制模块、永磁同步发电机和变量马达电气连接；
2)利用高压蓄能器吸收由瞬变波浪波速变化引起的压力和流量波动，当波速增大时，高压蓄能器把多余的能量储存起来，波速减小时，高压蓄能器把能量释放出来，使到达变量马达的液压能是稳定的，低压大容量蓄能器一方面充当油箱，起到补充油液的作用，使补油管路保持一定压力，另一方面也可以吸收液压系统中油液的波动，高压蓄能器和低压大容量蓄能器的共同作用实现液压传动过程中的蓄能功能；
3)用电压传感器分别测量永磁同步发电机发出的电压值Vg、蓄电池组的电压值Vb和工作负载的电压值V工，输入PLC控制器，PLC控制器根据永磁同步发电机发出的电压值Vg、蓄电池组的电压值Vb、工作负载的电压值V工和事先存储在PLC内部程序中的工作负载的最佳工作电压值V工opt计算出卸荷负载需消耗掉的卸荷电压V卸荷，然后根据卸荷电压V卸荷荷由PLC内部的控制算法计算出直流电能充放控制模块的卸荷负载控制信号S卸荷并输出，通过直流电能充放控制模块切入或切出相应的卸荷负载，实现卸荷负载的无级可调，进而实现工作负载稳压在最佳工作电压值V工opt工作；
4)发电机转速传感器测量出永磁同步发电机的转速ng，输入PLC控制器，永磁同步发电机的额定转速ngN事先存储在PLC内部程序中，PLC根据已输入的发电机转速ng和额定转速ngN计算出发电机的转速偏差信号ngdif，并根据该偏差信号ngdif由PLC控制器内部存储的数字PID控制算法计算出变量马达的排量控制信号qm并输出，通过变量马达的变量机构调节变量马达排量，从而使变量马达的转速恒定在永磁同步发电机的额定转速ngN，实现永磁同步发电机的恒频运转。
2.用于权利要求1所述方法的一种基于液压传动的波浪发电蓄能稳压恒频的装置，其特征在于：将浮力摆(1)分别和两个液压缸(2、3)的活塞杆相连，两个液压缸(2、3)的无杆腔与各自的控制集成阀(4、5)同侧的一端连接，两个液压缸(2、3)的有杆腔与各自的控制集成阀(4、5)同侧的另一端连接，两个控制集成阀(4、5)同侧的一端通过高压油管(18)接入高压蓄能器(6)和变量马达(8)的一端，在高压蓄能器(6)的入口安装第一截止阀(7)，变量马达(8)的主轴直接和永磁同步发电机(9)的主轴相连，永磁同步发电机(9)经由整流模块(10)和直流电能充放控制模块(12)相连，无级可调卸荷负载(13)、蓄电池组(14)和工作负载(15)的两端并联连接在直流电能充放模块(12)上；两个控制集成阀(4、5)同侧的另一端通过低压油管(19)接入低压大容量蓄能器(16)和变量马达(8)的另一端，在低压大容量蓄能器(16)的入口安装第二截止阀(17)；PLC控制器(11)分别与发电机转速传感器(23)、发电机电压传感器(20)、蓄电池组电压传感器(21)、工作负载电压传感器(22)、直流电能充放控制模块(12)、永磁同步发电机(9)和变量马达(8)电气连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于液压传动的波浪发电蓄能稳压恒频的装置，其特征在于：所述的控制集成阀(4、5)结构相同，均包括四个单向阀(24、25、26、27)和两个安全阀(28、29)，第一单向阀(24)的进油口与第二单向阀(25)的出油口串联后，第一安全阀(28)的出油口与第二安全阀(29)的出油口串联后，分别并联在液压缸无杆腔高压端和有杆腔的低压端之间，第一单向阀(24)的出油口和第一安全阀(28)的进油口接在无杆腔，第二单向阀(25)的进油口和第二安全阀(29)的进油口接在有杆腔，无杆腔经第三单向阀(26)接入高压油管，第二单向阀(25)进油口与第二安全阀(29)的进油口和第四单向阀(27)出油口连接，第一单向阀(24)与第二单向阀(25)的串接端经第一安全阀(28)与第二安全阀(29)的串接端与第四单向阀(27)的进油口接入低压油管。
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