CN101782042B - 一种液控稳频风力发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液控稳频风力发电装置，该系统包含风能采集单元，将风能转换成机械能；与风能采集单元连接的能量转换与远距离传输单元，将机械能转换成液压能，采用液压传动原理实现风能的远距离传递；与能量转换与远距离传输单元通过液压管路连接的液控稳频发电单元，将液压能转换成机械能，再将机械能转换为电能。其中，能量转换与远距离传输单元和液控稳频发电单元之间由液压管路设置成闭式液压回路。本发明采用液压泵的变初始相角设置，降低液压能输出的流量脉动；本发明采用控制进入液压马达的流量和液压马达排量的最优匹配，产生液压马达恒转速输出，并驱动普通发电机组发出恒频电能，提高电能品质。

Description

一种液控稳频风力发电装置

技术领域

本发明涉及一种用于将脉动机械能能量转换为稳频电能的装置，具体涉及一种液控稳频风力发电装置。 

背景技术

目前，作为十分重要绿色能源，风能的有效利用受到世界各国广泛重视。广泛应用中的风力发电装置一般采用一次换能技术将风能转化为机械能驱动发电机进行发电。由于自然界风速极不稳定，直接影响了风力发电机组输出电能频率的稳定性，品质较低的电能不能直接用于电器或者输送到电网。围绕提高风力发电品质这一需求，目前风力发电系统中常采用风力机的变浆距调节技术、增速机、交流励磁变速恒频双馈发电机技术和低频交流逆变技术，这些技术的应用一定程度上提高了发电品质，但也存在以下问题： 

1.增速机价格昂贵  由于风速较低，风力发电装置中叶片只能以较低的转速进行转动，而现有的普通发电机要求转速较高。为了解决这个矛盾，现有风力发电装置通常采用增速机来提高转速，但增速机价格昂贵； 

2.普通发电机发电频率不稳定  由于增速机是一个固定转速比的速度变化机构，因此，增速机将放大脉动变化的风速对发电机转速的影响，导致了发电机的转速不停地改变，影响发电品质； 

3.交流励磁变速恒频双馈发电机技术成本较高  为了克服风力不平稳对发电品质的影响，采用变速恒频双馈发电技术，大大增加现有风力发电装置的投资成本； 

4.风力发电装置整体重心高  现有风力发电装置中的发电机、增速机均置于数十米高塔架顶端的机舱内，系统整体重心非常高，设备安装、维护十分困难，且对塔架及其基础结构强度要求非常高，增加了风力发电系统的建造成本。 

发明内容

本发明提供一种液控稳频风力发电装置，能有效降低风力发电装置的技术和材料成本，降低风力发电装置的重心，减轻其整体重量，便于设备安装、维护。 

为实现上述目的，本发明提供一种液控稳频风力发电装置，该装置包含： 

风能采集单元，其将风能转换成机械能； 

与风能采集单元连接的能量转换与远距离传输单元，其将机械能转换成液压能，采用液压传动原理实现能量的远距离传递； 

与能量转换与远距离传输单元通过液压管路连接的液控稳频发电单元，其将液压能转换成机械能，再将机械能转换为电能； 

能量转换与远距离传输单元和液控稳频发电单元之间由液压管路设置成闭式液压回路； 

上述的液控稳频发电单元包含变量液压马达，与变量液压马达通过联轴器连接的发电机，与变量液压马达通过液压管路并联连接的控制阀组，以及分别与控制阀组和变量液压马达通过电路连接的恒速控制器； 

上述变量液压马达接收液压系统传递的液压能，通过恒速控制器协同控制闭式液压回路中的控制阀组和变量液压马达中的电控变量机构，控制变量液压马达中液压油流量和排量，获得进入变量液压马达的流量和液压马达排量的最优匹配，使变量液压马达恒速转动，驱动发电机运转，产生恒频率的电能。 

上述的风能采单元块包含叶轮，以及与叶轮连接的功率调配箱。 

上述的能量转换与远距离传输单元包含与功率调配箱连接的并联泵组，与并联泵组通过液压管路连接的集流器，以及远距离传输液压能的液压管路； 

上述的集流器通过液压管路连接上述的变量液压马达。 

上述的并联泵组包含若干并联设置的液压泵；该若干液压泵以变初始相角安装。 

上述的控制阀组包含电控压力控制阀和流量控制阀。 

上述的变量液压马达包含与恒速控制器连接的电控变量机构； 

上述装置还包含运控装置；该运控装置与功率调配箱电路连接；该运控装置还通过液压管路分别与并联泵组以及变量液压马达连接；运控装置通过检测叶轮输出的转矩转速来控制功率调配箱动作，控制接入系统的泵组的组合方式，并完成闭式液压回路的补油、调节液压系统的油温。 

上述的发电机为普通交流同步发电机或交流异步发电机。 

本发明还包含塔架、机舱和设置地面的机房；机舱设置在塔架上端；叶轮、功率调配箱、并联泵组、集流器和运控装置设置于机舱内；变量液压马达、控制阀组、恒速控制器和发电机设置于机房内；设置于机舱的设备与设置于机房的设备通过液压管路和电缆分类连接，分别构成闭式液压回路与电控回路。 

叶轮由风力驱动转动，输出脉动机械能至功率调配箱，功率调配箱将叶轮输出的机械能分配至并联泵组，运控装置检测叶轮输出的转矩和转速，控制功率调配箱及并联泵组内液压泵的组合方式。并联泵组将机械能转化为液压能，输出至集流器，集流器汇集液压能，并输出稳定的液压能远程传输至控制阀组和变量液压马达，变量液压马达将液压能转换为稳定的机械能并传输给发电机，发电机将稳定的机械能转变为恒频电力输出给电网。其中，恒速控制器检测变量液压马达的转速和扭矩，并控制控制阀组，精确调节液压油的压力和流量，以保证变量液压马达输出稳定恒速的机械能。 

本发明一种液控稳频风力发电装置和现有的风力发电装置相比，其优点在于，本发明采用普通发电机组实现稳频电能输出，大大降低风力发电机的成本； 

本发明主要采取复合式容积调速控制的闭式液压回路实现流能量的远距离传递，同时采用并联泵组实现机械能向液压能的转换，各泵变初始相角设置，有效降低液压能输出的流量脉动； 

本发明采用并联泵组替代了单台大功率泵，降低了制造难度、降低成本，有效提高泵组安装和维护的便捷性，降低液压泵应用成本； 

本发明通过恒速控制器协同控制回路中的控制阀组和变量液压马达变量机构，获得进入液压马达的流量和液压马达排量的最优匹配，生成变量液压马达恒转速输出，并驱动普通发电机组发出恒频电能，提高电能品质； 

本发明的叶轮、功率调配箱、并联泵组、集流器和运控装置置于塔架上端的机舱内；变量马达、控制阀组、恒速控制器和发电机组置于地面，该布局方式减小机舱设备重量，有效降低设备安装、运行维护和维修成本，同时 降低对塔架、基础设施的结构强度要求； 

本发明可直接应用于对传统风力发电系统或装置的技术改造与升级换代。 

附图说明

图1为本发明一种液控稳频风力发电装置的总体结构框图； 

图2为本发明一种液控稳频风力发电装置的总体结构示意图。 

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明的实施例。 

如图1所示，本发明提供的一种液控稳频风力发电装置包含风能采集单元1，该风能采集单元1用以将风能转成机械能。 

与该风能采集单元1连接的能量转换与远距离传输单元2用以将机械能转成液压能，采用液压传动原理实现风能的远距离传递。 

与该能量转换与远距离传输单元2通过液压管路连接的液控稳频发电单元3用以将液压能转换成稳定恒速的机械能，再将机械能转换为恒频电能。 

其中，能量转换与远距离传输单元2和液控稳频发电单元3之间由液压管路设置成闭式液压回路。能量转换与远距离传输单元2和液控稳频发电单元3之间通过该闭式液压回路实现远距离的能量传输。 

如图2所示，风能采集单元1包含叶轮11，以及与该叶轮11连接的功率调配箱12，叶轮11和功率调配箱12之间通过联轴器连接。 

能量转换与远距离传输单元2包含并联泵组21，以及与该并联泵组21通过液压管路连接的集流器22。 

叶轮11接收风力流场动能，并将其转换为机械能，输出转矩与转速至功率调配箱12。功率调配箱12将叶轮11输出的机械能分配至并联泵组21，同时具有过载保护和泵组切换功能。 

并联泵组21包含多个并联设置的液压泵，泵组中各液压泵以变初始相角安装。各个液压泵在接收由功率调配箱12传输来的机械能后，将其转换为液压能并分别通过液压管路传输至集流器22。集流器22汇集由并联泵组21中的多个液压泵传输来的液压能源，消除并联泵组21内单个液压泵输出流量脉 动，形成稳定的液压能源经由闭式液压回路传输至液控稳频发电单元3。 

本发明还包含运控装置4，该运控装置4与功率调配箱12通过电路连接；该运控装置4还分别通过液压管路与并联泵组21和液控稳频发电单元3连接。 

运控装置4通过功率调配箱12接收并检查叶轮11输出的转矩转速，并控制功率调配箱12动作，功率调配箱12接收来自运控装置4发出的指令执行控制，从而决定接入系统的并联泵组21内液压泵的数量及其配置位置。同时，运控装置4也完成闭式液压回路的补油、调节闭式液压回路中的油温。 

液控稳频发电单元3包含变量液压马达32，与变量液压马达32通过联轴器连接的发电机34，控制阀组31，以及与控制阀组31电路连接的恒速控制器33。 

变量液压马达32还与控制阀组31通过液压管路并联连接；同时，变量液压马达32还与恒速控制器33电路连接。此连接环路使控制阀组31、变量液压马达32和恒速控制器33组成反馈控制系统。 

变量液压马达32包含电控变量机构，该变量液压马达32接收远距离传输来的液压能源，由一定流量和压力的液压油驱动变量液压马达32转动，实现液压能向机械能的转换，并输出转速和扭矩至发电机34。 

发电机34采用普通交流同步发电机或交流异步发电机，该发电机34接收变量液压马达32输出的机械能，实现机械能向电能转换，产生电能并传输至电网系统。 

恒速控制器33通过检测电路接收变量液压马达32输出的转速、扭矩，协同控制液压回路中的控制阀组31和变量液压马达32中的电控式变量机构，来控制液压马达32工作回路中液压油的流量和液压马达32排量，使得进入变量液压马达32液压油的流量和排量达到最优匹配，从而使变量液压马达32输出转动恒速，驱动发电机34生成恒频电能。 

控制阀组31包含压力控制阀和流量控制阀，其接受恒速控制器33的控制指令，精确调节系统液压闭式回路中的液压油的压力和流量，并可实现过载保护等功能。 

本发明液控稳频风力发电装置还包含用以风力发电的塔架，该塔架上端设有机舱，叶轮11、功率调配箱12、并联泵组21、集流器22和运控装置4 设置在该机舱内；变量液压马达32、控制阀组31、恒速控制器33和发电机34设置在地面的机房中，设置在机舱内的设备与设在地面机房内的设备通过由液压管路组成的闭式液压回路和电缆分类连接。 

本发明液控稳频风力发电装置的运作流程如下： 

叶轮11接收风能，将风能转换为机械能，并通过联轴器传递至功率调配箱12，功率调配箱12将叶轮11输出的机械功分配至并联泵组21，同时运控装置23通过功率调配箱12检测叶轮11输出的转矩和转速，控制功率调配箱12及并联泵组21内液压泵的组合方式。并联泵组21将机械能转化为液压能，并输出至集流器22，集流器22汇集液压能，消除并联泵组21内单个液压泵的流量脉动，形成稳定的液压能通过液压管路远距离传输至液控稳频发电单元3的变量液压马达32和控制阀组31，变量液压马达32将接收的液压能转换为机械能，并将该机械能通过联轴器传输给发电机34，由普通发电机34将机械能转变为电能输出至电网。系统中，恒速控制器33检测变量液压马达32的转速和扭矩，以调节控制阀组31，精确控制液压闭式回路中的液压油的流量，同时控制变量液压马达32中的变量机构，协同控制变量液压马达32输出转速恒定，使发电机34产生恒频电能。 

同时本发明也可用于水力发电，水力发电的装置和运作流程，与本发明液控稳频风力发电装置及其运作流程相类似。 

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。 

Claims (8)

1.一种液控稳频风力发电装置，其特征在于，该装置包含：

风能采集单元(1)，其将风能转换成机械能；

与所述的风能采集单元(1)连接的能量变换与远距离传输单元(2)，其将机械能转换成液压能，采用液压传动原理实现风能的远距离传递；

与所述的能量变换与远距离传输单元(2)通过液压管路连接的液控稳频发电单元(3)，其将液压能转换成机械能，再将机械能转换为电能；

所述的能量变换与远距离传输单元(2)和液控稳频发电单元(3)之间的液压管路设置成闭式液压回路；

所述的液控稳频发电单元(3)包含：

变量液压马达(32)；

与变量液压马达(32)通过联轴器连接的发电机(34)；

与变量液压马达(32)通过液压管路并联连接的控制阀组(31)；

以及分别与控制阀组(31)和变量液压马达(32)通过电路连接的恒速控制器(33)；

所述的变量液压马达(32)包含与恒速控制器(33)连接的电控变量机构；

所述变量液压马达(32)接收液压系统传递的液压能，通过恒速控制器(33)协同控制闭式液压回路中的控制阀组(31)和变量液压马达(32)中的电控变量机构，控制变量液压马达(32)中液压油流量和排量，获得进入变量液压马达(32)的流量和液压马达排量的最优匹配，使变量液压马达(32)恒速转动，驱动发电机(34)运转，产生恒频率的电能。

2.如权利要求1所述的液控稳频风力发电装置，其特征在于，所述的风能采集单元(1)包含叶轮(11)，以及与所述的叶轮(11)连接的功率调配箱(12)。

3.如权利要求2所述的液控稳频风力发电装置，其特征在于，所述的能量变换与远距离传输单元(2)包含与所述功率调配箱(12)连接的并联泵组(21)，与所述的并联泵组(21)通过液压管路连接的集流器(22)，以及远距离传输液压能的液压管路；

所述的集流器(22)通过液压管路连接所述的变量液压马达(32)。

4.如权利要求3所述的液控稳频风力发电装置，其特征在于，所述的并联泵组(21)包含多个并联设置的液压泵；所述的多个液压泵以变初始相角安装。

5.如权利要求1所述的液控稳频风力发电装置，其特征在于，所述的控制阀组(31)包含压力控制阀和流量控制阀。

6.如权利要求3所述的液控稳频风力发电装置，其特征在于，该装置还包含运控装置(4)；

所述的运控装置(4)与功率调配箱(12)电路连接；该运控装置(4)还通过液压管路分别与并联泵组(21)以及变量液压马达(32)连接；

该运控装置(4)通过检测叶轮输出的转矩转速来控制功率调配箱(12)动作，控制并入系统的泵组的组合方式，完成闭式液压回路的补油、调节液压系统的油温。

7.如权利要求1所述的液控稳频风力发电装置，其特征在于，所述的发电机(34)为交流同步发电机或交流异步发电机。

8.如权利要求6所述的液控稳频风力发电装置，其特征在于，该装置还包含塔架、机舱和设置地面的机房，机舱位于塔架上方；

所述的叶轮(11)、功率调配箱(12)、并联泵组(21)、集流器(22)和运控装置(4)设置于所述的机舱内；

所述的变量液压马达(32)、控制阀组(31)、恒速控制器(33)和发电机(34)设置于所述机房内；

设置于机舱的设备与设置于机房的设备通过液压管路和电缆分类连接，分别构成闭式液压回路与电控回路。

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