CN103075294B - 离网型海流能发电装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种离网型海流能发电装置及其控制方法，离网型海流能发电装置，包括叶轮，所述叶轮的转轴连接第一变量液压泵的主轴，第一变量液压泵的入口连接油箱，第一变量液压泵的出口连接并联的第二变量液压泵和定量液压马达，定量液压马达的输出轴连接第二变量液压泵的主轴，第二变量液压泵和定量液压马达构成液压变压器，第二变量液压泵的出口接油箱，定量液压马达的出口连接变量液压马达，变量液压马达的出口连接油箱，变量液压马达的输出轴连接发电机的主轴，发电机的输出端连接负载。本发明采用液压传动方式，以实现叶轮最大功率跟踪控制以及发电机的恒频输出控制。

Description

离网型海流能发电装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种海流能发电装置及其控制方法。 

背景技术

作为新能源的一种，海流能全球储量巨大，能量密度高，可预测性强，备受关注。目前的海流能发电装置可分为并网型和离网型。并网型海流能发电装置主要将收集到的海流能输入到电网，不需要考虑负载特性，但由于海流发电的不稳定性，并网型海流能发电装置会对电网造成冲击，目前并网仍有一定难度。离网型海流能发电装置可将收集到的海流能就近供给附近的岛屿或偏远地区，输送成本低，实用性较强。 

离网型海流能发电装置的传动方式分为机械传动和液压传动。由于海流的不稳定性，机械传动会产生较大的冲击载荷及振动，对发电机及负载会产生较大冲击。而液压传动则可以减缓冲击载荷及振动，可以实现无极调速，有着很好的动态运行性能，有较高研究价值。 

海流能发电装置主要解决两个问题，一个是最大功率跟踪控制问题，一个是发电机恒频输出问题。此处的离网型海流发电技术中“恒频”的含义与并网型风力机技术中的“恒频”的含义不同，并网型风力机技术中的“恒频”的含义是机组输出的电能频率与电网频率保持同步，而离网型海流发电技术中的“恒频”的含义是为提高永磁同步发电机输出效率，使永磁同步发电机在机组运行时工作在额定转速。并网型海流发电技术中的“恒频”的含义依然与并网型风力机发电技术中的“恒频”的含义相同。公开号为CN101350589的发明专利，提出了一种基于液压 传动的海流发电变速恒频方法及其装置，该专利的缺点在于，其发电机接电网，发电机频率由电网频率决定，不能被液压系统控制。如果该装置的发电机不接电网，离网使用，则其传动系统为基本的泵-马达系统。若同时实现最大功率跟踪控制以及发电机恒频输出控制，其控制量只有两个：变量液压泵和变量液压马达的排量，而控制对象实际上有三个：叶轮转速、发电机转速和系统压力。当液压传动系统有负载时，系统就会建立起一定的压力，通过调节变量液压泵的排量，就可以调节变量液压泵的反力矩，从而间接的调节叶轮转速，实现叶轮转速的主动控制。此时，假定系统负载不变，变量液压泵的输出流量为不可控变量，完全由海水流速决定，如果这个时候试图通过调节变量液压马达的排量来控制发电机转速（转速等于流量除以排量），排量的改变引起系统压力的变化，系统压力也成为不可控变量，导致变量液压马达输出力矩（排量乘以压力）的不可控，变量液压马达输出功率与负载所需功率不匹配，从而无法实现发电机转速的控制。也就是说该装置及其控制方法在离网情况下不能同时实现最大功率跟踪控制以及发电机的恒频输出控制。 

公开号为CN102628426A的发明专利申请，提出了一种基于液压传动的风力机及其控制方法。该风力机只能在未接入电网时在空载的情况下实现发电机的恒频运转，接电网之后，发电机的频率也是由电网决定，不能由液压系统进行控制。如果该风力机离网运行，由于其只有一个定量泵，一个变量液压马达，也就是只有一个控制变量，也不能同时实现最大功率跟踪控制以及发电机的恒频输出控制。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种离网型海流能发电装置及其控制方法， 采用液压传动方式，以实现叶轮最大功率跟踪控制，同时实现发电机的恒频输出控制。 

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案： 

离网型海流能发电装置，包括由海流推动旋转的叶轮，所述叶轮的转轴连接第一变量液压泵的主轴，第一变量液压泵的入口连接油箱，第一变量液压泵的出口连接并联的第二变量液压泵和定量液压马达，定量液压马达的输出轴连接第二变量液压泵的主轴，第二变量液压泵和定量液压马达构成液压变压器，第二变量液压泵的出口接油箱，定量液压马达的出口连接变量液压马达，变量液压马达的出口连接油箱，变量液压马达的输出轴连接发电机的主轴，发电机的输出端连接负载；所述叶轮处装有测量海水流速的流速传感器，叶轮与第一变量液压泵之间的连接轴上装有第一转速传感器，定量液压马达和变量液压马达之间的液压管路上装有压力传感器，发电机的主轴上装有第二转速传感器，所述流速传感器、第一转速传感器、压力传感器、第二转速传感器均与控制器相连，第一变量液压泵的排量执行机构、第二变量液压泵的排量执行机构、变量液压马达的排量执行机构均与控制器相连。 

进一步，所述第一变量液压泵与液压变压器的连接管路上设置有蓄能器，蓄能器的入口设置有截止阀。蓄能器的作用是吸收液压系统的波动，使液压系统保持平稳。当叶轮捕获过多的海流能时，多余的能量会以压力能的方式储存在蓄能器中；当叶轮捕获的海流能不足以供给发电机时，蓄能器释放能量供给发电机发电。 

进一步，所述第一变量液压泵与液压变压器的连接管路上设置有单向阀。单向阀的作用是防止液压油逆流。 

进一步，所述第一变量液压泵与液压变压器的连接管路上设置有溢流阀。通过溢流阀可以设定系统压力，当系统压力过高时，可以通过溢流阀释放部分液压油，使系统压力值维持在溢流阀的设定溢流压力值，避免系统压力过高对系统造成损坏。 

上述离网型海流能发电装置的控制方法： 

1）每个海流流速都对应一个可使叶轮捕获到最大功率的最佳叶轮转速ω_opt，流速传感器将采集到的海水流速v传递给控制器，控制器根据最优尖速比λ_opt计算得到当前流速下的最佳叶轮转速ω_opt，并与当前第一转速传感器采集到的叶轮转速ω对比，计算得到第一变量液压泵的排量D_p，将此第一变量液压泵的排量D_p传递给第一变量液压泵的排量执行机构，第一变量液压泵的排量执行机构控制第一变量液压泵的排量改变，使叶轮达到最佳叶轮转速ω_opt，从而通过调节第一变量液压泵的排量使叶轮运转在最佳叶轮转速ω_opt，实现最大功率跟踪控制； 

2）控制器通过将目标压力p_re与压力传感器实测到的变量液压马达的进口压力p_m相比较得出压力偏差p_e，并计算输出变量液压马达的排量D_m，将包含有此变量液压马达的排量D_m信息的控制信号传递给变量液压马达的排量执行机构，变量液压马达的排量执行机构调节变量液压马达的进口压力p_m，使其稳定在目标压力p_re；控制器将发电机目标转速ω_re与第二转速传感器实测到的转速ω_m相比较得出发电机的转速偏差ω_e2，并计算输出第二变量液压泵的排量D_cp，将包含此第二变量液压泵的排量D_cp信息的控制信号传递给第二变量液压泵的排量执行机构，第二变量液压泵的排量执行机构通过改变排量调节定量液压马达的转速ω_c，从而间接调节发电机转速ω_m跟踪目标转速ω_re，实现发电机的恒频输出 控制。 

采用本发明具有如下的有益效果： 

1、通过液压系统带动发电机的主轴旋转，发电机无需与电网连接，因此本发明可以离网运行在海岛或偏远地区，解决当地的用电问题，省去大电网往这些地区铺设线路输电的成本。 

2、可以同时实现叶轮的最大功率跟踪控制以及发电机恒频输出控制。 

3、可以使连接发电机的液压马达的输入压力稳定在一定值，减小液压波动，利于装置平稳运行。 

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。 

图1为本发明实施例离网型海流发电装置的原理图。 

图2为本发明实施例在不同流速下叶轮输出功率-转速关系曲线。 

图3为本发明实施例离网型海流发电装置的变速恒频控制方法原理图。 

附图标号：1-叶轮；2-第一变量液压泵；3-单向阀；4-蓄能器；5-截止阀；6-溢流阀；7-第二变量液压泵；8-定量液压马达；9-变量液压马达；10-发电机；11-负载；12-控制器；13-油箱；21-流速传感器；22-第一转速传感器；23-压力传感器；24-第二转速传感器。 

具体实施方式

以下结合附图对发明作进一步说明。 

1、离网型海流发电装置 

如图1所示，离网型海流能发电装置，包括由海流推动旋转的叶轮1，所述叶轮1的转轴连接第一变量液压泵2的主轴，第一变量液压泵2的入口连接油箱 13，第一变量液压泵2的出口连接并联的第二变量液压泵7和定量液压马达8，定量液压马达8的输出轴连接第二变量液压泵7的主轴，第二变量液压泵7和定量液压马达8构成液压变压器，第二变量液压泵7的出口接油箱13，定量液压马达8的出口连接变量液压马达9，变量液压马达9的出口连接油箱13，变量液压马达9的输出轴连接发电机10的主轴，发电机10的输出端连接负载11；所述叶轮1处装有测量海水流速的流速传感器21，叶轮1与第一变量液压泵2之间的连接轴上装有第一转速传感器22，定量液压马达8和变量液压马达9之间的液压管路上装有压力传感器23，发电机10的主轴上装有第二转速传感器24，所述流速传感器21、第一转速传感器22、压力传感器23、第二转速传感器24均与控制器12相连，第一变量液压泵2的排量执行机构、第二变量液压泵7的排量执行机构、变量液压马达9的排量执行机构均与控制器12相连。 

所述第一变量液压泵2与液压变压器的连接管路上设置有蓄能器4，蓄能器4的入口设置有截止阀5。蓄能器的作用是吸收液压系统的波动，使液压系统保持平稳。当叶轮捕获过多的海流能时，多余的能量会以压力能的方式储存在蓄能器中；当叶轮捕获的海流能不足以供给发电机时，蓄能器释放能量供给发电机发电。 

所述第一变量液压泵2与液压变压器的连接管路上设置有单向阀3。单向阀的作用是防止液压油逆流。 

所述第一变量液压泵2与液压变压器的连接管路上设置有溢流阀6。通过溢流阀可以设定系统压力，当系统压力过高时，可以通过溢流阀释放部分液压油，使系统压力值维持在溢流阀的设定溢流压力值，避免系统压力过高对系统造成损坏。 

离网型海流能发电装置的工作原理：海流带动叶轮1转动，叶轮1带动第一变量液压泵2的主轴转动，定量液压马达8在液压油的作用下转动，带动第二变量液压泵7的主轴转动，定量液压马达8连接变量液压马达9，变量液压马达9的输出轴连接发电机10，所述液压变压器可以实现发电机10的转速控制。流速传感器21、第一转速传感器22、压力传感器23、第二转速传感器24将采集到的信号传递给控制器12，控制器12通过计算将输出信号分别传递给第一变量液压泵2、第二变量液压泵7、变量液压马达9的排量执行机构，通过改变其排量，同时达到最大功率根据控制和发电机恒频输出控制。 

定量液压马达8的输出轴与第二变量液压马达7的主轴连接在一起形成一个液压变压器，通过调节第二变量液压马达7的排量调节第二变量液压马达7与定量液压马达8之间的连接轴的转速，配合变量液压马达9的可以调节发电机转速。变量液压马达9还用于调节定量液压马达8和变量液压马达9之间液压管路的压力，使变量液压马达9的输入压力稳定，减小波动。 

由于发电机的主轴是由液压系统带动旋转，发电机无需与电网连接，因此本发明可以离网运行在海岛或偏远地区，解决当地的用电问题，省去大电网往这些地区铺设线路输电的成本。 

2、离网型海流发电装置的控制方法 

1）叶轮的最大功率跟踪控制 

根据Betz理论，水平轴式海流能发电装置从海水中捕获的功率为： 

$P=\frac{1}{2}\mathrm{\ρS}{v}^3{C}_P---\left(1\right)$

其中，ρ为海水密度,S为叶轮的扫截面积,v为海水流速，C_P为叶轮的功率系数，P也是叶轮的输出功率。 

如图2所示，不同海水流速（如v₁-v₄）下的叶轮1输出功率P与叶轮转速ω的关系曲线，对应每个流速都有一个最大功率点（如A₁-A₄），连接这些曲线的最大功率点即可得到叶轮1的最大功率曲线L。 

在最大功率曲线的每个点上，叶轮1输出功率的变化相对于叶轮转速ω的变化为零，此时，海流能发电装置输出最大功率，即： 

$\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{d\ω}}=0---\left(2\right)$

由图2可知，通过调节叶轮转速ω，可以调节叶轮1捕获最大功率。为了实现这一目标，本发明通过调节第一变量液压泵2的排量D_p来改变液压传动系统负载特性，进而调节叶轮转速ω跟踪最佳转速ω_opt，从而使得叶轮1输出功率跟踪最大功率。 

$\left\{\begin{array}{c}T-T_f-B_p\mathrm{\ω}-T_p=J_t\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}\\ T_p=D_p{p}_p\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，T为叶轮转矩，T_f为库伦摩擦转矩，B_p为粘性摩擦系数，ω为叶轮转速，T_p为第一变量液压泵的反作用转矩，J_t为折算到叶轮主轴上的等效转动惯量，t为时间，D_p为第一变量液压泵的排量，p_p为第一变量液压泵2的出口压力。 

式（3）为叶轮1的转矩平衡方程，从式（3）中可以看出，通过调节第一变量液压泵2的排量D_p，可以改变第一变量液压泵2作用在叶轮1主轴上的反作用转矩T_p，从而可以调节叶轮转速ω，使其运行在最佳叶轮转速ω_opt，达到叶轮1的最大功率跟踪控制。 

2）发电机恒频输出控制 

本实施例将定量液压马达8的输出轴连接第二变量液压泵7的主轴，第二变量液压泵7和定量液压马达8形成液压变压器，以实现发电机10的转速控制， 第二变量液压泵7和定量液压马达8的连接轴上的转矩方程为： 

$D_{\mathrm{cm}}(p_a-p_m)-D_{\mathrm{cp}}{p}_a=J_c\frac{{\mathrm{d\ω}}_c}{\mathrm{dt}}---\left(4\right)$

其中，D_cm为定量液压马达的排量，p_a为定量液压马达的进口压力，p_m为变量液压马达的进口压力，D_cp为第二变量液压泵的排量，J_c为折算到第二变量液压泵与定量液压马达连接轴上的等效转动惯量，ω_c为定量液压马达的转速，t为时间。 

另外，定量液压马达8与变量液压马达9的流量平衡方程为： 

D_mω_m＝D_cmω_c（5） 

其中，D_m为变量液压马达的排量，ω_m为发电机转速，D_cm为定量液压马达的排量，ω_c为定量液压马达的转速。 

由式（5）可知，由于定量液压马达的排量D_cm为固定值，对于任一变量液压马达的排量D_m，均可通过调节定量液压马达的转速ω_c的大小来维持发电机转速ω_m的稳定。由式（4）可知，定量液压马达的转速ω_c的调节可以通过调节第二变量液压泵的排量D_cp来实现，从而最终实现发电机10的恒频输出控制。 

发电机输入端简化的转矩平衡方程为： 

$D_m{p}_m-T_L=J_m\frac{d{\mathrm{\ω}}_m}{\mathrm{dt}}---\left(6\right)$

其中，D_m为变量液压马达的排量，p_m为变量液压马达的进口压力，T_L为任意外负载转矩，J_m为折算到变量液压马达转轴上的等效转动惯量，ω_m为发电机转速，t为时间。 

当发电机实现恒频输出时，式（6）可进一步简化为： 

$p_m=\frac{T_L}{D_m}---\left(7\right)$

对于任意外负载，均可通过调节变量液压马达的排量D_m值的大小，实现变量液压马达9进口处的压力稳定，有助于发电机的稳定输出。 

综合1）、2）两点，本实施例离网型海流能发电装置采用的变速恒频控制策略可以用图3所示的原理图表示。 

已知叶轮1的能量捕获特性，利用流速传感器21测得的海水流速v和最优尖速比λ_opt计算出理论上的最佳叶轮转速ω_opt作为目标转速给定值，其中，λ为尖速比，R为叶轮1的半径，将理论上的最佳叶轮转速ω_opt与第一转速传感器22实测到的叶轮转速ω相比较得出叶轮的转速偏差ω_e1，将包含叶轮的转速偏差ω_e1信息的信号输入控制器12，控制器12根据叶轮的转速偏差ω_e1计算输出第一变量液压泵2的排量D_p，将包含此第一变量液压泵的排量D_p信息的控制信号传递给第一变量液压泵2的排量执行机构以控制第一变量液压泵2的转速，从而间接控制叶轮转速ω跟踪最佳叶轮转速ω_opt，使得叶轮1捕获最大功率。 

控制器12通过将目标压力p_re与压力传感器23实测到的变量液压马达9的进口压力p_m相比较得出压力偏差p_e，并计算变量液压马达9的排量D_m，将包含此变量液压马达9的排量D_m信息的控制信号传递给变量液压马达9的排量执行机构，调节变量液压马达9的进口压力p_m，使其稳定在目标压力p_re。控制器12将发电机10目标转速ω_re与第二转速传感器24实测到的转速ω_m相比较得出发电机的转速偏差ω_e2，并计算输出第二变量液压泵7的排量D_cp，将包含此第二变量液压泵7的排量D_cp信息的控制信号传递给第二变量液压泵7的排量执行机构，第二变量液压泵7的排量执行机构通过改变排量调节定量液压马达8的转速ω_c，从而间接调节发电机10的转速ω_m跟踪目标转速ω_re，实现发电机的恒频输 出控制。 

下表为本实施例中各变量的含义： 

上述实施例仅仅是本发明技术构思实现形式的列举，本发明的保护范围不仅限于上述实施例，本发明的保护范围可延伸至本领域技术人员根据本发明的技术构思所能想到的等同技术手段。 

Claims (5)

1.离网型海流能发电装置，其特征在于：包括由海流推动旋转的叶轮（1），所述叶轮（1）的转轴连接第一变量液压泵（2）的主轴，第一变量液压泵（2）的入口连接油箱（13），第一变量液压泵（2）的出口连接并联的第二变量液压泵（7）和定量液压马达（8），定量液压马达（8）的输出轴连接第二变量液压泵（7）的主轴，第二变量液压泵（7）和定量液压马达（8）构成液压变压器，第二变量液压泵（7）的出口接油箱（13），定量液压马达（8）的出口连接变量液压马达（9），变量液压马达（9）的出口连接油箱（13），变量液压马达（9）的输出轴连接发电机（10）的主轴，发电机（10）的输出端连接负载（11）；所述叶轮（1）处装有测量海水流速的流速传感器（21），叶轮（1）与第一变量液压泵（2）之间的连接轴上装有第一转速传感器（22），定量液压马达（8）和变量液压马达（9）之间的液压管路上装有压力传感器（23），发电机（10）的主轴上装有第二转速传感器（24），所述流速传感器（21）、第一转速传感器（22）、压力传感器（23）、第二转速传感器（24）均与控制器（12）相连，第一变量液压泵（2）的排量执行机构、第二变量液压泵（7）的排量执行机构、变量液压马达（9）的排量执行机构均与控制器（12）相连。

2.如权利要求1所述的离网型海流能发电装置，其特征在于：所述第一变量液压泵（2）与液压变压器的连接管路上设置有蓄能器（4），蓄能器（4）的入口设置有截止阀（5）。

3.如权利要求1或2所述的离网型海流能发电装置，其特征在于：所述第一变量液压泵（2）与液压变压器的连接管路上设置有单向阀（3）。

4.如权利要求3所述的离网型海流能发电装置，其特征在于：所述第一变量液压泵（2）与液压变压器的连接管路上设置有溢流阀（6）。

5.如权利要求1所述离网型海流能发电装置的控制方法，其特征在于：

1）每个海流流速都对应一个可使叶轮捕获到最大功率的最佳叶轮转速ω_opt，流速传感器（21）将采集到的包含海水流速v信息的信号传递给控制器（12），控制器（12）根据最优尖速比λ_opt计算得到当前流速下的最佳叶轮转速ω_opt，并与当前第一转速传感器（22）采集到的叶轮转速ω对比，计算得到第一变量液压泵（2）的排量D_p，将包含此第一变量液压泵（2）的排量D_p信息的控制信号传递给第一变量液压泵（2）的排量执行机构，第一变量液压泵（2）的排量执行机构控制第一变量液压泵（2）的排量改变，使叶轮（1）达到最佳叶轮转速ω_opt，从而通过调节第一变量液压泵（2）的排量使叶轮（1）运转在最佳叶轮转速ω_opt，实现最大功率跟踪控制；

2）控制器（12）通过将目标压力p_re与压力传感器（23）实测到的变量液压马达（9）的进口压力p_m相比较得出压力偏差p_e，并计算输出变量液压马达（9）的排量D_m，将包含此变量液压马达（9）的排量D_m信息的控制信号传递给变量液压马达（9）的排量执行机构，变量液压马达（9）的排量执行机构调节变量液压马达（9）的进口压力p_m，使其稳定在目标压力p_re；控制器（12）将发电机（10）目标转速ω_re与第二转速传感器（24）实测到的转速ω_m相比较得出发电机的转速偏差ω_e2，并计算输出第二变量液压泵（7）的排量D_cp，将包含此第二变量液压泵（7）的排量D_cp信息的控制信号传递给第二变量液压泵（7）的排量执行机构，第二变量液压泵（7）的排量执行机构通过改变排量调节定量液压马达（8）的转速ω_c，从而间接调节发电机（10）转速ω_m跟踪目标转速ω_re，实现发电机的恒频输出控制。