CN103206334A - 一种低速直驱液压型海流发电装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于海流能发电领域，具体涉及一种低速直驱液压型海流发电装置及，包括叶轮、与叶轮主轴相连的定量液压泵、与定量液压泵并联且与定量液压泵出口相连的变量液压泵和变量液压马达、发电机；定量液压泵的入口、变量液压泵的出口和变量液压马达的出口均连接油箱；变量液压泵和变量液压马达的主轴刚性连接；变量液压马达主轴另一端与发电机主轴相连；控制方法，步骤包括：1、通过叶轮将海流能转换为机械能；2、通过定量液压泵将机械能转换为液压能，并且通过调整变量液压泵排量大小调整液压系统压力，进而调整叶轮捕获功率大小；3、通过变量液压马达将液压能转换为机械能；4、将得到的机械能通过发电机将机械能转换为电能。

Description

一种低速直驱液压型海流发电装置及其控制方法

技术领域

本发明属于海流能发电领域，具体涉及一种低速直驱液压型海流发电装置及其控制方法。

背景技术

海流能能量密度高、清洁、可预测性强，海流能发电不占用宝贵的土地资源。因此，海流能的开发利用具有深远的意义。但是，海流发电机组难以像传统能源机械(水轮机、气轮机等)一样设计“额定工作点”，因为水流的速度是在变化的，叶轮的转速只有与不断变化的流体速度保持一个“最佳比值”，才能捕获最大的能量。另一方面，从发电机的工作效率和输出频率稳定方面考虑，希望发电机转速稳定在额定转速附近。最大功率捕获和发电机稳定输出是海流能发电装置的两个重要控制目标。

目前常见的海流能发电机组中，多采用刚性齿轮箱传动+发电机的结构形式。为了实现最大捕获能量，通常采用电力电子变流装置控制发电机及叶轮的转速，使得叶尖速度与瞬时海流流速保持最佳比值，这种方法不仅结构复杂、海上环境工作可靠性差，而且成本高。这种方案的另一个缺点是，齿轮箱传动故障率高。

另外叶轮加永磁同步发电机的直驱式传动方式在海流能发电技术中也有应用。但直驱式传动技术存在如下缺点：1、机组最大能量捕获同样需要复杂的电力电子装置；2、机组运行时，发电机要么变速运行使叶轮捕获最大功率，要么恒速运行保证发电机输出稳定，所以最大功率跟踪和发电机稳定输出这两个控制目标只能取其一；3、直驱电机存在体积过大、安装维修困难制作成本高等问题。

发明内容

本发明根据现有技术的不足提供一种低速直驱液压型海流发电装置及其控制方法，通过中间液压能的转换，避免了叶轮经过齿轮箱再连接发电机或者叶轮连接直驱电机两种连接方式存在的装置复杂，不能同时达到最大功率跟踪和发电机稳定输出，并且容易产生故障的问题。

为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：

一种低速直驱液压型海流发电装置，包括叶轮、与叶轮主轴相连的定量液压泵、与定量液压泵串联且与定量液压泵出口相连的变量液压泵和变量液压马达、发电机；所述定量液压泵的入口、变量液压泵的出口和变量液压马达的出口均连接油箱；所述变量液压泵和变量液压马达的主轴刚性连接；所述变量液压马达主轴另一端与发电机主轴相连，所述发电机上连接有负载。

作为优选，还包括控制器；

第一转速传感器安装在叶轮主轴上，用于检测叶轮主轴转速并将第一转速信息发送到控制器；

第二转速传感器安装在发电机主轴上，用于检测发电机主轴转速并将第二转速信息发送到控制器；

流速传感器安装在靠近叶轮处，用于检测使叶轮转动的海流流速并将信息发送到控制器；

作为优选，变量液压泵上设有第一控制机构；所述变量液压马达上设有第二控制机构。

其中变量液压泵上设置有第一控制机构，用于通过控制器发送的第一控制信号控制变量液压泵的排量；

其中变量液压马达上设置有第二控制机构，用于通过控制器发送的第二控制信号控制变量液压马达的排量。

作为优选，所述定量液压泵的出口与并联的变量液压泵和变量液压马达之间设有单向阀，防止液压油逆流。

作为优选，所述定量液压泵的出口与并联的变量液压泵和变量液压马达之间的管路上安装有溢流阀，且溢流阀连接油箱，其中设置有溢流阀用于防止因系统压力过高，而对整个系统造成损坏。

一种低速直驱液压型海流发电装置的控制方法，步骤包括：

S1、通过叶轮将海流能转换为机械能；

S2、通过定量液压泵将机械能转换为液压能，并且通过调整变量液压泵排量大小调整液压系统压力，进而调整叶轮捕获功率大小；

S3、通过变量液压马达将液压能转换为机械能；

S4、将得到的机械能通过发电机将机械能转换为电能。

作为优选，所述步骤S3包括：

S3a、通过第一转速传感器检测到叶轮主轴的转速，并将第一转速信息发送到控制器计算得到目标功率，并同时检测得到发电机输出作为实测功率；

S3b、通过目标功率与实测功率相比较得出功率偏差信号，控制器再根据功率偏差信号计算输出排量的第二控制信号；

S3c、将第二控制信号传递给变量液压马达的第二控制机构，从而调节系统压力，间接控制叶轮的转速，使得叶轮捕获最大功率，实现最大功率跟踪控制。

作为优选，所述步骤S2包括：

S2a、通过第二转速传感器检测到发电机转轴的转速，并将第二转速信息发送到控制器得到实测转速；

S2b、实测转速与发电机需要的目标转速相比较得出偏差转速，控制器根据偏差转速计算输出排量第一控制信号；

S2c、将第一控制信号传递给变量液压泵的第一控制机构，从而调节变量液压泵的输出反力矩，与变量液压马达的输出力矩共同作用，间接调节发电机的转速跟踪目标转速，实现发电机的恒转速输出。

按照本发明的技术方案，采用低速直驱式液压传动技术体积小、成本低，并且降低了故障率；并且在传动系统环节同时实现了叶轮转速控制(最大功率跟踪控制)和发电机转速控制，无需额外的电力电子设备，简化了后续的电气控制系统；另外，与叶轮主轴连接的是定量液压泵，水下无控制机构，无需关注控制电缆的密封问题及放大板的受潮失效问题。

附图说明

图1为本发明低速直驱液压型海流发电装置实施例结构示意图。

图2为本发明低速直驱液压型海流发电装置控制方法实施例原理框图。

图3为图2工作时叶轮输出功率和转速的曲线图。

附图标记：1.叶轮，2.定量液压泵，3.单向阀，4.溢流阀，5.变量液压泵，6.变量液压马达，7.发电机，8.负载，9.控制器，11.流速传感器，12.第一转速传感器，13.第一控制机构，14.第二控制机构，15.第二转速传感器。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

1、用于上述低速直驱液压型海流发电装置：

图1示出了本发明低速直驱液压型海流发电装置实施例的结构，叶轮1的主轴与定量液压泵2相连，定量液压泵2的入口连接油箱，定量液压泵2出口连接与定量液压泵2串联的变量液压泵5和变量液压马达6，并联的变量液压泵5和变量液压马达6的出口均连接油箱，变量液压泵5和变量液压马达6的主轴刚性连接，变量液压马达6的主轴与发电机7的主轴连接，发电机7连接负载8。第一转速传感器12安装于叶轮1的主轴处，第二转速传感器15安装于发电机7的主轴处，第一转速传感器12和第二转速传感器15均与控制器9相连，变量液压泵5上自带有一个第一控制机构13和变量液压马达6上也自带有一个第二控制机构14，两个控制机构均与控制器9相连。

其中控制器9用于控制整个系统运行；流速传感器11用于检测使叶轮1转动的海流流速并将信息发送到控制器9；第一转速传感器12用于检测叶轮1主轴转速并将第一转速信息发送到控制器9；变量液压泵5上自带的第一控制机构13用于通过控制器9发送的第一控制信号控制变量液压泵5的排量；变量液压马达6自带的第二控制机构14用于通过控制器9发送的第二控制信号控制变量液压马达6排量；第二转速传感器15用于通过控制器9发送的第二控制信号控制变量液压马达6排量。

另外，定量液压泵与并联的变量液压泵和变量液压马达之间安装有单向阀3，防止液压油逆流；定量液压泵和并联的变量液压泵和变量液压马达之间的管路上安装有溢流阀4，防止系统压力过高，保护系统。

工作时，叶轮1在海流作用下转动，带动定量液压泵2从油箱中泵油，系统中的油液通过变量液压马达6时，带动变量液压马达6转动，变量液压马达6主轴与发电机7主轴刚性连接，从而发电机7转动发电。其中改变变量液压泵5的排量，就改变了变量液压泵5的输出反力矩，然后变量液压泵5的输出反力矩与变量液压马达6的输出反力矩共同作用，从而达到控制发电机7的转速，而变量液压马达6的排量要根据功率控制的要求给定，则输出反力矩就相当于是给定了，因此是通过改变变量液压泵5的排量，可以实现发电机的转速控制。变量液压泵5与变量液压马达6并联安装，两者的主轴刚性连接。改变变量液压马达6的排量时，系统的压力相应变化，从而叶轮的负载发生改变，最终改变叶轮的转速。

2、用于上述低速直驱液压型海流发电装置的控制方法，如图2所示，其步骤包括：

S1、通过叶轮1将海流能转换为机械能；

S2、通过定量液压泵2将机械能转换为液压能，并且通过调整变量液压泵排量大小调整液压系统压力，进而调整叶轮1捕获功率大小；

S3、通过变量液压马达6将液压能转换为机械能；

S4、将得到的机械能通过发电机7将机械能转换为电能。

Betz理论指出，水平轴式海流发电机组从海水中捕获的功率为：

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

式中：P为叶轮捕获功率；p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。当机组建造完成后，上式中的p、S、v均不可人为改变，因此若要改变功率P，仅可通过改变能量利用系数实现。

能量利用系数C_p是节距角和叶尖速比的函数。对于给定节距角的叶轮，C_p仅是叶尖速比的函数，且存在一叶尖速比的值，使得能量利用系数最大，从而使得捕获的功率最大。

对于叶尖速比，存在如下公式

$\mathrm{\λ}=\frac{\mathrm{\ωR}}{v}---\left(2\right)$

式中，ω为叶轮转速，R为叶轮半径，v为水流速度。当λ取最优值时，C_p可取得最大值。综合(1)(2)式可得最大功率式如下

$P_{\max }=\frac{1}{2}\mathrm{\ρS}{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{opt}}R}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{opt}}}\right)}^3{C}_{p\max }=k{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{opt}}^3---\left(3\right)$

式中，k为常数。从式(3)可以看出，在任意流速下，通过调节叶轮转动速度，使装置运行在最大能量利用率系数点，即可实现最大功率跟踪。

图3所示为不同海水流速下的叶轮输出功率P与转速ω的关系曲线。

对于叶轮1，可以列出如下的转矩平衡方程

$\left\{\begin{array}{c}T-T_f-B_p\mathrm{\ω}-T_p=J_t\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}\\ T_p=D_{p}p\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中：ω为叶轮转速；T为叶轮转矩；T_f为库伦摩擦转矩；B_p为粘性摩擦系数；J_t为折算到叶轮主轴上的等效转动惯量；T_p为定量液压泵2的反作用转矩；p系统压力；D_p为定量液压泵2的排量。

从公式(4)可以看出，通过调节系统压力，可以改变定量泵2对叶轮1的反力矩，而系统压力的调节可以通过改变变量液压马达6的排量实现，从而可以通过调节变量液压马达6的排量来调节叶轮转速。

对于发电机7，可以列出如下的转矩平衡方程

$(D_{\mathrm{cm}}-D_{\mathrm{cp}})p-T_L=J_g\frac{d{\mathrm{\ω}}_g}{\mathrm{dt}}---\left(5\right)$

式中：D_cm为变量液压马达6的排量；D_cp为变量液压泵5的排量；J_g为折算到发电机转轴上的等效转动惯量；T_L为任意外负载转矩；ω_g为发电机转速。

从公式(5)可以看出，通过改变D_cm与D_cp的差值，可以实现发电机转速的调节。

考虑系统的能量流动，可以列出如下方程

P₃＝P₁+P₂＝D_cmpω_g                    (6)

式中：P₁为定量液压泵2的输出功率，P₂为变量液压泵5的输出功率，P₃为变量液压马达6的输入功率，也即发电机7的输入功率。

通过公式(6)，可以确定D_cm的大小，从而D_cp根据公式(5)也可以计算出来。

所述步骤S3包括：

S3a、通过第一转速传感器检测到叶轮1主轴的转速，并将第一转速信息发送到控制器9计算得到目标功率，并同时检测得到发电机7输出的实测功率；

S3b、通过目标功率与实测功率相比较得出功率偏差信号，控制器9再根据功率偏差信号计算输出排量的第二控制信号；

S3c、将第二控制信号传递给变量液压马达6第二控制机构，从而调节系统压力，间接控制叶轮1的转速，使得叶轮1捕获最大功率，实现最大功率跟踪控制。

已知叶轮的能量捕获特性，第一转速传感器12将测得的叶轮转速ω输入控制器9，控制器9根据当前的叶轮转速查表得到叶轮此时的最优功率P_opt作为目标功率给定值，目标功率给定值P_opt与当前叶轮实际捕获功率相比较得出偏差功率ΔP，控制器9再根据偏差功率ΔP计算输出排量第二控制信号(控制信号D_m)，控制信号D_m被传递给变量液压马达6的第二控制机构，从而调节系统压力，间接控制叶轮1的转速ω，最终实现叶轮捕获功率跟踪最优功率P_opt，使得叶轮1捕获最大功率。

所述步骤S2包括：

S2a、通过第二转速传感器检测到发电机7转轴的转速，并将第二转速信息发送到控制器9得到实测转速；

S2b、实测转速与发电机7需要的目标转速相比较得出偏差转速，控制器9根据偏差转速计算输出排量第一控制信号；

S2c、将该第一控制信号传递给变量液压泵5上自带的第一控制机构13，从而调节变量液压泵5的输出反力矩，与变量液压马达6的输出力矩共同作用，间接调节发电机7的转速跟踪目标转速，实现发电机7的恒转速输出。

第二转速传感器15将当前发电机7的转速ω_g输入控制器9，与发电机目标转速ω_re相比较得出偏差转速ω_e2，控制器9根据偏差转速ω_e2计算输出排量第一控制信号(控制信号D_cp)，将控制信号D_cp传递给变量液压泵5的第一控制机构，从而调节变量液压泵5的输出反力矩，与变量液压马达6的输出力矩共同作用，间接调节发电机7的转速ω_g跟踪目标转速ω_re，实现发电机的恒转速输出。

总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种低速直驱液压型海流发电装置，其特征在于，包括油箱、叶轮（1）、与叶轮主轴相连的定量液压泵（2）、与定量液压泵（2）串联且与定量液压泵（2）出口相连的变量液压泵（5）和变量液压马达（6）、发电机（7）；所述定量液压泵（2）的入口、变量液压泵（5）的出口和变量液压马达（6）的出口均连接至油箱；所述变量液压泵（5）和变量液压马达（6）的主轴刚性连接；所述变量液压马达（6）主轴另一端与发电机（7）主轴相连，所述发电机（7）上连接有负载（8）。

2.如权利要求1所述的低速直驱液压型海流发电装置，其特征在于，还包括控制器（9）；

第一转速传感器（12）安装在叶轮（1）主轴上，用于检测叶轮（1）主轴转速并将第一转速信息发送到控制器（9）；

第二转速传感器（15）安装在发电机（7）主轴上，用于检测发电机（7）主轴转速并将第二转速信息发送到控制器（9）；

流速传感器（11）安装在靠近叶轮（1）处，用于检测使叶轮（1）转动的海流流速并将信息发送到控制器（9）。

3.如权利要求1所述的低速直驱液压型海流发电装置，其特征在于，所述变量液压泵上设有第一控制机构；所述变量液压马达上设有第二控制机构。

4.如权利要求1所述的低速直驱液压型海流发电装置，其特征在于，所述定量液压泵（2）的出口与并联的变量液压泵（5）和变量液压马达（6）之间设有单向阀（3）。

5.如权利要求4所述的低速直驱液压型海流发电装置，其特征在于，所述定量液压泵（2）的出口与并联的变量液压泵（5）和变量液压马达（6）之间的管路上安装有溢流阀（4），且溢流阀（4）连接油箱。

6.一种低速直驱液压型海流发电装置的控制方法，其特征在于，步骤包括：S1、通过叶轮（1）将海流能转换为机械能；

S2、通过定量液压泵（2）将机械能转换为液压能，并且通过调整变量液压泵排量大小调整液压系统压力，进而调整叶轮（1）捕获功率大小；

S3、通过变量液压马达（6）将液压能转换为机械能；

S4、将得到的机械能通过发电机（7）将机械能转换为电能。

7.根据权利要求6所述的低速直驱液压型海流发电装置的控制方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

S3a、通过第一转速传感器检测到叶轮（1）主轴的转速，并将第一转速信息发送到控制器（9）计算得到目标功率，并同时检测得到发电机（7）输出的实测功率；    

S3b、通过目标功率与实测功率相比较得出功率偏差信号，控制器（9）再根据功率偏差信号计算输出排量的第二控制信号；

S3c、将第二控制信号传递给变量液压马达（6）的第二控制机构（14），从而调节系统压力，间接控制叶轮（1）的转速，使得叶轮（1）捕获最大功率，实现最大功率跟踪控制。

8.如权利要求6所述的低速直驱液压型海流发电装置的控制方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

S2a、通过第二转速传感器检测到发电机（7）转轴的转速，并将第二转速信息发送到控制器（9）得到实测转速；

S2b、实测转速与发电机（7）需要的目标转速相比较得出偏差转速，控制器（9）根据偏差转速计算输出排量第一控制信号；

S2c、将第一控制信号传递给变量液压泵（5）的第一控制机构（13），从而调节变量液压泵（5）的输出反力矩，与变量液压马达（6）的输出力矩共同作用，间接调节发电机（7）的转速跟踪目标转速，实现发电机（7）的恒转速输出。

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