CN103291550A - 一种新型全液压式风力发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风力发电机组技术领域，具体涉及一种新型全液压式风力发电系统。该系统由油箱、风轮、风轮转轴、转速转矩传感器、单输入双输出齿轮箱、第一离合器、第二离合器、大排量定量液压泵、小排量定量液压泵、第一变量马达、第二变量马达、第三变量马达、第四变量马达、第一换向阀、第二换向阀、第三换向阀、第四换向阀、第五换向阀、第一溢流阀、第二溢流阀、第三溢流阀、第一蓄能器、第二蓄能器、第一压力表及压力表开关、第二压力表及压力表开关、第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀、第四单向阀、第五单向阀、补油泵、电动机、吸油滤油器、精滤油器、第一滤油器、第二滤油器、第一发电机和第二发电机组成；提高了系统工作效率和稳定性。

Description

一种新型全液压式风力发电系统

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种新型全液压式风力发电系统。

背景技术

目前主流的大型风力发电机有两种，分别是：带齿轮箱的异步变速恒频风力发电机组、直驱式永磁同步风力发电机组。第一种齿轮箱式风力发电机是目前最流行也是技术最成熟的风力发电机组，但存在很多缺点：核心设备齿轮箱的故障率比较高，而且制造、安装困难，成本较高，另外它作为风轮与发电机的连接设备属于刚性连接，风轮产生的冲击都会传递到发电机，造成机组可靠性偏低，也造成系统频率不稳定，不能保证发电的品质。而第二种直驱式风力机省去了齿轮箱，将风轮与发电机直接连接，发电机变速运行，由于省去了齿轮箱，该机组的可靠性得到大幅提升，但相应的该机组要配备全容量的变流器，不但成本非常昂贵，重量也特别重，另外直驱发电机价格也比较高。为了更好的利用风能，将风能尽可能的直接转化为可利用、可并网的电能，一种全新的全液压式风力机进入了人们的视线，并在最近几年得到了快速的发展，全液压式风力机是将风轮与发电机之间的刚性连接替换为液压柔性传动系统，其可控性要比齿轮箱好，可以方便实现无级变速，保证发电机维持在同步转速附近，这样就省去了变流器，既降低成本，又提高可靠性；此外，全液压式风力机在机组重量方面相比普通机型具有较大的优势，在齿轮箱式风力机中，齿轮箱占了很大的一部分重量；而直驱式风力机由于永磁电机重量较重，再加上变流器重量也较重，它的重量比同等容量的齿轮箱式风力机还重，根据已有资料显示1.6MW齿轮箱式风力发电机组齿轮箱重达15吨，而2MW直驱式风力发电机组的发电机重达150吨，而1.6MW液压型风力发电机组的液压泵只重5吨，优势比较明显。机舱重量的减轻，相应的可以减小塔筒的质量，一般塔顶减轻1吨，则塔筒及基础重量可减轻2吨，这样不但可以降低整机的制造成本，还能降低设备的安装成本。

但是，现在国内外已研究或设计的全液压式风力发电机有一个很大的缺陷就是工作效率不高，除了机械损失外还有容积损失及泄露损失，而且当风速变化，液压系统元件如：泵、马达偏离其额定工况运行时，这种损失就更加明显，能源利用率偏低。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述提到的现有风力发电技术不足之处，提供一种新型全液压式风力发电系统，在实现风力发电恒频、稳定的基础上，还能实现在不同风速下，风力发电系统都有很高的工作效率，提高能源的利用率。

一种新型全液压式风力发电系统，该系统由油箱1、风轮2、风轮转轴3、转速转矩传感器4、单输入双输出齿轮箱5、第一离合器6-1、第二离合器6-2、大排量定量液压泵7、小排量定量液压泵8、第一变量马达9-1、第二变量马达9-2、第三变量马达9-3、第四变量马达9-4、第一换向阀10-1、第二换向阀10-2、第三换向阀10-3、第四换向阀10-4、第五换向阀10-5、第一溢流阀11-1、第二溢流阀11-2、第三溢流阀11-3、第一蓄能器12-1、第二蓄能器12-2、第一压力表及压力表开关13-1、第二压力表及压力表开关13-2、第一单向阀14-1、第二单向阀14-2、第三单向阀14-3、第四单向阀14-4、第五单向阀14-5、补油泵15、电动机16、吸油滤油器17、精滤油器18、第一滤油器19-1、第二滤油器19-2、第一发电机20-1和第二发电机20-2组成；其中，

所述风轮2通过风轮转轴3与单输入双输出齿轮箱5的单端输入端相连，在风轮转轴3上，设有转速转矩传感器4；

所述大排量定量液压泵7的输入端经第一离合器6-1与单输入双输出齿轮箱5的上侧输出端相连；所述大排量定量液压泵7的出油口经第一换向阀10-1分别与第二滤油器19-2、第二变量马达9-2、第三变量马达9-3和第四变量马达9-4的进油口相连；所述第一换向阀10-1的出油口与第二滤油器19-2的进油口之间，设有第一溢流阀11-1；所述第一换向阀10-1的出油口与第二变量马达9-2的进油口之间，设有第三换向阀10-3；所述第一换向阀10-1的出油口与第三变量马达9-3的进油口之间，设有第四换向阀10-4；所述第一换向阀10-1的出油口与第四变量马达9-4的进油口之间，设有第五换向阀10-5；

所述小排量定量液压泵8的输入端经第二离合器6-2与单输入双输出齿轮箱5的下侧输出端相连；所述小排量定量液压泵8的出油口经第二换向阀10-2分别与第一滤油器19-1和第一变量马达9-1的进油口相连；所述第二换向阀10-2的出油口与第一滤油器19-1的进油口之间，设有第二溢流阀11-2；

所述第一蓄能器12-1经第一压力表及压力表开关13-1后，分别与所述第一换向阀10-1的出油口和第一溢流阀11-1的进油口相连；

所述第二蓄能器12-2经第二压力表及压力表开关13-2后，分别与所述第二换向阀10-2的出油口和第二溢流阀11-2的进油口相连；

所述大排量定量液压泵7的进油口与小排量定量液压泵8的进油口相连；

所述小排量定量液压泵8的进油口与第一单向阀14-1、精滤油器18和补油泵15的出油口依次相连；

所述第一变量马达9-1的出油口、第二变量马达9-2的出油口、第三变量马达9-3的出油口、第四变量马达9-4的出油口均与小排量定量液压泵8的进油口相连；

所述第一变量马达9-1的输出端与第二变量马达9-2的输入端相连；所述第二变量马达9-2的输出端与第一发电机20-1相连；

所述第三变量马达9-3的输出端与第四变量马达9-4的输入端相连；所述第四变量马达9-4的输出端与第二发电机20-2相连；

所述电动机16与补油泵15的输入端相连；

所述第二单向阀14-2与第一变量马达9-1并联；

所述第三单向阀14-3与第二变量马达9-2并联；

所述第四单向阀14-4与第三变量马达9-3并联；

所述第五单向阀14-5与第四变量马达9-4并联；

所述吸油滤油器17位于油箱1内，补油泵15的进油口通过管道经油箱1壁与吸油滤油器17的出油口相连；

第三溢流阀11-3、第一滤油器19-1和第二滤油器19-2的出油口均通过管道与下端的油箱1相连。

本发明的有益效果：1、本发明在齿轮箱输出轴与两台液压泵之间分别设置了离合器，通过离合器的开闭，来控制两台液压泵的工作状态，即根据风速大小也就是叶轮扭矩的大小，来调节两台液压泵的启停，以使泵在高速、大流量工况下工作，减少容积损失及泄露损失，提高系统的工作效率。2、本发明所选用的液压系统执行元件为四台液压变量马达，每台变量马达都有一换向阀与其相连，优点在于可以根据供油回路中液压油的油量大小，来调节各个换向阀的开闭，进而决定每个马达的启停状态，这样就可以使工作的马达能在大排量工况下运行，减少容积损失及泄露损失，提高变量马达工作效率。3、本发明所设置的第一换向阀及第二换向阀构成了一个刹车系统，正常工况下，两个换向阀不会同时处于关闭状态，当需要风轮停止工作时，则两个换向阀同时关闭，两台液压泵也即停止旋转，通过齿轮箱，同时使得叶轮也停止转动；本发明相对其他的风力发电系统省去了专门设置的刹车系统，降低了机组的成本。4、本发明所设置的两台液压泵并联，两个液压回路各自独立存在，避免了两个回路中的液压油因压力不同而汇合导致的液压油能量损失，提高了系统的工作效率。5、本发明在每台变量马达进油口及出油口之间并联了一条只有单向阀的回路，当液压马达正常工作时，因单向阀的作用，并联回路不起作用；当与液压马达相连的换向阀关闭而与之串联的另一台液压马达仍然处于工作状态时，此时通过变量马达并联回路的作用，马达出油口的液压油通过单向阀进入到马达的进油口形成了一个局部回路，这样就可以使液压传动系统正常运行。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图中：1-油箱，2-风轮，3-风轮主轴，4-转速转矩传感器，5-单输入双输出齿轮箱，6-1-第一离合器，6-2-第二离合器，7-大排量定量液压泵，8-小排量定量液压泵，9-1-第一变量马达，9-2-第二变量马达，9-3-第三变量马达，9-4-第四变量马达，10-1-第一换向阀，10-2-第二换向阀，10-3-第三换向阀，10-4-第四换向阀，10-5-第五换向阀，11-1-第一溢流阀，11-2-第二溢流阀，11-3-第三溢流阀，12-1-第一蓄能器，12-2-第二蓄能器，13-1-第一压力表及压力表开关，13-2-第二压力表及压力表开关，14-1-第一单向阀，14-2-第二单向阀，14-3-第三单向阀，14-4-第四单向阀，14-5-第五单向阀，15-补油泵，16-电动机，17-吸油滤油器，18-精滤油器，19-1-第一滤油器，19-2-第二滤油器，20-1-第一发电机，20-2-第二发电机。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1中，风轮主轴3与风轮2相连，风轮2在风作用下将风能转化为风轮主轴3的旋转机械能，转速转矩传感器4时刻监测风轮主轴的转速及转矩，风轮主轴4通过单输入双输出齿轮箱5将扭矩分别输出至大排量定量液压泵7及小排量定量液压泵8的输入端，大排量定量液压泵7及小排量定量液压泵8两台液压泵在风轮主轴3扭矩作用下，排出高压液压油，将旋转机械能转换为液压能，在两台液压泵的输入端与齿轮箱5的两个输出端之间分别设置有第一离合器6-1及第二离合器6-2用于控制两台液压泵的启停。

大排量定量液压泵7排出的液压油经第一换向阀10-1、第一蓄能器12-1、第三换向阀10-3、第四换向阀10-4、第五换向阀10-5后分别进入到第二变量马达9-2、第三变量马达9-3、第四变量马达9-4的进油口，冲击三台液压马达旋转做功。正常工况下，第一换向阀10-1处于打开状态，第一蓄能器12-1通过第一压力表及压力表开关13-1监测回路中的油液压力进行吸收或释放液压油，第一溢流阀11-1布置在第一换向阀10-1出油口与油箱1之间，起到避免系统压力过高的作用，第一溢流阀11-1的出油口与油箱相连，根据通过第一换向阀10-1的液压油的油量，控制第三换向阀10-3、第四换向阀10-4、第五换向阀10-5的开闭状态，实现马达组合发电，提高马达工作效率。

小排量定量液压泵8排出的液压油经第二换向阀10-2、第二蓄能器12-2后进入到第一变量马达9-1的进油口，冲击第一变量马达旋转做功。正常工况下，第二换向阀10-2处于打开状态，第二蓄能器12-2通过第二压力表及压力表开关13-2监测回路中的油液压力进行吸收或释放液压油，第二溢流阀11-2布置在第二换向阀10-2的出油口与油箱1之间，起到避免系统压力过高的作用，第二溢流阀11-2的出油口与油箱相连。

第一变量马达9-1与第二变量马达9-2串联后驱动第一发电机20-1发电，第三变量马达9-3与第四变量马达9-4串联后驱动第二发电机20-2发电，液压油冲击马达做功后，在四台变量马达的出油口处进行汇合，汇合后再分别与两台液压泵的进油口相连，在四台变量马达的进油口与出油口之间分别并联只设有第二单向阀14-2、第三单向阀14-3、第四单向阀14-4、第五单向阀14-5的油路，当与液压马达相连的换向阀关闭而与之串联的另一台液压马达仍然处于工作状态时，此时通过这些并联回路，马达出油口的液压油通过单向阀进入到马达的进油口形成了一个局部回路，这样就可以使液压传动系统正常运行。

补油泵15在电动机16的驱动下排出液压油经精滤油器18、第一单向阀14-1向系统中补充因系统包括两台液压泵及四台变量马达泄露的液压油，保证系统连续平稳运转，在第一单向阀14-1的进油口与油箱1之间并联有第三溢流阀11-3的油路，用于避免补油泵15向系统补充压力过高的液压油，吸油滤油器17、第一滤油器19-1、第二滤油器19-2用于过滤油液中的杂质污染物，保持油液的清洁，提高系统的安全性。

本发明的系统工作过程为：

风轮在风作用下将风能转化为旋转的机械能，通过齿轮箱将风轮的旋转扭矩输出至大排量液压泵和小排量液压泵的输入端，液压泵在风轮扭矩作用下，排出高压液压油，经换向阀及蓄能器后，冲击液压变量马达旋转做功，带动两台发电机发电；整个液压传动系统采用的是定量泵—变量马达的容积调速回路，当供油回路中油量随风速变化时，通过调节变量马达的排量，来控制变量马达的转速以及发电机的转速维持不变，提高了发电机发电稳定性。

本发明中蓄能器的设置可以应对叶轮的突变载荷，因风力发电机液压系统是随着外界风力的变化而工作的，故两台液压泵的压力脉动较大，系统中必须加入蓄能器，用以吸收系统压力脉动，减少系统振动，使管路油压平稳变化，平衡管路的油压波动，此外，设置蓄能器还可以提高机组的低电压穿越能力。

本发明中第一溢流阀及第二溢流阀的设置可以避免系统压力过高，使系统安全稳定运行。

本发明中补油泵的设置是为了向系统中补充液压泵及液压马达工作时泄露的液压油，保证执行机构连续平稳运转。

本发明中吸油滤油器、精滤油器、第一、第二滤油器起到过滤进入油路中液压油的杂质污染物，保持油液的清洁，提高系统的安全性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种新型全液压式风力发电系统，其特征在于，该系统由油箱（1）、风轮（2）、风轮转轴（3）、转速转矩传感器（4）、单输入双输出齿轮箱（5）、第一离合器（6-1）、第二离合器（6-2）、大排量定量液压泵（7）、小排量定量液压泵（8）、第一变量马达（9-1）、第二变量马达（9-2）、第三变量马达（9-3）、第四变量马达（9-4）、第一换向阀（10-1）、第二换向阀（10-2）、第三换向阀（10-3）、第四换向阀（10-4）、第五换向阀（10-5）、第一溢流阀（11-1）、第二溢流阀（11-2）、第三溢流阀（11-3）、第一蓄能器（12-1）、第二蓄能器（12-2）、第一压力表及压力表开关（13-1）、第二压力表及压力表开关（13-2）、第一单向阀（14-1）、第二单向阀（14-2）、第三单向阀（14-3）、第四单向阀（14-4）、第五单向阀（14-5）、补油泵（15）、电动机（16）、吸油滤油器（17）、精滤油器（18）、第一滤油器（19-1）、第二滤油器（19-2）、第一发电机（20-1）和第二发电机（20-2）组成；其中，

所述风轮（2）通过风轮转轴（3）与单输入双输出齿轮箱（5）的单端输入端相连，在风轮转轴（3）上，设有转速转矩传感器（4）；

所述大排量定量液压泵（7）的输入端经第一离合器（6-1）与单输入双输出齿轮箱（5）的上侧输出端相连；所述大排量定量液压泵（7）的出油口经第一换向阀（10-1）分别与第二滤油器（19-2）、第二变量马达（9-2）、第三变量马达（9-3）和第四变量马达（9-4）的进油口相连；所述第一换向阀（10-1）出油口与第二滤油器（19-2）进油口之间，设有第一溢流阀（11-1）；所述第一换向阀（10-1）的出油口与第二变量马达（9-2）的进油口之间，设有第三换向阀（10-3）；所述第一换向阀（10-1）的出油口与第三变量马达（9-3）的进油口之间，设有第四换向阀（10-4）；所述第一换向阀（10-1）的出油口与第四变量马达（9-4）的进油口之间，设有第五换向阀（10-5）；

所述小排量定量液压泵（8）的输入端经第二离合器（6-2）与单输入双输出齿轮箱（5）的下侧输出端相连；所述小排量定量液压泵（8）的出油口经第二换向阀（10-2）分别与第一滤油器（19-1）和第一变量马达（9-1）的进油口相连；所述第二换向阀（10-2）的出油口第一滤油器（19-1）的进油口之间，设有第二溢流阀（11-2）；

所述第一蓄能器（12-1）经第一压力表及压力表开关（13-1）后，分别与所述第一换向阀（10-1）的出油口和第一溢流阀（11-1）的进油口相连；

所述第二蓄能器（12-2）经第二压力表及压力表开关（13-2）后，分别与所述第二换向阀（10-2）的出油口和第二溢流阀（11-2）的进油口相连；

所述大排量定量液压泵（7）的进油口与小排量定量液压泵（8）的进油口相连；

所述小排量定量液压泵（8）的进油口与第一单向阀（14-1）、精滤油器（18）和补油泵（15）的出油口依次相连；

所述第一变量马达（9-1）的出油口、第二变量马达（9-2）的出油口、第三变量马达（9-3）的出油口、第四变量马达（9-4）的出油口均与小排量定量液压泵（8）的进油口相连；

所述第一变量马达（9-1）的输出端与第二变量马达（9-2）的输入端相连；所述第二变量马达（9-2）的输出端与第一发电机（20-1）相连；

所述第三变量马达（9-3）的输出端与第四变量马达（9-4）的输入端相连；所述第四变量马达（9-4）的输出端与第二发电机（20-2）相连；

所述电动机（16）与补油泵（15）的输入端相连；

所述第二单向阀（14-2）与第一变量马达（9-1）并联；

所述第三单向阀（14-3）与第二变量马达（9-2）并联；

所述第四单向阀（14-4）与第三变量马达（9-3）并联；

所述第五单向阀（14-5）与第四变量马达（9-4）并联；

所述吸油滤油器（17）位于油箱（1）内，补油泵（15）的进油口通过管道经油箱（1）壁与吸油滤油器（17）的出油口相连；

第三溢流阀（11-3）、第一滤油器（19-1）和第二滤油器（19-2）的出油口均通过管道与下端的油箱（1）相连。

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