CN103967694B - 功率解耦型波浪能发电装置液压传动系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率解耦型波浪能发电装置液压传动系统及其控制方法，该传动系统由能量捕获单元、压力保护单元、整流单元、变压单元、调速单元、蓄能单元、发电单元组成；该装置的传动系统根据液压变压的原理，将液压马达与变量泵连轴，将低压、大流量的输入功率转换为高压、小流量的输出功率，使之更适合传动及控制；同时，本发明提供的控制方法能够根据不同的工作海况实时调整变压比稳定液压马达及发电机的输出转速，使用高压皮囊式蓄能器进一步平稳压力波动，实现变压网络到准恒压网络的转换，解决波浪能发电装置传动系统输入与输出的功率耦合问题。

Description

功率解耦型波浪能发电装置液压传动系统的控制方法

技术领域

本发明属于海洋波浪能开发及利用技术领域，具体涉及一种功率解耦型波浪能发电装置液压传动系统的控制方法。

背景技术

在众多类型的海洋波浪能发电设备中，液压式波浪能发电装置应用非常广泛，这主要是由于液压传动系统具有传动功率大、结构小、响应速度快、可以实现无级变速、易实现过载保护等优点，并且液压系统的泵——马达模式切换容易，非常适合应用在海洋波浪能发电这种低速、大功率的设备中，目前国际上已成熟应用的多个波浪能发电装置均采用液压传动作为动力传递系统。但是，由于海洋波浪能的特点使得波浪能发电装置传动网络的输入端为低压、大流量的功率输入，且输入功率为不稳定、不连续甚至是快速突变的，这使得系统中液压元件的效率降低，非常不利于对系统的控制作用。

目前，国内外波浪能发电装置中大多采用大容量蓄能器平稳流量与压力波动实现输入输出功率的解耦。但大容量蓄能器存在着成本高、重量大，长时间使用发生泄漏等不利因素，更主要的是低压、大流量的功率输入使得蓄能器的反映迟缓，且容易混入气体，严重影响液压系统的正常工作状态。上述缺陷不仅限制了液压传动系统对功率的调节与控制作用，也增加了系统的不可靠性。

中国专利CN 101737241A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”，该装置主要依靠大容量蓄能器来吸收波浪变化引起的能量波动，通过改变马达排量来实现对发电机转速的调节；此种方法的调速范围窄，不宜进行平稳速度控制，依然会对发电机组造成冲击。因此，有必要设计一种全新的应用于波浪能发电装置中的液压传动系统及其控制方法，在不增大容量的前提下充分发挥蓄能器蓄能、吸收压力/流量脉动的作用，并实现输入与输出功率的解耦。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种功率解耦型波浪能发电装置液压传动系统的控制方法，根据液压变压的原理，将低压、大流量的输入功率转换为高压、小流量的输出功率，提高液压元件的工作效率；本发明的控制方法能够根据不同的工作海况实时调节马达输出转速，稳定发电机的转速在合理的范围内变化，同时使用高压皮囊式蓄能器进一步平稳压力波动，实现变压网络到准恒压网络的转换，解决波浪能发电装置传动系统输入与输出的功率耦合问题。

为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案实现的：

一种具有功率解耦能力的波浪能发电装置液压传动系统，包括浮筒、和通过万向铰链A与浮筒相连液压缸，浮筒在波浪驱动下带动液压缸输出和吸入压力油，压力油通过液压管路流入到液压传动系统中，所述的液压传动系统包括液压马达M1、联轴器B、变量泵、液压马达M2和油箱；其特征在于，液压缸的上行腔和下行腔上安有起安全限压作用的压力保护单元，压力保护单元与位于液压管路中的液压整流桥路相连，液压整流桥路将双向液压油转换为单一方向泵入液压马达M1中；所述的液压马达M1通过联轴器B与变量泵同轴安装，变量泵输送的高压油驱动另一个液压马达M2转动，液压马达M2通过联轴器A带动发电机转动，变量泵输送的低压油驱动流回油箱中，在此油路中安装单向阀C1和单向阀C2保证变量泵转速下降时不产生液压油倒吸现象，并且此油路中安装起吸收压力、流量脉动和稳定功率输出作用的高压皮囊式蓄能器；在液压马达M2的出油口安装单向阀C3，主要防止马达转速下降时产生液压油倒吸现象；所述的液压传动系统、联轴器A和发电机均位于水下舱体中，水下舱体通过万向铰链B与液压缸相连。

上述的压力保护单元包括单向阀S1、单向阀S2、溢流阀R1和溢流阀R2，单向阀S1和溢流阀R1对液压缸的上行腔起安全限压作用，当上行腔A口压力高于溢流阀R1的调定压力时，溢流阀R1导通，高压油回流到低压腔A口；单向阀S2和溢流阀R2对液压缸的下行腔B口压力起安全限压作用。

上述的液压整流桥路包括单向阀K1、单向阀K2、单向阀K3和单向阀K4，当液压缸的活塞杆向上运动时，高压油通过单向阀K3驱动液压马达M1，而低压油通过单向阀K2流回液压缸下行腔B口的；当液压缸的活塞杆向下运动时，高压油通过单向阀K4驱动液压马达M1，而低压油通过单向阀K1返回液压缸的上行腔A口。

上述的液压传动系统还包括具有输入功率与输出功率解耦作用的变量机构、电磁节流阀和测速泵，变量机构安装于变量泵上，测速泵与变量泵同轴安装，液压缸上安有电磁节流阀，测速泵自动地输出与转速成比例的控制流量，并在电磁节流阀上产生控制压差。

上述的液压马达M1和变量泵同轴安装构成液压变压器，将低压、大流量的输入转换为高压、小流量的输出，液压变压比λ计算公式为：

$\mathrm{\λ}=\frac{P_p}{P_m}=\frac{D_m}{D_p}$

其中P_p为变量泵的输出压力，P_m为液压马达M1的输入压力，D_p为变量泵的排量，D_m为液压马达M1的排量，此输出回路中安装溢流阀，溢流阀安装在蓄能器出口位置，其泄油口与油箱相连，溢流阀可消除调节变压比过程中产生的压力峰值，限制系统压力过高。

当液压缸输出流量增大时，部分流量被高压皮囊式蓄能器吸收，多余流量导致液压马达M1及与之连轴的变量泵的转速ω₁增加，在负载转矩不变的情况下导致发电机转速ω₂的增加，此时通过减小变量泵的排量，抵消变量泵转速ω₁变化对发电机转速ω₂产生的影响，保证驱动发电机的液压马达M2的转速稳定；当液压回路中的输入流量减小时，变量泵转速ω₁减小，在负载转矩不变的情况下液压马达M2输出转速ω₂减小。液压缸与变量泵上的变量机构固连在一起，通过液压缸改变变量机构来控制变量泵的排量；当变量泵的转速ω₁增大时，测速泵转速增加，液压缸将在增大的压差作用下移动，带动变量机构减小变量泵的排量使其输出流量减小；当变量泵的转速ω₁减小时，测速泵转速降低，液压缸在回复弹簧的作用下带动变量机构，增大变量泵的排量使其输出流量增大；变量泵17的排量被自动地调节，使其始终能够输出一个大致恒定的流量，从而达到控制液压马达M2转速的目的，这一控制过程直至液压缸的两端取得压力平衡为止。

本发明还提供一种控制上述液压传动系统的方法，包括以下步骤：

(1)设置主控制器的初始参数：设置液压马达M1最高转速、液压马达M2最高转速、变量泵最高转速，调速增益K_v，调速发电机运行转速范围及最低和最高温度；

(2)测量5分钟内的平均波高H_a，与机组设计时的规定匹配波高H_m相比较：H_a<H_m则变量泵与马达脱开，变量泵空转，机组不启动；H_a>H_m则启动发电机组；

(3)测量发电机转速：发电机转速即为液压马达M2的输出转速ω₂，发电机转速在1分钟内持续大于或小于额定转速并超出了设定的发电机运行转速范围，则调速单元进行工作，启动测速泵则可通过调节变量泵的排量D_p，抵消变量本转速ω₁变化对发电机转速ω₂产生的影响，实现发电机转速调节；计算公式如下所示：

${\mathrm{\&omega;}}_2=\frac{D_p{D}_g}{{D^2}_g+c_t(B_2+J_{2}s)}{\mathrm{\&omega;}}_1-\frac{c_t{T}_g}{{D^2}_g+c_t(B_2+J_{2}s)}$

其中，D_p为变量泵的弧度排量，D_g为液压马达M1的弧度排量，c_t为液压系统总的泄漏系数，T_g为发电机负载转矩，J₂为作用在液压马达M2与发电机转轴上所有部件总的转动惯量，B₂为作用在液压马达M2发电机转轴上的粘性阻尼系数；

(4)为了改善调速效果，当测得发电机转速在调速单元启动1分钟后仍然超出设定转速范围，则人为改变调速增益K_v，改进调节效果；当变量泵工作为最大与最小排量时均无法将发电机转速调节至规定的运行转速范围内时，调速单元停机，重复执行步骤2的操作；通过这种方式实现了液压缸的输出流量与发电机的转速之间的解耦，通过液压传动系统7将功率不稳定的变压网络转换为稳定功率输出的准恒压网络。

本发明与传统波浪能发电装置传动系统不同的是，通过对液压能的整流、调压和蓄能将不稳定功率输入的变压传动网络转换为能够稳定驱动发电机负载的恒压传动网络；本发明液压传动系统通过马达与变量泵连轴，将低压、大流量的液压能输入转换成为高压、小流量的液压能输出，有效地提高了液压元件及蓄能器的工作效率；蓄能单元利用高压蓄能器吸收由于波浪瞬变引起的液压系统压力、流量波动，当波高瞬间增大时，高压蓄能器将多余能量存储，当波高减小时，高压蓄能器再将能量释放。在此基础上，在恒压传动网络部分增加了调速单元，用以调节马达输出转速，稳定发电机输出功率；当变压传动网络部分由于压力/流量波动导致根据变量泵输出流量变化，并最终使发电机转速增加/减小时，测速泵可以提供一个与转速变化成比例的流量，控制液压缸改变变量泵的排量，抵消因流量波动而引起的发电机转速波动，配合蓄能器实现输入功率与输出功率的解耦。

附图说明

图1：本发明液压传动系统整体结构示意图；

图2：本发明液压传动系统工作原理图；

其中：1、浮筒 2、万向铰链A 3、液压缸 4、万向铰链B 5、液压管路 6、水下舱体 7、液压传动系统 8、联轴器A 9、发电机 10、单向阀S1 11、溢流阀R1 12、单向阀S2 13、溢流阀R2 14、单向阀K1 15、单向阀K2 16、单向阀K3 17、单向阀K4 18、液压马达M1 19、联轴器B20、变量泵 21、液压马达M2 22、油箱 23、单向阀C1 24、单向阀C2 25、高压皮囊式蓄能器26、变量机构 27、电磁节流阀 28、测速泵 29、溢流阀 30、单向阀C3。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施方式做进一步说明。

如图1和图2所示浮筒1在波浪的驱动下往复运动，带动液压缸3产生往复运动输出、吸入压力油，单向阀S1 10和溢流阀R1 11对液压缸3的上行腔起安全限压作用，当上行腔A口压力高于溢流阀R1的调定压力时，溢流阀R1导通，高压油回流到低压腔A口；单向阀S212和溢流阀R2 13对液压缸的下行腔B口压力起安全限压作用。液压缸3形成的压力油通过位于液压管路5中的液压整流桥路相流入到液压传动系统7的液压马达M1 18中；液压整流桥路包括单向阀K1 14、单向阀K2 15、单向阀K3 16和单向阀K4 17，当液压缸的活塞杆向上运动时，高压油通过单向阀K3驱动液压马达M1，而低压油通过单向阀K2流回液压缸下行腔B口的；当液压缸的活塞杆向下运动时，高压油通过单向阀K4驱动液压马达M1，而低压油通过单向阀K1返回液压缸的上行腔A口；这样，液压整流桥路将双向液压油转换为单一方向泵入液压马达M1中，液压传动系统还包括联轴器B 19、变量泵20、液压马达M2 21和油箱22。浮筒1通过万向铰链A与液压缸3相连，液压传动系统7、联轴器A 8和发电机9均位于水下舱体6中，水下舱体6通过万向铰链B 4与液压缸3相连。

液压马达M1通过联轴器B与变量泵同轴安装，变量泵输送的高压油驱动另一个液压马达M2转动，液压马达M2通过联轴器A 8带动发电机9转动，变量泵输送的低压油驱动流回油箱22中；在此油路中安装单向阀C1 23、单向阀C2 24，可以保证变量泵转速下降时不产生液压油倒吸现象，并且此油路中安装起吸收压力、流量脉动和稳定功率输出作用的高压皮囊式蓄能器25。在马达M2 21的出口安装单向阀C3 30，可以保证马达转速下降时不产生液压油倒吸现象；溢流阀29安装在蓄能器出口，泄油口与油箱22相连。

液压传动系统还包括具有输入功率与输出功率解耦作用的变量机构26、电磁节流阀27和测速泵28，变量机构安装于变量泵上，测速泵与变量泵同轴安装，液压缸上安有电磁节流阀，测速泵自动地输出与转速成比例的控制流量，并在电磁节流阀上产生控制压差。液压马达M1和变量泵同轴安装构成液压变压器，将低压、大流量的输入转换为高压、小流量的输出，液压变压比λ计算公式为：

$\mathrm{\&lambda;}=\frac{P_p}{P_m}=\frac{D_m}{D_p}$

其中P_p为变量泵的输出压力，P_m为液压马达M1的输入压力，D_p为变量泵的排量，D_m为液压马达M1的排量，输出回路安装溢流阀29，可消除调节变压比过程中产生的压力峰值，限制系统压力过高。

使用本发明的液压传动系统时，包括以下步骤：

(1)设置主控制器的初始参数：设置液压马达M1最高转速、液压马达M2最高转速、变量泵最高转速，调速增益K_v，调速发电机运行转速范围及最低和最高温度；

(2)测量5分钟内的平均波高H_a，与机组设计时的规定匹配波高H_m相比较：H_a<H_m则变量泵与马达脱开，变量泵空转，机组不启动；H_a>H_m则启动发电机组；

(3)测量发电机转速：发电机转速即为液压马达M2的输出转速ω₂，发电机转速在1分钟内持续大于或小于额定转速并超出了设定的发电机运行转速范围，则调速单元进行工作，启动测速泵则可通过调节变量泵的排量D_p，抵消变量本转速ω₁变化对发电机转速ω₂产生的影响，实现发电机转速调节；计算公式如下所示：

${\mathrm{\&omega;}}_2=\frac{D_p{D}_g}{{D^2}_g+c_t\left(B_2+J_{2}s\right)}{\mathrm{\&omega;}}_1-\frac{c_t{T}_g}{{D^2}_g+c_t\left(B_2+J_{2}s\right)}$

其中，D_p为变量泵的弧度排量，D_g为液压马达M1的弧度排量，c_t为液压系统总的泄漏系数，T_g为发电机负载转矩，J₂为作用在液压马达M2与发电机转轴上所有部件总的转动惯量，B₂为作用在液压马达M2发电机转轴上的粘性阻尼系数；

(4)为了改善调速效果，当测得发电机转速在调速单元启动1分钟后仍然超出设定转速范围，则人为改变调速增益K_v，改进调节效果；当变量泵工作为最大与最小排量时均无法将发电机转速调节至规定的运行转速范围内时，调速单元停机，重复执行步骤2的操作；通过这种方式实现了液压缸的输出流量与发电机的转速之间的解耦，通过液压传动系统7将功率不稳定的变压网络转换为稳定功率输出的准恒压网络。

本发明的原理如下：当液压缸输出流量增大时，部分流量被高压皮囊式蓄能器吸收，多余流量导致液压马达M1及与之连轴的变量泵的转速ω₁增加，在负载转矩不变的情况下导致发电机转速ω₂的增加，此时通过减小变量泵的排量，抵消变量泵转速ω₁变化对发电机转速ω₂产生的影响，保证驱动发电机的液压马达M2的转速稳定；当液压回路中的输入流量减小时，变量泵的转速ω₁减小，在负载转矩不变情况下液压马达M2输出转速ω₂减小。液压缸与变量泵上的变量机构固连在一起，通过液压缸改变变量机构来控制变量泵的排量；当变量泵的转速ω₁增大时，测速泵转速增加，液压缸将在增大的压差作用下移动，带动变量机构减小变量泵的排量使其输出流量减小；当变量泵的转速ω₁减小时，测速泵转速降低，液压缸在回复弹簧的作用下带动变量机构，增大变量泵的排量使其输出流量增大；变量泵17的排量被自动地调节，使其始终能够输出一个大致恒定的流量，从而达到控制液压马达M2转速的目的，这一控制过程直至液压缸的两端取得压力平衡为止。

Claims (1)

1.一种具有功率解耦能力的波浪能发电装置液压传动系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)设置主控制器的初始参数：设置液压马达M1(18)最高转速、液压马达M2(21)最高转速、变量泵(20)最高转速，调速增益Kv，调速发电机(9)运行转速范围及最低和最高温度；

(2)测量5分钟内的平均波高Ha，与机组设计时的规定匹配波高Hm相比较：Ha<Hm则变量泵与液压马达M1(18)脱开，变量泵空转，发电机不启动；Ha>Hm则启动发电机；

(3)测量发电机转速：发电机转速即为液压马达M2的输出转速ω2，发电机转速在1分钟内持续大于或小于额定转速并超出了设定的发电机运行转速范围，则调速单元进行工作，启动测速泵(28)则可通过调节变量泵的排量Dp，抵消变量泵转速ω1变化对发电机转速ω2产生的影响，实现发电机转速调节；计算公式如下所示：

其中，D_p为变量泵的弧度排量，D_g为液压马达M1的弧度排量，c_t为液压系统总的泄漏系数，T_g为发电机负载转矩，J₂为作用在液压马达M2与发电机转轴上所有部件总的转动惯量，B₂为作用在液压马达M2发电机转轴上的粘性阻尼系数；

(4)为了改善调速效果，当测得发电机转速在调速单元启动1分钟后仍然超出设定转速范围，则人为改变调速增益Kv，改进调节效果；当变量泵工作为最大与最小排量时均无法将发电机转速调节至规定的运行转速范围内时，调速单元停机，重复执行步骤2的操作；通过这种方式实现了液压缸(3)的输出流量与发电机的转速之间的解耦，通过液压传动系统(7)将功率不稳定的变压网络转换为稳定功率输出的准恒压网络；

其中，所述的具有功率解耦能力的波浪能发电装置液压传动系统包括浮筒(1)和液压缸(3)，二者通过万向铰链A(2)相连；液压缸通过万向铰链B(4)与水下舱体(6)相连，水下舱体(6)中具有液压传动系统(7)、联轴器A(8)和发电机(9)；其特征在于，液压缸的上行腔和下行腔上安有起安全限压作用的压力保护单元，压力保护单元与位于液压管路(5)中的液压整流桥路相连，液压整流桥路将双向液压油转换为单一方向泵入液压传动系统的液压马达M1(18)中；所述的液压传动系统包括液压马达M1(18)、联轴器B(19)、变量泵(20)、液压马达M2(21)和油箱(22)，液压马达M1通过联轴器B与变量泵同轴安装，变量泵输送的高压油驱动另一个液压马达M2转动，液压马达M2通过联轴器A带动发电机转动，变量泵输送的低压油驱动流回油箱中，在此油路中安装单向阀C1(23)和单向阀C2(24)保证变量泵转速下降时不产生液压油倒吸现象，并且此油路中安装起吸收压力、流量脉动和稳定功率输出 作用的高压皮囊式蓄能器(25)；在液压马达M2的出油口安装防止马达转速下降时产生液压油倒吸作用的单向阀C3(30)；

所述的压力保护单元包括单向阀S1(10)、单向阀S2(12)、溢流阀R1(11)和溢流阀R2(13)，液压缸(3)的上行腔A口端安装单向阀S1和溢流阀R1，液压缸下行腔B口端安装单向阀S2和溢流阀R2；

所述的液压整流桥路包括单向阀K1(14)、单向阀K2(15)、单向阀K3(16)和单向阀K4(17)，液压缸(3)活塞杆向上运动产生的高压油通过单向阀K3驱动液压马达M1(18)，低压油通过单向阀K2流回液压缸下行腔B口；液压缸活塞杆向下运动产生的高压油通过单向阀K4驱动液压马达M1，低压油通过单向阀K1返回液压缸的上行腔A口；

所述的液压传动系统还包括具有输入功率与输出功率解耦作用的变量机构(26)、电磁节流阀(27)和测速泵(28)，变量机构安装于变量泵(20)上，测速泵与变量泵同轴安装，液压缸(3)上安有电磁节流阀；

液压马达M1(18)和变量泵(20)同轴安装构成液压变压器，将低压、大流量的输入转换为高压、小流量的输出；此输出回路中安装溢流阀(29)，溢流阀安装在高压皮囊式蓄能器(25)的出口，其泄油口与油箱(22)相连，用以消除压力峰值，液压变压比λ计算公式为：

其中P_p为变量泵的输出压力，P_m为液压马达M1的输入压力，D_p为变量泵的排量，D_m为液压马达M1的排量；

测速泵(28)和变量泵(20)构成发电机(9)的调速单元，启动测速泵可通过调节变量泵的排量Dp，抵消变量泵转速ω1变化对发电机转速ω2产生的影响，实现发电机转速调节；计算公式为步骤(3)中记载的计算公式。