CN104131953B - 基于液压传动与控制的风力发电方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于液压传动与控制的风力发电方法，所用装置包括内曲线液压马达,内曲线液压马达的轴上利用联轴器连接有风轮，内曲线液压马达的出口连接有管道，管道上设置有过滤器；管道另一端依次连接有比例流量阀、高速定量马达，高速定量马达采用联轴器连接有无级减速机，无级减速机采用联轴器连接有普通交流发电机。本发明中，在多级(≥2级)风轮与配套普通交流发电机之间布置液压传动与控制系统，将在同一塔架不同高度上的风轮组产生的能量收集到一起，共同转换成液压能来驱动一台或多台功率不等的普通交流发电机，真正使系统能够输出50±0.2Hz的合格交流电，满足并网发电要求。

Description

基于液压传动与控制的风力发电方法

技术领域

本发明涉及一种基于液压传动与控制的风力发电方法，属于风力发电技术领域。

背景技术

我国风能资源丰富，根据国家气象局的资料，我国离地10米高的风能资源储量约32.26亿千瓦，其中可开发利用的风能储量约10亿千瓦，50米高度的风能资源比10米高度的多一倍，为5亿多千瓦。随着人们对风力发电认识的日渐提高和风力发电技术的不断成熟，其应用领域也会越来越广泛。风能的利用主要是水平轴及垂直轴风力发电系统。目前的垂直轴风力机具备能接收来自任何方向的风，无须对风及发电机能安装在地面上，维修方便等优点而逐步被重视。

但目前垂直轴风力发电系统也存在很多不足，主要体现在：一是为了适应不同风速的发电要求，垂直轴风机中的发电机都是永磁式的，价格比普通交流发电机贵很多，尤其是大型风力发电机所需的永磁发电机十分昂贵，这也是限制其规模化发展的重要原因。二是风机转速相对较低，而对应的发电机转速要求较高，在风轮与发电机之间需要传动比较大的齿轮增速箱。目前的垂直轴风机的齿轮增速箱虽然可以放在地面上，但其体积仍笨重，价格昂贵；当采用不同高度的风轮时仍存在安装和维修不方便等问题。三是独立运行的风力发电系统所发出的电，其电压和频率是一直在变化的非标准交流电，且风能是随机波动的，不可能与负载的需求相匹配，需要用储能装置来储存这些风电，储存装置所储存的电能为直流电，但目前绝大多数的用电器和动力机械均需标准交流电，因此，风电系统中均设计有能实现直流转换成交流、且复杂昂贵的逆变器。

在现有技术方面，目前已有发明专利《基于内曲线液压马达的分离式柔性增速装置》(专利权号为201210141062.5)，该专利中公开了一种基于内曲线液压马达的分离式柔性增速装置，包括：风机，内曲线液压马达，高压端蓄能器，单向阀，溢流阀，节流阀，液压管道，液压马达组，发电机组，油箱。所述内曲线液压马达与液压管道相连，装在塔架上方，所述其他设备装在塔架下方。本发明装置使用的内曲线液压马达属于低速大扭矩马达，在所述发明中有改作液压泵使用。

上述专利技术很大程度上强调了改进的内曲线液压马达的结构，应用对象是仅有一级的(一个风轮)的水平轴风力发电机，水平轴风机的结构、工作原理及安装方式等均与垂直轴风机的有很大区别。由于风的随机性和液压组件自身的协调响应特性，尤其是对于中小型的风机，风速的瞬间变化经常引起风轮转速和系统压力的快速变化，而该变化往往快于有些液压元件的响应时间，引起这些液压元件动作的滞后性，导致控制精度降低，因而单靠该专利中的旁路节流阀、溢流阀、马达等常见液压元件组成的纯液压系统很难保证普通发电机的转速维持在满足并网要求的苛刻范围内；这是因为若采用常用普通4级交流发电机的话，须要求其转速控制在1500±6r/min范围内才能满足二级电的合格上网要求，须要求其转速控制在1500±3r/min的范围内才能满足一级电的上网合格要求，这就要求流入马达的流量必须精确控制，因而单靠普通的节流阀、溢流阀等很难保证进入马达的流量的稳定性和准确性，这是我们已经过测试验证了的。若专利中采用的发电机组为永磁式的，则开发成本仍然会很高，特别是对于大型风力发电机。

发明内容

鉴于上述系统在实际使用时存在的不足，本发明提出了基于液压传动与控制的多级垂直轴风力发电机液压恒频有效发电技术，在不同风速下，垂直轴风轮带动内曲线液压马达(当作泵用)旋转，泵打出的油流经比例流量阀后，驱动高速定量马达转动，高速定量马达通过减速机、联轴器与普通交流发电机连接，并带动发电机发电。当达到要求的启动风速时，溢流阀始终工作，通过调节比例流量阀的开度和无级减速机的传送比，通过液压系统和减速机构相结合的方法，并增加闭环控制单元，确保高速定量马达的转速维持在1500r/min±6r/min范围内，实现节流调速并合格发电。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。

一种基于液压传动与控制的风力发电方法，其所用装置包括内曲线液压马达,内曲线液压马达的轴上利用联轴器连接有风轮，风轮设置有两级；内曲线液压马达的出口连接有管道，管道上设置有过滤器；管道另一端依次连接有比例流量阀、高速定量马达，高速定量马达采用联轴器连接有无级减速机，无级减速机采用联轴器连接有普通交流发电机；比例流量阀和高速定量马达之间设置有第一级反馈控制单元；无级减速机与普通交流发电机之间设置有第二级反馈控制单元；高速定量马达出口连接有油箱；内曲线液压马达上连接有补油泵和辅助油箱；内曲线液压马达的出口处设置有蓄能器，用以更好地吸收液压冲击和压力波动；内曲线液压马达的出口处还设置有溢流阀，用以节流调速；无级减速电机上连接有变频电机；风轮设置有两级，均固定在同一立式塔架上，其各自的主轴独立旋转的。

上述装置中，针对两级风轮系统，当两风轮的转速之差超过所设计的合理范围时，补油泵启动，给运行慢的风轮所对应的内曲线液压马达补油，加速该风轮的转动，让两个风轮的转速之差始终维持在合理范围内。内曲线液压马达、补油泵都是从油箱吸油的，高速定量马达的回油也流入油箱。副油箱解决了内曲线液压马达自吸能力差和风轮自启动困难的问题。

为了确保普通交流发电机的转速维持在1500r/min可控范围内，控制时应首先启动第一级反馈控制单元，调节比例流量阀，此时无级减速机的转速跟踪高速定量马达的转速，使普通交流发电机的转速与1500r/min的误差维持在尽可能低的范围内(如12～30r/min)。然后再启动第二级反馈控制单元，通过变频电机实时调节无级减速机的传动比，让普通交流发电机的转速误差进一步维持在3～6r/min之内，满足并网要求。

该发明的有益效果在于：本发明中，在多级(≥2级)风轮与配套普通交流发电机之间布置液压传动与控制系统，将在同一塔架不同高度上的风轮组产生的能量收集到一起，共同转换成液压能来驱动一台或多台功率不等的普通交流发电机。通过研究补偿系统、多组闭环控制等技术，真正使系统能够输出50±0.2Hz的合格交流电，满足并网发电要求。该装置具有以下优势：

1)这种多级垂直轴风力发电机液压恒频有效发电系统采用在同一塔架上安装多级风轮的方式，每个风轮独立运转，通过液压系统汇流后驱动一台或多台普通交流发电机有效可靠工作，较好地吸收不同高度的风能，节省地基用地，进一步提高风能利用率。

2)避免在高空处采用转换风能与电能之间的笨拙的传动机构——机械式齿轮增速箱；省去了整流器和逆变器，并用普通交流发电机代替昂贵的永磁发电机，节省开发成本。

3)通过采用精密布置的液压传动和轻盈灵活的无极减速机相结合的方法，并加上多级闭环控制技术，可使同步交流发电机输出电的频率维持在50±0.2Hz范围内，系统响应时间快。这种无级减速机只是将高速定量马达的转速从12～30r/min的范围变成3～6r/min的范围，所以传速比范围较小，而且又安装在地面上，安装和维修方便，价格也较低。

附图说明

图1为本发明装置的系统结构示意图。

图2为本发明装置的控制系统策略图。

图中标记说明：1、补油泵；2、内曲线液压马达；3、辅助油箱；4、风轮；5、联轴器；6、过滤器；7、蓄能器；8、溢流阀；9、比例流量阀；10、第一级反馈控制单元；11、高速定量马达；12、第二级反馈控制单元；13、普通交流发电机；14、无级减速机；15、变频电机；16、油箱；17、管道。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好理解本发明。

实施例

如图1所示的基于液压传动与控制的风力发电方法，包括内曲线液压马达2,内曲线液压马达2的轴上利用联轴器5连接有风轮4，内曲线液压马达2的出口连接有管道17，管道17上设置有过滤器6；管道17另一端依次连接有比例流量阀9、高速定量马达11，高速定量马达11采用联轴器5连接有无级减速机14，无级减速机14采用联轴器5连接有普通交流发电机13；比例流量阀9和高速定量马达11之间设置有第一级反馈控制单元10；无级减速机14与普通交流发电机13之间设置有第二级反馈控制单元12；高速定量马达11出口连接有油箱16。内曲线液压马达2上连接有补油泵1和辅助油箱3。内曲线液压马达2的出口处设置了蓄能器7，用以更好地吸收液压冲击和压力波动。内曲线液压马达2的出口处设置了溢流阀8，用以节流调速。无级减速电机14上连接有变频电机15。风轮4设置有两级，均固定在同一立式塔架上，其各自的主轴独立旋转。

上述装置中，针对两级风轮系统，当两风轮的转速之差超过所设计的合理范围时，补油泵1启动，给运行慢的风轮所对应的内曲线液压马达2补油，加速该风轮的转动，让两个风轮的转速之差始终维持在合理范围内。内曲线液压马达2、补油泵1都是从油箱16吸油的，高速定量马达11的回油也流入油箱16。副油箱3解决了内曲线液压马达自吸能力差和风轮自启动困难的问题。

为了确保普通交流发电机13的转速维持在1500r/min可控范围内，控制时应首先启动第一级反馈控制单元10，调节比例流量阀9，此时无级减速机14的转速跟踪高速定量马达11的转速，使普通交流发电机13的转速与1500r/min的误差维持在尽可能低的范围内(如12～30r/min)。然后再启动第二级反馈控制单元12，通过变频电机15实时调节无级减速机14的传动比，让普通交流发电机13的转速误差进一步维持在3～6r/min之内，满足并网要求。

该装置具体的工作过程如下：

在不同风速下，两级垂直轴风轮带动各自的内曲线液压马达(作为液压泵使用)旋转，两个泵打出的高压油汇流经过比例流量阀后，驱动高速定量马达转动，高速定量马达通过无级减速机、联轴器与交流发电机连接，并带动交流发电机发电。为了确保交流发电机的转速维持在1500r/min可控范围内，并能尽可能多地发出合格电，采取了如图2所示的控制策略。当达到要求的启动风速时，首先判断两个风轮的转速是否相同或差别很小，若相同和相差很小，说明两路能够较好合流，则合流后的高压流体直接经过比例流量阀驱动高速定量马达；若两风轮的转速相差较大，但在可控范围内，为了顺利高效合流，则需启动补油系统，给运行慢的风轮所对应的内曲线液压马达补油，加速该对应风轮的转动，让两个风轮的转速之差始终维持在合理范围内，此时合流后的高压流体直接经过比例流量阀驱动高速定量马达。接着判断高速定量马达的转速是否在1500±6r/min的范围内，若在此范围内，则无级减速机保持1：1的传动比运行；若不在此范围内，应首先调节比例流量阀，此时无极减速机的转速跟踪马达的转速，使发电机的转速与1500r/min的误差维持在尽可能低的范围内(如12～30r/min)。然后再启动第二级反馈控制单元，即通过变频电机实时调节无极减速机的传送比，让交流发电机的转速误差进一步维持在3～6r/min之内，满足并网要求。

另外，通常液压泵的最低转速均大于500r/min，而1kW垂直轴风轮的转速为30r/min～200r/min，3kW垂直轴风轮的转速为30r/min～120r/min，风轮功率越大，所对应的可用最高转速越小，因此选用内曲线液压马达来代替液压泵。但目前内曲线液压马达本身的自吸能力较差，而与其配套的第二级风轮又被安装在一定的高度(通常大于8米)上，若不采取措施，将使内曲线液压马达的工作效率很低，这也经过测试。为此，在高于内曲线液压马达的一定位置处安装一个辅助油箱，让其提供内曲线液压马达启动时的初始压力，这既不借助外力，也较好地解决了内曲线液压马达自启动能力差的问题。目前野外风轮实验也已证实，这种方法在一定程度上还对改善大功率垂直轴风轮的自启动难题有很大帮助。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于液压传动与控制的风力发电方法，其所用装置包括内曲线液压马达,其特征在于：所述内曲线液压马达的轴上利用联轴器连接有风轮，所述风轮设置有两级；所述内曲线液压马达的出口连接有管道，所述管道上设置有过滤器；所述管道另一端依次连接有比例流量阀、高速定量马达，所述高速定量马达采用联轴器连接有无级减速机，所述无级减速机采用联轴器连接有普通交流发电机；所述比例流量阀和高速定量马达之间设置有第一级反馈控制单元；所述无级减速机与普通交流发电机之间设置有第二级反馈控制单元；所述高速定量马达出口连接有油箱；所述内曲线液压马达上连接有补油泵和辅助油箱；所述内曲线液压马达的出口处设置有蓄能器和溢流阀；所述无级减速机上连接有变频电机。

2.根据权利要求1所述的基于液压传动与控制的风力发电方法，其特征在于：基于上述装置，针对两级风轮系统，当两风轮的转速之差超过所设计的合理范围时，补油泵启动，给运行慢的风轮所对应的内曲线液压马达补油，加速该风轮的转动，让两个风轮的转速之差始终维持在合理范围内；内曲线液压马达、补油泵都从油箱吸油，高速定量马达的回油流入油箱；辅助油箱用以解决内曲线液压马达自吸能力差和风轮自启动困难的问题。

3.根据权利要求1或2所述的基于液压传动与控制的风力发电方法，其特征在于：为确保普通交流发电机的转速维持在1500r/min可控范围内，控制时首先启动第一级反馈控制单元，调节比例流量阀，此时无级减速机的转速跟踪高速定量马达的转速，使普通交流发电机的转速与1500r/min的误差维持在12～30r/min，再启动第二级反馈控制单元，通过变频电机实时调节无级减速机的传动比，让普通交流发电机的转速误差进一步维持在3～6r/min之内，满足并网要求。