CN104747378A - 一种双电液风力发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双电液风力发电系统，包括叶轮、与叶轮相连的第一电液发电机、补油系统、第二电液发电机、蓄能器、第一溢流阀和油箱。第一电液发电机包括变量液压泵和第一永磁同步发电机，第二电液发电机包括定量液压马达和第二永磁同步发电机。变量液压泵的出口与定量液压马达的进口相连通，变量液压泵的进口与定量液压马达的出口相连通。变量液压泵的进口还与补油系统相连接，补油系统与油箱相连接，蓄能器的出口连接在变量液压泵的出口与定量液压马达的进口相连通的管路上。本发明采用液压容积调速方法和变频器实现风力发电变速恒频控制，通过蓄能器缓解由于风速突变引起的转矩冲击，并采用两个电液发电机来解决风速与发电机功率不匹配的问题。

Description

一种双电液风力发电系统
技术领域
本发明属于风力发电领域，具体涉及一种双电液风力发电系统。
背景技术
能源短缺是当今世界各国共同面对的难题，对可再生能源的开发刻不容缓。在可再生能源领域中，风力发电是最成熟、最具规模开发条件和商业化发展前景的发电方式之一。
现有的风力发电系统中通常使用的发电机类型包括双馈异步发电机和永磁同步发电机。双馈异步发电机由绕线转子异步发电机和在转子电路上带交流励磁变频器组成。双馈异步发电机向电网输出的功率由两部分组成，即直接从定子输出的功率和通过变频器从转子输出的功率。双馈异步发电机的变速运行是建立在交流励磁变速恒频发电技术基础上的。
永磁同步发电机的转速和电网频率之间是刚性耦合的，在永磁同步发电机和电网之间采用变频器，可以解决转速和电网频率之间的耦合问题。通过对变频器电流的控制，就可以控制永磁同步发电机的转矩，从而控制叶轮转速使得风力发电系统变速运行。
采用双馈异步发电机的风力发电系统中，通常是叶轮通过齿轮箱与双馈异步发电机相连接；采用永磁同步发电机的风力发电系统中，通常是叶轮直接与永磁同步发电机相连接。上述两种叶轮与发电机的连接方式均为刚性连接，在风速突变的情况下，叶轮转速会发生突变，从而会对发电机造成转矩冲击，容易造成发电机故障。
现有的风力发电系统，无论是采用双馈异步发电机，还是永磁同步发电机，均存在风速与发电机功率不匹配(如风速较低与发电机额定功率较大之间的不匹配)引起的发电效率低的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种双电液风力发电系统，该双电液风力发电系统采用液压容积调速的方式实现风力发电变速恒频控制，通过蓄能器缓解由于风速突变引起的转矩冲击，并采用两个电液发电机来解决风速与发电机功率不匹配的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
一种双电液风力发电系统，包括叶轮、与叶轮相连接的第一电液发电机、补油系统、第二电液发电机、蓄能器、第一溢流阀和油箱。所述第一电液发电机包括变量液压泵和第一永磁同步发电机，所述变量液压泵包括泵转轴、泵壳体和泵配流盘，所述第一永磁同步发电机包括第一发电机壳体和第一发电机转轴，所述泵转轴与所述第一发电机转轴相连接。所述第二电液发电机包括定量液压马达和第二永磁同步发电机，所述定量液压马达包括马达转轴、马达壳体和马达配流盘，所述第二永磁同步发电机包括第二发电机壳体和第二发电机转轴，所述马达转轴与所述第二发电机转轴相连接。
所述变量液压泵的出口与所述定量液压马达的进口相连通，所述变量液压泵的进口与所述定量液压马达的出口相连通。所述变量液压泵的进口还与所述补油系统相连接，所述补油系统与所述油箱相连接。所述蓄能器的出口连接在所述变量液压泵的出口与所述定量液压马达的进口相连通的管路上。
进一步的，所述补油系统包括补油泵和第二溢流阀，所述补油泵的出口分别与所述变量液压泵的进口、所述第二溢流阀的进口相连通，所述补油泵的进口和所述第二溢流阀的出口均与所述油箱相连通。
进一步的，所述第一溢流阀的进口与所述定量液压马达的进口相连通，所述第一溢流阀的出口与所述定量液压马达的出口相连通。
进一步的，所述第一电液发电机由所述变量液压泵和所述第一永磁同步发电机装配组成，所述泵壳体和所述泵配流盘分别与所述第一发电机壳体固定装配在一起。所述第二电液发电机由所述定量液压马达和所述第二永磁同步发电机装配组成，所述马达壳体和所述马达配流盘分别与所述第二发电机壳体固定装配在一起。
进一步的，所述第一电液发电机还包括第一风扇，所述泵转轴与所述第一发电机转轴通过所述第一风扇相连接，所述第一风扇的轴心孔内表面为内花键式结构，所述泵转轴、所述第一发电机转轴上面均设有与所述第一风扇的内花键式结构相对应的外花键式结构。所述第二电液发电机还包括第二风扇，所述马达转轴与所述第二发电机转轴通过所述第二风扇相连接，所述第二风扇的轴心孔内表面为内花键式结构，所述马达转轴、所述第二发电机转轴上面均设有与所述第二风扇的内花键式结构相对应的外花键式结构。
进一步的，所述第一发电机壳体上设有若干个第一通风孔，所述第二发电机壳体上设有若干个第二通风孔。
进一步的，所述变量液压泵为斜盘式轴向柱塞变量泵，所述定量液压马达为斜盘式轴向柱塞定量马达。
进一步的，所述叶轮与所述变量液压泵之间通过齿轮箱相连接。
进一步的，所述第一永磁同步发电机的功率大于所述第二永磁同步发电机的功率。
进一步的，所述第一永磁同步发电机和所述第二永磁同步发电机分别通过相应的变频器与电网相连接。
采用本发明具有如下的有益效果：
1、本发明所述的双电液风力发电系统通过调节液压变量泵的排量，改变液压变量泵作用在叶轮上的反力矩，从而调节叶轮转速使叶轮保持最佳叶尖速比，实现风力发电的最大功率捕获控制。
2、本发明所述的双电液风力发电系统采用两个电液发电机，在不同风速下，调整两个电液发电机的工作状态组合，提高双电液风力发电系统的整体发电效率。
3、本发明所述的双电液风力发电系统采用了液压传动方式及蓄能器，在蓄能器的“蓄能稳压”作用下，可以缓解风速突变引起的转矩冲击，保护双电液风力发电系统正常工作运行。
4、本发明所述的双电液风力发电系统中的两个电液发电机均采用了整体式结构，即由变量液压泵/马达与永磁发电机装配为一个整体，使双电液风力发电系统的结构更加简约。
附图说明
图1为本发明实施例一种双电液风力发电系统的工作原理图；
图2为第一电液发电机的结构示意图；
图3为第二电液发电机的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照附图1至附图3。一种双电液风力发电系统，包括叶轮、第一电液发电机10、补油系统30、第二电液发电机20、蓄能器4、第一溢流阀5、油箱6和控制系统。所述第一电液发电机10和所述第二电液发电机20分别通过相应的变频器与电网相连接。所述叶轮与所述第一电液发电机10之间可以通过齿轮箱相连接，也可以直接相连接。
所述第一电液发电机10包括变量液压泵11、第一永磁同步发电机12和第一风扇13。所述变量液压泵11包括泵转轴111、泵壳体112和泵配流盘113，所述第一永磁同步发电机12包括第一发电机壳体121和第一发电机转轴122，所述泵转轴111与所述第一发电机转轴122通过所述第一风扇13相连接，所述第一风扇13的轴心孔内表面为内花键式结构，所述泵转轴111、所述第一发电机转轴122上面均设有与所述第一风扇13的内花键式结构相对应的外花键式结构。
所述第二电液发电机20包括定量液压马达21、第二永磁同步发电机22和第二风扇23。所述定量液压马达21包括马达转轴211、马达壳体212和马达配流盘213，所述第二永磁同步发电机22包括第二发电机壳体221和第二发电机转轴222。所述马达转轴211与所述第二发电机转轴222通过所述第二风扇23相连接，所述第二风扇23的轴心孔内表面为内花键式结构，所述马达转轴211、所述第二发电机转轴222上面均设有与所述第二风扇23的内花键式结构相对应的外花键式结构。
其中，所述变量液压泵11的类型可以为斜盘式轴向柱塞变量泵，所述定量液压马达21的类型可以为斜盘式轴向柱塞定量马达。另外，所述第一永磁同步发电机12的功率大于所述第二永磁同步发电机22的功率。
所述变量液压泵11的出口与所述定量液压马达21的进口相连通，所述变量液压泵11的进口与所述定量液压马达21的出口相连通。所述蓄能器4的出口连接在所述变量液压泵11的出口与所述定量液压马达21的进口相连通的管路上。
所述补油系统30包括补油泵31和第二溢流阀32。在液压系统压力低于一定数值时，所述补油系统30为液压系统补充额外的油液。所述补油泵31的出口分别与所述变量液压泵11的进口、所述第二溢流阀32的进口相连通，所述补油泵31的进口和所述第二溢流阀32的出口均与所述油箱6相连通。
所述第一溢流阀5的进口与所述定量液压马达21的进口相连通，所述第一溢流阀5的出口与所述定量液压马达21的出口相连通。所述第一溢流阀5起到了限制液压系统最高工作压力的作用，保护系统正常运行。
所述第一电液发电机10和所述第二电液发电机20均为整体式装配结构，有利于双电液风力发电系统的结构简化。
所述第一电液发电机10由所述变量液压泵11和所述第一永磁同步发电机12装配组成，所述泵壳体112和所述泵配流盘113分别与所述第一发电机壳体121固定装配在一起；所述第二电液发电机20由所述定量液压马达21和所述第二永磁同步发电机22装配组成，所述马达壳体212和所述马达配流盘213分别与所述第二发电机壳体221固定装配在一起。
所述第一发电机壳体121上设有若干个第一通风孔14，所述第二发电机壳体221上设有若干个第二通风孔24。所述第一通风孔14和所述第一通风孔14分别配合所述第一风扇13和所述第二风扇23的散热通风工作，有利于双电液风力发电系统的降温。
本发明所述的双电液风力发电系统的工作原理如下所述：
1、叶轮在风的作用下带动所述第一电液发电机10旋转工作，所述变量液压泵11向所述定量液压马达21输出高压油液并驱动所述第二电液发电机20旋转工作，所述第一电液发电机10和所述第二电液发电机20同时工作在发电状态。
2、所述控制系统通过调节所述变量液压泵11的排量，改变所述变量液压泵11作用在所述叶轮上的反力矩，调节叶轮转速使叶轮工作在最佳尖速比状态下，实现风力发电的最大功率捕获控制(即变速控制)。
3、所述控制系统通过控制所述第一电液发电机10与电网之间的变频器的工作状态、以及所述第二电液发电机20与电网之间的变频器的工作状态，来实现所风力发电的恒频控制。
4、在液压系统中蓄能器的“蓄能稳压”作用下，可以有效缓解由于风速突变引起的转矩冲击，保护双电液风力发电系统的正常工作运行。
5、预先设定四个风速值：启动风速V1、一等风速V2、二等风速V3和额定风速V4。其中，V4大于V3，V3大于V2，V2大于V1。
当监测到实际风速大于等于V1、小于V2时，所述控制系统控制变频器的工作状态，调增所述第二永磁同步发电机22的电磁扭矩，调减所述第一永磁同步发电机12的电磁扭矩，使所述第二永磁同步发电机22承担主要发电任务；
当监测到实际风速大于等于V2、小于V3时，所述控制系统控制变频器的工作状态，调增所述第一永磁同步发电机12的电磁扭矩，调减所述第二永磁同步发电机22的电磁扭矩，使所述第一永磁同步发电机12承担主要发电任务；
当监测到实际风速大于等于V3、小于等于V4时，所述控制系统控制变频器的工作状态，同时调增所述第一永磁同步发电机12和所述第二永磁同步发电机22的电磁扭矩，使所述第一永磁同步发电机12和所述第二永磁同步发电机22同时承担主要发电任务。
通过在不同风速下对所述第一永磁同步发电机12和所述第二永磁同步发电机22进行的工作状态切换(即小风速小发电机功率、大风速大发电机功率)，可以缓解风速与发电机功率不匹配的问题，提高双电液风力发电系统的整体发电效率。

Claims (10)

1.一种双电液风力发电系统，包括叶轮，其特征在于：该双电液风力发电系统还包括与叶轮相连接的第一电液发电机(10)、补油系统(30)、第二电液发电机(20)、蓄能器(4)、第一溢流阀(5)和油箱(6)；所述第一电液发电机(10)包括变量液压泵(11)和第一永磁同步发电机(12)，所述变量液压泵(11)包括泵转轴(111)、泵壳体(112)和泵配流盘(113)，所述第一永磁同步发电机(12)包括第一发电机壳体(121)和第一发电机转轴(122)，所述泵转轴(111)与所述第一发电机转轴(122)相连接；所述第二电液发电机(20)包括定量液压马达(21)和第二永磁同步发电机(22)，所述定量液压马达(21)包括马达转轴(211)、马达壳体(212)和马达配流盘(213)，所述第二永磁同步发电机(22)包括第二发电机壳体(221)和第二发电机转轴(222)，所述马达转轴(211)与所述第二发电机转轴(222)相连接；
所述变量液压泵(11)的出口与所述定量液压马达(21)的进口相连通，所述变量液压泵(11)的进口与所述定量液压马达(21)的出口相连通；所述变量液压泵(11)的进口还与所述补油系统(30)相连接，所述补油系统(30)与所述油箱(6)相连接；所述蓄能器(4)的出口连接在所述变量液压泵(11)的出口与所述定量液压马达(21)的进口相连通的管路上。
2.按照权利要求1所述的一种双电液风力发电系统，其特征在于：所述补油系统(30)包括补油泵(31)和第二溢流阀(32)，所述补油泵(31)的出口分别与所述变量液压泵(11)的进口、所述第二溢流阀(32)的进口相连通，所述补油泵(31)的进口和所述第二溢流阀(32)的出口均与所述油箱(6)相连通。
3.按照权利要求2所述的一种双电液风力发电系统，其特征在于：所述第一溢流阀(5)的进口与所述定量液压马达(21)的进口相连通，所述第一溢流阀(5)的出口与所述定量液压马达(21)的出口相连通。
4.按照权利要求3所述的一种双电液风力发电系统，其特征在于：所述第一电液发电机(10)由所述变量液压泵(11)和所述第一永磁同步发电机(12)装配组成，所述泵壳体(112)和所述泵配流盘(113)分别与所述第一发电机壳体(121)固定装配在一起；所述第二电液发电机(20)由所述定量液压马达(21)和所述第二永磁同步发电机(22)装配组成，所述马达壳体(212)和所述马达配流盘(213)分别与所述第二发电机壳体(221)固定装配在一起。
5.按照权利要求3或4所述的一种双电液风力发电系统，其特征在于：所述第一电液发电机(10)还包括第一风扇(13)，所述泵转轴(111)与所述第一发电机转轴(122)通过所述第一风扇(13)相连接，所述第一风扇(13)的轴心孔内表面为内花键式结构，所述泵转轴(111)、所述第一发电机转轴(122)上面均设有与所述第一风扇(13)的内花键式结构相对应的外花键式结构；所述第二电液发电机(20)还包括第二风扇(23)，所述马达转轴(211)与所述第二发电机转轴(222)通过所述第二风扇(23)相连接，所述第二风扇(23)的轴心孔内表面为内花键式结构，所述马达转轴(211)、所述第二发电机转轴(222)上面均设有与所述第二风扇(23)的内花键式结构相对应的外花键式结构。
6.按照权利要求5所述的一种双电液风力发电系统，其特征在于：所述第一发电机壳体(121)上设有若干个第一通风孔(14)，所述第二发电机壳体(221)上设有若干个第二通风孔(24)。
7.按照权利要求6所述的一种双电液风力发电系统，其特征在于：所述变量液压泵(11)为斜盘式轴向柱塞变量泵，所述定量液压马达(21)为斜盘式轴向柱塞定量马达。
8.按照权利要求2或3或4所述的一种双电液风力发电系统，其特征在于：所述叶轮与所述变量液压泵(11)之间通过齿轮箱相连接。
9.按照权利要求7所述的一种双电液风力发电系统，其特征在于：所述第一永磁同步发电机(12)的功率大于所述第二永磁同步发电机(22)的功率。
10.按照权利要求9所述的一种双电液风力发电系统，其特征在于：所述第一永磁同步发电机(12)和所述第二永磁同步发电机(22)分别通过相应的变频器与电网相连接。
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