CN104775984B - 一种电液发电机及风力电液发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电液发电机，由变量液压泵、双转子机构和变量液压马达依次装配组成，所述变量液压泵的泵转轴和所述双转子机构的发电机转轴相连接，所述变量液压泵的出口、进口分别通过电液发电机内部的管路与所述变量液压马达的进口、出口相连通。本发明同时公开了一种风力电液发电系统，包括叶轮、液压系统以及与叶轮相连接的电液发电机，所述液压系统包括补油系统、蓄能器、第一溢流阀和油箱。在风力电液发电系统中，叶轮带动电液发电机发电，通过分别调节电液发电机中的变量液压泵的排量和变量液压马达的排量，可以实现风力发电变速恒频控制。同时可以简化风力电液发电系统的电气结构，并能够缓冲风速突变引起的转矩冲击。

Description

一种电液发电机及风力电液发电系统

技术领域

本发明属于发电技术领域，具体涉及一种电液发电机及风力电液发电系统。

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。交流励磁变速恒频发电是在双馈异步发电机的转子中施加三相低频交流电流实现励磁，调节励磁电流的幅值、频率、相序，确保双馈异步发电机输出功率恒频恒压。同时采用矢量变换控制技术，实现双馈异步发电机有功功率、无功功率的独立调节。调节有功功率可调节叶轮转速，进而实现最大风能捕获的追踪控制；调节无功功率可调节电网功率因数。

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。

现有的风力发电系统，无论是使用双馈异步发电机还是永磁同步发电机，均需要通过电力电子设备来控制叶轮转速和输出频率，从而实现风力发电系统的变速恒频控制。这就使得现有的风力发电系统中，电气结构部分和控制系统部分均较为复杂，设计及使用成本较高，尤其是采用双馈异步发电机的风力发电系统中的电气结构部分和控制系统部分更为复杂；并且，在恶劣的风电场环境中，对较复杂的电气结构和控制系统的可靠性要求更高。

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。

另外，较大功率的永磁同步发电机还具有体积过大、稀土用量大、用铜量高、制作成本高等问题，不利于风力发电的经济效益。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种电液发电机及一种采用该电液发电机的风力电液发电系统，通过调节该电液发电机中的变量液压泵的排量和变量液压马达的排量，可以实现风力发电变速恒频控制。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种电液发电机，由变量液压泵、双转子机构和变量液压马达依次装配组成。所述变量液压泵包括泵转轴、泵壳体和配流盘，所述双转子机构包括转子壳体、第一转子、第二转子和发电机转轴，所述第一转子和所述发电机转轴固定装配在一起。所述变量液压马达包括马达转盘和马达壳体。所述泵壳体、所述配流盘、所述马达壳体均与所述转子壳体固定装配在一起。所述泵转轴朝向所述双转子机构的一端与所述发电机转轴相连接，所述第二转子与所述马达转盘固定装配在一起。

所述配流盘、所述转子壳体和所述马达壳体内部设有若干管路，所述变量液压泵的出口通过管路与所述变量液压马达的进口相连通，所述变量液压泵的进口通过管路与所述变量液压马达的出口相连通。

进一步的，所述第一转子、所述第二转子和所述发电机转轴沿同一条轴线装配，所述第一转子为永磁体。所述第二转子内表面固定有铁芯绕组，所述铁芯绕组和所述第二转子之间设有间隙，所述第一转子和所述第二转子能够做相对旋转运动。

进一步的，所述转子壳体和所述第二转子均为圆筒式结构，所述第二转子的外表面与所述转子壳体的内表面之间设有若干个轴承。所述发电机转轴通过若干个轴承支撑在所述第二转子内部。

进一步的，所述泵转轴伸出所述配流盘处，沿所述泵转轴周向设有第一骨架型密封圈。所述马达转盘伸出所述马达壳体处，沿所述马达转盘周向设有第二骨架型密封圈。

进一步的，所述变量液压泵为斜盘式轴向柱塞变量泵，所述变量液压马达为斜轴式轴向柱塞变量马达。

一种风力电液发电系统，包括叶轮、液压系统以及所述的电液发电机，所述电液发电机与所述叶轮相连接，所述液压系统包括补油系统、蓄能器、第一溢流阀和油箱。所述补油系统通过第一单向阀与所述变量液压泵的出口相连接，所述补油系统通过第二单向阀与所述变量液压泵的进口相连接。所述第一溢流阀通过第三单向阀与所述变量液压马达的进口相连接，所述第一溢流阀通过第四单向阀与所述变量液压马达的出口相连接。所述蓄能器的出口与所述变量液压泵的出口相连通。

进一步的，所述补油系统包括补油泵和第二溢流阀，所述补油泵的出口与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，所述第一单向阀的出口与所述变量液压泵的出口相连通，所述第一单向阀的进口与所述补油泵的出口相连通。所述第二单向阀的出口与所述变量液压泵的进口相连通，所述第二单向阀的进口与所述补油泵的出口相连通。所述第三单向阀的出口与所述第一溢流阀的进口相连通，所述第三单向阀的进口与所述变量液压马达的进口相连通。所述第四单向阀的出口与所述第一溢流阀的进口相连通，所述第四单向阀的进口与所述变量液压马达的出口相连通。所述第一溢流阀的出口与所述油箱相连通。

进一步的，所述叶轮与所述电液发电机之间通过齿轮箱相连接。

采用本发明具有如下的有益效果：

1、本发明所述的电液发电机具有具有双转子结构，可以解决永磁同步发电机的转速和电网频率之间的耦合问题，该电液发电机可以恒频输出。

2、本发明所述的电液发电机采用液压容积调速技术，实现了风力电液发电系统的变速恒频控制，而非通过电力电子设备进行变速恒频控制，简化了电气结构和控制系统，提高了可靠性。

3、本发明所述的风力电液发电系统减轻了使用大功率变流器时向电网中输入谐波电的问题。

4、本发明所述的风力电液发电系统采用了蓄能器，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，保护系统正常工作运行。

附图说明

图1为本发明实施例一种电液发电机的结构原理图；

图2为采用电液发电机的风力电液发电系统工作原理图。

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。一种电液发电机，由变量液压泵10、双转子机构20和变量液压马达30依次装配组成。

所述变量液压泵10包括泵转轴11、泵壳体12和配流盘13，所述变量液压泵10的类型可以是斜盘式轴向柱塞变量泵。

所述双转子机构20包括转子壳体21、第一转子22、第二转子23和发电机转轴24，所述第二转子23内表面固定有铁芯绕组25，所述第一转子22为永磁体。所述转子壳体21和所述第二转子23均为圆筒式结构，所述第一转子22和所述发电机转轴24固定装配在一起。

所述第一转子22、所述第二转子23和所述发电机转轴24沿同一条轴线装配，所述第二转子23的外表面与所述转子壳体21的内表面之间设有若干个轴承，所述发电机转轴24通过若干个轴承支撑在所述第二转子23内部。所述铁芯绕组25和所述第二转子23之间设有间隙，所述铁芯绕组25和所述第二转子23能够做相对旋转运动。所述铁芯绕组25和所述第二转子23在做相对旋转运动时，即永磁体与铁芯绕组做相对旋转运动，可以将旋转动能转化为电能。因此，所述双转子机构20起到了发电机的作用。

所述变量液压马达30包括马达转盘31和马达壳体32。所述变量液压马达30的类型可以是斜轴式轴向柱塞变量马达。

在所述变量液压泵10、所述双转子机构20和所述变量液压马达30依次装配组成电液发电机后，所述泵壳体12、所述配流盘13、所述马达壳体32均与所述转子壳体21固定装配在一起，在固定装配时可以采用螺栓连接方式。

所述泵转轴11朝向所述双转子机构20的一端与所述发电机转轴24相连接，连接时可以采用联轴器连接方式或者内花键套筒连接方式。所述第二转子23与所述马达转盘31固定装配在一起。因此，在所述电液发电机工作时，所述变量液压泵10与所述第一转子22具有相同的转速，所述变量液压马达30与所述第二转子23具有相同的转速，这就为解决发电机转速与电网频率的耦合问题提供了条件。

所述配流盘13、所述转子壳体21和所述马达壳体32内部设有若干管路，通过这些管路，使得所述变量液压泵10的出口与所述变量液压马达30的进口相连通，所述变量液压泵10的进口与所述变量液压马达30的出口相连通。所述变量液压泵10与所述变量液压马达30构成了一个闭式液压系统回路，通过分别调节所述变量液压泵10的排量和所述变量液压马达30的排量，可以改变所述第一转子22和所述第二转子23之间的转速关系，即调节了电液发电机的输出频率。

所述泵转轴11伸出所述配流盘13处，沿所述泵转轴11周向设有第一骨架型密封圈14；所述马达转盘31伸出所述马达壳体32处，沿所述马达转盘31周向设有第二骨架型密封圈33。所述第一骨架型密封圈14和所述第二骨架型密封圈33的使用，均是为了防止液压油进入所述双转子机构20内部。

另外，可以在所述转子壳体21中设置冷却水管路，用于在发电过程中进行冷却。

参照附图2，上面所述的电液发电机可以用于风力发电系统，还可以用于海流能发电系统，风力发电系统和海流能发电系统具有相类似的工作原理。

附图2中所示的风力电液发电系统，包括叶轮、液压系统以及与叶轮相连接的所述电液发电机1，所述叶轮与所述电液发电机1之间可以直接相连接，也可以通过齿轮箱相连接。所述液压系统包括补油系统40、蓄能器5、第一溢流阀6和油箱7，所述第一溢流阀6的出口与所述油箱7相连通。

所述补油系统40包括补油泵41和第二溢流阀42，所述补油泵41的出口与所述第二溢流阀42的进口相连通，所述补油泵41的进口和所述第二溢流阀42的出口均与所述油箱7相连通。所述蓄能器5的出口与所述变量液压泵10的出口相连通。

所述补油系统40与所述变量液压泵10之间设有第一单向阀81和第二单向阀82。所述第一单向阀81的出口与所述变量液压泵10的出口相连通，所述第一单向阀81的进口与所述补油泵41的出口相连通；所述第二单向阀82的出口与所述变量液压泵10的进口相连通，所述第二单向阀82的进口与所述补油泵41的出口相连通。

所述第一溢流阀6与所述变量液压马达30之间设有第三单向阀83和第四单向阀84。所述第三单向阀83的出口与所述第一溢流阀6的进口相连通，所述第三单向阀83的进口与所述变量液压马达30的进口相连通；所述第四单向阀84的出口与所述第一溢流阀6的进口相连通，所述第四单向阀84的进口与所述变量液压马达30的出口相连通。

参照附图2，本发明所述的风力电液发电系统的变速恒频控制工作原理如下所述：

1、在风的带动下，所述叶轮与所述变量液压泵10一同旋转，所述变量液压泵10输出高压油液驱动所述变量液压马达30旋转，由于所述泵转轴11与所述发电机转轴24相连接，所述第二转子23与所述马达转盘31固定装配在一起，使得所述第一转子22和所述第二转子23产生相对旋转运动，在永磁体和铁芯绕组的相对旋转运动作用下，对外输出电能。此为发电环节。

2、在所述叶轮的叶尖速比偏离最佳尖速比时，调节所述变量液压泵10的排量，改变所述变量液压泵10作用在叶轮上的反力矩，从而改变叶轮转速，使得所述叶轮的叶尖速比跟踪最佳尖速比，尽可能地捕获最大功率。此为叶轮变速控制运行环节。

3、在所述电液发电机1并入电网运行后，所述第一转子22和所述第二转子23的相对转速被电网钳制住并保持不变。此时，以所述电液发电机1输出稳定功率为目标，通过调节所述变量液压马达30的排量，并在蓄能器的“蓄能稳压”辅助作用下，使得所述电液发电机1向电网输出稳定功率。此为恒频恒功率控制运行环节。

4、在风力电液发电系统整个运行期间，所述蓄能器5持续地充或放油液，在液压系统中起到了“蓄能稳压”的作用，既有利于缓解风速突变引起的转矩冲击，又有利于输出稳定的电能。此为“蓄能稳压”环节。

5、当液压系统中的油液由于泄漏或者其他原因引起油液不足或者系统压力较低时，所述补油系统40开始工作，向液压系统主回路中补充油液。此为补油环节。

Claims (9)

1.一种电液发电机，其特征在于：该电液发电机由变量液压泵（10）、双转子机构（20）和变量液压马达（30）依次装配组成；所述变量液压泵（10）包括泵转轴（11）、泵壳体（12）和配流盘（13）；所述双转子机构（20）包括转子壳体（21）、第一转子（22）、第二转子（23）和发电机转轴（24），所述第一转子（22）和所述发电机转轴（24）固定装配在一起；所述变量液压马达（30）包括马达转盘（31）和马达壳体（32）；所述泵壳体（12）、所述配流盘（13）、所述马达壳体（32）均与所述转子壳体（21）固定装配在一起；所述泵转轴（11）朝向所述双转子机构（20）的一端与所述发电机转轴（24）相连接，所述第二转子（23）与所述马达转盘（31）固定装配在一起；

所述配流盘（13）、所述转子壳体（21）和所述马达壳体（32）内部设有若干管路，所述变量液压泵（10）的出口通过管路与所述变量液压马达（30）的进口相连通，所述变量液压泵（10）的进口通过管路与所述变量液压马达（30）的出口相连通。

2.按照权利要求1所述的一种电液发电机，其特征在于：所述第一转子（22）、所述第二转子（23）和所述发电机转轴（24）沿同一条轴线装配，所述第一转子（22）为永磁体；所述第二转子（23）内表面固定有铁芯绕组（25），所述铁芯绕组（25）和所述第二转子（23）之间设有间隙，所述第一转子（22）和所述第二转子（23）能够做相对旋转运动。

3.按照权利要求2所述的一种电液发电机，其特征在于：所述转子壳体（21）和所述第二转子（23）均为圆筒式结构，所述第二转子（23）的外表面与所述转子壳体（21）的内表面之间设有若干个轴承；所述发电机转轴（24）通过若干个轴承支撑在所述第二转子（23）内部。

4.按照权利要求3所述的一种电液发电机，其特征在于：所述泵转轴（11）伸出所述配流盘（13）处，沿所述泵转轴（11）周向设有第一骨架型密封圈（14）；所述马达转盘（31）伸出所述马达壳体（32）处，沿所述马达转盘（31）周向设有第二骨架型密封圈（33）。

5.按照权利要求4所述的一种电液发电机，其特征在于：所述变量液压泵（10）为斜盘式轴向柱塞变量泵，所述变量液压马达（30）为斜轴式轴向柱塞变量马达。

6.一种风力电液发电系统，包括叶轮，其特征在于：该风力电液发电系统还包括液压系统以及如权利要求1-5任一项所述的电液发电机（1），所述电液发电机（1）与所述叶轮相连接，所述液压系统包括补油系统（40）、蓄能器（5）、第一溢流阀（6）和油箱（7）；所述补油系统（40）通过第一单向阀（81）与所述变量液压泵（10）的出口相连接，所述补油系统（40）通过第二单向阀（82）与所述变量液压泵（10）的进口相连接；所述第一溢流阀（6）通过第三单向阀（83）与所述变量液压马达（30）的进口相连接，所述第一溢流阀（6）通过第四单向阀（84）与所述变量液压马达（30）的出口相连接；所述蓄能器（5）的出口与所述变量液压泵（10）的出口相连通。

7.按照权利要求6所述的一种风力电液发电系统，其特征在于：所述补油系统（40）包括补油泵（41）和第二溢流阀（42），所述补油泵（41）的出口与所述第二溢流阀（42）的进口相连通，所述补油泵（41）的进口和所述第二溢流阀（42）的出口均与所述油箱（7）相连通。

8.按照权利要求7所述的一种风力电液发电系统，其特征在于：所述第一单向阀（81）的出口与所述变量液压泵（10）的出口相连通，所述第一单向阀（81）的进口与所述补油泵（41）的出口相连通；所述第二单向阀（82）的出口与所述变量液压泵（10）的进口相连通，所述第二单向阀（82）的进口与所述补油泵（41）的出口相连通；所述第三单向阀（83）的出口与所述第一溢流阀（6）的进口相连通，所述第三单向阀（83）的进口与所述变量液压马达（30）的进口相连通；所述第四单向阀（84）的出口与所述第一溢流阀（6）的进口相连通，所述第四单向阀（84）的进口与所述变量液压马达（30）的出口相连通；所述第一溢流阀（6）的出口与所述油箱（7）相连通。

9.按照权利要求7或8所述的一种风力电液发电系统，其特征在于：所述叶轮与所述电液发电机（1）之间通过齿轮箱相连接。