CN106321363A - 一种机液混合传动风力发电机组 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种机液混合传动风力发电机组，主要包括风力机、第一离合器和第二离合器、定量泵、泵/马达、蓄能器、变量马达、发电机、第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、增速齿轮箱、输出齿轮、转速转矩传感器和控制器。风力机是风能捕获装置，泵/马达和蓄能器组成储能装置，变量马达和发电机组成发电装置。该系统在风速较高具备液压系统传动灵活，可靠性高，体积小，能实现无极调速等优点，同时风速较低时也拥有定传动比，效率高的特点。同时，通过储能装置对机组能量进行实时存储和释放，起到削峰填谷的作用，保证发电机输出功率的稳定性。

Description

一种机液混合传动风力发电机组
技术领域
本发明涉及风力发电领域，尤其是一种机械和液压混合动力发电机组。
背景技术
随着社会经济的快速发展，能源与环境危机日益加剧，全球范围内的能源危机、环境污染和气候变暖也逐步引起了人类的广泛关注，可再生能源的开发利用正呈现出加速发展的趋势，风能在地球上广泛存在，且是目前人们所掌握的最成熟的可再生能源之一。不难预见，风力发电必将会在未来世界能源供应中起到举足轻重的作用。
目前风电行业备受关注的三种机型分别为齿轮箱式传动的风力发电机组、直驱式风力发电机组和液压型风力发电机组，针对齿轮箱式传动的风力发电机组，采用多级齿轮箱结构，但齿轮箱的传动比为固定值，不能随着风速的变化而变化，同时齿轮箱的故障率较高而且不易维修；直驱式的风力发电机型，该机型存在发电机体积过大、制造成本过高、重量较重和不易于吊装等方面的不足；针对液压型风力发电机组，虽能实现无极调速且压力高体积小，但该机型在风速较低的时候，液压传动有盲区，不能真正发挥液压传动的优势。
目前，国内外均有专利对采用混合传动技术来改善风力发电机组运行等方面存在的问题。
中国专利CN200810100747.9，东南大学提出的机电混合式无极变速风力发电装置。改装置能实现真正的变速恒频运行，可显著提高系统的可靠性、运行效率及整个系统的效率。但该装置机构复杂，且不具备液压传动的柔性，所需元件较精密，维修不方便。
中国专利CN201310121132.5，浙江大学提出一种无极增速的风力发电系统。增速机构有三级差动行星齿轮构成，无极调速动作由单作用弹簧复位型的调速液压缸控制油膜来完成。该系统能稳定发电机转速和发电的频率，实现系统的变速恒频运行。但并未体现出机液传动的最大优势，齿轮箱较复杂，通过油膜副调速存在能量损失，系统发热。
中国专利CN201510571111.2，长安大学提出一种采用二次元件的机械液压混合无极变速装置。该装置通过纯机械传动与机械液压混合传动的传动切换实现混合传动，传动效率高、变速范围广。但是该系统的纯机械传动部分仍无法做到无极调速且齿轮箱结构复杂。
美国专利US6663525B1，Kevin D.Mckee等人提出一种具有制动能力的机液传动装置。该装置由行星齿轮机构、泵、马达等装置构成，但是液压系统只是作为制动装置来控制输出的旋转，本质上还是机械传动。
综上所述，现有的风力发电机组采用机械液压混合传动技术中，仅是在机械传动支路的基础上增加了液压传动支路，齿轮箱部分还是比较复杂，为克服技术缺陷，急需提供一种新型的机液混合传动的风力发电机组。
发明内容
本发明目的在于提供一种在可靠性高、体积小、效率高、能实现无极调速等优点，且风速较低时也拥有定传动比的机液混合传动风力发电机组。
为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明主要包括风力机、能量传动部分和能量输出部分，所述能量传动部分包括第一传动齿轮、第二传动齿轮、第三传动齿轮、第一离合器、第二离合器、转速转矩传感器、控制器；所述能量输出部分包括第一能量输出系统和第二能量输出系统；第一能量输出系统由增速齿轮箱、输出齿轮组及发电机组成，第二能量输出系统由定量泵、泵/马达、蓄能器、变量马达、齿轮A及发电机组成；
其中，风力机与第二传动齿轮同轴连接，第一传动齿轮和第三传动齿轮分别与第二传动齿轮啮合；在风力机与第二传动齿轮的连接轴上安装转速转矩传感器，转速转矩传感器将信号输出至控制器，控制器分别与第一离合器、第二离合器连接进行控制；
第一传动齿轮与第一离合器连接，第一离合器与增速齿轮箱相连，增速齿轮箱与输出齿轮组同轴连接，输出齿轮组中的一个齿轮与发电机同轴连接，带动发电机发电并入电网，组成第一能量输出系统；
第三传动齿轮与第二离合器连接，第二离合器又与定量泵同轴连接；定量泵与变量马达通过高压管路和低压管路构成闭式容积调速回路；补油泵电机与补油泵同轴连接，补油泵吸油口与油箱相连，补油泵压油口分别连接第一单向阀和第二单向阀进油口，第一单向阀出油口连接到高压管路，第二单向阀出油口连接到低压管路，进而通过液压管路为系统补油；溢流阀跨接在补油泵压油口与油箱之间；第一安全阀跨接在高压管路与油箱之间，第二安全阀跨接在低压管路与油箱之间；变量马达与齿轮A同轴连接并输出转矩转速，齿轮A与输出齿轮组中的一个齿轮啮合，齿轮A驱动输出齿轮组带动发电机发电并入电网，组成第二能量输出系统。
进一步的，所述增速齿轮箱包括第一增速齿轮、第二增速齿轮、第三增速齿轮、第四增速齿轮，第一增速齿轮与第一离合器连接，第二增速齿轮与第一增速齿轮啮合，第二增速齿轮与第三增速齿轮同轴连接，第四增速齿轮与第三增速齿轮啮合，第四增速齿轮与输出齿轮组中的齿轮同轴连接。
进一步的，所述输出齿轮组包括第一输出齿轮、第二输出齿轮、第三输出齿轮；第一输出齿轮与第四增速齿轮同轴连接，第一输出齿轮与第三输出齿轮内啮合，第一输出齿与第二输出齿轮外啮合，第二输出齿轮与齿轮A啮合。
进一步的，在第二输出系统中安装泵/马达和储能器；泵/马达与变量马达同轴连接；泵/马达的出油口与储能器连通，泵/马达的进油口与低压管路接通。
工作过程大致分为如下三种情况：
1)在风速较低(液压传动处于盲区)时，转速转矩传感器测出风力机的转矩转速，输入到控制器中，由控制器发出信号控制第二离合器将第三齿轮和定量泵分离开，这时风能驱动风力机通过第一齿轮、第一离合器、增速齿轮箱、输出齿轮组与发电机相连，同时将机械传动转化为电能，实现风能的捕获、转化和传输。
2)在风速较高时，转速转矩传感器测出风力机的转矩转速，输入到控制器中，由控制器发出信号控制第一离合器将第一齿轮和增速箱分离开，这时风力机带动第三齿轮驱动定量泵同步转动，定量泵输出高压油到变量马达，变量马达输出转矩转速传递到齿轮A，进而驱动输出齿轮组带动发电机发电并入电网，整个过程中通过控制变量马达确保发电机的稳速输出，保证电网与发电机并/离网发电。
3)当风速更大时，机组产生剩余能量，储能装置中泵/马达处于泵工况，输出高压油至蓄能器，即可将机组中剩余能量以液压能的形式存储在蓄能器中；当风速较小且液压传动已经出了工作盲区时，机组能量匮乏，储能装置中泵/马达处于马达工况，蓄能器输出高压油驱动泵/马达，将蓄能器存储的液压能以机械能的形式释放，与变量马达一起驱动发电机发电。储能装置的作用是将变量马达输出的机械能与蓄能器中油液的液压能之间进行实时转换，实现系统中能量的存储和释放，进而确保机组输出能量的均匀和平滑。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、采用机械传动与液压传动并联的方式实现机液混合传动发电，解决单一齿轮传动故障率高的问题，并弥补了单纯液压传动低速盲区的缺点；液压传动采用定量泵-变量马达闭式容积调速回路和泵/马达储能装置，实现削峰填谷，控制简单灵活，使发电机组稳定输出电能。
2、采用离合器装置实现机械传动与液压传动在不同风速下的分离，控制简单、操作灵活。
附图说明
图1是本发明的系统原理图。
图2是本发明的能量转化框图。
图3是本发明的结构布置示意图。
附图标号：1-风力机、2-传动齿轮组、2.1-第一传动齿轮、2.2-第二传动齿轮、2.3-第三传动齿轮、3.1-第一离合器、3.2-第二离合器、4-增速齿轮箱、4.1-第一增速齿轮、4.2-第二增速齿轮、4.3-第三增速齿轮、4.4-第四增速齿轮、5-转速转矩传感器、6-输出齿轮组、6.1-第一输出齿轮、6.2-第二输出齿轮、6.3-第三输出齿轮、7-齿轮A、8-发电机、9-定量泵、10-第一单向阀、11-第二单向阀、12-溢流阀、13-补油泵、14-补油泵电机、15-油箱、16-第一安全阀、17-第二安全阀、18-泵/马达、19-蓄能器、20-变量马达、21-高压管路、22-低压管路、23-电网。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
本发明主要包括风力机1、能量传动部分和能量输出部分；所述能量传动部分包括传动齿轮组2、第一离合器3.1、第二离合器3.2、转速转矩传感器5、控制器24；所述传动齿轮组由第一传动齿轮2.1、第二传动齿轮2.2、第三传动齿轮2.3组成；所述能量输出部分包括第一能量输出系统和第二能量输出系统；第一能量输出系统由增速齿轮箱4、输出齿轮组6及发电机8组成，第二能量输出系统由定量泵9、泵/马达18、蓄能器19、变量马达20、齿轮A7及发电机8组成；
如图1所示，风力机1与第二传动齿轮2.2同轴连接，第一传动齿轮2.1和第三传动齿轮2.3分别与第二传动齿轮2.2啮合；在风力机与第二传动齿轮的连接轴上安装转速转矩传感器5，转速转矩传感器5将信号输出至控制器24，控制器24分别与第一离合器3.1、第二离合器3.2连接进行控制；第一传动齿轮2.1与第一离合器3.1连接，第一离合器3.1与增速齿轮箱4相连，增速齿轮箱4与输出齿轮组6同轴连接，输出齿轮组6中的一个齿轮与发电机8同轴连接，带动发电机8发电并入电网23，组成第一能量输出系统；第三传动齿轮2.3与第二离合器3.2连接，第二离合器3.2又与定量泵9同轴连接；定量泵9与变量马达20通过高压管路21和低压管路22构成闭式容积调速回路；补油泵电机14与补油泵13同轴连接，补油泵13吸油口与油箱15相连，补油泵13压油口分别连接第一单向阀10和第二单向阀11进油口，第一单向阀10出油口连接到高压管路21，第二单向阀11出油口连接到低压管路22，进而通过液压管路为系统补油；溢流阀12跨接在补油泵13压油口与油箱15之间；第一安全阀16跨接在高压管路21与油箱15之间，第二安全阀17跨接在低压管路22与油箱15之间；变量马达20与齿轮A7同轴连接并输出转矩转速，齿轮A7与输出齿轮组6中的一个齿轮啮合，齿轮A7驱动输出齿轮组6带动发电机8发电并入电网23，组成第二能量输出系统。
所述增速齿轮箱4包括第一增速齿轮4.1、第二增速齿轮4.2、第三增速齿轮4.3、第四增速齿轮4.4，第一增速齿轮4.1与第一离合器3.1连接，第二增速齿轮4.2与第一增速齿轮4.1啮合，第二增速齿轮4.2与第三增速齿轮4.3同轴连接，第四增速齿轮4.4与第三增速齿轮4.3啮合，第四增速齿轮4.4与输出齿轮组6中的齿轮同轴连接。
所述输出齿轮组6包括第一输出齿轮6.1、第二输出齿轮6.2、第三输出齿轮6.3；第一输出齿轮6.1与第四增速齿轮4.4同轴连接，第一输出齿轮6.1与第三输出齿轮6.3内啮合，第一输出齿轮6.1与第二输出齿轮6.2外啮合，第二输出齿轮6.2与齿轮A7啮合。
在第二输出系统中安装泵/马达18和储能器19；泵/马达18与变量马达20同轴连接；泵/马达18的出油口与储能器19连通，泵/马达18的进油口与低压管路22接通。
本发明通过离合器作用实现风机与定量泵和齿轮的传动通断，低风速时液压传动处于盲区，液压元件的效率低，液压的优势体现不出来，转速转矩传感器5测出风力机1的转矩转速，输入到控制器24中，由控制器24发出信号控制第二离合器3.2将第三齿轮2.3和定量泵9分离开，这时风力机1与增速齿轮箱4连接，风力机1的状态是低速大扭矩，通过齿轮传动增速，带动输出齿轮组6进而驱动发电机8发电；高风速时，齿轮箱传动比为固定值，不能随风速的变化而变化，转速转矩传感器5测出风力机1的转矩转速，输入到控制器24中，由控制器24发出信号控制第一离合器3.1将第一齿轮2.1和增速箱4分离开，这时风力机1与定量泵9同轴相连，捕获风能并转化为液压能；定量泵9高压口通过高压管路21与变量马达20吸油口相连，变量马达20压油口通过低压管路22与定量泵9低压口相连，构成闭式容积调速回路；补油泵电机14与补油泵13同轴连接，补油泵13吸油口与油箱15相连，补油泵13压油口分别连接第一单向阀10和第二单向阀11进油口，第一单向阀10出油口连接到高压管路21，第二单向阀11出油口连接到低压管路22，进而通过液压管路为系统补油；溢流阀12跨接在补油泵13压油口与油箱15之间；第一安全阀16跨接在高压管路21与油箱15之间，第二安全阀17跨接在低压管路22与油箱15之间，其作用是分别防止高压管路21和低压管路22压力过载，起安全保护作用；整个过程中通过控制变量马达20的摆角，确保发电机8稳速输出，保证与发电机8与电网23并/离发电。
图2所示为本发明的能量转化图。风能通过风轮将一部分风能转化为机械能，机械能经齿轮传动到发电机，再将机械能转化为电能；另一部分风能通过风轮将风能转化为液压能传递到定量泵，由定量泵将这部分液压能经液压传动系统传递至变量马达，变量马达将液压能转化为机械能带动发电机发电，最终将机械能转化为电能；另一方面变量马达将液压能转化为机械能带动储能装置的泵/马达转动进行能量存储和释放，实现电能转换。
本发明的结构布置示意图如图3所示，包括风力机1、传动齿轮组2、增速齿轮箱4、输出齿轮6、定量泵9、泵/马达18、蓄能器19、变量马达20、发电机8；其中，泵/马达18与蓄能器19组成储能装置；变量马达20与发电机8组成发电装置。所有装置都位于机舱C上，液压管路连接定量泵9和变量马达20，构成闭式容积调速回路。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种机液混合传动风力发电机组，主要包括风力机、能量传动部分和能量输出部分，其特征在于：所述能量传动部分包括第一传动齿轮、第二传动齿轮、第三传动齿轮、第一离合器、第二离合器、转速转矩传感器、控制器；所述能量输出部分包括第一能量输出系统和第二能量输出系统；第一能量输出系统由增速齿轮箱、输出齿轮组及发电机组成，第二能量输出系统由定量泵、泵/马达、蓄能器、变量马达、齿轮A及发电机组成；
其中，风力机与第二传动齿轮同轴连接，第一传动齿轮和第三传动齿轮分别与第二传动齿轮啮合；在风力机与第二传动齿轮的连接轴上安装转速转矩传感器，转速转矩传感器将信号输出至控制器，控制器分别与第一离合器、第二离合器连接进行控制；
第一传动齿轮与第一离合器连接，第一离合器与增速齿轮箱相连，增速齿轮箱与输出齿轮组同轴连接，输出齿轮组中的一个齿轮与发电机同轴连接，带动发电机发电并入电网，组成第一能量输出系统；
第三传动齿轮与第二离合器连接，第二离合器又与定量泵同轴连接；定量泵与变量马达通过高压管路和低压管路构成闭式容积调速回路；补油泵电机与补油泵同轴连接，补油泵吸油口与油箱相连，补油泵压油口分别连接第一单向阀和第二单向阀进油口，第一单向阀出油口连接到高压管路，第二单向阀出油口连接到低压管路，进而通过液压管路为系统补油；溢流阀跨接在补油泵压油口与油箱之间；第一安全阀跨接在高压管路与油箱之间，第二安全阀跨接在低压管路与油箱之间；变量马达与齿轮A同轴连接并输出转矩转速，齿轮A与输出齿轮组中的一个齿轮啮合，齿轮A驱动输出齿轮组带动发电机发电并入电网，组成第二能量输出系统。
2.根据权利要求1所述的一种机液混合传动风力发电机组，其特征在于：所述增速齿轮箱包括第一增速齿轮、第二增速齿轮、第三增速齿轮、第四增速齿轮，第一增速齿轮与第一离合器连接，第二增速齿轮与第一增速齿轮啮合，第二增速齿轮与第三增速齿轮同轴连接，第四增速齿轮与第三增速齿轮啮合，第四增速齿轮与输出齿轮组中的齿轮同轴连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种机液混合传动风力发电机组，其特征在于：所述输出齿轮组包括第一输出齿轮、第二输出齿轮、第三输出齿轮；第一输出齿轮与第四增速齿轮同轴连接，第一输出齿轮与第三输出齿轮内啮合，第一输出齿轮与第二输出齿轮外啮合，第二输出齿轮与齿轮A啮合。
4.根据权利要求1所述的一种机液混合传动风力发电机组，其特征在于：在第二输出系统中安装泵/马达和储能器；泵/马达与变量马达同轴连接；泵/马达的出油口与储能器连通，泵/马达的进油口与低压管路接通。
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