CN106894943A - 波浪能发电装置液压匹配系统及控制策略 - Google Patents

波浪能发电装置液压匹配系统及控制策略 Download PDF

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CN106894943A CN201710271001.3A CN201710271001A CN106894943A CN 106894943 A CN106894943 A CN 106894943A CN 201710271001 A CN201710271001 A CN 201710271001A CN 106894943 A CN106894943 A CN 106894943A
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Abstract

本发明公开了一种波浪能发电装置液压匹配系统及控制策略，该系统包括用于将液压油的压力能转换为电能的液压发电模块、用于将液压发电模块产生电能输送至电网系统的并网模块和用于将波浪能转换为液压油的压力能的波浪能转换模块；波浪能转换模块包括安装于波浪能发电平台上的浮子，浮子与齿条铰接，齿条与安装在波浪能发电平台上的齿轮箱内的齿轮啮合，齿轮箱的输出轴与双向齿轮油泵采用联轴器连接；双向齿轮油泵的两个出油口分别与梭阀的两个进油口连接，梭阀的出油口与单向阀的进油口连接，单向阀的出油口通过高压出油管与液压发电模块连接。本发明采用双向齿轮油泵和梭阀组合，实现浮子双行程做功，提高了波浪能转换效率。

Description

波浪能发电装置液压匹配系统及控制策略
技术领域
本发明涉及波浪能发电技术领域，具体地指一种波浪能发电装置液压匹配系统及控制策略。
背景技术
海洋波浪蕴藏着巨大的能量，全球有经济价值的波浪能开采量估计为1～10亿千瓦，中国波浪能的理论储量为7000万千瓦左右。波浪能发电系统可将波浪的能量转换为机械的、气压的或液压的能量，然后通过传动机构、气轮机、水轮机或油压马达驱动发电机发电。
为保证波浪能发电平台在波浪高度和波浪周期变化时正常工作，同时能够获得较高的发电效率，波浪能发电系统设置有波浪能发电装置液压匹配系统。现有的液压发电系统，多采用单级液压马达回路，波浪能转化的压力能通过液压马达的作用转变为回转的机械能，带动发电机发电。
以上系统存在的问题主要是发电机输出功率不稳定和发电效率低。当波浪能密度较低时，液压回路的油压比较低；当波浪能密度较高时，液压回路的油压比较高。此时，液压马达为了适应工况，需要宽的工作范围，但会造成液压马达不能一直处于最优工况，转换效率低的问题。
发明内容
本发明的目的针对上述现有技术中的不足之处，而提供一种波浪能发电装置液压匹配系统及控制策略，以实现不同工况高效稳定的发电功能。
为实现上述目的，本发明所设计的波浪能发电装置液压匹配系统，包括用于将液压油的压力能转换为电能的液压发电模块、用于将液压发电模块产生电能输送至电网系统的并网模块和用于将波浪能转换为液压油的压力能的波浪能转换模块；所述波浪能转换模块包括安装于波浪能发电平台上的浮子，所述浮子与齿条铰接，所述齿条与安装在波浪能发电平台上的齿轮箱内的齿轮啮合，所述齿轮箱的输出轴与双向齿轮油泵采用联轴器连接；所述双向齿轮油泵的两个出油口分别与梭阀的两个进油口连接，所述梭阀的出油口与单向阀的进油口连接，所述单向阀的出油口通过高压出油管与液压发电模块连接。
进一步地，所述液压发电模块包括高压进油总管、总路流量传感器、总路压力传感器、控制器ECU和若干个相同的发电支路，每一个发电支路包括一端与所述高压进油总管连接的进油支管，所述进油支管的另一端通过支路流量传感器与电磁通断阀的一端连接；所述电磁通断阀另一端与电磁比例调节阀的一端通过高压油管连接；所述电磁比例调节阀的另一端与液压马达通过高压油管连接，所述电磁比例调节阀与液压马达之间的高压油管中设置由支路压力传感器；所述液压马达与发电机通过联轴器连接；所述发电机产生的电能通过功率输出线输送到并网模块。当波浪能转换模块将高压油输入所述液压发电模块后进入蓄能器，通过所述压力传感器和流量传感器确定主油路的流量和油压。将得到的流量和压力数据与各发电机组的液压马达额定工作压力和排量进行对比，确定最佳的工作模式。
更进一步地，所述并网模块包括DC/DC变换器、DC/AC并网逆变器、逆变器控制系统、电压/电流检测器以及滤波电路。发电设备输出的直流电，经过DC/DC变换器后使得其电压达到一定的稳定状态。随后送入DC/AC并网逆变器，完成最终的升压以及稳频，使其各项参数和电网系统保持一致，便于并网。
更进一步地，所述液压发电模块还包括蓄能器和溢流阀。当油压高于发电支路的最高工作压力时，溢流阀开启，释放蓄能器内的压力，保护发电支路的安全。
更进一步地，所述波浪能转换模块为若干个，均通过高压出油管与液压发电模块连接。
更进一步地，所述发电支路为三个，分别为第一发电支路、第二发电支路、第三发电支路，第一发电支路的液压马达M1的额定最高压力设定为m MPa，额定最大排量设定为nml/r，第二发电支路的液压马达M2的额定最高压力设定为2m MPa，额定最大排量设定为2nml/r，第三发电支路的液压马达M3的额定最高压力设定为3m MPa，额定最大排量设定为3nml/r。
一种根据上述波浪能发电装置液压匹配系统的控制策略，包括如下步骤：
1)采集总路压力传感器的压力值H、总路流量传感器的流量值F；采集第一支路压力传感器的压力值h1、第一支路流量传感器的流量值f1；采集第二支路压力传感器的压力值h2、第二支路流量传感器的流量值f2；采集第三支路压力传感器的压力值h3、第三支路流量传感器的流量值f3；
2)当满足H<m，F<n时，前往步骤3)；当满足m<H<2m，n<F<2n时，前往步骤4)；当满足2m<H<3m，2n<F<3n时，前往步骤5)，当满足3m<H<4m，3n<F<4n时，前往步骤6)；当满足4m<H<5m，4n<F<5n时，前往步骤7)；当满足5m<H<6m，5n<F<6n时，前往步骤8)；
3)开启第一发电支路的电磁通断阀，关闭第二发电支路和第三发电支路的电磁通断阀，调节第一发电支路的电磁比例调节阀直至满足H＝h1，F＝f1；
4)开启第二发电支路的电磁通断阀，关闭第一发电支路和第三发电支路的电磁通断阀，调节第二发电支路的电磁比例调节阀直至满足H＝h2，F＝f2；
5)开启第三发电支路的电磁通断阀，关闭第一发电支路和第二发电支路的电磁通断阀，调节第二发电支路的电磁比例调节阀直至满足H＝h3，F＝f3；
6)开启第一发电支路和第三发电支路的电磁通断阀，关闭第二发电支路的电磁通断阀，调节第一发电支路和第三发电支路的电磁比例调节阀直至满足f1＝m，H＝h1+h3；
7)开启第二发电支路和第三发电支路的电磁通断阀，关闭第一发电支路的电磁通断阀，调节第二发电支路和第三发电支路的电磁比例调节阀直至满足f2＝2m，H＝h2+h3；
8)开启第一发电支路、第二发电支路和第三发电支路的电磁通断阀，调节第一发电支路、第二发电支路和第三发电支路的电磁比例调节阀直至满足f1＝m，f2＝2m，H＝h1+h2+h3。通过电磁通断阀的开启/关闭以及比例调节阀的调节相结合，实现蓄能器内压力在0～6m MPa，主油路流量0～6n变化时液压马达一直处于最佳工作状态，从而使发电机组可以稳定高效的工作。
本发明的工作原理为当浮子在波浪的作用下上下运动时，通过浮子上连接的齿条和与之相啮合的齿轮带动双向齿轮油泵做功使进入双向齿轮油泵的液压油压力升高；通过梭阀实现浮子向上和向下运动时做功叠加；通过单向阀使波浪能转换模块向液压发电模块持续单向输出高压油。液压发电模块将高压液压油的压力能转换为电能，液压发电模块将产生电能输送至电网系统。
与现有技术相比，本发明的优点包括：
1)采用双向齿轮油泵和梭阀组合，实现浮子双行程做功，提高了波浪能转换效率；
2)采用蓄能器稳压，一方面可以实现以一定压力输出到液压马达，同时可以减少压力脉动带来的液压马达转速变化；
3)采用多发电组复合的设计，不仅可以实现液压发电模块更高的压力和流量适应范围，同时可以保证液压马达和发电机处于最佳工作区间，提高波浪能发电平台的发电效率。
附图说明
图1为本发明波浪能发电装置液压匹配系统的油路图。
图2为图1中的波浪能转换模块油路图。
图3为图1中的液压发电模块油路图。
图4为图1中的并网模块结构示意图。
图中：液压发电模块1，液压马达1.1，发电机1.2，支路压力传感器1.3，电磁比例调节阀1.4，电磁通断阀1.5，支路流量传感器1.6，进油支管1.7，功率输出线1.8，高压进油总管1.9，总路流量传感器1.10，总路压力传感器1.11，蓄能器1.12，溢流阀1.13，并网模块2，DC/DC变换器2.1，DC/AC并网逆变器2.2，逆变器控制系统2.3，电压/电流检测器2.4，滤波电路2.5，波浪能转换模块3，齿条3.1，齿轮箱3.2，双向齿轮油泵3.3，梭阀3.4，单向阀3.5，高压出油管3.6，浮子3.7。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，本发明一种波浪能发电装置液压匹配系统，包括用于将液压油的压力能转换为电能的液压发电模块1、用于将液压发电模块1产生电能输送至电网系统的并网模块2和用于将波浪能转换为液压油的压力能的波浪能转换模块3。
如图2所示，波浪能转换模块3包括安装于波浪能发电平台上的浮子3.7，，可以随着波浪运动上下滑动，浮子3.7与齿条3.1铰接，齿条3.1与安装在波浪能发电平台上的齿轮箱3.2内的齿轮啮合，齿轮箱3.2的输出轴与双向齿轮油泵3.3采用联轴器连接；双向齿轮油泵3.3的两个出油口分别与梭阀3.4的两个进油口连接，梭阀3.4的出油口与单向阀3.5的进油口连接，单向阀3.5的出油口通过高压出油管3.6与液压发电模块1连接。波浪能转换模块3为若干个，均通过高压出油管3.6与液压发电模块1连接。通过这种连接方式，可以将波浪能转换为浮子3.7的动能，通过齿轮、齿条结构和双向齿轮油泵3.3将浮子3.7的动能转变为高压出油管内3.6液压油的压力能。同时，在浮子3.7依靠重力下降时也可以做功，将浮子3.7的重力势能转换为高压出油管3.6内液压油的压力能，实现波浪能转换模块3的双行程做功，提高能量转换效率。
如图3所示，液压发电模块1包括高压进油总管1.9、总路流量传感器1.10、总路压力传感器1.11、控制器ECU、蓄能器1.12、溢流阀1.13和多个相同的发电支路。高压进油总管1.9与蓄能器1.12连接，中间设有总路流量传感器1.10，实时检测高压进油总管的流量；蓄能器1.12上安装有总路压力传感器1.11，用来检测蓄能器1.12内油压。本实施例中为三个发电支路，第一发电支路包括进油支管1.7，进油支管1.7的一端通过三通接头与蓄能器1.12引出的高压进油总管1.9连接，进油支管1.7的另一端通过支路流量传感器1.6与电磁通断阀1.5的一端连接；电磁通断阀1.5另一端与电磁比例调节阀1.4的一端通过高压油管连接；电磁比例调节阀1.4的另一端与液压马达1.1通过高压油管连接，电磁比例调节阀1.4与液压马达1.1之间的高压油管中设置由支路压力传感器1.3；液压马达1.1与发电机1.2通过联轴器连接；发电机1.2产生的电能通过功率输出线1.8输送到并网模块2。第二发电支路、第三发电支路的结构、连接方式与第一发电支路相同，其中，三组发电机组G1、G2、G3适配的液压马达M1、M2、M3的压力和排量为：第一发电支路的液压马达M1的额定最高压力mMPa，排量n ml/r；第二发电支路的液压马达M2的额定最高压力2m MPa，额定最大排量2nml/r；第三发电支路的液压马达M3的额定最高压力3m MPa，排量3n ml/r。
如图4所示，并网模块2包括DC/DC变换器2.1、DC/AC并网逆变器2.2、逆变器控制系统2.3、电压/电流检测器2.4以及滤波电路2.5。发电设备输出的直流电，经过DC/DC变换器2.1后使得其电压达到一定的稳定状态。随后送入DC/AC并网逆变器2.2，完成最终的升压以及稳频，使其各项参数和电网系统保持一致，便于并网。在并入电网之前，辅助以滤波电路2.5来滤除其中的高频谐波以及电路系统中产生的各种噪声，提高系统整体稳定性，以保护电网系统的稳定。整个逆变过程需要在逆变控制系统2.3的控制之下进行，电压/电流检测器2.4不断地检测并网系统的各个环节，保证并网过程的正常进行。一旦出现问题，逆变控制系统将2.3及时断开并网模块与电网的连接，实现双向保护。
液压配系统的工作方式为：通过三个发电支路内电磁通断阀1.5的开启/关闭以及比例调节阀1.4的调节相结合，实现蓄能器1.12内压力在0～6m MPa，主油路流量0～6n变化时液压马达1.1一直处于最佳工作状态，从而使发电机1.2可以稳定高效的工作。
本发明提出一种基于上述液压匹配系统的控制策略，包括如下步骤：
1)将第一发电支路的液压马达M1的额定最高压力设定为mMPa，额定最大排量设定为n ml/r，第二发电支路的液压马达M2的额定最高压力设定为2m MPa，额定最大排量设定为2n ml/r，第三发电支路的液压马达M3的额定最高压力设定为3m MPa，额定最大排量设定为3n ml/r；
2)采集总路压力传感器1.11的压力值H、总路流量传感器1.10的流量值F；采集第一支路压力传感器1.3的压力值h1、第一支路流量传感器1.6的流量值f1；采集第二支路压力传感器1.3的压力值h2、第二支路流量传感器1.6的流量值f2；采集第三支路压力传感器1.3的压力值h3、第三支路流量传感器1.6的流量值f3。
3)控制器ECU对采集值进行判断，并根据判断结构发出控制指令当满足H<m，F<n时，前往步骤4)；当满足m<H<2m，n<F<2n时，前往步骤5)；当满足2m<H<3m，2n<F<3n时，前往步骤6)，当满足3m<H<4m，3n<F<4n时，前往步骤7)；当满足4m<H<5m，4n<F<5n时，前往步骤8)；当满足5m<H<6m，5n<F<6n时，前往步骤9)；
4)开启第一发电支路的电磁通断阀1.5，关闭第二发电支路和第三发电支路的电磁通断阀1.5，调节第一发电支路的电磁比例调节阀1.4直至满足H＝h1，F＝f1；
5)开启第二发电支路的电磁通断阀1.5，关闭第一发电支路和第三发电支路的电磁通断阀1.5，调节第二发电支路的电磁比例调节阀1.4直至满足H＝h2，F＝f2；
6)开启第三发电支路的电磁通断阀1.5，关闭第一发电支路和第二发电支路的电磁通断阀1.5，调节第二发电支路的电磁比例调节阀1.4直至满足H＝h3，F＝f3；
7)开启第一发电支路和第三发电支路的电磁通断阀1.5，关闭第二发电支路的电磁通断阀1.5，调节第一发电支路和第三发电支路的电磁比例调节阀1.4直至满足f1＝m，H＝h1+h3；
8)开启第二发电支路和第三发电支路的电磁通断阀1.5，关闭第一发电支路的电磁通断阀1.5，调节第二发电支路和第三发电支路的电磁比例调节阀1.4直至满足f2＝2m，H＝h2+h3；
9)开启第一发电支路、第二发电支路和第三发电支路的电磁通断阀1.5，调节第一发电支路、第二发电支路和第三发电支路的电磁比例调节阀1.4直至满足f1＝m，f2＝2m，H＝h1+h2+h3。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡任何背离本专利的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化均应为等效的置换方式，都包含在本发明要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种波浪能发电装置液压匹配系统，其特征在于：包括用于将液压油的压力能转换为电能的液压发电模块(1)、用于将液压发电模块(1)产生电能输送至电网系统的并网模块(2)和用于将波浪能转换为液压油的压力能的波浪能转换模块(3)；所述波浪能转换模块(3)包括安装于波浪能发电平台上的浮子(3.7)，所述浮子(3.7)与齿条(3.1)铰接，所述齿条(3.1)与安装在波浪能发电平台上的齿轮箱(3.2)内的齿轮啮合，所述齿轮箱(3.2)的输出轴与双向齿轮油泵(3.3)采用联轴器连接；所述双向齿轮油泵(3.3)的两个出油口分别与梭阀(3.4)的两个进油口连接，所述梭阀(3.4)的出油口与单向阀(3.5)的进油口连接，所述单向阀(3.5)的出油口通过高压出油管(3.6)与液压发电模块(1)连接。
2.根据权利要求1所述的波浪能发电装置液压匹配系统，其特征在于：所述液压发电模块(1)包括高压进油总管(1.9)、总路流量传感器(1.10)、总路压力传感器(1.11)、控制器ECU和若干个相同的发电支路，每一个发电支路包括一端与所述高压进油总管(1.9)连接的进油支管(1.7)，所述进油支管(1.7)的另一端通过支路流量传感器(1.6)与电磁通断阀(1.5)的一端连接；所述电磁通断阀(1.5)另一端与电磁比例调节阀(1.4)的一端通过高压油管连接；所述电磁比例调节阀(1.4)的另一端与液压马达(1.1)通过高压油管连接，所述电磁比例调节阀(1.4)与液压马达(1.1)之间的高压油管中设置由支路压力传感器(1.3)；所述液压马达(1.1)与发电机(1.2)通过联轴器连接；所述发电机(1.2)产生的电能通过功率输出线(1.8)输送到并网模块(2)。
3.根据权利要求2所述的波浪能发电装置液压匹配系统，其特征在于：所述并网模块(2)包括DC/DC变换器(2.1)、DC/AC并网逆变器(2.2)、逆变器控制系统(2.3)、电压/电流检测器(2.4)以及滤波电路(2.5)。
4.根据权利要求2所述的波浪能发电装置液压匹配系统，其特征在于：所述液压发电模块(1)还包括蓄能器(1.12)和溢流阀(1.13)。当油压高于发电支路的最高工作压力时，溢流阀开启，释放蓄能器内的压力，保护发电支路的安全。
5.根据权利要求1所述的波浪能发电装置液压匹配系统，其特征在于：所述波浪能转换模块(3)为若干个，均通过高压出油管(3.6)与液压发电模块(1)连接。
6.根据权利要求2所述的波浪能发电装置液压匹配系统，其特征在于：所述发电支路为三个，分别为第一发电支路、第二发电支路、第三发电支路，第一发电支路的液压马达M1的额定最高压力设定为m MPa，额定最大排量设定为n ml/r，第二发电支路的液压马达M2的额定最高压力设定为2m MPa，额定最大排量设定为2n ml/r，第三发电支路的液压马达M3的额定最高压力设定为3m MPa，额定最大排量设定为3n ml/r。
7.一种根据权利要求6所述的波浪能发电装置液压匹配系统的控制策略，其特征在于：包括如下步骤：
1)采集总路压力传感器(1.11)的压力值H、总路流量传感器(1.10)的流量值F；第一支路压力传感器(1.3)的压力值h1、第一支路流量传感器(1.6)的流量值f1；第二支路压力传感器(1.3)的压力值h2、第二支路流量传感器(1.6)的流量值f2；第三支路压力传感器(1.3)的压力值h3、第三支路流量传感器(1.6)的流量值f3；
2)当满足H<m，F<n时，前往步骤3)；当满足m<H<2m，n<F<2n时，前往步骤4)；当满足2m<H<3m，2n<F<3n时，前往步骤5)，当满足3m<H<4m，3n<F<4n时，前往步骤6)；当满足4m<H<5m，4n<F<5n时，前往步骤7)；当满足5m<H<6m，5n<F<6n时，前往步骤8)；
3)开启第一发电支路的电磁通断阀(1.5)，关闭第二发电支路和第三发电支路的电磁通断阀(1.5)，调节第一发电支路的电磁比例调节阀(1.4)直至满足H＝h1，F＝f1；
4)开启第二发电支路的电磁通断阀(1.5)，关闭第一发电支路和第三发电支路的电磁通断阀(1.5)，调节第二发电支路的电磁比例调节阀(1.4)直至满足H＝h2，F＝f2；
5)开启第三发电支路的电磁通断阀(1.5)，关闭第一发电支路和第二发电支路的电磁通断阀(1.5)，调节第二发电支路的电磁比例调节阀(1.4)直至满足H＝h3，F＝f3；
6)开启第一发电支路和第三发电支路的电磁通断阀(1.5)，关闭第二发电支路的电磁通断阀(1.5)，调节第一发电支路和第三发电支路的电磁比例调节阀(1.4)直至满足f1＝m，H＝h1+h3；
7)开启第二发电支路和第三发电支路的电磁通断阀(1.5)，关闭第一发电支路的电磁通断阀(1.5)，调节第二发电支路和第三发电支路的电磁比例调节阀(1.4)直至满足f2＝2m，H＝h2+h3；
8)开启第一发电支路、第二发电支路和第三发电支路的电磁通断阀(1.5)，调节第一发电支路、第二发电支路和第三发电支路的电磁比例调节阀(1.4)直至满足f1＝m，f2＝2m，H＝h1+h2+h3。
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