CN107269467B - 一种全液压风-潮汐混合发电设备的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全液压风‑潮汐混合发电设备的控制方法，包括以下控制方式：1)电动变桨控制，在中央控制器内部预置的模糊PID算法中设置额定风速时的基准电压值，通过风速风向仪反馈即时风速的电压信号与基准电压值进行比较，决定是否进行风动叶轮的电动变桨操作；潮汐叶轮采用同样的控制方法；2)将风能采集器上的转速转矩传感器一和潮汐能采集器上的转速转矩传感器二转速信号以及两个变量泵的排量信号，一起输入中央控制器中，运用模糊PID算法进行处理，根据处理结果控制分流阀的开度；3)最佳功率追踪控制；4)液压系统压力调节控制。本发明的方法，控制灵活，可靠性高，发电效率高。
Description
技术领域
本发明属于混合发电控制技术领域，涉及一种全液压风-潮汐混合发电设备的控制方法。
背景技术
海上风电具有能源储量巨大、资源持续稳定、低环境影响等优点，相比陆上风电具有高风速、低风切变、低湍流、高产出、使用寿命长的优势。然而，海上风电机组复杂多变的运行工况、高发的机械故障率、昂贵的维修成本等已成为制约海上风电发展的障碍。
传统的风力发电机组主要有双馈式和直驱式，但两种类型的风力发电机组在结构特性、控制方法及其两者的匹配上存在诸多的问题。与传统双馈和直驱机型相比，液压传动系统功重比高，替代了双馈机型的齿轮箱，避免了直驱机型庞大的永磁发电机。液压传动减速比实时调整，可采用电励磁同步发电机，省掉整流逆变装置，具有提高发电质量，便于维护等优点。
发明内容
本发明的目的是提供一种全液压风-潮汐混合发电设备的控制方法，解决了现有技术风力发电机组在结构特性、控制方法及其两者的匹配上，存在运行工况复杂多变、机械故障高发、维修成本昂贵的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种全液压风-潮汐混合发电设备的控制方法，利用一种全液压风-潮汐混合发电设备，包括以下控制方式：
1)电动变桨控制
利用风速风向仪输出的电压与风速成正比关系，直接将风速信号转为电信号；在中央控制器内部预置的模糊PID算法中设置额定风速时的基准电压值，通过风速风向仪反馈即时风速的电压信号与基准电压值进行比较，决定是否进行风动叶轮的电动变桨操作；
潮汐叶轮采用同样的控制方法；
2)分流阀的开度控制
将风能采集器上的转速转矩传感器一和潮汐能采集器上的转速转矩传感器二转速信号以及两个变量泵的排量信号，一起输入中央控制器中，运用模糊PID算法进行处理，根据处理结果控制分流阀的开度；
3)最佳功率追踪控制
利用转矩平衡的方法调节叶轮转速，通过调节变量泵排量，使变量泵产生的反作用转矩为当前风速条件下的最优转矩；
4)液压系统压力调节控制。
本发明的有益效果是，包括以下方面：
1)采用模糊PID控制器。运用模糊数学的基本理论和方法，中央控制器25根据实际的风速，流速，流量，压力、转矩等信号的输入，运用模糊推理，实现对PID参数的最佳调整。
2)利用转矩平衡的方法调节叶轮转速。通过调节变量泵排量，使变量泵产生的反作用转矩为当前风速条件下的最优转矩。让叶轮在额定风速下，保持最优转矩，实现最大能量捕获。
3)根据两个变量泵输出流量，控制分流阀的开度。一方面解决了由于风塔过高，向风泵供给水困难的问题；另一方面多余的流量可直接经变截面喷嘴对冲击式水轮机进行冲击，提高能量利用效率。
4)根据变量泵输出流量，控制变截面喷嘴的截面积，实现液压传动系统的恒压工作。
附图说明
图1为本发明方法控制对象的风-潮汐混合发电机组结构示意图；
图2为本发明方法的整体控制原理框图；
图3为本发明方法中的分流阀8开度控制框图；
图4为本发明方法中的最优功率点追踪控制框图；
图5为本发明方法中的工作压力调节控制框图。
图中，1.风能采集器，2.变排量机构一，3.潮汐能采集器，4.变量泵二，5.过滤器，6.变排量机构二，7.单向阀，8.分流阀，9.变截面机构二，10.冲击式水轮机，11.永磁同步发电机，12.变截面机构一，13.压力传感器一，14.压力表一，15.蓄能器，16.溢流阀一，17.压力传感器二，18.压力表二，19.变量泵一，20.溢流阀二，21.电动变桨控制器一，22.转速转矩传感器一，23.电动变桨控制器二，24.转速转矩传感器二，25.中央控制器，26.变截面喷嘴一，27.变截面喷嘴二。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
参照图1、图2，本发明的结构是，包括风能采集器1和潮汐能采集器3，风能采集器1内部包括风动叶轮、电动变桨控制器一21、转速转矩传感器一22及风速风向仪组成，潮汐能采集器3内部包括潮汐叶轮、电动变桨控制器二23、转速转矩传感器二24及流速流向仪组成；风动叶轮与变量泵一19同轴刚性连接，变量泵一19设置有自己的变排量机构一2；潮汐叶轮与变量泵二4同轴刚性连接，变量泵二4设置有自己的变排量机构二6；变量泵二4进口端通过过滤器5与水箱连通，变量泵二4出口端与分流阀8进口端连通；
分流阀8主出口端与变量泵一19进口端连通；变量泵一19出口端一路通过溢流阀一16与水箱连通，另一路与蓄能器15、压力表一14、压力传感器一13及冲击式水轮机10第一进口端连通；冲击式水轮机10的第一进口端设置有变截面喷嘴一，该变截面喷嘴一设置有自己的变截面机构一12；
分流阀8的分流口(副出口端)一路通过溢流阀二20与水箱连通，另一路与压力表二18、压力传感器二17及冲击式水轮机10第二进口端连通，冲击式水轮机10的第二进口端设置有变截面喷嘴二，该变截面喷嘴二设置有自己的变截面机构二9，冲击式水轮机10的溢流口另外接回水箱；
冲击式水轮机10与永磁同步发电机11同轴传动连接，通过电力电子变流器并网。
变量泵一19和变量泵二4均为变排量液压泵。
与潮汐能采集器3相连的变量泵二4输出经分流阀8，一部分直接经变截面喷嘴二进入冲击式水轮机10，另一部分向与风能采集器1相连接的变量泵一19供油，经变截面喷嘴一进入冲击式水轮机10；
风速风向仪安装在风能采集器1上，流速流向仪安装在潮汐能采集器3上；转速转矩传感器一22的输入端接在风能采集器1的输出端，转速转矩传感器二24的输入端接在潮汐能采集器3的输出端；
转速转矩传感器一22、转速转矩传感器二24的输出端均接入中央控制器25；
中央控制器25另外与分流阀8、变排量机构一2、变排量机构二6、变截面机构一12、变截面机构二9、电动变桨控制器一21、电动变桨控制器二23控制连接。
蓄能器15吸收风速瞬变带来的能量波动，提高系统稳定性；无需额外供油设备，利用海水作为液压介质，对环境影响小。采用两个变量泵串联的形式，中央控制器25通过比较两台变量泵输出流量，控制分流阀8的开度，实现由低压的变量泵二4向高压的变量泵一19供液的功能，同时利用两个变截面喷嘴保持工作压力恒定。
本发明方法的基本构思是，根据风-潮汐混合发电机组的运行特性，采用中央控制器25(计算机)为控制中心，构造出潮汐能采集→风能采集→液压能传递→电能转换的技术路线，通过潮汐能→机械能→液压能→机械能→电能、以及风能→机械能→液压能→机械能→电能的转换过程，经发电机输出并网，实现能量传递与转换。
参照图2，本发明的风-潮汐混合发电机组控制方法，包括以下控制方式：
1)电动变桨控制
设置有永磁直流发电机风速风向仪，利用风速风向仪输出的电压与风速成正比关系，直接将风速信号转为电信号；在中央控制器25内部预置的模糊PID算法中设置额定风速时的基准电压值，通过风速风向仪反馈即时风速的电压信号与基准电压值进行比较，决定是否进行风动叶轮的电动变桨操作。
潮汐叶轮采用同样的控制方法。
2)分流阀8的开度控制
由于采用两个变量泵串联的布置方式，必须要根据实际工况控制分流阀8的开度(即主出口与分流口的流量分配)。
参照图3，将风能采集器1上的转速转矩传感器一22和潮汐能采集器3上的转速转矩传感器二24转速信号以及两个变量泵的排量信号，一起输入中央控制器25中，运用模糊PID算法进行处理，根据处理结果控制分流阀8的开度，本发明的全液压传动的风-潮汐混合发电机组包括以下四种工况：
工况1、风速和潮汐流速均在切入速度之下或切出速度之上时，变量泵一19和变量泵二4均不工作，整个混合发电机组处于停机状况。
工况2、风速在切入风速之下或切出风速之上，而潮汐流速在切入速度和切出速度之间时，只有变量泵二4工作，分流阀开度X＝0。
工况3、风速和潮汐流速均在切入速度和切出速度之间，且变量泵二4流量Qt大于变量泵一19的Qw时，变量泵一19和变量泵二4均正常工作，分流阀开度X＝(Qw/Qt)*100％。
工况4、风速和潮汐流速均在切入速度和切出速度之间，但变量泵二4流量Qt小于变量泵一19的Qw时，变量泵二4正常工作，变量泵一19排量Vwpump＝Qt/ωw，分流阀开度X＝100％。
3)最佳功率追踪控制
参照图4，利用转矩平衡的方法调节叶轮转速，通过调节变量泵排量，使变量泵产生的反作用转矩为当前风速条件下的最优转矩，
对于风能采集器1，低于额定风速时，通过转矩转速反馈及中央控制器25控制调整变量泵一19的排量，使变量泵一19负载转矩处于当前风速条件下的最优转矩，风力机组运行于最佳叶尖速比，获取最大风能利用系数进而最大限度跟踪最佳功率；高于额定风速时，采用电动变桨控制器进行变速控制，稳定输出功率，提高效率及发电电能质量；
对于潮汐能采集器3，采用同样的最佳功率追踪控制策略。
4)液压系统压力调节控制
参照图5，采用两个变截面喷嘴与液压管道相连，经变量泵二4加压后的海水经变截面喷嘴二进入冲击式水轮机10发电。以两个变量泵的输出流量为输入，中央控制器25运用模糊PID算法进行处理，控制分流阀8，两个变截面喷嘴的喷嘴截面积由分流阀8控制的油缸活塞位移决定，实现液压系统处于恒压工作状态。
Claims (3)
1.一种全液压风-潮汐混合发电设备的控制方法，利用一种全液压风-潮汐混合发电设备，其结构是，包括风能采集器(1)和潮汐能采集器(3)，风能采集器(1)内部包括风动叶轮、电动变桨控制器一(21)、转速转矩传感器一(22)及风速风向仪，风动叶轮与变量泵一(19)同轴刚性连接，变量泵一(19)设置有变排量机构一(2)；潮汐能采集器(3)内部包括潮汐叶轮、电动变桨控制器二(23)、转速转矩传感器二(24)及流速流向仪，潮汐叶轮与变量泵二(4)同轴刚性连接，变量泵二(4)设置有变排量机构二(6)；变量泵二(4)进口端通过过滤器(5)与水箱连通，变量泵二(4)出口端与分流阀(8)进口端连通；分流阀(8)主出口端与变量泵一(19)进口端连通；变量泵一(19)出口端一路通过溢流阀一(16)与水箱连通，另一路与蓄能器(15)、压力表一(14)、压力传感器一(13)及冲击式水轮机(10)第一进口端连通；冲击式水轮机(10)的第一进口端设置有变截面喷嘴一，该变截面喷嘴一设置有变截面机构一(12)；分流阀(8)的分流口一路通过溢流阀二(20)与水箱连通，另一路与压力表二(18)、压力传感器二(17)及冲击式水轮机(10)第二进口端连通；冲击式水轮机(10)的第二进口端设置有变截面喷嘴二，该变截面喷嘴二设置有变截面机构二(9)，冲击式水轮机(10)的溢流口另外接回水箱；冲击式水轮机(10)与永磁同步发电机(11)同轴传动连接，通过电力电子变流器并网，
基于上述的全液压风-潮汐混合发电设备，其特征在于，本方法包括以下控制方式：
1)电动变桨控制
利用风速风向仪输出的电压与风速成正比关系，直接将风速信号转为电信号；在中央控制器(25)内部预置的模糊PID算法中设置额定风速时的基准电压值，通过风速风向仪反馈即时风速的电压信号与基准电压值进行比较，决定是否进行风动叶轮的电动变桨操作；
潮汐叶轮采用与风动叶轮同样的控制方法；
2)分流阀(8)的开度控制
将风能采集器(1)上的转速转矩传感器一(22)和潮汐能采集器(3)上的转速转矩传感器二(24)转速信号以及两个变量泵的排量信号，一起输入中央控制器(25)中，运用模糊PID算法进行处理，根据处理结果控制分流阀(8)的开度；
所述的控制分流阀(8)的开度，包括以下四种工况：
工况1、风速和潮汐流速均在切入速度之下或切出速度之上时，变量泵一(19)和变量泵二(4)均不工作，整个混合发电机组处于停机状况；
工况2、风速在切入风速之下或切出风速之上，而潮汐流速在切入速度和切出速度之间时，只有变量泵二(4)工作，分流阀开度X＝0；
工况3、风速和潮汐流速均在切入速度和切出速度之间，且变量泵二(4)流量Qt大于变量泵一(19)的Qw时，变量泵一(19)和变量泵二(4)均正常工作，分流阀开度X＝(Qw/Qt)*100％；
工况4、风速和潮汐流速均在切入速度和切出速度之间，但变量泵二(4)流量Qt小于变量泵一(19)的Qw时，变量泵二(4)正常工作，变量泵一(19)排量Vwpump＝Qt/ωw，分流阀开度X＝100％；
3)最佳功率追踪控制
利用转矩平衡的方法调节叶轮转速，通过调节变量泵排量，使变量泵产生的反作用转矩为当前风速条件下的最优转矩，
具体过程是：
对于风能采集器(1)，低于额定风速时，通过转矩转速反馈及中央控制器(25)控制调整变量泵一(19)的排量，使变量泵一(19)负载转矩处于当前风速条件下的最优转矩，风力机组运行于最佳叶尖速比，获取最大风能利用系数进而最大限度跟踪最佳功率；高于额定风速时，采用电动变桨控制器进行变速控制，稳定输出功率，提高效率及发电电能质量；
对于潮汐能采集器(3)，采用与风能采集器(1)同样的最佳功率追踪控制策略；
4)液压系统压力调节控制
采用两个变截面喷嘴与液压管道相连，经变量泵二(4)加压后的海水经变截面喷嘴二进入冲击式水轮机(10)发电；以两个变量泵的输出流量为输入，中央控制器(25)运用模糊PID算法进行处理，控制分流阀(8)，两个变截面喷嘴的喷嘴截面积由分流阀(8)控制的油缸活塞位移决定，实现液压系统处于恒压工作状态。
2.根据权利要求1所述的全液压风-潮汐混合发电设备的控制方法，其特征在于：所述的风速风向仪安装在风能采集器(1)上，所述的流速流向仪安装在潮汐能采集器(3)上；所述的转速转矩传感器一(22)的输入端接在风能采集器(1)的输出端，所述的转速转矩传感器二(24)的输入端接在潮汐能采集器(3)的输出端。
3.根据权利要求1所述的全液压风-潮汐混合发电设备的控制方法，其特征在于：所述的转速转矩传感器一(22)、转速转矩传感器二(24)的输出端均接入中央控制器(25)；
中央控制器(25)另外与分流阀(8)、变排量机构一(2)、变排量机构二(6)、变截面机构一(12)、变截面机构二(9)、电动变桨控制器一(21)、电动变桨控制器二(23)控制连接。
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