CN108331703A - 一种紧凑可控的海流发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种紧凑可控的海流发电装置，通过采用双级联的行星轮系和控制电机，将海流叶轮的时变功率转换成为发电机的电功率输出。通过有效地控制控制电机的转速，可以使得海流叶轮实时地跟踪最佳的转速值，从而使得机组运行在最佳功率点上，实现最大的海流功率捕获；同时，可以使得输入到发电机的转速保持稳定，使得发电机长时间运行在高效率区间。
Description
技术领域
本发明涉及一种发电技术领域，特别是海流能发电装置。
背景技术
海流能的储量大，能量密度高，可预测性强，现已逐渐成为解决能源危机及气候变暖等全球问题的新兴产业。海流能发电机组是一种将海水流动中所蕴含的动能转换为电能的新型发电装置。其中，水平轴海流发电机组一次能量捕获效率高，机械机构紧凑，在目前国内外市场上占主导地位。水平轴式海流发电机组根据传动方式的不同，也可以分为机械齿轮箱传动机组和液压传动机组；根据叶轮与发电机(或液压泵)是否通过齿轮箱相连接，分为直驱机组和半直驱式机组。
基于齿轮箱传动的海流发电机组采用固定齿轮比的齿轮箱实现增速传动，无法有效地实现机组转速随海流流速的无级变速控制和调节，因此在最大功率点跟踪控制等方面有待进一步完善。基于直驱传动的海流发电机组存在直驱电机体积过大、用铜量高、制作成本过高等一系列问题。基于液压传动的海流发电机组虽然解决了齿轮箱传动故障率高的问题，但机组的整体效率明显比纯机械传动的偏低，也存在高压液压油泄露和大量污染等问题。
因此，现有的海流能发电机组所采用的各类传动与控制方式均存在一定程度的问题和缺点，比如效率偏低、体积偏大、成本过高和液压污染等，而这些问题的解决也需要一种既具有较高的传动效率，同时又能够无级变速控制的新型传动方式。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：改进和提升目前的海流能发电机组的传动方式，使之能无级变速连续运行，且在任意海流状态下均具有较高的传动效率。
本发明解决其技术问题的解决方案是：一种紧凑可控的海流发电装置，包括机壳，所述机壳外设有海流叶轮，所述机壳内包括第一行星齿轮机构、第二行星齿轮机构与永磁发电机，所述第一行星齿轮机构位于第二行星齿轮机构的前方，所述海流叶轮与第一行星齿轮机构连接，所述第一行星齿轮机构与第二行星齿轮机构连接，所述第二行星齿轮机构与永磁发电机连接，所述机壳中还包括控制电机，所述控制电机与第二行星齿轮机构3驱动连接。
作为上述技术方案的进一步改进，所述第一行星齿轮机构包括前侧行星架、前侧行星轮、前侧太阳轮，所述第二行星齿轮机构包括后侧太阳轮、后侧行星架与后侧行星轮，所述海流叶轮与前侧太阳轮固定连接，所述前侧行星轮与后侧行星轮33固定连接，所述后侧太阳轮与永磁发电机驱动连接，所述后侧行星架与控制电机驱动连接。
作为上述技术方案的进一步改进，所述控制电机包括电机输出轴，所述永磁发电机包括发电输入轴，所述电机输出轴与后侧行星架固定连接，所述发电输入轴与后侧太阳轮固定连接；所述电动输出轴为空心轴，所述发电输入轴贯穿所述的电机输入轴。
本发明的有益效果是：本发明通过利用两级的行星齿轮对进行能量的传递，而且利用控制电机对第二级行星齿轮进行控制调速，通过有效地控制控制电机的转速，可以使得海流叶轮实时地跟踪最佳的转速值，从而使得机组运行在最佳功率点上，实现最大的海流功率捕获，同时，可以使得输入到发电机的转速保持稳定，使得发电机长时间运行在高效率区间。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的控制电机的转送控制原理示意图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
参照图1，一种紧凑可控的海流发电装置，包括机壳，所述机壳外设有海流叶轮1，所述机壳内包括第一行星齿轮机构2、第二行星齿轮机构3与永磁发电机4，所述第一行星齿轮机构2位于第二行星齿轮机构3的前方，所述海流叶轮1与第一行星齿轮机构2连接，所述第一行星齿轮机构2与第二行星齿轮机构3连接，所述第二行星齿轮机构3与永磁发电机4连接，所述机壳中还包括控制电机5，所述控制电机5与第二行星齿轮机构3驱动连接。
工作的时候，当发电机在低于额定流速情况下，能够通过实时调节海流叶轮的转速，使之跟踪最佳转速，达到最大功率效率的目的；在高于额定流速时，能够通过控制叶轮转矩起到限制齿轮系振动和降低噪声之目的。在叶轮转速实时改变的同时，输入到发电机的转速能够在较为宽广的范围内保持稳定，使得发电机能够长期高效运行。
本发明的发电机可以直接并入电网，无需连接功率变频器，使得机组整体的结构得以大幅度地简化，机组成本得以大幅度地降低。同时，本发明仅需简易行星轮系实现机组转速的无级变速控制，具有结构简洁紧凑、调速范围广和效率较高等一系列优势。
进一步作为优选的实施方式，所述第一行星齿轮机构包括前侧行星架21、前侧行星轮22、前侧太阳轮23，所述第二行星齿轮机构3包括后侧太阳轮31、后侧行星架32与后侧行星轮33，所述海流叶轮1与前侧太阳轮23固定连接，所述前侧行星轮22与后侧行星轮33固定连接，所述后侧太阳轮31与永磁发电机4驱动连接，所述后侧行星架32与控制电机5驱动连接。
进一步作为优选的实施方式，所述控制电机5包括电机输出轴，所述永磁发电机4包括发电输入轴，所述电机输出轴与后侧行星架32固定连接，所述发电输入轴与后侧太阳轮31固定连接；所述电动输出轴为空心轴，所述发电输入轴贯穿所述的电机输入轴。
工作的时候，海流叶轮与前侧太阳轮通过传动轴固定连接，用于将捕获的海流动能转换成为齿轮系的机械动能。前侧太阳轮与前侧行星轮啮合连接，前侧行星轮通过前侧行星架支撑在传动轴之上。前侧行星轮与后侧行星轮固定连接，并将运动传递至控制电机的输出轴中。后侧行星轮与后侧太阳轮相啮合，后侧太阳轮同时与发电机的输入轴固定连接，后者经过空心的控制电机输出轴，直接带动发电机旋转产生电能，发电机与控制电机的结构更加紧凑。因此，系统的机械动能主要经由后太阳轮和发电机输入轴输出到发电机中实现发电，同时，控制电机通过其输出轴和后行星轮实现系统的连续变速调节，即保证发电机转速在输入转速变化的情况下仍能保持恒定。
控制电机转速控制的主要功能有：1.在海流发电机组运行的整个区间内，保持发电机转速稳定；2.使得主传动轴的转速在较低流速的情况下能够保持有最佳的叶尖速比值，以实现低速区的最佳功率捕获控制；3.在额定海流流速以上时，使得发电机的转速保持为恒定值。
参见图2，控制电机的主要有两相控制回路，一相用于调定最佳的转速值另外一相用于控制磁通，使之保持在额定值转速控制回路首先通过比例积分转速控制器获得电磁转矩的参考值将之与通过转矩估计获得的真实值Tem做差，并将差值通过两相转矩控制器，获得一定的电压矢量，并进入矢量选择表中待选矢量CT。另一回路的电机磁通控制器首先将给定的磁通参考值与通过定子磁通估计获得的真实值Φs做差，将其差值经由两相的磁通控制器获得为待选的电压矢量CΦ。待选的矢量CT和CΦ同时进入到电压矢量的选择表中，通过选择合适的电压矢量输出来控制全桥的开关矩阵，并因此实现控制电机的转速调控。图中的Clarke变换是为电磁转矩估计和定子磁通估计准备必要矢量空间的电流和电压向量。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (3)
1.一种紧凑可控的海流发电装置，其特征在于：包括机壳，所述机壳外设有海流叶轮(1)，所述机壳内包括第一行星齿轮机构(2)、第二行星齿轮机构(3)与永磁发电机(4)，所述第一行星齿轮机构(2)位于第二行星齿轮机构(3)的前方，所述海流叶轮(1)与第一行星齿轮机构(2)连接，所述第一行星齿轮机构(2)与第二行星齿轮机构(3)连接，所述第二行星齿轮机构(3)与永磁发电机(4)连接，所述机壳中还包括控制电机(5)，所述控制电机(5)与第二行星齿轮机构(3)驱动连接。
2.根据权利要求1所述的紧凑可控的海流发电装置，其特征在于：
所述第一行星齿轮机构包括前侧行星架(21)、前侧行星轮(22)、前侧太阳轮(23)，所述第二行星齿轮机构(3)包括后侧太阳轮(31)、后侧行星架(32)与后侧行星轮(33)，所述海流叶轮(1)与前侧太阳轮(23)固定连接，所述前侧行星轮(22)与后侧行星轮(33)固定连接，所述后侧太阳轮(31)与永磁发电机(4)驱动连接，所述后侧行星架(32)与控制电机(5)驱动连接。
3.根据权利要求2所述的紧凑可控的海流发电装置，其特征在于：
所述控制电机(5)包括电机输出轴，所述永磁发电机(4)包括发电输入轴，所述电机输出轴与后侧行星架(32)固定连接，所述发电输入轴与后侧太阳轮(31)固定连接；所述电动输出轴为空心轴，所述发电输入轴贯穿所述的电机输入轴。
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