CN110195677A - 一种并列分布式海流能液压传动发电机组及其控制方法 - Google Patents

一种并列分布式海流能液压传动发电机组及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种并列分布式海流能液压传动发电机组及其控制方法，所述发电机组包括通过高压回路和低压回路连接的海流能捕获装置和液压传动发电装置，以及与液压传动发电装置连接的控制系统；液压传动发电装置包括变量马达，以及与变量马达同轴设置的同步发电机；海流能捕获装置包括叶轮和定量泵；叶轮和定量泵同轴连接，且同轴的单个叶轮和单个定量泵组成一组轮机装置；定量泵高压口通过高压回路与变量马达进油口连接，定量泵的低压口通过低压回路与变量马达出油口连接，构成闭式容积调速回路；控制系统与变量马达连接，用于调节变量马达恒速工作；轮机装置中的所有叶轮均保持轴向平行，且叶轮转向保持同向转动，整体上呈并列式分布。

Description

一种并列分布式海流能液压传动发电机组及其控制方法
技术领域
本发明属于新能源发电领域，涉及一种发电装置，具体为一种并列分布式海流能液压传动发电机组及其控制方法。
背景技术
能源和环境是人类社会赖以生存和发展的物质基础，以煤、石油、天然气为主的常规能源不仅储量有限，而且造成了全球的气候变暖和大气污染。随着社会经济的快速发展，对清洁的、可再生的海洋能源的有效利用已成为当前世界上主要沿海国家的战略性选择。海流能是可再生能源的重要组成部分，近年来受到世界各国的重视，发展十分迅速。
海流能是海洋能源的一种，指海水流动所具有的动能，主要是指海底水道和海峡中较为稳定的流动以及由于潮汐导致的有规律的海水流动所产生的能量，是另一种以动能形态出现的海洋能。海流能的能量与流速的平方和流量成正比。相对波浪能而言，海流能的变化要平稳且有规律得多。一般来说，最大流速在2m/s以上的水道，其海流能均有实际开发的价值。但是，目前采用的传统机械式发电装备多是刚性传动、终端控制方式，而且故障率较高。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种并列分布式海流能液压传动发电机组及其控制方法，其具有柔性传动、分布扩展、可靠性高的特点，能够控制变量马达的恒速工作和同步发电机的恒频发电。本发明是通过以下技术方案来实现：
一种并列分布式海流能液压传动发电机组，包括通过高压回路和低压回路连接的海流能捕获装置和液压传动发电装置，以及与液压传动发电装置连接的控制系统；
所述液压传动发电装置包括变量马达，以及与变量马达同轴设置的同步发电机；
所述的海流能捕获装置包括叶轮和定量泵；所述的叶轮和定量泵同轴连接，且同轴的单个叶轮和单个定量泵组成一组轮机装置；
所述的定量泵高压口通过高压回路与变量马达进油口连接，定量泵的低压口通过低压回路与变量马达出油口连接，构成闭式容积调速回路；所述的控制系统与变量马达连接，用于调节变量马达恒速工作；
所述轮机装置中的所有叶轮均保持轴向平行，且叶轮转向保持同向转动，整体上呈并列式分布。
优选的，所述的液压传动发电装置还包括单向阀、安全阀、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、电磁换向阀和补油系统；
所述的单向阀分别对应设置在定量泵的高压口；
所述的安全阀的进油口连接高压回路，出油口连接低压回路；
所述的第一电磁阀设置在高压回路上，进油口连接定量泵出口，出油口连接变量马达的进油口；
所述的第二电磁阀进油口连接高压回路，出油口连接低压回路；
所述的第三电磁阀设置在低压回路上，进油口连接变量马达的出油口，出油口连接定量泵进口；
所述的电磁换向阀进油口连接补油系统的补油泵输出端，出油口与控制变量马达的阀控缸的进油口连接，阀控缸的阀芯顶紧变量马达的斜盘设置。
进一步，所述的液压传动发电装置还包括分别设置在高压回路上的蓄能器、压力/温度传感器和压力表。
进一步，所述的补油系统还包括补油油箱、补油泵电机、溢流阀、常通电磁阀、减压阀、节流阀、冷却器、第一滤油器、第二滤油器和第三滤油器；
所述变量马达的出油口依次通过节流阀、冷却器和第一滤油器连接补油油箱，补油油箱通过第二滤油器与补油泵进油口连接；节流阀进油口还连接低压回路；
所述的补油泵与补油泵电机同轴连接；补油泵出油口经过第三滤油器后分别与减压阀、溢流阀、常通电磁阀和电磁换向阀的进油口连接；溢流阀和常通电磁阀的出油口分别与补油油箱连接，减压阀出油口作为补油系统出油口与低压回路连接。
优选的，所述的海能流捕获装置包括固定支架和背压阀，以及设置在同一固定支架上的多组轮机装置；背压阀的进油口与定量泵出口连接，出油口经高压回路与液压传动发电装置连接。
一种并列分布式海流能液压传动发电机组的控制方法，包括，
用于粗调的前馈控制；
预先设定好变量马达的期望转速，按扰动量进行补偿的开环控制，即当系统扰动出现时，按照扰动量的大小直接产生校正作用，消除泵转速和负载转矩这两个干扰信号的扰动引起的偏差，使变量马达转速维持在期望转速的误差范围内；
用于精调的前馈PID控制；
针对粗调后误差范围内的误差，通过PID算法在系统处于不同的工作状态下，控制参数的最优值，进行参数最优化设置，实现转速精确控制。
优选的，所述的前馈控制是指检测定量泵的实时转速，得到发电机组的流量，通过流量平衡方程推导出变量马达排量的期望转速作为基准值。
优选的，变量马达的期望转速为1500r/min，误差范围为±200r/min。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明采用定量泵-变量马达的传动结构，定量泵进油口通过低压回路与变量马达出油口相连，定量泵出油口通过高压回路与变量马达的进油口相连，从而构成闭式容积调速回路。从而通过液压传动形式，使用柔性传动替代传统的刚性传动，实现无级调速，并且通过液压传动发电，将传统的终端控制方式革新为过程控制方式，提高了发电品质。与传统风能或海流能发电方式相比，本发明不需要使用齿轮箱，从而降低了机械传动故障率，降低了运行和维护成本。系列化和扩展性强，海流能捕获装置可进行分布式扩展，适用不同需求的模块化柔性组合布局，为大规模发电需求提高新的途径。
本发明所述的方法，首先利用海流能捕获装置通过叶轮收集海流能，海流能带动叶轮旋转并从而带动定量泵工作，定量泵通过管路与液压传动发电装置连接，并带动变量马达转动，通过前馈控制或前馈PID控制两种控制方法实时调节变量马达的排量，从而实现变量马达的恒速工作，同时变量马达带动同步发电机恒频工作，最终实现同步发电机的恒频发电。
附图说明
图1为本发明实例中所述并列分布式海流能液压传动发电机组的液压原理图。
图2为本发明实例中所述海流能捕获装置的结构示意图。
图3为本发明实例中所述液压传动发电装置的结构布置示意图。
图中：第一叶轮101、第二叶轮102、第一定量泵201、第二定量泵202、第一单向阀301、第二单向阀302、安全阀4、第一电磁阀501、第二电磁阀502、第三电磁阀503、蓄能器6、压力/温度传感器7、压力表8、变量马达9、同步发电机10、电磁换向阀11、节流阀12、冷却器13、第一滤油器1401、第二滤油器1402、第三滤油器1403、补油油箱15、补油泵16、补油泵电机17、溢流阀18、常通电磁阀19、减压阀20、高压回路21、低压回路22、背压阀23、固定支架24。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明一种并列分布式海流能液压传动发电机组，主要包括海流能捕获装置、液压传动发电装置、控制系统和管路。海流能捕获装置设置在海底海流方向上，通过管路与设置在陆地上的液压传动发电装置和控制系统连接。
海流能捕获装置包括叶轮、定量泵、背压阀23和固定支架24；液压传动发电装置包括单向阀、安全阀4、第一电磁阀501、第二电磁阀502、第三电磁阀503、蓄能器6、压力/温度传感器7、压力表8、变量马达9、同步发电机10、电磁换向阀11和补油系统。本发明的海流能捕获装置通过叶轮收集海流能，海流能带动叶轮旋转并从而带动定量泵工作；定量泵通过管路与液压传动发电装置连接，随后液压油带动变量马达工作，通过控制系统实现变量马达的恒速工作，变量马达带动同步发电机恒频工作，最终实现发电机的恒频发电。
本发明采用定量泵和变量马达9的传动结构，定量泵进油口通过低压回路22，经过第三电磁阀503后与变量马达9出油口相连，定量泵出油口通过高压回路21，经过各自单向阀和第一电磁阀501后，与变量马达的进油口相连，从而构成闭式容积调速回路。通过液压传动形式，将不稳定的海流能转化为稳定的电能，实现了无序输入能量到可控输出能量的转变，拓宽了可再生能源开发研究的方向。
具体的，本发明一种并列分布式海流能液压传动发电机组，如图1所示，包括通过高压回路21和低压回路22连接的海流能捕获装置和液压传动发电装置，以及与液压传动发电装置连接的控制系统。
所述海流能捕获装置提供捕获海流能并转化为液压能的功能；液压传动发电装置提供将液压能转化为电能的功能；控制系统提供实现变量马达恒速工作，从而将不稳定的海流能转化为稳定的电能的功能；管路形成高压回路21和低压回路22，并且提供传输液压油介质，连接各个装置的功能。
如图1所示，工作过程大致如下：
海流能驱动叶轮带动定量泵同轴转动，定量泵输出高压油到变量马达9，实现海流能的捕获、转化与传输；高压油驱动变量马达9旋转，进而带动同步发电机10并网发电，实现液压能向电能的转换；控制系统在整个过程中控制变量马达9恒速工作，从而确保同步发电机10的稳速输出；当主液压回路中压力较低时，补油系统工作以维持主系统回路的压力。
如图2所示，所述的海流能捕获装置包括有叶轮、固定支架24、背压阀23和定量泵。叶轮与定量泵通过联轴器同轴连接；定量泵与固定支架24通过螺栓连接；背压阀23与固定支架24通过螺栓连接，背压阀23的进油口与定量泵出口连接，出油口经高压回路21与液压传动发电装置连接。所述的海流能捕获装置中的叶轮与定量泵组成轮机装置，本优选实例中，海流能捕获装置中存在两组轮机装置，两组轮机装置呈轴向平行、同向转动的并列式排布，能够设置多个轮机装置，多个轮机装置并联合流后连接一个液压传动发电装置，具有分布式特征。
所述的海流能捕获装置中的叶轮和定量泵同轴连接，捕获海流能并转化为液压能；其中，第一叶轮101与第一定量泵201同轴连接，第二叶轮102与第二定量泵201同轴连接；第一定量泵201、第二定量泵202和背压阀23分别固定设置在固定支架24上；叶轮面向海流方向设置；定量泵的高压口通过高压回路21与安全阀4进油口连接，且经第一电磁阀501和变量马达9进油口连接；定量泵的低压口通过低压回路22分别与安全阀4出油口连接，且经第三电磁阀503和变量马达9出油口连接。
如图3所示，为液压传动发电装置的一种具体的布置示意图，其包括有单向阀、安全阀4、第一电磁阀501、第二电磁阀502、第三电磁阀503、蓄能器6、压力/温度传感器7、压力表8、变量马达9、同步发电机10、电磁换向阀11和补油系统。单向阀、安全阀4、第一电磁阀501、第二电磁阀502、第三电磁阀503、蓄能器6、压力/温度传感器7、压力表8和电磁换向阀11集成到加工好的阀块上，通过阀块内部通路连接。
所述的液压传动发电装置中的变量马达9与同步发电机10通过联轴器连接。
所述的液压传动发电装置中的变量马达9进油口通过高压回路21与第一电磁阀501出油口连接，变量马达9出油口通过低压回路22与节流阀12进油口连接。
所述补油系统包括有补油油箱15、补油泵16、补油泵电机17、溢流阀18、常通电磁阀19、减压阀20、节流阀12、冷却器13、第一滤油器1401、第二滤油器1402和第三滤油器1403。补油泵电机17与补油泵16通过联轴器连接；补油泵16进油口与第二滤油器1402一端相连，第二滤油器1402另一端与补油油箱15连接；补油泵16出油口经过第三滤油器1403后分别与溢流阀18、常通电磁阀19和减压阀20连接。
所述的溢流阀18进油口与第三滤油器1403出油口连接，出油口与补油油箱15连接；所述的常通电磁阀19进油口与第三滤油器1403出油口连接，出油口与补油油箱15连接；所述的减压阀20进油口与第三滤油器1403出油口连接，保持出口压力恒定，实现为液压回路提供恒定系统压力的功能。
本发明采用定量泵-变量马达的开式结构，其控制目标为变量马达的恒速工作。为了实现马达转速保持恒定，就必须随时调节变量马达的排量，因此采用阀控缸来控制变量马达排量，其阀芯直接顶着变量马达斜盘，则阀芯位移决定变量马达的排量变化。当变量马达转速在设定值附近波动时，阀芯位移就在一定范围内波动，流量大了则增大排量，反之流量小了则减小排量。具体的变量马达排量范围由控制系统的电压/电流信号对应。
本发明一种并列分布式海流能液压传动发电机组的控制方法，具体包括两种控制模式：
(1)前馈控制模式：预先设定好变量马达的期望转速为1500r/min，在泵转速和负载转矩这两个干扰信号的作用下，马达转速会偏离期望值，随后控制系统中的调节器按偏差产生合适的控制作用去抵消干扰信号的影响，使变量马达9转速维持在期望值转速的误差范围内。前馈控制是按扰动量进行补偿的开环控制，即当系统扰动出现时，按照扰动量的大小直接产生校正作用，在理论上可以完全消除扰动引起的偏差。前馈算法是指检测定量泵的实时转速，得到系统的流量，通过流量平衡方程推导出马达排量的基准值。
(2)前馈PID控制模式：PID控制算法是一种发展成熟,不需要明确知道被控制对象特性的控制方法，PID控制即比例—积分—微分控制，通过改变三个独立的参数可以适用于各种控制领域。PID算法在系统处于不同的工作状态下，控制参数的最优值也会发生变化。在变量马达9转速与期望值差值很大时，控制器将会保持最大输出，在实际应用中伴随着控制器件以及执行件不可预知的滞后性，容易造成系统不稳定。前馈算法相当于粗调，可以在系统处于不同状态时，将马达转速稳定在1500r/min附近，同时存在小于±1.3％的误差。PID算法可以针对误差范围200r/min以内的误差进行参数最优化设置，最终实现转速精确控制。前馈算法相当于设定一个变量马达排量初始值，保证系统足够的快的响应能力同时不会失稳，PID算法使变量马达摆角补偿值在小范围变化。

Claims (8)

1.一种并列分布式海流能液压传动发电机组，其特征在于，包括通过高压回路(21)和低压回路(22)连接的海流能捕获装置和液压传动发电装置，以及与液压传动发电装置连接的控制系统；
所述液压传动发电装置包括变量马达(9)，以及与变量马达(9)同轴设置的同步发电机(10)；
所述的海流能捕获装置包括叶轮和定量泵；所述的叶轮和定量泵同轴连接，且同轴的单个叶轮和单个定量泵组成一组轮机装置；
所述的定量泵高压口通过高压回路(21)与变量马达(9)进油口连接，定量泵的低压口通过低压回路(22)与变量马达(9)出油口连接，构成闭式容积调速回路；所述的控制系统与变量马达(9)连接，用于调节变量马达(9)恒速工作；
所述轮机装置中的所有叶轮均保持轴向平行，且叶轮转向保持同向转动，整体上呈并列式分布。
2.根据权利要求1所述的一种并列分布式海流能液压传动发电机组，其特征在于，所述的液压传动发电装置还包括单向阀、安全阀(4)、第一电磁阀(501)、第二电磁阀(502)、第三电磁阀(503)、电磁换向阀(11)和补油系统；
所述的单向阀分别对应设置在定量泵的高压口；
所述的安全阀(4)的进油口连接高压回路(21)，出油口连接低压回路(22)；
所述的第一电磁阀(501)设置在高压回路(21)上，进油口连接定量泵出口，出油口连接变量马达(9)的进油口；
所述的第二电磁阀(502)进油口连接高压回路(21)，出油口连接低压回路(22)；
所述的第三电磁阀(503)设置在低压回路(22)上，进油口连接变量马达(9)的出油口，出油口连接定量泵进口；
所述的电磁换向阀(11)进油口连接补油系统的补油泵(16)输出端，出油口与控制变量马达(9)的阀控缸的进油口连接，阀控缸的阀芯顶紧变量马达(9)的斜盘设置。
3.根据权利要求2所述的一种并列分布式海流能液压传动发电机组，其特征在于，所述的液压传动发电装置还包括分别设置在高压回路(21)上的蓄能器(6)、压力/温度传感器(7)和压力表(8)。
4.根据权利要求2所述的一种并列分布式海流能液压传动发电机组，其特征在于，所述的补油系统还包括补油油箱(15)、补油泵电机(17)、溢流阀(18)、常通电磁阀(19)、减压阀(20)、节流阀(12)、冷却器(13)、第一滤油器(1401)、第二滤油器(1402)和第三滤油器(1403)；
所述变量马达(9)的出油口依次通过节流阀(12)、冷却器(13)和第一滤油器(1401)连接补油油箱(15)，补油油箱(15)通过第二滤油器(1402)与补油泵(16)进油口连接；节流阀(12)进油口还连接低压回路(22)；
所述的补油泵(16)与补油泵电机(17)同轴连接；补油泵(16)出油口经过第三滤油器(1403)后分别与减压阀(20)、溢流阀(18)、常通电磁阀(19)和电磁换向阀(11)的进油口连接；溢流阀(18)和常通电磁阀(19)的出油口分别与补油油箱(15)连接，减压阀(20)出油口作为补油系统出油口与低压回路(22)连接。
5.根据权利要求1所述的一种并列分布式海流能液压传动发电机组，其特征在于，所述的海能流捕获装置包括固定支架(24)和背压阀(23)，以及设置在同一固定支架(24)上的多组轮机装置；背压阀(23)的进油口与定量泵出口连接，出油口经高压回路(21)与液压传动发电装置连接。
6.一种并列分布式海流能液压传动发电机组的控制方法，其特征在于，包括，
用于粗调的前馈控制；
预先设定好变量马达(9)的期望转速，按扰动量进行补偿的开环控制，即当系统扰动出现时，按照扰动量的大小直接产生校正作用，消除泵转速和负载转矩这两个干扰信号的扰动引起的偏差，使变量马达(9)转速维持在期望转速的误差范围内；
用于精调的前馈PID控制；
针对粗调后误差范围内的误差，通过PID算法在系统处于不同的工作状态下，控制参数的最优值，进行参数最优化设置，实现转速精确控制。
7.根据权利要求6所述的一种并列分布式海流能液压传动发电机组的控制方法，其特征在于，所述的前馈控制是指检测定量泵的实时转速，得到发电机组的流量，通过流量平衡方程推导出变量马达(9)排量的期望转速作为基准值。
8.根据权利要求6所述的一种并列分布式海流能液压传动发电机组的控制方法，其特征在于，变量马达(9)的期望转速为1500r/min，误差范围为±200r/min。
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