CN110259633B - 一种递进分布式海流能液压传动发电机组及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种递进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补油系统，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；所述的叶轮和定量泵同轴连接，且每个同轴的叶轮和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补油系统的补油油箱与变量马达出油口连接，构成开式容积调速回路；控制系统与变量马达连接，用于调节变量马达恒速工作；轮机装置的所有叶轮均保持同轴，且叶轮转向保持反向同轴转动，整体上呈递进式分布。

Description

一种递进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，具体为一种递进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，本发明提供一种柔性传动，分布扩展，可靠性高，能够控制发电机的转速和频率保持恒定的递进分布式海流能液压传动发电机组及其控制方法。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种递进分布式海流能液压传动发电机组，包括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补油系统，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，且每个同轴的叶轮和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补油系统的补油油箱与变量马达出油口连接，构成开式容积调速回路；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；

所述轮机装置的所有叶轮均保持同轴，且叶轮转向保持反向同轴转动，整体上呈递进式分布。

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、第二电磁阀和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，出油口连接补油油箱；

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，出油口经低压回路连接变量马达出油口；

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第三单向阀、节流阀、冷却器、第一过滤器、第二过滤器、第三过滤器、第四过滤器、补油油箱、补油电机、补油泵、溢流阀和常通电磁阀；

所述变量马达出油口依次通过连接节流阀、冷却器与第一过滤器连接补油油箱，补油油箱通过第二过滤器与补油泵进油口连接；节流阀进油口还连接低压回路；

所述补油泵与补油电机同轴连接；补油泵出油口依次经第三过滤器和第三单向阀连接电磁换向阀进油口；第三过滤器的出油口还与溢流阀和常通电磁阀的进油口连接，溢流阀和常通电磁阀的出油口分别与补油油箱连接；第四过滤器的进油口与补油油箱连接，出油口与定量泵的进油口连接。

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。

一种递进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，随后液压油通过阀组，并带动变量马达工作，通过恒速工作的变量马达带动同步发电机恒频工作，最终实现发电机的稳定发电。本发明采用液压传动形式，使用柔性传动替代传统的刚性传动，实现无级调速，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；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。本发明与传统风能或海流能发电方式相比，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。本发明采用的递进分布式结构扩展性强，可进行系列化和分布式扩展，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。前馈控制就是根据变量马达转速，用流量平衡方程算得排量初始值后，将初始值作为前馈信号加在控制流程最前处，以此为基准来调节控制系统的电压/电流信号；前馈PID控制则是在前馈控制的基础上引入了PID算法，从而提高控制精度。因此，通过控制系统可以实现控制马达恒速工作的功能。

附图说明

图1为本发明实施例中所述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、第三单向阀303、安全阀4、第一电磁阀501、第二电磁阀502、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、第一过滤器1401、第二过滤器1402、第三过滤器1403、补油油箱15、补油电机16、补油泵17、溢流阀18、常通电磁阀19、第四过滤器1404、高压回路20、低压回路21、背压阀22、固定支架23。

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。

本发明一种递进分布式海流能液压传动发电机组，包括：海流能捕获装置、液压传动发电装置、控制系统和管路等。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9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；管路提供传输液压油介质，连接各个装置的功能。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。

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。

结合图1发电机组原理图，本发明所述发电机组包括：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、蓄能器6、压力/温度传感器7、压力表8、第二电磁阀502、变量马达9、同步发电机10、电磁换向阀11、第三单向阀303、节流阀12、冷却器13、第一过滤器1401、补油油箱、补油电机16、补油泵17、第二过滤器1402、第三过滤器1403、溢流阀18、常通电磁阀19、第四过滤器1404、高压回路20、低压回路21、背压阀22和固定支架23。

第一叶轮101、第二叶轮102分别和第一定量泵201、第二定量泵202通过联轴器连接；第一定量泵201、第二定量泵202的高压口通过高压回路20分别与安全阀4进油口和第一电磁阀501进油口连接；第一定量泵201、第二定量泵202的低压口分别通过第四过滤器1404与补油油箱15连接；第一定量泵201、第二定量泵202与固定支架23通过螺栓连接；背压阀22与固定支架23通过螺栓连接；第二电磁阀502的进油口与第一电磁阀501的出油口连接，第二电磁阀502出油口经低压回路21连接变量马达9的出油口；变量马达9与同步发电机10通过联轴器连接；变量马达9的高压口分别与蓄能器6、压力/温度传感器7和压力表8连接，变量马达9的低压口先后经过节流阀12、冷却器13和第一过滤器1401后，与补油油箱15连接；补油电机与补油泵17通过联轴器连接；补油泵17进油口与第二过滤器1402出油口连接，第二过滤器1402进油口与补油油箱15连接；补油泵17出油口经过第三过滤器1403后分别与第三单向阀303、溢流阀18和常通电磁阀19的进油口连接。

叶轮与定量泵捕获海流能并转化为液压能；定量泵进油口与补油油箱15相连，定量泵出油口通过高压回路20与变量马达9进油口相连，变量马达9出油口与补油油箱15连接，从而构成开式回路。控制系统实现变量马达9恒速工作，从而带动同步发电机10恒频工作，将不稳定的海流能转化为稳定的电能。

具体的，所述的海流能捕获装置包括有叶轮、固定支架23、背压阀22和定量泵。叶轮与定量泵通过同轴连接；定量泵与固定支架23通过螺栓连接；背压阀22与固定支架23通过螺栓连接。

所述的海流能捕获装置中的叶轮与定量泵组成轮机装置，如图2所示，海流能捕获装置中存在两组轮机装置，两组轮机装置呈同轴反向转动的递进式排布，能够设置多个轮机装置，多个轮机装置并联合流后与液压传动发电装置连接，具有分布式特征。第一叶轮101正对海流方向，第二叶轮102背对海流方向。

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；定量泵的高压口通过高压回路20经过各自的单向阀后，分别与安全阀4进油口和第一电磁阀501进油口连接；定量泵的低压口通过第四过滤器1404与补油油箱15连接。其中，如图1所示，第一单向阀301进油口与第一定量泵201连接，第二单向阀302进油口与第二定量泵202连接。

所述液压传动发电装置包括有第一单向阀301、第二单向阀302、安全阀4、第一电磁阀501、第二电磁阀502、蓄能器6、压力/温度传感器7、压力表8、电磁换向阀11、变量马达9、同步发电机10、补油油箱15、补油泵17、补油电机16、溢流阀18、常通电磁阀19、减压阀、节流阀12、冷却器13、第一过滤器1401、第二过滤器1402、第三过滤器1403和第四过滤器1404。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，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。

所述的补油电机与补油泵17通过联轴器连接；补油泵17进油口与第二过滤器1402出油口连接，第二过滤器1402进油口与补油油箱15连接；补油泵17出油口经过第三过滤器1403后分别与第三单向阀303、溢流阀18和常通电磁阀19的进油口连接。

所述的补油泵17采用恒压变量泵，其工作原理为预先设定好恒压阀的弹簧预紧力为设定压力值，将泵的出口压力值与设定压力值进行比较，然后通过变量活塞的位置变化来确定泵的排量，从而实现出口压力恒定，为液压回路提供恒定系统压力的功能。

本发明一种递进分布式海流能液压传动发电机组的控制方法，包括两种控制模式：

(1)前馈控制模式：预先设定好变量马达9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 (5)

1.一种递进分布式海流能液压传动发电机组，其特征在于，包括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补油系统，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，且每个同轴的叶轮和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（20）与变量马达（9）进油口连接，定量泵的低压口通过补油系统的补油油箱（15）与变量马达（9）出油口连接，构成开式容积调速回路；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；

所述海流能捕获装置的所有叶轮均保持同轴，且叶轮转向保持反向同轴转动，整体上呈递进式分布；

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）和电磁换向阀（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（20），出油口连接补油油箱（15）；

所述的第一电磁阀（501）设置在高压回路（20）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（20），出油口经低压回路（21）连接变量马达（9）出油口；

所述的电磁换向阀（11）进油口连接补油系统的补油泵（17）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；

所述的补油系统还包括第三单向阀（303）、节流阀（12）、冷却器（13）、第一过滤器（1401）、第二过滤器（1402）、第三过滤器（1403）、第四过滤器（1404）、补油油箱（15）、补油电机（16）、补油泵（17）、溢流阀（18）和常通电磁阀（19）；

所述变量马达（9）出油口依次通过连接节流阀（12）、冷却器（13）与第一过滤器（1401）连接补油油箱（15），补油油箱（15）通过第二过滤器（1402）与补油泵（17）进油口连接；节流阀（12）进油口还连接低压回路（21）；

所述补油泵（17）与补油电机（16）同轴连接；补油泵（17）出油口依次经第三过滤器（1403）和第三单向阀（303）连接电磁换向阀（11）进油口；第三过滤器（1403）的出油口还与溢流阀（18）和常通电磁阀（19）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；第四过滤器（1404）的进油口与补油油箱（15）连接，出油口与定量泵的进油口连接。

2.根据权利要求1所述的一种递进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（20）上的蓄能器（6）、压力/温度传感器（7）和压力表（8）。

3.根据权利要求1所述的一种递进分布式海流能液压传动发电机组，其特征在于，所述的海流能捕获装置包括固定支架（23）和背压阀（22），以及设置在同一固定支架（23）上的多组轮机装置；背压阀（22）的进油口与定量泵出口连接，出油口经高压回路（20）与液压传动发电装置连接。

4.一种用于权利要求1-3任意一项所述的递进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；

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。

5.根据权利要求4所述的一种递进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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