CN111550351A - 双叶轮闭式回路液压传控海流能发电装置及其控制方法 - Google Patents

双叶轮闭式回路液压传控海流能发电装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双叶轮闭式回路液压传控海流能发电装置及其控制方法，采用海流能方式驱动并联布置的第一叶轮装置和第二叶轮装置，第一叶轮装置和第二叶轮装置的输出端分别经泵端主轴、变量液压泵、泵变量机构、蓄能器、变量液压马达和马达端主轴连接对应的发电机；变量液压泵、变量液压马达和蓄能器构成闭式系统，并与闭环控制系统连接，闭环控制系统用于接收泵端主轴转速，闭环控制系统连接海流能测速叶轮装置用于接收海流能流速信号，通过控制调节变量液压泵和变量液压马达的排量。本发明利用源源不竭的海流能发电，可以通过离网运行方式为偏远海岛、偏远水域供电、水下用电设备如水下航行器等提供可持续能源供应。

Description

双叶轮闭式回路液压传控海流能发电装置及其控制方法
技术领域
本发明属于发电技术领域，具体涉及一种双叶轮闭式回路液压传控海流能发电装置及其控制方法。
背景技术
海流能是海水流动的动能，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。它是可再生能源的重要组成部分，其能量密度大且储量丰富，引起欧、美、英、日等国的极大关注，目前国外的海流能发电装备已进入中大功率试验阶段，我国在该领域尚处于起步阶段。
目前偏远岛屿供电只能依靠柴油发电机为主供电，其他风电、光伏、波浪发电作为辅助。驻守的军事雷达、水下航行器(UUV，ROV)等装置异常耗电，我国也已经提出建设的深海空间站、水下充电桩等用电大户，现有的发电模式远远不能满足用电需求。
基于液压换能的分布式海流能发电装备及其控制方法研究属于海洋装备开发研究的重大技术突破和科技前沿，具有非常重要军事价值和巨大的商业潜力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种双叶轮闭式回路液压传控海流能发电装置及其控制方法，为偏远岛屿用电设备提供持续稳定交流电。
本发明采用以下技术方案：
双叶轮闭式回路液压传控海流能发电装置，包括均采用海流能方式驱动的第一叶轮装置和第二叶轮装置，第一叶轮装置和第二叶轮装置并联布置，第一叶轮装置和第二叶轮装置的输出端分别经泵端主轴、变量液压泵、泵变量机构、蓄能器、变量液压马达和马达端主轴连接对应的发电机；变量液压泵、变量液压马达和蓄能器构成闭式系统，并与闭环控制系统连接，闭环控制系统用于接收泵端主轴转速，闭环控制系统连接海流能测速叶轮装置用于接收海流能流速信号，通过控制调节变量液压泵和变量液压马达的排量。
具体的，第一叶轮装置通过第一泵端主轴与第一变量液压泵同轴相连，第一泵端主轴上设置有第一转速传感器，第一转速传感器与闭环控制系统连接，第一变量液压泵通过闭环控制系统作用于第一泵变量机构来实现变量调节，第一变量液压马达通过第一马达端主轴与第一发电机同轴相连；第一变量液压马达通过闭环控制系统作用于第一马达变量机构来实现变量调节。
进一步的，第一变量液压泵与第一变量液压马达形成闭式液压系统传递能量，第一蓄能器位于第一变量液压泵的输出侧，为本闭式液压系统提供压力补偿；第一蓄能器的入口与第一变量液压泵出口端相连，第一蓄能器的出口与第一变量液压马达的入口端相连，为闭式液压系统缓冲脉动。
具体的，第二叶轮装置通过第二泵端主轴与第二变量液压泵同轴相连，第二泵端主轴上设置有第二转速传感器，第二转速传感器与闭环控制系统连接；第二变量液压泵通过闭环控制系统第二泵变量机构实现变量调节，第二变量液压马达通过第二马达端主轴与第二发电机同轴相连；第二变量液压马达通过闭环控制系统作用于第二马达变量机构来实现变量调节。
进一步的，第二变量液压泵与第二变量液压马达形成闭式液压系统传递能量，第二蓄能器位于第二变量液压泵的输出侧，为本闭式液压系统提供压力补偿；第二蓄能器的入口与第二变量液压泵的出口端相连，第二蓄能器的出口与第二变量液压马达的入口端相连，为闭式液压系统缓冲脉动。
本发明的另一个技术方案是，一种双叶轮闭式回路液压传控海流能发电控制方法，利用所述的双叶轮闭式回路液压传控海流能发电装置，包括以下步骤：
S1、闭式液压系统实现海流能发电的二次能量转换，闭环控制系统计算获取海流流速信号和泵轴端转速信号；
S2、控制器根据步骤S1获得的海流流速信号和泵轴端转速信号得到海流能最佳叶轮转速；
S3、将步骤S2得到的最佳叶轮转速作用于变量液压泵变量调节结构，反馈调节液压泵转速，控制器根据反馈的信号，得到恒频发电所需的变量液压马达所需转速；
S4、将步骤S3获得的转速作用于变量液压马达变量调节机构以调节变量液压马达转速，实现恒频高质量发电。
具体的，步骤S1中，闭环控制系统获取的转速win具体为：
win＝k1(wP1+wP2)+k2wC
其中，wP1、wP2分别为第一变量液压泵轴端转速、第二变量液压泵轴端转速；wC为海流流速；k1、k2分别为流速比例控制因子。
具体的，步骤S2中，海流能最佳叶轮i的转速wTi具体为：
wTi＝λwin
其中，i＝1,2；λ为神经网络预测因子，
Figure BDA0002484609250000031
η为增益项，E为预测误差，w为神经元间权系数；win为闭环控制系统获取转速。
具体的，步骤S3中，恒频发电所需的变量液压马达所需转速wMi具体为：
Figure BDA0002484609250000041
其中，DMi为液压马达i体积排量；aMi为液压马达i斜盘倾角变换系数；pi为液压马达i所在系统压力；Bti为液压马达i阻尼系数；wTi为最佳叶轮i转速；TGi为电机i转矩；JGi为电机i转动惯量；i＝1,2。
具体的，步骤S4中，通过液压马达转速控制变量机构调节变量机构活塞运动进而控制液压马达斜盘倾角，实现液压马达转速恒定和高质量恒频电能输出。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种双叶轮闭式回路液压传控海流能发电装置，采用双叶轮进行海流能捕获，能够实现能量汇聚，提高能量利用率，采用闭式液压传动，具有无级调速、柔性连接、功率密度比大的优点。闭式液压传动替代传统风电齿轮箱或者直驱形式的刚性传动并省去功率变流器，采用技术成熟度高的同步发电机，便把终端控制革新为过程控制，形成新型的液压传控发电系统，实现了叶轮最大能量捕获控制，提高了能量捕获效率。
进一步的，通过将蓄能器布置液压泵出口处可以有效的衰减系统脉动，使系统平稳工作，并吸收冲击，保护回路。
进一步的，采用闭式的液压系统，闭式系统变量泵均为集成式结构，补油泵及补油、溢流、控制等功能阀组集成于液压泵上，使管路连接变得简单，不仅缩小了安装空间，而且减少了由管路连接造成的泄漏和管道振动，提高了系统的可靠性，简化了操作过程；补油系统不仅能在主泵的排量发生变化时保证容积式传动的响应，提高系统的动作频率，还能增加主泵进油口处压力，防止大流量时产生气蚀，可有效提高泵的转速和防止泵吸空，提高工作寿命；补油系统中装有过滤器，提高传动装置的可靠性和使用寿命；另外，补油泵还能方便的为一些低压辅助机构提供动力；由于仅有少量油液从油箱中吸取，减少了油箱的损耗。
一种双叶轮闭式回路液压传控海流能发电控制方法，实现恒频高质量发电，通过该控制方法相比传统方法可以实现更加更高效率更可靠的发电。
进一步的，步骤S1使闭式液压系统实现海流能发电的二次能量转换，闭环控制系统计算获取海流流速信号和泵轴端转速信号。这里采用闭环控制系统计算获取海流流速信号和泵轴端转速信号。闭环控制具有抑制干扰的能力，并能改善系统的响应特性。有助于我们得到准确的海流流速信号和泵轴端转速信号。
进一步的，步骤S2利用控制器，根据步骤S1获得的海流流速信号和泵轴端转速信号得到海流能最佳叶轮转速。这里计算海流能最佳叶轮转速，可以得到更加准确叶轮转速数据。
进一步的，步骤S3通过最佳叶轮转速来作用于变量液压泵变量调节结构，反馈调节液压泵转速，控制器根据反馈的信号，得到恒频发电所需的变量液压马达所需转速。计算恒频发电所需的变量液压马达所需转速可以得到更加准确数据。
进一步的，步骤S4通过获得的转速作用于变量液压马达变量调节机构以调节变量液压马达转速，实现恒频高质量发电。
综上所述，本发明利用源源不竭的海流能发电，可以通过离网运行方式为偏远海岛、偏远水域供电、水下用电设备如水下航行器等提供可持续能源供应。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明原理图；
图2为本发明发电系统输出功率效率曲线。
其中：1.第一叶轮装置；2.第一转速传感器；3.第一泵端主轴；4.第一变量液压泵；5.第一泵变量机构；6.第一蓄能器；7.第一变量液压马达；8.第一马达端主轴；9.第一发电机；10.第一马达变量机构；11.闭环控制系统；12.第二变量液压马达；13.第二马达端主轴；14.第二发电机；15.第二马达变量机构；16.第二蓄能器；17.第二泵变量机构；18.第二变量液压泵；19.第二泵端主轴；20.第二转速传感器；21.第二叶轮装置；22.海流能测速叶轮装置。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
本发明提供了一种双叶轮闭式回路液压传控海流能发电装置及其控制方法，在第一泵端主轴前段的第一桨叶、连接在第二泵端主轴前段的第二桨叶、这两桨叶工作方向相同，均朝向海流能流动方向。该装置还包括第一变量液压泵和第一变量液压马达、第二变量液压泵和第二变量液压马达、第一蓄能器和第二蓄能器。变量液压泵和变量液压马达组成闭式回路，蓄能器安装布置与泵出口端。第一泵端主轴和第二泵端主轴端分别与第一变量液压泵和第二变量液压泵连接，第一主轴和第二主轴布置转速传感器测量主轴转动速度。海流能流速检测信号通过第三叶轮获取。该装置还包括闭环控制系统，该系统获取第一桨叶该装置还包括该海流能发电装置通过带有蓄能器补偿压力的闭式液压传动控制方式实现海流能转化控制，海流能通过叶轮转动带动变量液压泵驱动。本发明通过液压系统压力传递，闭式控制系统控制，带动变量液压马达主轴转动，通过发电机产生交流电。
请参阅图1，本发明一种双叶轮闭式回路液压传控海流能发电装置，包括第一叶轮装置1、第二叶轮装置21、第一变量液压泵4、第一变量液压马达7、第一蓄能器6、第二蓄能器16、第二马达端主轴13、第二发电机14和闭环控制系统11。
第一叶轮装置1和第二叶轮装置21采用海流能方式驱动，第一叶轮装置1的输出端连接第一泵端主轴3的一端，用于直接同轴驱动第一泵端主轴3，第二叶轮装置21的输出端连接第二泵端主轴19的一端，用于直接同轴驱动第二泵端主轴19；第一泵端主轴3和第二泵端主轴19的另一端分别经变量液压泵、蓄能器、变量液压马达和马达端主轴连接对应的发电机，变量液压泵、变量液压马达和蓄能器构成闭式系统，闭式系统均与闭环控制系统11连接，闭环控制系统11通过接收泵端主轴转速和海流能流速信号，通过控制算法实现变量液压泵和变量液压马达排量调节，蓄能器可以有效的衰减系统脉动，使系统平稳工作，并吸收冲击，保护回路。
第一叶轮装置1通过第一泵端主轴3与第一变量液压泵4同轴相连，第一转速传感器2用于测量第一泵端主轴3的转速；第一变量液压泵4通过闭环控制系统11作用于第一泵变量机构5来实现变量调节，第一变量液压马达7通过第一马达端主轴8与第一发电机9同轴相连；第一变量液压马达7通过闭环控制系统11作用于第一马达变量机构10来实现变量调节。
第一变量液压泵4与第一变量液压马达7形成闭式液压系统传递能量，第一蓄能器6位于第一变量液压泵4的输出侧，为本闭式液压系统提供压力补偿；第一蓄能器6的入口与第一变量液压泵4出口端相连，第一蓄能器6的出口与第一变量液压马达7的入口端相连，为闭式液压系统缓冲脉动。
第二叶轮装置21通过第二泵端主轴19与第二变量液压泵18同轴相连，第二转速传感器20用于测量第二泵端主轴19的转速；第二变量液压泵18通过闭环控制系统11第二泵变量机构17来实现变量调节，第二变量液压马达12通过第二马达端主轴13与第二发电机14同轴相连；第二变量液压马达12通过闭环控制系统11作用于第二马达变量机构15来实现变量调节。
第二变量液压泵18与第二变量液压马达12形成闭式液压系统传递能量，第二蓄能器16位于第二变量液压泵18的输出侧，为本闭式液压系统提供压力补偿；第二蓄能器16的入口与第二变量液压泵18的出口端相连，第二蓄能器16的出口与第二变量液压马达12的入口端相连，为闭式液压系统缓冲脉动。
第一转速传感器2测量第一泵端主轴3转速信号传输至闭环控制系统11、第二转速传感器20测量第二泵端主轴19转速信号传输至闭环控制系统11、海流能测速叶轮装置22输入转速信号至闭环控制系统11，闭环控制系统11对这些信号进行处理以实现控制。
闭环控制系统11通过调节第一泵变量机构5来实现第一变量液压泵4排量调节、闭环控制系统11通过第一马达变量机构10来实现第一变量液压马达7排量调节。
优选的，第一变量液压泵4、第一变量液压马达7、第二变量液压马达12和第二变量液压马达12均为闭式液压泵和闭式液压马达。
本发明一种双叶轮闭式回路液压传控海流能发电装置的控制方法，包括2组叶轮捕能装置，2套闭式液压系统和2组发电机，采用并联布置方式，具体步骤如下：
S1、闭式液压系统实现海流能发电的二次能量转换，闭环控制系统根据一定算法将获取到的海流流速信号，泵轴端转速信号；
闭环控制系统获取的转速win具体为：
win＝k1(wP1+wP2)+k2wC
其中，wP1、wP2分别为第一变量液压泵轴端转速、第二变量液压泵轴端转速；wC为海流流速；k1、k2分别为流速比例控制因子。
S2、控制器根据步骤S1获得的信号，通过算法得到海流能最佳叶轮转速；
海流能最佳叶轮i的转速wTi具体为：
wTi＝λwin
其中，i＝1,2；λ为神经网络预测因子，
Figure BDA0002484609250000101
η为增益项，E为预测误差，w为神经元间权系数；win为闭环控制系统获取转速。
S3、将步骤S2得到的最佳叶轮转速作用于变量液压泵变量调节结构，反馈调节液压泵转速，控制器根据反馈的信号，通过算法得到恒频发电所需的变量液压马达所需转速；
恒频发电所需的变量液压马达所需转速wMi具体为：
Figure BDA0002484609250000102
其中，DMi为液压马达i体积排量；aMi为液压马达i斜盘倾角变换系数；pi为液压马达i所在系统压力；Bti为液压马达i阻尼系数；wTi为最佳叶轮i转速；TGi为电机i转矩；JGi为电机i转动惯量；i＝1,2。
S4、将步骤S3获得的转速作用于变量液压马达变量调节机构以调节变量液压马达转速，实现恒频高质量发电。
通过液压马达转速控制变量机构调节变量机构活塞运动进而控制液压马达斜盘倾角，实现液压马达转速恒定和高质量恒频电能输出。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图2，双叶轮闭式回路液压传控海流能发电装置实例发电系统输出功率效率曲线。双叶轮闭式回路液压传控海流能发电装置可以将不稳定的自然流能转化为恒频电能，关键技术在于叶轮转速变化和负载转矩变化时控制变量马达实现恒速输出。
图2中，双叶轮闭式回路液压传控海流能发电装置，当其输出电压提高的时候其效率也伴随提高。所以本发明在输出高电压情况下，相比传统发电装置有着效率高的显著优势。
综上所述，本发明一种双叶轮闭式回路液压传控海流能发电装置及其控制方法，采用双叶轮进行海流能捕获，能够实现能量汇聚，提高能量利用率，采用闭式液压传动，具有无级调速、柔性连接、功率密度比大的优点。闭式液压传动替代传统风电齿轮箱或者直驱形式的刚性传动并省去功率变流器，采用技术成熟度高的同步发电机，便把终端控制革新为过程控制，形成新型的液压传控发电系统，实现了叶轮最大能量捕获控制，提高了能量捕获效率。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.双叶轮闭式回路液压传控海流能发电装置，其特征在于，包括均采用海流能方式驱动的第一叶轮装置(1)和第二叶轮装置(21)，第一叶轮装置(1)和第二叶轮装置(21)并联布置，第一叶轮装置(1)和第二叶轮装置(21)的输出端分别经泵端主轴、变量液压泵、泵变量机构、蓄能器、变量液压马达和马达端主轴连接对应的发电机；变量液压泵、变量液压马达和蓄能器构成闭式系统，并与闭环控制系统(11)连接，闭环控制系统(11)用于接收泵端主轴转速，闭环控制系统(11)连接海流能测速叶轮装置(22)用于接收海流能流速信号，通过控制调节变量液压泵和变量液压马达的排量。
2.根据权利要求1所述的双叶轮闭式回路液压传控海流能发电装置，其特征在于，第一叶轮装置(1)通过第一泵端主轴(3)与第一变量液压泵(4)同轴相连，第一泵端主轴(3)上设置有第一转速传感器(2)，第一转速传感器(2)与闭环控制系统(11)连接，第一变量液压泵(4)通过闭环控制系统(11)作用于第一泵变量机构(5)来实现变量调节，第一变量液压马达(7)通过第一马达端主轴(8)与第一发电机(9)同轴相连；第一变量液压马达(7)通过闭环控制系统(11)作用于第一马达变量机构(10)来实现变量调节。
3.根据权利要求2所述的双叶轮闭式回路液压传控海流能发电装置，其特征在于，第一变量液压泵(4)与第一变量液压马达(7)形成闭式液压系统传递能量，第一蓄能器(6)位于第一变量液压泵(4)的输出侧，为本闭式液压系统提供压力补偿；第一蓄能器(6)的入口与第一变量液压泵(4)出口端相连，第一蓄能器(6)的出口与第一变量液压马达(7)的入口端相连，为闭式液压系统缓冲脉动。
4.根据权利要求1所述的双叶轮闭式回路液压传控海流能发电装置，其特征在于，第二叶轮装置(21)通过第二泵端主轴(19)与第二变量液压泵(18)同轴相连，第二泵端主轴(19)上设置有第二转速传感器(20)，第二转速传感器(20)与闭环控制系统(11)连接；第二变量液压泵(18)通过闭环控制系统(11)第二泵变量机构(17)实现变量调节，第二变量液压马达(12)通过第二马达端主轴(13)与第二发电机(14)同轴相连；第二变量液压马达(12)通过闭环控制系统(11)作用于第二马达变量机构(15)来实现变量调节。
5.根据权利要求4所述的双叶轮闭式回路液压传控海流能发电装置及其控制方法，其特征在于，第二变量液压泵(18)与第二变量液压马达(12)形成闭式液压系统传递能量，第二蓄能器(16)位于第二变量液压泵(18)的输出侧，为本闭式液压系统提供压力补偿；第二蓄能器(16)的入口与第二变量液压泵(18)的出口端相连，第二蓄能器(16)的出口与第二变量液压马达(12)的入口端相连，为闭式液压系统缓冲脉动。
6.一种双叶轮闭式回路液压传控海流能发电控制方法，其特征在于，利用根据权利要求1所述的双叶轮闭式回路液压传控海流能发电装置，包括以下步骤：
S1、闭式液压系统实现海流能发电的二次能量转换，闭环控制系统计算获取海流流速信号和泵轴端转速信号；
S2、控制器根据步骤S1获得的海流流速信号和泵轴端转速信号得到海流能最佳叶轮转速；
S3、将步骤S2得到的最佳叶轮转速作用于变量液压泵变量调节结构，反馈调节液压泵转速，控制器根据反馈的信号，得到恒频发电所需的变量液压马达所需转速；
S4、将步骤S3获得的转速作用于变量液压马达变量调节机构以调节变量液压马达转速，实现恒频高质量发电。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S1中，闭环控制系统获取的转速win具体为：
win＝k1(wP1+wP2)+k2wC
其中，wP1、wP2分别为第一变量液压泵轴端转速、第二变量液压泵轴端转速；wC为海流流速；k1、k2分别为流速比例控制因子。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S2中，海流能最佳叶轮i的转速wTi具体为：
wTi＝λwin
其中，i＝1,2；λ为神经网络预测因子，
Figure FDA0002484609240000031
η为增益项，E为预测误差，w为神经元间权系数；win为闭环控制系统获取转速。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S3中，恒频发电所需的变量液压马达所需转速wMi具体为：
Figure FDA0002484609240000032
其中，DMi为液压马达i体积排量；aMi为液压马达i斜盘倾角变换系数；pi为液压马达i所在系统压力；Bti为液压马达i阻尼系数；wTi为最佳叶轮i转速；TGi为电机i转矩；JGi为电机i转动惯量；i＝1,2。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S4中，通过液压马达转速控制变量机构调节变量机构活塞运动进而控制液压马达斜盘倾角，实现液压马达转速恒定和高质量恒频电能输出。
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