CN111997824B - 一种基于容积调节原理的液压式波浪能发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于容积调节原理的液压式波浪能发电系统，其特征在于：包括有俘能端、储能端和输出端；所述的俘能端、储能端和输出端依次通过介质管道相连接；所述俘能端将波浪能转化为液压能传递给储能端，储能端将频率低波动大的液压能转换为频率大且平滑的液压能再传递给输出端，输出端将稳定后的液压能转化成高质量电能。本发明由于是采用容积调节的方式实现液压缸作用力控制、系统工作压力控制和发电机转速控制的多重控制目标，相比较传统节流调节方式避免了节流损失，提高了发电系统的转换效率，同时避免了液压阀离散切换产生的油液压力振荡而引起的功率消耗和压力频繁波动，提高了系统中各元件的使用寿命和可靠性。

Description

一种基于容积调节原理的液压式波浪能发电系统
技术领域
本发明涉及波浪能发电技术领域，尤其涉及一种基于容积调节原理的液压式波浪能发电系统。
背景技术
海洋中的波浪是不断变化的，每一种波况下，都存在一个最佳液压缸作用力使得液压缸在这个波况下最大程度的俘获波浪能，当前液压式波浪能发电系统，无论是常压液压式还是变压液压式波浪能发电系统均难以同时兼顾液压缸作用力控制、系统压力控制和发电机转速控制的多重控制目标。对于常压液压式波浪能发电系统，常采用增设流量控制阀，以节流调速的方式对实现发电机转速控制，而节流调速方式会产生大量功率损失，致使整体转换效率降低。同时，为使液压缸最大程度俘获波浪能，常采用液压阀控制蓄能器或者控制液压缸作用面积以控制液压缸作用力，其本质也是节流控制，同样严重影响液压发电系统的传动效率，且液压阀的切换控制属于离散控制，易引起液压发电系统中油液压力振荡而消耗能量，并给管路等元件带来疲劳破坏。而变压液压式波浪能发电系统虽然其液压缸作用力易于控制，但无法兼顾系统压力和发电机转速恒定的控制目标，其输出能量波动性大，需借助电气负载控制技术来改善输出能量的品质。与节流调节方式不同，容积调节方式具有高效节能的特点。因此，针对当前液压式波浪能发电系统多采用节流控制来实现液压缸作用力控制、系统压力控制和发电机转速控制的多重控制目标，引起功率损失大，致使整体转换效率降低和输出能量品质变差这一不足，亟需发明一种能以容积控制方式实现液压缸作用力控制、系统压力控制和发电机转速控制的液压式波浪能发电系统，以符合高效节能的设计理念。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种基于容积调节原理的液压式波浪能发电系统，以提高整体转换效率和改善输出能量品质。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于容积调节原理的液压式波浪能发电系统，包括俘能端、储能端和输出端；所述俘能端、储能端和输出端通过介质管道相连接；所述俘能端将波浪能最大程度转化为液压能传递给储能端，储能端将频率较低波动较大的液压能转换为频率较大且平滑的液压能再传递给输出端，输出端将稳定后的液压能转化成电能。
所述俘能端包括浮子、液压缸和第一液压变压器，其中第一液压变压器由双向液压马达，第一变量液压泵与第一联轴器组成，第一变量液压泵为斜盘可过零点的液压泵；所述浮子与液压缸的活塞杆相连，液压缸的两个腔室与双向液压马达的两个入口相连，双向液压马达与第一变量液压泵通过第一联轴器相连，第一变量液压泵的出口与俘能端出口相连，第一变量液压泵的入口通过介质管道与俘能端入口相连。
所述储能端包括高压蓄能器和低压蓄能器；所述储能端的第一入口与俘能端的出口相连，储能端的第一入口与高压蓄能器并联于储能端的第一出口，储能端的第一出口与输出端的入口相连；储能端的第二入口与低压蓄能器并联于储能端的第二出口，储能端的第二出口与俘能端的入口相连。
所述输出端包括第二液压变压器，单向变量液压马达和发电机，第三联轴器，其中第二液压变压器由单向液压马达，第二变量液压泵与第二联轴器组成；所述输出端的入口与储能端的第一出口相连，单向液压马达的入口与第二变量液压泵的出口并联于输出端的入口，单向液压马达的出口与单向变量液压马达的入口相连，单向变量液压马达与发电机由第三联轴器相连，单向变量液压马达的出口与第二变量液压泵的入口并联于输出端的出口，输出端的出口与储能端的第二入口相连。
所述第一变量液压泵，第二变量液压泵和单向变量液压马达分别由单独的控制策略控制器其排量，控制策略为现有技术，在此不赘述。
本发明相比现有技术具有以下优点：
1、本发明由于液压变压器和蓄能器的存在使该波浪能发电系统的俘能端、储能端和输出端的耦合程度降低，同时兼具变压液压式系统易于控制和常压液压式系统具备蓄能稳压的优点，可同时实现对液压缸腔室压力、系统工作压力和发电机转速的多重控制目标，使系统能量化效率高，能量输出波动小品质高；
2、本发明由于是采用容积调节的方式进行多重目标控制，相比较传统节流调节方式避免了节流损失，提高了发电系统的转换效率，同时避免了液压阀离散切换产生的油液压力振荡而引起的功率消耗和压力频繁波动，提高了系统中各元件的使用寿命和可靠性；
3、本发明通过调节俘能端液压变压器中变量泵的排量以控制液压缸腔室压力，实现最佳压力匹配，使液压缸作用力匹配波浪变化，提高了液压缸对波浪能的俘获效率；
4、本发明通过调节输出端单向变量液压马达排量可使输出端系统的工作压力平稳，并使蓄能器正常工作进行蓄能稳压，使发电系统在波浪能丰富的波况下存储多余的能量，在波浪能匮乏的波况下将多余的能量释放，实现能量自动补偿，使发电系统能够将频率较低波动较大的波浪能转换为频率较大平滑的电能，提高了输出电能的品质；
5、本发明通过调节输出端第二液压变压器中第二变量泵排量可控制第二液压变压器中单向液压马达的转速，进而控制进入单向液压马达的流量，实现发电机转速控制，提高了输出电能的品质。
6、本发明可用于任何离岸、近岸和靠岸的振荡体式波浪能发电装置，不受具体浮子形状的限制；
7、本发明的传输介质可以是液压油液可以是海水，当工作介质是海水时无需再额外设置油箱提供液压油，经济环保。
8、本发明在恶劣的波况下，通过将第一液压变压器中变量泵的斜盘调至零点，使液压发电系统处于离合状态，浮子可随波浪自由运动，可保护液压发电系统免受恶劣波况的破坏。
附图说明
图1为本发明的系统原理示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于容积调节原理的液压式波浪能发电系统，包括俘能端1、储能端2和输出端3；所述俘能端1、储能端2和输出端3通过介质管道相连接；所述俘能端1将波浪能最大效率转化液压能传递给储能端2，储能端2将频率较低波动较大的液压能转换为频率较大且平滑的液压能再传递给输出端，输出端3将稳定后的液压能转化成电能。
所述俘能端1包括浮子7、液压缸6和第一液压变压器4，其中第一液压变压器4由双向液压马达8、第一变量液压泵9与第一联轴器17组成；所述浮子7与液压缸6的活塞杆相连，液压缸6的两个腔室与双向液压马达8的两个入口相连，双向液压马达8与第一变量液压泵9通过第一联轴器17相连，第一变量液压泵9的出口与俘能端1出口相连，第一变量液压泵9的入口通过介质管道与俘能端1入口相连。值得注意的是，第一变量液压泵9为斜盘可过零点的液压泵，双向液压马达8的转速方向为反方向时，第一变量液压泵9为斜盘为负角度使液压泵的进、出油口不变，所以无论双向液压马达是正向旋转还是反向旋转，第一变量液压泵输出的液压油总是朝一个方向流动。
所述储能端2包括高压蓄能器10和低压蓄能器11；所述储能端2的第一入口与俘能端1的出口相连，储能端2的第一入口与高压蓄能器10并联于储能端2的第一出口；储能端2的第二入口与低压蓄能器11并联于储能端2的第二出口，储能端2的第二出口与俘能端1的入口相连；高压蓄能器10预充气压力略高于单向变量液压马达14入口压力；低压蓄能器11的预充气压力略高于大气压。
所述输出端3包括第二液压变压器5、单向变量液压马达14、发电机15和第三联轴器18，其中第二液压变压器5由单向液压马达13、第二变量液压泵12与第二联轴器19组成；所述输出端3的入口与储能端2的第一出口相连，单向液压马达13的入口与第二变量液压泵12的出口并联于输出端的入口，单向液压马达13的出口与单向变量液压马达14的入口相连，单向变量液压马达14与发电机15由第三联轴器18相连，单向变量液压马达14的出口与第二变量液压泵12的入口并联于输出端3的出口，输出端3的出口与储能端2的第二入口相连。
所述第一变量液压泵9，第二变量液压泵12和单向变量液压马达14分别由单独的控制策略控制器其排量，控制策略为现有技术，在此不赘述。
本液压发电系统的工作原理如下：
当波浪16带动浮子7上移，液压缸6活塞杆向上移动，液压缸上腔6.1容积减小，上腔6.1工作压力为p1，液压缸下腔6.2容积增大，下腔6.2工作压力为p2，液压缸6将波浪能转化为液压能。液压油从液压缸6上腔流出进入管道，沿管道流入双向液压马达8第一入口，驱动双向液压马达8转动，转速为n1，排量为D1，然后从双向液压马达8第二入口流出，最后沿管道流回液压缸下腔6.2，双向液压马达将液压能转化为马达旋转的机械能。
双向液压马达8通过第一联轴器17带动第一变量液压泵9旋转，第一变量液压泵9再将旋转的机械能转化为液压能，液压油从第一变量液压泵9出口流出，第一变量液压泵9转速为n1，排量为D2，出口压力为p3，入口压力为p4。当波浪16带动浮子7下移时，情况类似在此不赘述，需注意的是此时双向液压马达的转速方向为反方向，第一变量液压泵斜盘倾角变为负角度实现自整流，使第一变量液压泵液压油流出方向不变。
液压油从俘能端1出口流出，流入储能端2第一入口，一部分液压油流入高压蓄能器10，一部分液压油流向储能端2第一出口，液压油压力为p3。
从储能端2第一出口流出的液压油流入输出端3入口，流量为q1，从输出端3入口流出的液压油与第二液压变压器5第二变量液压泵12出口流出的液压油汇合后一起流入第二液压变压器5单向液压马达13的入口，液压油压力为p3。液压油驱动单向液压马达转动，液压马达转速为n2，排量为D4，然后液压油从第二液压变压器单向液压马达13的出口流出。单向液压马达13通过第二联轴器19带动第二变量液压泵12转动，液压泵转速为n2，排量为D3，出口压力为p3，出口流量为q2。
从第二液压变压器单向液压马达13的出口流出的液压油流入单向变量液压马达14的入口，入口压力为p5，液压油驱动单向变量液压马达14转动，液压马达转速为n3，排量为D5，然后液压油从单向变量液压马达14的出口流出，出口压力为p4，单向变量液压马达14将液压能转化为液压马达旋转的机械能。单向变量液压马达14通过第三联轴器18带动发电机15转动，发电机15转速为n3，负载扭矩为T，发电机15将机械能转化为电能，实现波浪能发电。
从单向变量液压马达14流出的液压油分别流向第二液压变压器第二变量液压泵12的入口和输出端的出口，液压油压力为p4，易知流向第二变量液压泵12的入口的流量为q2,流向输出端出口的流量为q1。从输出端3的出口流出的液压油流入储能端2第二入口。从储能端2第二入口流入的液压油一部分流入低压蓄能器11，一部分流向储能端2第二出口，液压油压力为p4。从储能端2第二出口流出的液压油流入俘能端1入口。从俘能端1入口流入的液压油流入第一变压器变量液压泵的入口，入口压力为p4，最终实现系统液压油循环。
由于海洋波况很复杂，系统流量和工作压力在不断变化，导致发电系统工作压力波动大、俘能效率低、发电机转速不稳定，因此很多传统波浪能液压发电系统能量转换效率低、输出电能波动大质量差，不具备实用价值。而本液压发电系统就可以解决以上问题。
当本液压发电系统储能端高压蓄能器10所在管路的压力达到高压蓄能器的预充气体压力后，高压蓄能器10可以正常工作。高压蓄能器10在波浪能丰富的波况下，将多余的能量存储在蓄能器中，在波浪能欠佳的波况下，将存储的能量释放实现能量自动补偿，使高压蓄能器所在的管路压力p3平稳，不再剧烈变化；低压蓄能器主要目的是补充泄漏的液压油，所在管路压力p4基本不变。在储能端正常工作的基础上，本液压发电系统再通过俘能端实现对液压缸腔室压力的控制提高俘能效率，通过输出端实现对发电机转速的控制来提高输出电能质量。
本液压发电系统输出端的单向变量液压马达的作用就在于使系统工作压力p5平稳并确保储能端可以正常工作。表达式(1)右端给出了单向变量液压马达输出扭矩，左端M是单向变量液压马达需克服的负载转矩，出口压力p4为被动端压力可忽略不计，最终决定单向变量液压马达入口压力p5的是负载扭矩M和排量D5。负载扭矩M由电机的负载决定而发电机负载会因用户需求而时常变化，排量D5是可调节的。本液压发电系统根据负载扭矩M调节排量D5实现对单向变量液压马达入口压力的控制，当M增大时则调大D5，当M减小时则调小D5，使单向变量液压马达工作压力p5平稳。
Figure BDA0002632720190000061
当工作压力p5实现稳定后，由于储能端高压蓄能器的预充气体压力约等于p5，则第二液压变压器单向液压马达入口压力p3大于预充气体压力，从而确保高压蓄能器可以正常工作。高压蓄能器正常工作使单向液压马达入口压力p3稳定在一定范围内，从而使系统压力平稳，为发电系统俘能端实现对液压缸腔室压力控制奠定了基础。
本液压发电系统俘能端的第一液压变压器的作用就在于通过调节液压缸两腔压差p1-p2来提高俘能效率。海洋的波浪虽然每时每刻波况都在变化，但在每一个波况下，有一个最佳液压缸上下腔作用力之差使得液压缸在这个波况下俘获最大的能量，由于液压缸面积是固定的，所以就有一个最佳压差△p使得液压缸在这个波况下俘获最大的能量。
由第一液压变压器变压比公式(2)可知，第一液压变压器双向液压马达的排量D1不可调节，第一变量液压泵的排量D2是可调节的，第一变量液压泵的压差p3-p4已经被储能端稳定基本不变。通过控制排量D2，使双向液压马达两个入口压差即液压缸上下腔压差p1-p2与该波浪波况下俘能效率最大的最佳压差△p相匹配，实现对液压缸作用力的控制，从而实现对波浪能的俘获效率最大化。
(p1-p2)n1D1＝(p3-p4)n1D2 (2)
本液压发电系统输出端的第二液压变压器的作用就在于实现对发电机转速n3的控制。发电机的转速n3能否稳定在额定转速直接影响发电机的产电品质和效率。由发动机转速的转速公式(3)可知，最终决定电机转速n3即单向变量液压马达转速的是通过单向变量液压马达的流量q3与单向变量液压马达的排量D5。
Figure BDA0002632720190000071
由于单向变量液压马达的排量D5为了控制系统压力在不断变化，必须保证流量q3也在同比例变化才能保持转速n3稳定。由流量关系可得式(4)(5)，联立(4)(5)消去n2可得式(6)，第二液压变压器中第二变量液压泵的排量D3是可调节的，单向液压马达的排量D4是不可调节的。由于波浪能的波动性，输出端入口流入的液压油流量q1由高压蓄能器和第一变量泵共同决定，q1在不断变化。通过控制策略调节D3来保证流量q3与排量D5等比例变化，当D5增大则调节D3从而等比例增大q3，当D5减小则调节D3从而等比例减小q3，实现控制单向变量液压马达的转速n3即电机转速稳定在额定转速，从而提高发电机产电品质和效率。
q3＝q1+q2＝q1+n2D3 (4)
q3＝n2D4 (5)
Figure BDA0002632720190000072
因此，本文所述的一种基于容积调节原理的液压式波浪能发电系统兼具变压式易于控制和常压式具备蓄能稳压的优点，使俘能端、储能端和输出端的耦合程度降低，可同时实现对液压缸作用力、系统压力和发电机转速的多重控制目标。其次，发电系统基于容积调节原理，采用调节排量的方式对发电系统流量和压力进行调节，相比较传统液压阀节流控制方式避免了节流损失和油液压力振荡而引起的功率消耗，完全没有节流损失，并减少了给管路等元件带来的疲劳破坏，大大提高了发电系统的转换效率和系统的可靠性，且蓄能器的存在使复杂的波能俘获过程和液压能转换为电能的过程相对独立使液压发电系统能够将频率较低波动较大的波浪能转换为频率较大平滑的电能，大大提高产电品质，满足用户的需求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。。

Claims (1)

1.一种基于容积调节原理的液压式波浪能发电系统，其特征在于：包括有俘能端、储能端和输出端；所述的俘能端、储能端和输出端依次通过介质管道相连接；所述俘能端将波浪能转化为液压能传递给储能端，储能端将频率低波动大的液压能转换为频率大且平滑的液压能再传递给输出端，输出端将稳定后的液压能转化成高质量电能；
所述的俘能端包括有浮子、液压缸和第一液压变压器，所述的第一液压变压器包括有通过第一联轴器连接的双向液压马达和第一变量液压泵，所述的浮子与液压缸的活塞杆相连，液压缸的两个腔室分别与双向液压马达的两个入口相连，所述第一变量液压泵的出口与俘能端出口相连，第一变量液压泵的入口与俘能端入口相连；
所述的第一变量液压泵为斜盘可过零点的液压泵；
所述储能端包括有高压蓄能器和低压蓄能器；所述储能端的第一入口与俘能端的出口相连，储能端的第一入口与高压蓄能器并联于储能端的第一出口，储能端的第一出口与输出端的入口相连；储能端的第二入口与低压蓄能器并联于储能端的第二出口，储能端的第二出口与俘能端的入口相连；
所述输出端包括有第二液压变压器、单向变量液压马达和发电机，单向变量液压马达和发电机通过第三联轴器连接，所述的第二液压变压器包括有通过第二联轴器连接的单向液压马达和第二变量液压泵；所述输出端的入口与储能端的第一出口相连，单向液压马达的入口与第二变量液压泵的出口并联于输出端的入口，单向液压马达的出口与单向变量液压马达的入口相连，单向变量液压马达的出口与第二变量液压泵的入口并联于输出端的出口，输出端的出口与储能端的第二入口相连。
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