CN115822875A - 基于液压传动的可控风力发电系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

基于液压传动的可控风力发电系统及其控制方法，该系统中风桨驱动的N个液压泵的入口均与上油管连接，其出口均通过第一开关阀与下油管连接，且每个液压泵的出口和入口间均连接有放空回路；设置在地面的M个液压马达的入口均通过第三开关阀与下油管连接，每个液压马达的出口均与上油管连接，液压马达驱动相应的发电机发电。本发明通过控制开关阀的通断，使得全部或部分液压泵的液压油输送至地面的全部或部分液压马达，驱动发电机发电，使得系统始终处在最佳工作状态。本发明解决了现有风力发电系统故障率高、故障维修难度大、发电稳定性差、发电效率低的技术问题，提高了系统的可靠性和发电效率，保证了发电稳定性。

Description

基于液压传动的可控风力发电系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种风力发电系统及其控制方法，尤其涉及一种基于液压传动的风力发电系统及其控制方法。

背景技术

现有风力发电系统，其风电塔高达数十米或百米，其上的增速箱和发电机重达上百吨。其中，齿轮箱是其中故障率较高的部件。齿轮箱故障居高不下的原因除了制造和装配的原因，还有一个重要的原因是叶轮转速很低，产生的扭矩很大，轮齿表面的接触应力和弯曲应力都很大，传动系统在大风或紧急制动时所承受的载荷就更大。现代风力发电机的功率越来越大，齿轮箱所受的载荷也越来越大。还有，风力发电系统各传动部件设置在处于高空中的机舱内，使得各传动部件的吊装和维护十分不便，使得风力发电机组的使用成本增加。当发生机组故障后，高空作业、起吊设备调运到场等后续程序的响应时间长，严重影响正常风电效益。

另外，由于风速不稳，导致风电稳定性差。风电稳定性差的一个表现是风电系统在实际运行过程中应对电网故障的能力不足，风电稳定性差的另一个表现是发电功率不稳定，导致系统回馈补偿发电系统稳频系统的效率偏低，一般在40％以下。

为此，需要一种建设维护成本低、发电效率高、电力输出稳定的风力发电方法和系统。

发明内容

本发明目的是提供一种基于液压传动的可控风力发电系统及其控制方法，其解决了现有风力发电系统故障率高、故障维修难度大、维修时间长、发电稳定性差、发电效率低的技术问题。

本发明的技术解决方案是：

一种基于液压传动的可控风力发电系统，包括风电塔、设置在风电塔上的一组或两组风桨、设置在风电塔上且由风桨转轴驱动的液压泵、设置在风电塔内或者风电塔外的上油管和下油管、设置在风电塔下或地面的液压马达及相应的发电机；所述液压马达用于驱动发电机发电；其特殊之处是，所述液压泵的数量为N，N为大于1的整数；每个液压泵的出口均通过相应的第一开关阀与下油管连接，每个液压泵的入口均与上油管连接，且每个液压泵的出口和入口间均连接有放空回路，所述放空回路上分别设置有第二开关阀；所述液压马达的数量为M个，M为大于等于1的整数；每个液压马达的入口均通过相应的第三开关阀与下油管连接，每个液压马达的出口均与上油管连接。

为了提高系统的稳定性，上述可控风力发电系统还包括设置在下油管出口处或者每个液压马达入口处的稳压和储能装置和/或设置在液压马达与各自发电机之间的增速装置。

上述液压泵可采用柱塞泵或齿轮泵或螺杆泵或带增速箱的叶片泵，以柱塞泵为最优。

当风桨的数量为一组时，所述系统还包括转向变换机构；所述转向变换机构设置在风桨转轴与液压泵输入轴之间，用于将风桨转轴的连续旋转运动变换为液压泵输入轴的往复运动；当风桨的数量为两组时，所述系统还包括转速差合成机构和转向变换机构；所述转速差合成机构的两个输入轴分别接两组风桨转轴，其输出轴接转向变换机构输入轴，所述转向变换机构输出轴与液压泵的输入轴连接，用于将两个风桨转轴各自的连续旋转运动合成为液压泵输入轴的往复运动。

为了保持风桨转轴的力平衡，所述液压泵数量N优选偶数。

第一种转向变换机构包括传动组件、正向驱动组件和反向驱动组件；所述传动组件包括设置有长条孔的滑动平台、穿设在长条孔内且能正反向相对移动的输入轴、设置在滑动平台上方且与输入轴平行的正向输出轴、设置在滑动平台下方且与输入轴平行的反向输出轴、设置在输入轴上的主动齿轮、设置在正向输入轴上且与主动齿轮啮合的第一被动齿轮、设置在反向输入轴上且与主动齿轮啮合的第二被动齿轮；所述正向驱动组件包括设置在正向输出轴上的至少一个半环形正向齿轮、设置在滑动平台上表面且与半环形正向齿轮分别啮合的正向齿条；所述反向驱动组件包括设置在反向输出轴上的至少一个半环形反向齿轮、设置在滑动平台下表面且与半环形反向齿轮分别啮合的反向齿条；在输入轴旋转的任一时刻，只有正向齿轮与正向齿条啮合或者反向齿轮与反向齿条啮合；所述滑动平台的一侧面与其中N/2个液压泵输入轴连接，其相对侧面与其余N/2个液压泵输入轴连接。

第二种转向变换机构包括传动组件、正向驱动组件和反向驱动组件；所述传动组件包括设置有长条孔的滑动平台、穿设在长条孔内且能正反向相对移动的输入轴、设置在输入轴上的半环形主动齿轮；所述正向驱动组件包括设置在长条孔上表面且与半环形主动齿轮啮合的正向齿条，所述反向驱动组件包括设置在长条孔下表面且与半环形主动齿轮啮合的反向齿条；在输入轴旋转的任一时刻，半环形主动齿轮只与正向齿条啮合或者只与反向齿条啮合；所述滑动平台的一侧面与其中N/2个液压泵输入轴连接，其相对侧面与其余N/2个液压泵输入轴连接。

上述风力发电系统的控制方法，包括以下步骤：

1)风力驱动风电塔上的一组或两组风桨转动；

2)风桨带动液压泵工作，将液压油增压，根据风桨传递的功率，控制每个液压泵的第一开关阀和第二开关阀的通断，使得全部或部分液压泵的液压油输送至地面的液压马达，其余液压泵的液压油返回各自的入口；

3)根据液压泵传递的功率，通过控制每个液压马达的第三开关阀的通断，使得全部或部分液压马达驱动发电机发电；

4)流出液压马达的液压油重新送入风电塔上的液压泵。

为了简化制动装置，本发明还可过控制第一开关阀和第二开关阀的开闭实现风桨制动。

为了平衡各液压泵和液压马达的工作时长，还可根据每个液压泵和液压马达的累计工作时长，选择相应液压泵或液压马达的工作状态；为了系统更加稳定，还可根据风桨最大输出功率选择液压泵的数量N，根据液压泵的最大输出功率选择液压马达的数量M。

本发明的技术效果是：

1、本发明采用多个液压泵并联的方式，通过控制相应的开关阀，在保证液压马达输出功率与风桨输出功率相适配的前提下，可以实现正在工作的每个液压泵和液压马达均处在最佳工作状态，提高了液压泵和液压马达的可靠性，保证了发电稳定性和输出功率最大。

2、本发明采用控制液压泵输出口的通断，实现风桨制动，去掉了风电塔上的制动器，具有结构简单，可靠性高，制动力大的优点。

3、本发明去掉了风电塔上的变速箱和发电机组，而是将发电机组放置在风电塔下的地面，风能经风桨叶片驱动液压泵，再通过高压油柔性传至地面，再由液压马达精确驱动发电机发电，可以大幅度降低风电塔上的重量和体积，系统价格和运维成本大为降低。

4、本发明采用单塔双桨驱动，可实现风电功率倍增。

5、本发明前置液压的稳压调节，使发电机转速保持在同步转速附近，可以实现发电功率和频率的稳定，降低发电系统滤波稳压成本，使风电效率从原来的40％提高到60％左右。

6、本发明将液压泵设置在风电塔上，具有传动效率高、无径向分力、磨损小、寿命长、传动噪声小的优点。

7、本发明采用双风桨同轴速差容错驱动的方式实现动力耦合，可提高风电效率。

8、本发明采用塔下发电机发电和调节，便于安装，可降低运维费用和提高维修响应速度。

附图说明

图1是本发明风桨转轴和液压泵的连接关系示意图；

图2是本发明液压泵和液压马达构成的液压油循环回路示意图；

图3是本发明多个液压马达并联的示意图；

图4是本发明第一种转向转换机构的结构示意图；

图5是本发明第二种转向转换机构的结构示意图；

图6是本发明液压油循环回路的原理示意图；

图中，1-液压泵，2-液压泵输入轴，3-行星齿轮减速箱，4-风桨转轴，5-风桨，6-叶片，7-风电塔，8-上油管，9-下油管，10-机舱，11-电气柜，12-储能罐，13-液压马达，14-发电机，15-第三开关阀，16-第一开关阀，17-第二开关阀，18-滑动平台，19-长条孔，20-输入轴，21-正向输出轴，22-反向输出轴，23-主动齿轮，24-第一被动齿轮，25-第二被动齿轮，26-正向齿轮，27-正向齿条，28-反向齿轮，29-反向齿条，30-增速装置。

具体实施方式

参见图1、2、3和6，一种基于液压传动的可控风力发电系统，包括风电塔7、设置在风电塔7上的两组风桨5、设置在风电塔7上方位于机舱10内且由风桨转轴4通过行星齿轮减速箱3驱动的液压泵1、设置在风电塔7内部或者风电塔7外壁的上油管8和下油管9、设置在风电塔7下方内部或风电塔7外部地面的液压马达13及相应的发电机14；液压泵1的数量最好大于1个，优选偶数个，可根据风桨5最大输出功率来选择液压泵1的数量N，图4中N为16，每侧8个。液压泵1为柱塞泵或齿轮泵或螺杆泵或带增速箱的叶片泵。

每个液压泵1的出口均通过相应的第一开关阀16与下油管9连接，每个液压泵1的入口均与上油管8连接，且每个液压泵1的出口和入口间均连接有放空回路，放空回路上分别设置有第二开关阀17；液压马达13的数量可以是一个，也可以是多个并联，根据液压泵1的最大输出功率选择并联的液压马达13的数量M；每个液压马达13的入口均通过相应的第三开关阀15与下油管9连接，每个液压马达13的出口均与上油管8连接；液压马达13用于驱动发电机14发电；考虑到风力的不稳定性，可在下油管9出口处设置多个并联的稳压和储能装置或者在每个液压马达13入口处设置一个或多个稳压和储能装置，稳压和储能装置优选储能罐12；还可在液压马达13与各自发电机14之间设置增速装置30，例如变速箱等。

考虑到需要将风桨5的连续旋转运动转换为往复运动才能驱动液压泵1工作，所以需要在行星齿轮减速箱3和液压泵输入轴2之间设置转向变换机构。当风桨5的数量为一组时，转向变换机构用于将风桨转轴4的连续旋转运动变换为液压泵输入轴2的往复运动；当风桨5的数量为两组时，在转向变换机构之前还应设置转速差合成机构；转速差合成机构的两个输入轴分别接两组风桨转轴4，其输出轴接转向变换机构输入轴20，其可以采用常规的差速耦合器或同轴耦合器，只要能将两个风桨转轴4的转速合成为一个转速并输出即可。

转向变换机构可以有多种不同结构，本实施例提供两种优选结构。

第一种转向变换机构参见图4，其包括传动组件、正向驱动组件和反向驱动组件；传动组件包括设置有长条孔19的滑动平台18、穿设在长条孔19内且能正反向相对移动的输入轴20、设置在滑动平台18上方且与输入轴20平行的正向输出轴21、设置在滑动平台18下方且与输入轴20平行的反向输出轴22、设置在输入轴20上的主动齿轮23、设置在正向输入轴20上且与主动齿轮23啮合的第一被动齿轮24、设置在反向输入轴20上且与主动齿轮23啮合的第二被动齿轮25；正向驱动组件包括设置在正向输出轴21上的8个半环形正向齿轮26、设置在滑动平台18上表面且与半环形正向齿轮26分别啮合的正向齿条27、设置在反向输出轴22上的8个半环形反向齿轮28、设置在滑动平台18下表面且与半环形反向齿轮28分别啮合的反向齿条29；滑动平台可以是一个，也可以是多个并排设置，同理，其上的正向齿条和反向齿条也可以是一个或并排的多个，与齿条啮合的正向齿轮和反向齿轮也可以是一个或多个。在输入轴20旋转的任一时刻，只有正向齿轮26与正向齿条27啮合或者反向齿轮28与反向齿条29啮合；滑动平台18的一侧面与其中8个液压泵输入轴2连接，其相对侧面与其余8个液压泵输入轴2连接。

参见图5，第二种转向变换机构原理与第一种转向变换机构相同，同样包括传动组件、正向驱动组件和反向驱动组件；传动组件包括设置有长条孔19的滑动平台18、穿设在长条孔19内且能正反向相对移动的输入轴20、设置在输入轴20上的半环形主动齿轮23；正向驱动组件包括设置在长条孔19上表面且与半环形主动齿轮23啮合的正向齿条27、设置在长条孔19下表面且与半环形主动齿轮23啮合的反向齿条29；在输入轴20旋转的任一时刻，半环形主动齿轮23只与正向齿条27啮合或者只与反向齿条29啮合；和图4一样，滑动平台18的一侧面与其中8个液压泵输入轴2连接，其相对侧面与其余8个液压泵输入轴2连接。

本发明风力发电系统的控制方法，包括以下步骤：

1]根据风桨5最大输出功率选择液压泵1的数量N，根据液压泵1的最大输出功率选择液压马达13的数量M；

2]风力驱动风电塔7上的一组或两组风桨5转动；

3]风桨5带动液压泵1工作，将液压油增压，根据风桨5传递的功率，控制每个液压泵1的第一开关阀16和第二开关阀17的通断，使得全部或部分液压泵1的液压油通过下油管9输送至地面的液压马达13，其余液压泵1的液压油通过放空回路返回各自的入口，保证工作的液压泵1尽量按额定转速或额定功率工作；

4]根据液压泵1传递的功率，通过控制每个液压马达13的第三开关阀15的通断，使得全部或部分液压马达13驱动发电机14发电；第三开关阀15关闭的液压马达13，则停止工作，保证第三开关阀15打开的液压马达13尽量按额定转速或额定功率驱动发电机14发电；

5]流出液压马达13的液压油直接送入风电塔7上的液压泵1，或者加压后重新送入风电塔7上的液压泵1，或者回到油箱后再送入风电塔7上的液压泵1。

当需要风桨5制动时，关闭所有的第一开关阀16和第二开关阀17即可。

为了平衡每个液压泵1和液压马达13的工作状态，防止某些液压泵1或液压马达13长期工作，而另外的液压泵1或液压马达13长期闲置，从而延长整个系统的检修周期，可以通过计算每个液压泵1和液压马达13的累计工作时长，选择相应液压泵1或液压马达13的开闭状态。

Claims (10)

1.一种基于液压传动的可控风力发电系统，包括风电塔(7)、设置在风电塔(7)上的一组或两组风桨(5)、设置在风电塔(7)上且由风桨转轴(4)驱动的液压泵(1)、设置在风电塔(7)内或者风电塔(7)外的上油管(8)和下油管(9)、设置在风电塔(7)下或地面的液压马达(13)及相应的发电机(14)；所述液压马达(13)用于驱动发电机(14)发电；

其特征在于：

所述液压泵(1)的数量为N，N为大于1的整数；每个液压泵(1)的出口均通过相应的第一开关阀(16)与下油管(9)连接，每个液压泵(1)的入口均与上油管(8)连接，且每个液压泵(1)的出口和入口间均连接有放空回路，所述放空回路上分别设置有第二开关阀(17)；

所述液压马达(13)的数量为M个，M为大于等于1的整数；每个液压马达(13)的入口均通过相应的第三开关阀(15)与下油管(9)连接，每个液压马达(13)的出口均与上油管(8)连接。

2.根据权利要求1所述的基于液压传动的可控风力发电系统，其特征在于：还包括设置在下油管(9)出口处或者每个液压马达(13)入口处的稳压和储能装置和/或设置在液压马达(13)与各自发电机(14)之间的增速装置(30)。

3.根据权利要求2所述的基于液压传动的可控风力发电系统，其特征在于：所述液压泵(1)为柱塞泵或齿轮泵或螺杆泵或带增速箱的叶片泵。

4.根据权利要求1或2或3所述的基于液压传动的可控风力发电系统，其特征在于：

当风桨(5)的数量为一组时，所述系统还包括转向变换机构；所述转向变换机构设置在风桨转轴(4)与液压泵输入轴(2)之间，用于将风桨转轴(4)的连续旋转运动变换为液压泵输入轴(2)的往复运动；

当风桨(5)的数量为两组时，所述系统还包括转速差合成机构和转向变换机构；所述转速差合成机构的两个输入轴分别接两组风桨转轴(4)，其输出轴接转向变换机构输入轴(20)，所述转向变换机构输出轴与液压泵输入轴(2)连接，用于将两个风桨转轴(4)各自的连续旋转运动合成为液压泵输入轴(2)的往复运动。

5.根据权利要求4所述的基于液压传动的可控风力发电系统，其特征在于：所述N为偶数。

6.根据权利要求5所述的基于液压传动的可控风力发电系统，其特征在于：

所述转向变换机构包括传动组件、正向驱动组件和反向驱动组件；

所述传动组件包括设置有长条孔(19)的滑动平台(18)、穿设在长条孔(19)内且能正反向相对移动的输入轴(20)、设置在滑动平台(18)上方且与输入轴(20)平行的正向输出轴(21)、设置在滑动平台(18)下方且与输入轴(20)平行的反向输出轴(22)、设置在输入轴(20)上的主动齿轮(23)、设置在正向输入轴(20)上且与主动齿轮(23)啮合的第一被动齿轮(24)、设置在反向输入轴(20)上且与主动齿轮(23)啮合的第二被动齿轮(25)；

所述正向驱动组件包括设置在正向输出轴(21)上的至少一个半环形正向齿轮(26)、设置在滑动平台(18)上表面且与半环形正向齿轮(26)分别啮合的正向齿条(27)；所述反向驱动组件包括设置在反向输出轴(22)上的至少一个半环形反向齿轮(28)、设置在滑动平台(18)下表面且与半环形反向齿轮(28)分别啮合的反向齿条(29)；在输入轴(20)旋转的任一时刻，只有正向齿轮(26)与正向齿条(27)啮合或者反向齿轮(28)与反向齿条(29)啮合；

所述滑动平台(18)的一侧面与其中N/2个液压泵输入轴(2)连接，其相对侧面与其余N/2个液压泵输入轴(2)连接。

7.根据权利要求5所述的基于液压传动的可控风力发电系统，其特征在于：

所述转向变换机构包括传动组件、正向驱动组件和反向驱动组件；

所述传动组件包括设置有长条孔(19)的滑动平台(18)、穿设在长条孔(19)内且能正反向相对移动的输入轴(20)、设置在输入轴(20)上的半环形主动齿轮(23)；

所述正向驱动组件包括设置在长条孔(19)上表面且与半环形主动齿轮(23)啮合的正向齿条(27)，所述反向驱动组件包括设置在长条孔(19)下表面且与半环形主动齿轮(23)啮合的反向齿条(29)；在输入轴(20)旋转的任一时刻，半环形主动齿轮(23)只与正向齿条(27)啮合或者只与反向齿条(29)啮合；

所述滑动平台(18)的一侧面与其中N/2个液压泵输入轴(2)连接，其相对侧面与其余N/2个液压泵输入轴(2)连接。

8.权利要求1至7任一所述的风力发电系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1]风力驱动风电塔(7)上的一组或两组风桨(5)转动；

2]风桨(5)带动液压泵(1)工作，将液压油增压，根据风桨(5)传递的功率，控制每个液压泵(1)的第一开关阀(16)和第二开关阀(17)的通断，使得全部或部分液压泵(1)的液压油输送至地面的液压马达(13)，其余液压泵(1)的液压油返回各自的入口；

3]根据液压泵(1)传递的功率，通过控制每个液压马达(13)的第三开关阀(15)的通断，使得全部或部分液压马达(13)驱动发电机(14)发电；

4]流出液压马达(13)的液压油重新送入风电塔(7)上的液压泵(1)。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于：通过控制第一开关阀(16)和第二开关阀(17)的开闭实现风桨(5)制动。

10.根据权利要求8或9所述的控制方法，其特征在于：根据每个液压泵(1)和液压马达(13)的累计工作时长，选择相应液压泵(1)或液压马达(13)的工作状态；根据风桨(5)最大输出功率选择液压泵(1)的数量N，根据液压泵(1)的最大输出功率选择液压马达(13)的数量M。

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