專利名稱:一種基于液壓傳動的風力機及其控制方法
技術領域:
本發(fā)明屬于風カ發(fā)電領域,具體涉及ー種基于液壓傳動的風カ機及其控制方法。
背景技術:
風カ機是捕獲風能并將其轉換為電能的裝置。由于風能是ー種瞬時變化很大的能源,在風カ機并入電網時,要求風カ機發(fā) 出的電的頻率與電網的頻率一致。為了解決風能的瞬時變化與恒定的電網頻率之間的矛盾,目前廣泛應用的ー種方法是風カ機變速恒頻控制。變速恒頻是指在風カ機運行過程中,控制發(fā)電機的轉速隨風速變化捕獲最大風能,通過其他控制方式輸出恒頻電能。目前,現有的風カ機通常采用齒輪箱傳動方式或者直驅傳動方式。齒輪箱傳動方式是,葉輪在風的吹動下旋轉,由于葉輪轉速通常較低,需經齒輪箱增速,通過齒輪箱將能量傳遞到發(fā)電機端。直驅傳動方式是,葉輪直接與低速永磁同步發(fā)電機相連接。采用齒輪箱傳動方式的風カ機,通常采用雙饋異步發(fā)電機,通過調節(jié)雙饋異步發(fā)電機的勵磁電流的幅值、頻率、相序,確保輸出電功率恒頻恒壓。同時采用矢量變換控制技術,通過調節(jié)雙饋異步發(fā)電機有功功率來調節(jié)葉輪轉速,進而實現最大風能捕獲的追蹤控制。這種控制方法的缺點是在變速控制中發(fā)生的抖振會造成機械應カ的増加,由于風速的波動較大,齒輪箱會受到較大的沖擊,引起齒輪箱故障,一般由于齒輪箱故障發(fā)生的維修成本就占了風カ機維修成本的60%以上。采用直驅傳動方式的風カ機,通常采用低速永磁同步發(fā)電機。低速永磁同步發(fā)電機的轉速和電網頻率之間是剛性耦合的,不斷波動變化的風速將給低速永磁同步發(fā)電機輸入變化的能量,這不僅給風カ機帶來高負荷和沖擊力,而且不能以優(yōu)化方式運行。在低速永磁同步發(fā)電機和電網之間采用頻率轉換器可以解決轉速和電網頻率之間的耦合問題,但是電カ電子器件通常較為復雜,而且成本昂貴,由于在低速永磁同步發(fā)電機和電網之間按采用了中間設備,還會造成能量的傳遞損失。
發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種基于液壓傳動的風カ機及其控制方法,本發(fā)明采用液壓傳動方式實現能量的傳遞,并采用變量液壓馬達排量控制技術實現風カ機并網前后的控制,達到變速恒頻的目的。為解決上述技術問題,本發(fā)明風力機控制方法,其具體內容如下所述I)風カ機通過葉輪捕獲風能,葉輪將風能轉換為機械能并將能量傳遞給定量液壓泵,所述定量液壓泵將輸入的機械能轉換為液壓能輸出,所述定量液壓泵輸出的液壓能通過管路傳遞給變量液壓馬達,通過蓄能器來緩沖所述定量液壓泵輸出的液壓能。所述變量液壓馬達將輸入的液壓能轉換為機械能輸出,所述變量液壓馬達帶動永磁同步發(fā)電機轉動輸出電能,將所述永磁同步發(fā)電機的輸出端直接連接電網。2)在葉輪的轉軸上設置轉矩轉速儀,在所述永磁同步發(fā)電機的轉軸處設置第一轉速傳感器,控制器分別與轉矩轉速儀、第一轉速傳感器、變量液壓馬達的排量控制端進行電氣連接。3)在風カ機啟動之后,并入電網之前,將第一轉速傳感器測得的永磁同步發(fā)電機的實際轉速值輸入控制器。所述控制器將實際轉速值與預先設定的額定轉速值相比較,得出轉速偏差值,所述控制器根據轉速偏差值通過PID算法計算出的恒頻排量控制信號Qm。所述控制器輸出恒頻排量控制信號Qm給變量液壓馬達的排量控制端,通過調節(jié)變量液壓馬達的排量,來調節(jié)變量液壓馬達的轉速,所述變量液壓馬達的轉速等于永磁同步發(fā)電機的轉速,使得永磁同步發(fā)電機的實際轉速值Og等于額定轉速值當風カ機滿足并網要求時,所述控制器啟動并網程序,將風カ機并入電網。4)風カ機并入電網之后,所述永磁同步發(fā)電機輸出的電能的頻率等于電網頻率,所述永磁同步發(fā)電機的實際轉速值等于額定轉速值COr。當風カ機工作在低于風カ機的額定風速的某一風速下吋,將轉矩轉速儀測得的所述葉輪的轉速值和輸出功率值Pw分別輸入控制器。所述控制器根據葉輪的轉速值《¥計算出最大功率值?111,所述控制器將最大功率值Pm與輸出功率值Pw相比較得出的功率偏差值匕,所述控制器根據功率偏差值Pe通過PID算法計算出變速排量控制信號Qb。所述控制器輸出變速排量控制信號Qb給變量液壓馬達的排量控制端,通過調節(jié)變量液壓馬達的排量,來調節(jié)定量液壓泵與變量液壓馬達相連接的管路中油液的壓力,實現對定量液壓泵的轉速的調節(jié),使得葉輪捕獲最大風能。采用上述風カ機控制方法的基于液壓傳動的風カ機,其技術方案如下所述葉輪通過轉矩轉速儀與定量液壓泵相連接,所述定量液壓泵的出ロ通過管路連接變量液壓馬達的進ロ,所述變量液壓馬達的出ロ通過管路連接定量液壓泵的進ロ,在所述定量液壓泵的出口與變量液壓馬達的進ロ相連接的管路上連接有蓄能器,所述變量液壓馬達與永磁同步發(fā)電機相連接,所述永磁同步發(fā)電機的輸出端與電網相連接。所述永磁同步發(fā)電機的轉軸處設有第一轉速傳感器,控制器分別與轉矩轉速儀、第一轉速傳感器、變量液壓馬達的排量控制端電氣連接。進ー步的,所述風カ機還包括沖洗閥和補油裝置,所述沖洗閥的A ロ連接定量液壓泵的出口,所述沖洗閥的B ロ與定量液壓泵的進ロ相連接。補油裝置包括電機、補油液壓泵、第一單向閥、第二單向閥、第二溢流閥、濾油器和油箱。所述電機連接補油液壓泵,所述補油液壓泵的出口通過管路連接第一單向閥的進ロ,所述補油液壓泵的進ロ連接油箱。所述第一單向閥的出口連接沖洗閥的C ロ,所述第二溢流閥的進ロ連接第一單向閥的出口,所述第二溢流閥的出口連接油箱。所述第二單向閥的進ロ連接濾油器的進ロ,所述第二單向閥的出口與油箱相連接。所述濾油器的進ロ與沖洗閥的D ロ相連接,所述濾油器的出口與油箱相連接。進ー步的,所述沖洗閥包括第三節(jié)流閥、三位三通閥和第一溢流閥。所述三位三通閥的E ロ與沖洗閥的A ロ連通,所述三位三通閥的F ロ與沖洗閥的B ロ連通,所述三位三通閥的G ロ與沖洗閥的C ロ連通,所述第一溢流閥的出口與沖洗閥的D ロ連通,所述三位三通閥的G ロ通過第三節(jié)流閥與第一溢流閥的進ロ相連通。所述三位三通閥的上位控制油路設有第一節(jié)流閥,所述三位三通閥的下位控制油路設有第二節(jié)流閥。進ー步的,所述定量液壓泵的出口處設有背壓閥,所述定量液壓泵的出口與背壓閥的進ロ相連接,所述定量液壓泵的進ロ與背壓閥的出口相連接。
進ー步的,所述蓄能器通過截止閥連接所述定量液壓泵的出口與變量液壓馬達的進ロ相連接的管路。
采用本發(fā)明具有如下的有益效果I、本發(fā)明采用液壓傳動方式實現能量從捕獲端到發(fā)電端的傳遞,根據液壓系統的特性,蓄能器可以吸收由風速瞬變引起的能量波動,使得風カ機可以在一定程度上避免由于風速波動帶來的剛性沖擊。2、本發(fā)明可以實現風カ機變速恒頻控制目的,提高了能量利用率,并可以滿足風力機在并網時對發(fā)電機頻率的要求。3、本發(fā)明可以省去齒輪箱及電カ電子設備,節(jié)約了成本,而且液壓傳動方式可以起到無級變速的作用。
下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進ー步詳細的說明。圖I為本發(fā)明實施例風カ機控制方法的控制原理圖;圖2為本發(fā)明實施例基于液壓傳動的風カ機的轉速ω-功率P曲線圖;圖3為本發(fā)明實施例基于液壓傳動的風カ機的工作原理圖;圖4為本發(fā)明實施例基于液壓傳動的風カ機的沖洗閥的工作原理圖。
具體實施例方式參照附圖I和附圖2。本發(fā)明公開了ー種風カ機控制方法,具體內容如下所述I)風カ機通過葉輪捕獲風能,葉輪將風能轉換為機械能并將能量傳遞給定量液壓泵,所述定量液壓泵將輸入的機械能轉換為液壓能輸出,所述定量液壓泵輸出的液壓能通過管路傳遞給變量液壓馬達,通過蓄能器來緩沖所述定量液壓泵輸出的液壓能。所述變量液壓馬達將輸入的液壓能轉換為機械能輸出,所述變量液壓馬達帶動永磁同步發(fā)電機轉動輸出電能,將所述永磁同步發(fā)電機的輸出端直接連接電網。2)在葉輪的轉軸上設置轉矩轉速儀,在所述永磁同步發(fā)電機的轉軸處設置第一轉速傳感器,所述轉矩轉速儀用于測量葉輪的轉速和輸出功率,所述第一轉速傳感器用于測量永磁同步發(fā)電機的轉速??刂破鞣謩e與轉矩轉速儀、第一轉速傳感器、變量液壓馬達的排量控制端進行電氣連接。3)在風カ機啟動之后,并入電網之前,將第一轉速傳感器測得的永磁同步發(fā)電機的實際轉速值輸入控制器。所述控制器將實際轉速值與預先設定的額定轉速值相比較,得出轉速偏差值,所述控制器根據轉速偏差值通過PID算法計算出的恒頻排量控制信號Qm。所述控制器輸出恒頻排量控制信號Qm給變量液壓馬達的排量控制端,通過調節(jié)變量液壓馬達的排量,來調節(jié)變量液壓馬達的轉速,所述變量液壓馬達的轉速等于永磁同步發(fā)電機的轉速,使得永磁同步發(fā)電機的實際轉速值等于額定轉速值c^。此時,風カ機實現恒頻控制,滿足并網要求,所述控制器啟動并網程序,將風カ機并入電網。4)圖2所示為轉速ω-功率P曲線圖。當風速低于風カ機的額定風速時,葉輪輸出功率在姆個風速(如圖2中所示的四個風速V” V2> v3> V4,其中V1 > V2 > V3 > V4)下對應ー個最大功率點(如圖2中所示的),連接每個最大功率點就可以得到一條最大功率曲線。通過最大功率曲線可知,通過調節(jié)葉輪轉速使得風カ機運行在最大功率曲線上,就可以使風カ機在不同的風速下捕獲最大風能。為了隨著風速的波動調節(jié)葉輪的轉速,需要改變定量液壓泵轉軸上的反カ矩,通過調節(jié)變量液壓馬達的排量,可以調節(jié)定量液壓泵出口處的壓力,從而可以間接調節(jié)液壓泵轉軸上的反カ矩,實現葉輪轉速的調節(jié)。根據上述控制理論,得出如下控制方式風カ機并入電網之后,所述永磁同步發(fā)電機輸出的電能的頻率等于電網頻率,所述永磁同步發(fā)電機的實際轉速值等于額定轉速值COr。當風カ機工作在低于風カ機的額定風速的某ー風速下時,將轉矩轉速儀測得的所述葉輪的轉速值和輸出功率值Pw分別輸入控制器。所述控制器根據葉輪的轉速值Ow,查詢預先設定的最大功率曲線,計算出與轉速值Ow相對應的最大功率值Pni,所述控制器將最大功率值Pni與輸出功率值Pw相比較得出的功率偏差值匕,所述控制器根據功率偏差值匕通過PID算法計算出變速排量控制信號Qb。所述控制器輸出變速排量控制信號Qb給變量液壓馬達的排量控制端,通過調節(jié)變量液壓馬達的排量,來調節(jié)定量液壓泵與變量液壓馬達相連接的管路中油液的壓力,實現對定量液壓泵的轉速的調節(jié),達到變速控制目的并使得葉輪捕獲最大風能。參照附圖3和附圖4。附圖3和附圖4所示為采用上述風カ機控制方法的ー種基于液壓傳動的風カ機,包括葉輪11、定量液壓泵12、蓄能器31和變量液壓馬達21。葉輪11通過轉矩轉速儀13與定量液壓泵12相連接,所述葉輪11在風的吹拂下帶動定量液壓泵12轉動。所述定量液壓泵12的出ロ通過管路連接變量液壓馬達21的進ロ,所述變量液壓馬達21的出ロ通過管路連接定量液壓泵12的進ロ。所述定量液壓泵12與變量液壓馬達21通過管路構成ー個閉合的液壓回路,所述定量液壓泵12通過該閉合的液壓回路將能量傳遞給變量液壓馬達21。所述變量液壓馬達21與永磁同步發(fā)電機51相連接,所述變量液壓馬達21帶動永磁同步發(fā)電機51轉動發(fā)電輸出電能,所述永磁同步發(fā)電機51的輸出端與電網52相連接。所述永磁同步發(fā)電機51的轉軸處設有第一轉速傳感器41,控制器60分別與轉矩轉速儀13、第一轉速傳感器41、變量液壓馬達21的排量控制端211電氣連接。在所述定量液壓泵12的出口與變量液壓馬達21的進ロ相連接的管路上連接有截止閥32和蓄能器31,所述蓄能器31與截止閥32的一端相連接,所述截止閥32的另一端與定量液壓泵12的出ロ相連接。所述蓄能器31起到蓄能穩(wěn)壓的作用,可以緩沖定量液壓泵12輸出的液壓能。所述定量液壓泵12的出ロ處設有背壓閥14,所述定量液壓泵12的出ロ與背壓閥14的進ロ相連接,所述定量液壓泵12的進ロ與背壓閥14的出口相連接。所述風カ機還包括沖洗閥70和補油裝置80,所述沖洗閥70用于沖洗管路中的油液,并作為補充油液的中介輸入裝置。所述沖洗閥70的A ロ連接定量液壓泵12的出口,所述沖洗閥70的B ロ與定量液壓泵12的進ロ相連接。所述沖洗閥70包括第三節(jié)流閥73、三位三通閥74和第一溢流閥75。所述三位三通閥74的E ロ與沖洗閥70的A ロ連通,所述三位三通閥74的F ロ與沖洗閥70的B ロ連通,所述三位三通閥74的G ロ與沖洗閥70的C ロ連通,所述第一溢流閥75的出口與沖洗閥70的D ロ連通,所述三位三通閥74的G ロ通過第三節(jié)流閥73與第一溢流閥75的進ロ相連通;所述三位三通閥74的上位控制油路設有第一節(jié)流閥71,所述三位三通閥74的下位控制油路設有第二節(jié)流閥72。、
所述補油裝置80包括電機81、補油液壓泵82、第一單向閥83、第二單向閥84、第ニ溢流閥85、濾油器86和油箱87。所述電機81連接補油液壓泵82,所述補油液壓泵82的出ロ通過管路連接第一單向閥83的進ロ,所述補油液壓泵82的進ロ連接油箱87。所述第一單向閥83的出ロ連接沖洗閥70的C ロ,所述第二溢流閥85的進ロ連接第一單向閥83的出口,所述第二溢流閥85的出ロ連接油箱87。所述第二單向閥84的進ロ連接濾油器86的進ロ,所述第二單向閥84的出口與油箱87相連接。所述濾油器86的進ロ與沖洗閥70的D ロ相連接,所述濾油器86的出口與油箱87相連接。根據上述沖洗閥70和補油裝置80的結構,具體分析風カ機的油液沖洗和補油過程,具體過程如下I、油液沖洗過程控制三位三通閥74工作在下位,此時所述三位三通閥74的E ロ和G ロ相連通,從定量液壓泵12的出口流出的油液,依次流經三位三通閥74、第三節(jié)流閥73和濾油器86,流回油箱87。在此過程中,濾油器86起到沖洗過濾油液的作用。2、補油過程啟動電機81,控制三位三通閥74工作在上位,此時所述三位三通閥 74的F 口和G ロ相連通,電機81帶動補油液壓泵82轉動,補油液壓泵82從油箱87中吸油,從補油液壓泵82的出ロ流出的油液,依次流經第一單向閥83和三位三通閥74,流入定量液壓泵12進ロ處的管路,完成補油過程。
權利要求
1.一種風カ機控制方法,其特征在干 1)風カ機通過葉輪捕獲風能,葉輪將風能轉換為機械能并將能量傳遞給定量液壓泵,所述定量液壓泵將輸入的機械能轉換為液壓能輸出,所述定量液壓泵輸出的液壓能通過管路傳遞給變量液壓馬達,通過蓄能器來緩沖所述定量液壓泵輸出的液壓能;所述變量液壓馬達將輸入的液壓能轉換為機械能輸出,所述變量液壓馬達帶動永磁同步發(fā)電機轉動輸出電能,將所述永磁同步發(fā)電機的輸出端直接連接電網; 2)在葉輪的轉軸上設置轉矩轉速儀,在所述永磁同步發(fā)電機的轉軸處設置第一轉速傳感器,控制器分別與轉矩轉速儀、第一轉速傳感器、變量液壓馬達的排量控制端進行電氣連接; 3)在風カ機啟動之后,并入電網之前,將第一轉速傳感器測得的永磁同步發(fā)電機的實際轉速值輸入控制器;所述控制器將實際轉速值與預先設定的額定轉速值相比較,得出轉速偏差值,所述控制器根據轉速偏差值通過PID算法計算出的恒頻排量控制信號Qm ;所述控制器輸出恒頻排量控制信號Qm給變量液壓馬達的排量控制端,通過調節(jié)變量液壓馬達的排量,來調節(jié)變量液壓馬達的轉速,所述變量液壓馬達的轉速等于永磁同步發(fā)電機的轉速,使得永磁同步發(fā)電機的實際轉速值等于額定轉速值ωパ當風カ機滿足并網要求時,所述控制器啟動并網程序,將風カ機并入電網; 4)風カ機并入電網之后,所述永磁同步發(fā)電機輸出的電能的頻率等于電網頻率,所述永磁同步發(fā)電機的實際轉速值ω8等于額定轉速值COr ;當風カ機工作在低于風カ機的額定風速的某ー風速下時,將轉矩轉速儀測得的所述葉輪的轉速值Ow和輸出功率值Pw分別輸入控制器;所述控制器根據葉輪的轉速值《¥計算出最大功率值? 1,所述控制器將最大功率值Pm與輸出功率值Pw相比較得出的功率偏差值Py所述控制器根據功率偏差值Pe通過PID算法計算出變速排量控制信號Qb;所述控制器輸出變速排量控制信號Qb給變量液壓馬達的排量控制端,通過調節(jié)變量液壓馬達的排量,來調節(jié)定量液壓泵與變量液壓馬達相連接的管路中油液的壓力,實現對定量液壓泵的轉速的調節(jié),使得葉輪捕獲最大風能。
2.采用權利要求I所述的風力機控制方法的基于液壓傳動的風カ機,其特征在于葉輪(11)通過轉矩轉速儀(13)與定量液壓泵(12)相連接,所述定量液壓泵(12)的出口通過管路連接變量液壓馬達(21)的進ロ,所述變量液壓馬達(21)的出口通過管路連接定量液壓泵(12)的進ロ,在所述定量液壓泵(12)的出口與變量液壓馬達(21)的進ロ相連接的管路上連接有蓄能器(31),所述變量液壓馬達(21)與永磁同步發(fā)電機(51)相連接,所述永磁同步發(fā)電機(51)的輸出端與電網(52)相連接; 所述永磁同步發(fā)電機(51)的轉軸處設有第一轉速傳感器(41),控制器¢0)分別與轉矩轉速儀(13)、第一轉速傳感器(41)、變量液壓馬達(21)的排量控制端(211)電氣連接。
3.按照權利要求2所述的基于液壓傳動的風カ機,其特征在于所述風カ機還包括沖洗閥(70)和補油裝置(80),所述沖洗閥(70)的A ロ連接定量液壓泵(12)的出口,所述沖洗閥(70)的B ロ與定量液壓泵(12)的進ロ相連接;補油裝置(80)包括電機(81)、補油液壓泵(82)、第一單向閥(83)、第二單向閥(84)、第二溢流閥(85)、濾油器(86)和油箱(87); 所述電機(81)連接補油液壓泵(82),所述補油液壓泵(82)的出口通過管路連接第一單向閥(83)的進ロ,所述補油液壓泵(82)的進ロ連接油箱(87);所述第一單向閥(83)的出口連接沖洗閥(70)的C ロ,所述第二溢流閥(85)的進ロ連接第一單向閥(83)的出口,所述第二溢流閥(85)的出口連接油箱(87);所述第二單向閥(84)的進ロ連接濾油器(86)的進ロ,所述第二單向閥(84)的出口與油箱(87)相連接;所述濾油器(86)的進ロ與沖洗閥(70)的D ロ相連接,所述濾油器(86)的出口與油箱(87)相連接。
4.按照權利要求3所述的基于液壓傳動的風カ機,其特征在于所述沖洗閥(70)包括第三節(jié)流閥(73)、三位三通閥(74)和第一溢流閥(75);所述三位三通閥(74)的E ロ與沖洗閥(70)的A ロ連通,所述三位三通閥(74)的F ロ與沖洗閥(70)的B ロ連通,所述三位三通閥(74)的G ロ與沖洗閥(70)的C ロ連通,所述第一溢流閥(75)的出口與沖洗閥(70)的D ロ連通,所述三位三通閥(74)的G ロ通過第三節(jié)流閥(73)與第一溢流閥(75)的進ロ相連通;所述三位三通閥(74)的上位控制油路設有第一節(jié)流閥(71),所述三位三通閥(74)的下位控制油路設有第二節(jié)流閥(72)。
5.按照權利要求3或4所述的基于液壓傳動的風カ機,其特征在于所述定量液壓泵(12)的出口處設有背壓閥(14),所述定量液壓泵(12)的出口與背壓閥(14)的進ロ相連接,所述定量液壓泵(12)的進ロ與背壓閥(14)的出口相連接。
6.按照權利要求5所述的基于液壓傳動的風カ機,其特征在于所述蓄能器(31)通過截止閥(32)連接所述定量液壓泵(12)的出口與變量液壓馬達(21)的進ロ相連接的管路。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于液壓傳動的風力機及其控制方法。所述風力機控制方法為采用液壓傳動方式實現能量從葉輪到發(fā)電機的傳遞,在并網之前,通過檢測永磁同步發(fā)電機的轉速,由控制器控制變量液壓馬達的排量的調節(jié),實現永磁同步發(fā)電機的恒頻控制,使得永磁同步發(fā)電機的輸出頻率滿足并網要求;在并網之后,通過檢測葉輪的轉速和輸出功率,由控制器控制變量液壓馬達的排量的調節(jié),實現葉輪的變速控制,使得葉輪捕獲最大風能。本發(fā)明采用液壓傳動方式可以實現無級變速,蓄能器可以吸收由風速瞬變引起的能量波動,使得風力機可以在一定程度上避免由于風速波動帶來的剛性沖擊。在實現變速恒頻控制的基礎上,可以提高能量利用率,并節(jié)約了成本。
文檔編號F03D11/02GK102628426SQ20121011307
公開日2012年8月8日 申請日期2012年4月18日 優(yōu)先權日2012年4月18日
發(fā)明者劉宏偉, 李偉, 林勇剛, 齊家龍 申請人:浙江大學