一種風(fēng)電互補(bǔ)的風(fēng)能綜合利用系統(tǒng)及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及風(fēng)力利用【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種風(fēng)電互補(bǔ)的風(fēng)能綜合利用系統(tǒng)。其包括風(fēng)力機(jī)械能轉(zhuǎn)換裝置、電力驅(qū)動(dòng)裝置、雙動(dòng)力合成裝置、動(dòng)力負(fù)載裝置及控制系統(tǒng)，其特征在于：所述雙動(dòng)力合成裝置包括第一輸入軸、第二輸入軸、動(dòng)力輸出軸。所述風(fēng)力機(jī)械能轉(zhuǎn)換裝置包括風(fēng)力機(jī)及風(fēng)力動(dòng)力輸出軸，所述風(fēng)力動(dòng)力輸出軸與所述第一輸入軸連接；所述電力驅(qū)動(dòng)裝置包括電動(dòng)機(jī)，其與第二輸入軸連接；本發(fā)明還公開(kāi)了一種控制方法。本發(fā)明的有益效果是：能將風(fēng)能和電能疊加合成，不僅可有效解決由于風(fēng)能隨機(jī)性和不確定性造成的應(yīng)用局限性，而且在風(fēng)能超出動(dòng)力負(fù)載裝置需求時(shí)，還能通過(guò)控制系統(tǒng)將多余的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能回饋電網(wǎng)，這使風(fēng)能得以高效利用。
【專利說(shuō)明】—種風(fēng)電互補(bǔ)的風(fēng)能綜合利用系統(tǒng)及其控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及風(fēng)力利用【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種風(fēng)電互補(bǔ)的風(fēng)能綜合利用系統(tǒng)，還涉及該系統(tǒng)的控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002]風(fēng)能是一種清潔、安全、可再生的綠色能源，利用風(fēng)能對(duì)環(huán)境無(wú)污染，對(duì)生態(tài)無(wú)破壞，環(huán)保效益和生態(tài)效益良好，對(duì)于人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。風(fēng)能的利用主要是以風(fēng)能作動(dòng)力和風(fēng)力發(fā)電兩種形式；風(fēng)力發(fā)電即把風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，再把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，在能源轉(zhuǎn)化中會(huì)有很大的轉(zhuǎn)化損失。以風(fēng)能作動(dòng)力，就是利用風(fēng)來(lái)直接帶動(dòng)各種機(jī)械裝置，如帶動(dòng)水泵提水、帶動(dòng)高壓水泵進(jìn)行海水淡化等，這種風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是能源利用率高。但由于風(fēng)力具有隨機(jī)性和不確定性，因此限制了其應(yīng)用范圍，尤其在一些需要較穩(wěn)定動(dòng)力輸出的場(chǎng)合更是如此。如專利號(hào)為ZL201120033186.2的專利文獻(xiàn)公開(kāi)了一種風(fēng)電互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)海水淡化高壓泵的裝置，即是直接將風(fēng)力轉(zhuǎn)化為機(jī)械能帶動(dòng)高壓水泵進(jìn)行海水淡化。由于風(fēng)力的隨機(jī)性，為了保證海水淡化系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定工作，其采用了電力驅(qū)動(dòng)二次加壓水泵進(jìn)行風(fēng)能補(bǔ)充的方式，但這種結(jié)構(gòu)還不能很好的應(yīng)對(duì)風(fēng)力的隨機(jī)性，即不能使電力與風(fēng)力兩者實(shí)現(xiàn)速度的合成；專利號(hào)為ZL201220391635.5的發(fā)明專利，公開(kāi)了 “一種風(fēng)電互補(bǔ)的動(dòng)力均衡輸出系統(tǒng)”，該發(fā)明不論風(fēng)力和電力兩種動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速如何，都可以在動(dòng)力輸出機(jī)構(gòu)得到有效的合成速度輸出，即當(dāng)風(fēng)力機(jī)輸出軸隨機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，都可以和電力輸出軸的動(dòng)力按該發(fā)明所確定的模式合成輸出。并且可以以電力軸的隨動(dòng)來(lái)補(bǔ)償風(fēng)力軸的變換，從而保證負(fù)載的速度輸出恒定。當(dāng)綜合以上現(xiàn)有技術(shù)，尚存在以下缺陷；一是當(dāng)風(fēng)力過(guò)大時(shí)，傳統(tǒng)的方法是采用阻尼裝置來(lái)消耗多余的風(fēng)能，這也造成了另一種能源浪費(fèi)，不能對(duì)變化隨機(jī)而變幅巨大的風(fēng)力充分利用，二是上述動(dòng)力均衡輸出系統(tǒng)尚不能使風(fēng)力與電力所產(chǎn)生的力矩得以合成；如果在風(fēng)能做功的同時(shí)將多余的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為便于存儲(chǔ)輸送的電能，回饋電網(wǎng)，則由此形成的具有穩(wěn)定動(dòng)力輸出的風(fēng)能利用系統(tǒng)將會(huì)使風(fēng)能的利用前景更為廣闊。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種風(fēng)電互補(bǔ)的風(fēng)能綜合利用系統(tǒng)。其不僅能使風(fēng)能得到直接利用，而且還能將多余的風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電力回饋電網(wǎng)。
[0004]本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案如下:一種風(fēng)電互補(bǔ)的風(fēng)能綜合利用系統(tǒng)，包括風(fēng)力機(jī)械能轉(zhuǎn)換裝置、電力驅(qū)動(dòng)裝置、雙動(dòng)力合成裝置、動(dòng)力負(fù)載裝置及控制系統(tǒng)，其特征在于:
[0005]所述雙動(dòng)力合成裝置包括第一輸入軸、第二輸入軸及動(dòng)力輸出軸；
[0006]所述風(fēng)力機(jī)械能轉(zhuǎn)換裝置包括風(fēng)力機(jī)及風(fēng)力機(jī)輸出軸，所述風(fēng)力機(jī)輸出軸與所述雙動(dòng)力合成裝置的第一輸入軸連接；
[0007]所述電力驅(qū)動(dòng)裝置包括電動(dòng)機(jī),所述電力驅(qū)動(dòng)裝置的電力輸出軸與所述雙動(dòng)力合成裝置的第二輸入軸連接；
[0008]所述動(dòng)力負(fù)載裝置包括與所述雙動(dòng)力合成裝置的動(dòng)力輸出軸連接的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；
[0009]所述控制系統(tǒng)包括用于控制所述電動(dòng)機(jī)的四象限變頻器；用于檢測(cè)轉(zhuǎn)速的測(cè)速裝置以及用于檢測(cè)和控制系統(tǒng)的PLC控制器。
[0010]采用本發(fā)明的有益效果是:利用雙動(dòng)力合成裝置，將風(fēng)能和電能進(jìn)行速度和功率的合成，不僅可有效解決由于風(fēng)能隨機(jī)性和不確定性造成的風(fēng)能應(yīng)用局限性，而且在風(fēng)能超出動(dòng)力負(fù)載裝置需求時(shí)，還能通過(guò)控制系統(tǒng)將多余的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能回饋電網(wǎng)，這使風(fēng)能得以高效利用，同時(shí)也使風(fēng)能的應(yīng)用領(lǐng)域能大為擴(kuò)展。
[0011]在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。
[0012]進(jìn)一步，所述測(cè)速裝置包括分別設(shè)于所述雙動(dòng)力合成裝置的第一輸入軸、第二輸入軸及動(dòng)力輸出軸上的第一光電編碼器、第二光電編碼器、第三光電編碼器，所述第一光電編碼器、第二光電編碼器、第三光電編碼器分別與所述PLC控制器的輸入端連接，以提供轉(zhuǎn)速信號(hào)；所述四象限變頻器控制端與所述PLC控制器的輸出端連接，所述四象限變頻器包括電源端和電機(jī)端，所述電源端與外電網(wǎng)連接，所述電機(jī)端與所述電動(dòng)機(jī)電連接。
[0013]采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是，利用PLC控制器和四象限變頻器實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)力的隨時(shí)監(jiān)控和充分利用。
[0014]進(jìn)一步，所述雙動(dòng)力合成裝置包括殼體，所述第一輸入軸、第二輸入軸及動(dòng)力輸出軸相互平行的設(shè)置在所述殼體中，所述第一輸入軸、第二輸入軸及動(dòng)力輸出軸分別通過(guò)第一輸入軸軸承、第二輸入軸軸承及動(dòng)力輸出軸軸承固定在所述殼體上，所述第一輸入軸上設(shè)有第一輸入軸齒輪，所述第二輸入軸上設(shè)有第二輸入軸齒輪，所述動(dòng)力輸出軸上套裝有行星齒輪變速系統(tǒng)，所述行星齒輪變速系統(tǒng)包括齒圈、行星架、太陽(yáng)輪及行星齒輪，所述太陽(yáng)輪固定在所述動(dòng)力輸出軸上，所述齒圈通過(guò)齒圈軸承固定在所述殼體上，所述齒圈外部設(shè)有齒圈齒輪、所述行星架通過(guò)行星架軸承固定在所述殼體上，所述行星架外部設(shè)有行星架齒輪，所述行星架上設(shè)有與所述太陽(yáng)輪相嚙合的行星齒輪，所述行星齒輪還與所述齒圈相哨合；
[0015]所述第一輸入軸齒輪與所述齒圈齒輪相嚙合，所述第二輸入軸齒輪與所述行星架齒輪相嚙合，所述第一輸入軸、第二輸入軸及動(dòng)力輸出軸的至少一端伸出所述殼體外，用于與外動(dòng)力或外負(fù)載連接。
[0016]采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是，本發(fā)明與普通齒輪傳動(dòng)如差速器結(jié)構(gòu)相比，不僅能實(shí)現(xiàn)不同速度的合成，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的合成。本發(fā)明采用行星齒輪變速系統(tǒng)顯著的特點(diǎn)是:在傳遞動(dòng)力時(shí)它可以進(jìn)行功率分流，同時(shí)，主要優(yōu)點(diǎn)如下:1.整機(jī)體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，承載能力大:由于行星齒輪傳動(dòng)中具有功率分流和各太陽(yáng)輪構(gòu)成共軸線式的傳動(dòng)以及合理的運(yùn)用內(nèi)齒輪嚙合副，因此，可使其結(jié)構(gòu)非常緊湊；再由于太陽(yáng)輪周圍均勻的分布著數(shù)個(gè)行星齒輪來(lái)分擔(dān)載荷，從而，使得每個(gè)齒輪承受的載荷較少，并允許這些齒輪采用較小的模數(shù)；此外，結(jié)構(gòu)上充分利用了內(nèi)嚙合承載能力大和內(nèi)齒圈本身的可容體積，從而有利于縮小其外廓尺寸，并具有較大的承載能力:2.傳動(dòng)效率高；由于行星齒輪結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，使得作用于太陽(yáng)輪和行星齒輪中的反作用力能相互平衡，從而提高傳動(dòng)效率；在傳動(dòng)類型選擇得當(dāng)，結(jié)構(gòu)布置合理的情況下，其傳動(dòng)效率可以達(dá)到96%-98%。；3.傳動(dòng)比大，只要適當(dāng)?shù)倪x擇行星齒輪傳動(dòng)的類型以及配齒方案，便可以用少數(shù)幾個(gè)齒輪獲得很大的傳動(dòng)比，在有很大的傳動(dòng)比的情況下，仍可以保持結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，質(zhì)量小的優(yōu)點(diǎn)；
4.本發(fā)明運(yùn)行平穩(wěn)、抗沖擊和振動(dòng)的能力強(qiáng)。由于采用數(shù)個(gè)結(jié)構(gòu)相同的行星齒輪，均勻的分布于太陽(yáng)輪的周圍，從而可以使太陽(yáng)輪和行星齒輪的慣性力相互平衡。
[0017]進(jìn)一步，所述第一輸入軸軸承及第二輸入軸軸承成對(duì)設(shè)置，其中每對(duì)中至少有一個(gè)為單向軸承。
[0018]采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是，采用單向軸承可以避免當(dāng)兩個(gè)輸入軸中其中一個(gè)失去動(dòng)力時(shí)，不會(huì)將動(dòng)力輸出軸反向傳輸?shù)皆撏鈩?dòng)力裝置。也避免了在外動(dòng)力裝置上另設(shè)抱閘或單向傳輸機(jī)構(gòu)。
[0019]進(jìn)一步，所述殼體包括支撐肋板，所述第一輸入軸軸承及第二輸入軸軸承中分別有一個(gè)軸承設(shè)于所述支撐肋板上，所述齒圈軸承也設(shè)于所述支撐肋板上；所述行星架軸承通過(guò)行星架軸承套固定在所述殼體上；所述齒圈的外端還設(shè)有推力軸承，所述推力軸承通過(guò)推力軸承套固定在殼體上。
[0020]采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是，設(shè)置支撐肋板并將第一和第二輸入軸的一端支撐在該支撐肋板上，比將各個(gè)支撐軸承設(shè)于殼體上軸距要短，從而保證了傳輸性能，在大力矩合成時(shí)，各軸能具有較好的剛性。由于該支撐肋板作用也使得本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)更緊湊，不必因?yàn)檩S太長(zhǎng)而加粗軸徑。
[0021]進(jìn)一步，所述電力驅(qū)動(dòng)裝置還包括第一電磁離合器、第一皮帶輪及第二皮帶輪，所述電動(dòng)機(jī)的輸出軸通過(guò)第一電磁離合器、第一皮帶輪及第二皮帶輪與所述雙動(dòng)力合成裝置的第二輸入軸連接；所述風(fēng)力機(jī)輸出軸通過(guò)第三皮帶輪和第四皮帶輪與所述第一輸入軸連接；所述動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括第五皮帶輪和第六皮帶輪。
[0022]采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是，采用皮帶輪作為動(dòng)力傳遞機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)單實(shí)用，運(yùn)行可靠。
[0023]進(jìn)一步，所述電動(dòng)機(jī)的輸出軸上還設(shè)有第七皮帶輪，所述動(dòng)力輸出軸上還設(shè)有第二電磁離合器和換向器，所述第二電磁離合器的輸入端設(shè)有第八皮帶輪，所述第七和第八皮帶輪通過(guò)皮帶連接。
[0024]采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是，采用這種結(jié)構(gòu)可以在風(fēng)力為零時(shí)，或者說(shuō)風(fēng)力小到不值得利用時(shí)，直接啟動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載，從而避免了由于中間多級(jí)傳遞而造成能量損失。
[0025]進(jìn)一步，所述動(dòng)力負(fù)載裝置是高壓泵海水淡化系統(tǒng)。
[0026]采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是，本發(fā)明的風(fēng)電互補(bǔ)的風(fēng)能綜合利用系統(tǒng)，其輸出用于驅(qū)動(dòng)海水淡化，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，有很大的發(fā)展前景。
[0027]進(jìn)一步，所述雙動(dòng)力合成裝置的第一輸入軸和第二輸入軸上還分別設(shè)有第一抱閘裝置和第二抱閘裝置。
[0028]采用上述進(jìn)一步方案的有益效果是，當(dāng)需要電力或風(fēng)力其中一個(gè)輸入時(shí)，可以通過(guò)抱閘將另一個(gè)輸入軸抱死，以避免對(duì)外部設(shè)施的影響。
[0029]本發(fā)明還公開(kāi)了一種風(fēng)能綜合利用的控制方法:
[0030]一種風(fēng)能綜合利用系統(tǒng)的控制方法，其特征在于:包括采用如上所述的風(fēng)電互補(bǔ)的風(fēng)能綜合利用系統(tǒng)，具體步驟如下:
[0031]I)、系統(tǒng)啟動(dòng)，四象限變頻器根據(jù)PLC接收的第三光電編碼器信號(hào)自動(dòng)計(jì)算當(dāng)前動(dòng)力負(fù)載裝置實(shí)際轉(zhuǎn)速NP，并與設(shè)定的負(fù)載轉(zhuǎn)速NS相比較:并設(shè)定兩者速度控制差值Δ N ；
[0032]2)、如果NP〈NS，且NS_NP> Λ N，則說(shuō)明風(fēng)力不足以帶動(dòng)負(fù)載，此時(shí)四象限變頻器輸出控制信號(hào)使第一電磁離合器接通并啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，四象限變頻器內(nèi)部通過(guò)PI算法自動(dòng)調(diào)節(jié)頻率，與NP實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，直至NS-NP〈 Δ N ；
[0033]3)、如果風(fēng)力增大，使NS-NP接近Λ N,四象限變頻器通過(guò)PI調(diào)節(jié)作用使其變頻頻率變小，當(dāng)NS-NP =Λ N時(shí)，四象限變頻器使電動(dòng)機(jī)停機(jī)，并關(guān)斷第一電磁離合器；
[0034]4)、當(dāng)風(fēng)力增大到使NP>NS，且NP_NS〈 Λ N時(shí)，四象限變頻器仍按步驟3)執(zhí)行動(dòng)作；
[0035]5)、當(dāng)風(fēng)力增大到使NP>NS，且NP_NS> Δ N時(shí)，此時(shí)風(fēng)力所提供的能量大于負(fù)載所需轉(zhuǎn)速，四象限變頻器輸出控制信號(hào)使第一電磁離合器閉合，四象限變頻器根據(jù)第一光電編碼器轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速自動(dòng)跟蹤，并將多余能量回饋到電網(wǎng)；
[0036]6)、當(dāng)風(fēng)力變化時(shí)，四象限變頻器根據(jù)PLC接收的第三光電編碼器信號(hào)即實(shí)際負(fù)載轉(zhuǎn)速按上述步驟自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行。
[0037]采用上述方法的有益效果是:采用PLC及四象限變頻器對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行控制，利用上述控制方法，可以有效的、及時(shí)的跟蹤風(fēng)力的隨機(jī)情況，使系統(tǒng)做出反應(yīng)，尤其能將多余的風(fēng)力轉(zhuǎn)化成電能。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0038]圖1為本發(fā)明的一種風(fēng)電互補(bǔ)的風(fēng)能綜合利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039]圖2為本發(fā)明的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0040]圖3為本發(fā)明的雙動(dòng)力合成裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0041]圖4為本發(fā)明的雙動(dòng)力合成裝置沿動(dòng)力輸出軸的垂直剖面圖:
[0042]圖5為本發(fā)明在電力驅(qū)動(dòng)裝置單獨(dú)工作時(shí)的控制原理示意圖；
[0043]圖6為本發(fā)明在風(fēng)力和電力同時(shí)工作時(shí)的控制原理示意圖；
[0044]圖7為本發(fā)明在電力驅(qū)動(dòng)裝置饋電時(shí)控制原理示意圖。
[0045]在圖1到圖7中，各部件名稱列表如下:
[0046]100、風(fēng)力機(jī)械能轉(zhuǎn)換裝置；101、風(fēng)力機(jī)；102、風(fēng)力機(jī)輸出軸；103、第三皮帶輪；104、第四皮帶輪；105、第一抱閘裝置；
[0047]200、雙動(dòng)力合成裝置；201、殼體；202、第一輸入軸；203、第一輸入軸軸承；204、第一輸入軸齒輪；206、第二輸入軸軸承；207、支撐肋板；208、第二輸入軸；209、第二輸入軸齒輪；211、動(dòng)力輸出軸；212、輸出軸軸承；213、軸承套；214、推力軸承；215、齒圈齒輪；216、齒圈軸承；217、齒圈；218、行星齒輪；219、行星架；220、太陽(yáng)輪；221、行星架齒輪；222、行星架軸承；223、行星架軸承套。
[0048]300、電力驅(qū)動(dòng)裝置；301、電力輸出軸；302、第一電磁離合器；303、電動(dòng)機(jī)；304、第一皮帶輪；305、第二皮帶輪；306、第二抱閘裝置；307、第五皮帶輪；308、第六皮帶輪；309、第二電磁離合器；310、換向器；
[0049]400、動(dòng)力負(fù)載裝置；401、負(fù)載；402、第七皮帶輪；403、第八皮帶輪；
[0050]500、控制系統(tǒng)；501、PLC控制器；502、第一光電編碼器；503、第二光電編碼器；504、第三光電編碼器；505、四象限變頻器；506、外電網(wǎng)；507、雙向電表；

【具體實(shí)施方式】
[0051]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。
[0052]如圖1和圖2所示，一種風(fēng)電互補(bǔ)的風(fēng)能綜合利用系統(tǒng)，包括風(fēng)力機(jī)械能轉(zhuǎn)換裝置100、電力驅(qū)動(dòng)裝置300、雙動(dòng)力合成裝置200、動(dòng)力負(fù)載裝置400及控制系統(tǒng)500，其特征在于:
[0053]所述雙動(dòng)力合成裝置200包括第一輸入軸202、第二輸入軸208及動(dòng)力輸出軸211 ；
[0054]所述風(fēng)力機(jī)械能轉(zhuǎn)換裝置100包括風(fēng)力機(jī)101及風(fēng)力機(jī)輸出軸102，所述風(fēng)力機(jī)輸出軸102與所述雙動(dòng)力合成裝置的第一輸入軸202連接；
[0055]所述電力驅(qū)動(dòng)裝置300包括電動(dòng)機(jī)303，所述電力驅(qū)動(dòng)裝置的電力輸出軸301與所述雙動(dòng)力合成裝置的第二輸入軸208連接；
[0056]所述動(dòng)力負(fù)載裝置400包括與所述雙動(dòng)力合成裝置的動(dòng)力輸出軸211連接的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；
[0057]所述控制系統(tǒng)500包括用于控制所述電動(dòng)機(jī)的四象限變頻器505 ;用于檢測(cè)轉(zhuǎn)速的測(cè)速裝置以及用于檢測(cè)和控制系統(tǒng)的PLC控制器501。
[0058]所述測(cè)速裝置包括分別設(shè)于所述雙動(dòng)力合成裝置的所述第一輸入軸202、第二輸入軸208及動(dòng)力輸出軸上的第一光電編碼器502、第二光電編碼器503、第三光電編碼器504，所述第一光電編碼器502、第二光電編碼器503、第三光電編碼器504分別與所述PLC控制器的輸入端電連接，以提供轉(zhuǎn)速信號(hào)；所述四象限變頻器505控制端與所述PLC控制器501的輸出端電連接，所述四象限變頻器505包括電源端和電機(jī)端，所述電源端通過(guò)雙向電表507與外電網(wǎng)506連接，所述電機(jī)端與所述電動(dòng)機(jī)303電連接。
[0059]具體實(shí)施時(shí)，所述四象限變頻器可以選用西門子四象限變頻器G120，PLC可以選用西門子S7系列,光電編碼器可以選用型號(hào)較多，如型號(hào)較多,例如德國(guó)TWK光電編碼器。
[0060]如圖3和圖4所不,所述雙動(dòng)力合成裝置包括殼體201,所述第一輸入軸202、第二輸入軸208及動(dòng)力輸出軸211相互平行的設(shè)置在所述殼體201中，所述第一輸入軸202、第二輸入軸208及動(dòng)力輸出軸211分別通過(guò)第一輸入軸軸承203、第二輸入軸軸承206及動(dòng)力輸出軸軸承212固定在所述殼體上，所述第一輸入軸202上設(shè)有第一輸入軸齒輪204，所述第二輸入軸208上設(shè)有第二輸入軸齒輪209，所述動(dòng)力輸出軸211上套裝有行星齒輪變速系統(tǒng)，所述行星齒輪變速系統(tǒng)包括齒圈217、行星架219、太陽(yáng)輪220及行星齒輪218，所述太陽(yáng)輪220固定在所述動(dòng)力輸出軸211上，所述齒圈217通過(guò)齒圈軸承216固定在所述殼體201上，所述齒圈217外部設(shè)有齒圈齒輪215、所述行星架219通過(guò)行星架軸承222固定在所述殼體201上，所述行星架219外部設(shè)有行星架齒輪221，所述行星架219上設(shè)有與所述太陽(yáng)輪220相嚙合的行星齒輪218，所述行星齒輪218還與所述齒圈217相嚙合；
[0061]所述殼體為密封結(jié)構(gòu)，所述動(dòng)力合成組件浸潤(rùn)在潤(rùn)滑油中。
[0062]所述第一輸入軸齒輪204與所述齒圈齒輪215相哨合,所述第二輸入軸齒輪219與所述行星架齒輪221相嚙合，所述第一輸入軸202、第二輸入軸208及動(dòng)力輸出軸211的至少一端伸出所述殼體外，用于與外動(dòng)力或外負(fù)載連接。
[0063]所述第一輸入軸軸承203及第二輸入軸軸承206成對(duì)設(shè)置，其中每對(duì)中至少有一個(gè)為單向軸承。
[0064]所述殼體包括支撐肋板207，所述第一輸入軸軸承203及第二輸入軸軸承206中分別有一個(gè)軸承設(shè)于所述支撐肋板207上，所述齒圈軸承216也設(shè)于所述支撐肋板207上；所述行星架軸承222通過(guò)行星架軸承套223固定在所述殼體201上；所述齒圈217的外端還設(shè)有推力軸承214，所述推力軸承214通過(guò)推力軸承套213固定在殼體201上。
[0065]所述雙動(dòng)力合成裝置的工作原理如下:
[0066]當(dāng)?shù)谝惠斎胼S203和第二輸入軸208同時(shí)作用時(shí)，第一輸入軸203通過(guò)第一輸入軸齒輪204帶動(dòng)齒圈齒輪215轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)齒圈217轉(zhuǎn)動(dòng)，齒圈217則通過(guò)自身的內(nèi)齒圈和行星齒輪的嚙合將動(dòng)力傳遞到太陽(yáng)輪220，進(jìn)而帶動(dòng)動(dòng)力輸出軸211轉(zhuǎn)動(dòng)；第二輸入軸208通過(guò)第二輸入軸齒輪209帶動(dòng)行星架齒輪221轉(zhuǎn)動(dòng)，行星架219則加速了行星齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而將第二輸入軸的動(dòng)力與第一輸入軸的動(dòng)力在所述動(dòng)力輸出軸211上疊加，即合成了動(dòng)力或力矩。
[0067]當(dāng)兩個(gè)輸入軸中其中一個(gè)失去動(dòng)力時(shí)，由于單向軸承的阻轉(zhuǎn)作用，使齒圈17或行星架19停止運(yùn)動(dòng),而把另一個(gè)輸入軸的動(dòng)力全部傳遞到動(dòng)力輸出軸11上；
[0068]當(dāng)兩個(gè)輸入軸中其中一個(gè)或者兩個(gè)處于隨機(jī)作用狀態(tài)時(shí)，并不能影響另一個(gè)的動(dòng)力傳遞；另外，如果配以適當(dāng)?shù)臋z測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)其中一個(gè)動(dòng)力降低時(shí)，還可以通過(guò)提升另一個(gè)的輸入動(dòng)力以保持輸出動(dòng)力的恒定。
[0069]如圖1和圖2所示，所述電力驅(qū)動(dòng)裝置300還包括第一電磁離合器302、第一皮帶輪304及第二皮帶輪305，所述電動(dòng)機(jī)的輸出軸通過(guò)第一電磁離合器302、第一皮帶輪304及第二皮帶輪305與所述雙動(dòng)力合成裝置的第二輸入軸208連接；所述風(fēng)力機(jī)輸出軸102通過(guò)第三皮帶輪103和第四皮帶輪104與所述第一輸入軸202連接；所述動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括第五皮帶輪307和第六皮帶輪308。
[0070]所述電動(dòng)機(jī)的輸出軸上還設(shè)有第七皮帶輪402，所述動(dòng)力輸出軸211上還設(shè)有第二電磁離合器309和換向器310，所述第二電磁離合器的輸入端設(shè)有第八皮帶輪403，所述第七和第八皮帶輪通過(guò)皮帶連接。
[0071]所述第一電磁離合器302、第二電磁離合器309與所述PLC控制器的輸出端電連接。
[0072]所述動(dòng)力負(fù)載裝置400是高壓泵海水淡化系統(tǒng)。
[0073]所述雙動(dòng)力合成裝置的第一輸入軸202和第二輸入軸208上還分別設(shè)有第一抱閘裝置105和第二抱閘裝置306。所述第一抱閘裝置105和第二抱閘裝置306與所述PLC控制器的輸出端電連接。
[0074]本發(fā)明還公開(kāi)了一種風(fēng)能綜合利用的控制方法:
[0075]—種風(fēng)能綜合利用系統(tǒng)的控制方法，包括采用如上所述的風(fēng)電互補(bǔ)的風(fēng)能綜合利用系統(tǒng)，具體步驟如下:
[0076]I)、系統(tǒng)啟動(dòng)，四象限變頻器505根據(jù)PLC接收的第三光電編碼器504信號(hào)自動(dòng)計(jì)算當(dāng)前動(dòng)力負(fù)載裝置400實(shí)際轉(zhuǎn)速NP，并與設(shè)定的負(fù)載轉(zhuǎn)速NS相比較:并設(shè)定兩者速度控制差值Λ N ；
[0077]2)、如果NP〈NS，且NS_NP> Δ N,則說(shuō)明風(fēng)力不足以帶動(dòng)負(fù)載，此時(shí)四象限變頻器505輸出控制信號(hào)使第一電磁離合器302接通并啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，四象限變頻器505內(nèi)部通過(guò)PI算法自動(dòng)調(diào)節(jié)頻率，與NP實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，直至NS-NP〈 Δ N ；
[0078]3)、如果風(fēng)力增大，使NS-NP接近Λ N,四象限變頻器505通過(guò)PI調(diào)節(jié)作用使其變頻頻率變小，當(dāng)NS-NP =Λ N時(shí)，四象限變頻器505使電動(dòng)機(jī)停機(jī)，并關(guān)斷第一電磁離合器302 ；
[0079]4)、當(dāng)風(fēng)力增大到使NP>NS，且NP_NS〈AN時(shí)，四象限變頻器505仍按步驟3)執(zhí)行動(dòng)作；
[0080]5)、當(dāng)風(fēng)力增大到使NP>NS，且NP-NS〉Δ N時(shí)，此時(shí)風(fēng)力所提供的能量大于負(fù)載所需轉(zhuǎn)速，四象限變頻器505輸出控制信號(hào)使第一電磁離合器302閉合，四象限變頻器505根據(jù)第一光電編碼器502轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速自動(dòng)跟蹤，并將多余能量回饋到電網(wǎng)；
[0081]6)、當(dāng)風(fēng)力變化時(shí)，四象限變頻器505根據(jù)PLC接收的第三光電編碼器504信號(hào)即實(shí)際負(fù)載轉(zhuǎn)速按上述步驟自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行。
[0082]下面以驅(qū)動(dòng)海水淡化為例，即以動(dòng)力負(fù)載裝置為水泵來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的工作原理:
[0083]如圖5所示，為本發(fā)明在電力驅(qū)動(dòng)裝置單獨(dú)工作時(shí)的控制原理示意圖。當(dāng)無(wú)風(fēng)時(shí)，電力驅(qū)動(dòng)裝置300單獨(dú)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力負(fù)載裝置400。此時(shí)PLC控制器501對(duì)第一抱閘裝置105輸出抱閘信號(hào)，雙動(dòng)力合成裝置200的風(fēng)力機(jī)械能轉(zhuǎn)換裝置一側(cè)的第一輸入軸202抱死。
[0084]PLC控制器501根據(jù)水泵給定速度，計(jì)算出四象限變頻器505的給定頻率，并將頻率信號(hào)通過(guò)信號(hào)總線傳輸給四象限變頻器505。
[0085]四象限變頻器505根據(jù)給定頻率值，采用帶速度反饋的矢量控制方法，調(diào)整電力驅(qū)動(dòng)裝置300的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，第二光電編碼器503測(cè)得電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，用于四象限變頻器505的閉環(huán)矢量控制。電動(dòng)機(jī)通過(guò)動(dòng)力合成裝置200帶動(dòng)水泵轉(zhuǎn)動(dòng)，第三光電編碼器504用于測(cè)量水泵轉(zhuǎn)速，并反饋給PLC控制器501，用于水泵轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。
[0086]如圖6所示，為本發(fā)明在風(fēng)力和電力同時(shí)工作時(shí)的控制原理示意圖。在有風(fēng)時(shí)，風(fēng)力機(jī)械能轉(zhuǎn)換裝置100和電力驅(qū)動(dòng)裝置300可共同驅(qū)動(dòng)動(dòng)力負(fù)載裝置200。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得風(fēng)力機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)水泵的風(fēng)速閾值，當(dāng)有風(fēng)但是達(dá)不到該風(fēng)速閾值，那么風(fēng)力機(jī)無(wú)法單獨(dú)驅(qū)動(dòng)水泵，風(fēng)力機(jī)和電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力輸入源，共同驅(qū)動(dòng)水泵。第一光電編碼器502測(cè)得風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速信息后，輸入到PLC控制器501中，PLC控制器501根據(jù)水泵給定速度和風(fēng)力機(jī)速度，計(jì)算出四象限變頻器505的給定頻率，并傳輸給四象限變頻器。
[0087]四象限變頻器505根據(jù)給定頻率值，仍然采用閉環(huán)矢量控制方法，調(diào)整電力驅(qū)動(dòng)裝置300的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。第二光電編碼器503用于測(cè)定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速并用于四象限變頻器505的閉環(huán)控制。
[0088]電動(dòng)機(jī)303和風(fēng)力機(jī)101通過(guò)雙動(dòng)力合成裝置200進(jìn)行轉(zhuǎn)速合成，驅(qū)動(dòng)水泵按照給定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。第三光電編碼器504測(cè)定水泵轉(zhuǎn)速并用于水泵的閉環(huán)控制。
[0089]如圖7所示，為本發(fā)明在電力驅(qū)動(dòng)裝置饋電時(shí)控制原理示意圖。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到并超過(guò)能夠單獨(dú)驅(qū)動(dòng)負(fù)載的閾值時(shí)，此時(shí)風(fēng)力機(jī)除了驅(qū)動(dòng)水泵外，多余能量帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)發(fā)電。
[0090]風(fēng)力機(jī)通過(guò)雙動(dòng)力合成裝置200帶動(dòng)水泵和電力驅(qū)動(dòng)裝置300的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子，電動(dòng)機(jī)303處于發(fā)電狀態(tài)發(fā)電，并通過(guò)四象限變頻器505輸出滿足電網(wǎng)品質(zhì)的電力。
[0091]第一光電編碼器502測(cè)得風(fēng)力機(jī)械能轉(zhuǎn)換裝置100動(dòng)力輸出軸211轉(zhuǎn)速信息后，輸入到PLC控制器501中，PLC控制器501根據(jù)水泵給定速度和風(fēng)力機(jī)速度，計(jì)算出四象限變頻器505的給定頻率，并傳輸給四象限變頻器505。
[0092]四象限變頻器505采用閉環(huán)矢量控制方式，調(diào)整電動(dòng)機(jī)303轉(zhuǎn)速。第二光電編碼器503用于四象限變頻器的閉環(huán)控制。
[0093]第三光電編碼器504用于水泵的閉環(huán)控制。
[0094]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種風(fēng)電互補(bǔ)的風(fēng)能綜合利用系統(tǒng)，包括風(fēng)力機(jī)械能轉(zhuǎn)換裝置(100)、電力驅(qū)動(dòng)裝置(300)、雙動(dòng)力合成裝置(200)、動(dòng)力負(fù)載裝置(400)及控制系統(tǒng)(500)，其特征在于: 所述雙動(dòng)力合成裝置(200)包括第一輸入軸(202)、第二輸入軸(208)及動(dòng)力輸出軸(211)； 所述風(fēng)力機(jī)械能轉(zhuǎn)換裝置(100)包括風(fēng)力機(jī)(101)及風(fēng)力機(jī)輸出軸(102)，所述風(fēng)力機(jī)輸出軸(102)與所述雙動(dòng)力合成裝置的第一輸入軸(202)連接； 所述電力驅(qū)動(dòng)裝置(300)包括電動(dòng)機(jī)(303)，所述電力驅(qū)動(dòng)裝置的電力輸出軸(301)與所述雙動(dòng)力合成裝置的第二輸入軸(208)連接； 所述動(dòng)力負(fù)載裝置(400)包括與所述雙動(dòng)力合成裝置的動(dòng)力輸出軸(211)連接的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)； 所述控制系統(tǒng)(500)包括用于控制所述電動(dòng)機(jī)的四象限變頻器(505);用于檢測(cè)轉(zhuǎn)速的測(cè)速裝置以及用于檢測(cè)和控制系統(tǒng)的PLC控制器(501)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)電互補(bǔ)的風(fēng)能綜合利用系統(tǒng)，其特征在于，所述測(cè)速裝置包括分別設(shè)于所述雙動(dòng)力合成裝置的所述第一輸入軸(202)、第二輸入軸(208)及動(dòng)力輸出軸上的第一光電編碼器(502)、第二光電編碼器(503)、第三光電編碼器(504),所述第一光電編碼器、第二光電編碼器、第三光電編碼器分別與所述PLC控制器的輸入端連接，以提供轉(zhuǎn)速信號(hào)；所述四象限變頻器(505)控制端與所述PLC控制器(501)的輸出端連接，所述四象限變頻器(505)包括電源端和電機(jī)端，所述電源端與外電網(wǎng)(506)連接，所述電機(jī)端與所述電動(dòng)機(jī)(303)電連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)電互補(bǔ)的風(fēng)能綜合利用系統(tǒng)，其特征在于，所述雙動(dòng)力合成裝置包括殼體(201)，所述第一輸入軸(202)、第二輸入軸(208)及動(dòng)力輸出軸(211)相互平行的設(shè)置在所述殼體(201)中，所述第一輸入軸(202)、第二輸入軸(208)及動(dòng)力輸出軸(211)分別通過(guò)第一輸入軸軸承(203)、第二輸入軸軸承(206)及動(dòng)力輸出軸軸承(212)固定在所述殼體上，所述第一輸入軸(202)上設(shè)有第一輸入軸齒輪(204)，所述第二輸入軸(208)上設(shè)有第二輸入軸齒輪(209)，所述動(dòng)力輸出軸(211)上套裝有行星齒輪變速系統(tǒng)，所述行星齒輪變速系統(tǒng)包括齒圈(17)、行星架(219)、太陽(yáng)輪(220)及行星齒輪(218)，所述太陽(yáng)輪(220)固定在所述動(dòng)力輸出軸(211)上，所述齒圈(217)通過(guò)齒圈軸承(216)固定在所述殼體(201)上，所述齒圈(217)外部設(shè)有齒圈齒輪(215)、所述行星架(219)通過(guò)行星架軸承(222)固定在所述殼體(201)上，所述行星架(219)外部設(shè)有行星架齒輪(221)，所述行星架(219)上設(shè)有與所述太陽(yáng)輪(220)相嚙合的行星齒輪(218)，所述行星齒輪(218)還與所述齒圈(217)相嚙合； 所述第一輸入軸齒輪(204)與所述齒圈齒輪(215)相哨合,所述第二輸入軸齒輪(209)與所述行星架齒輪(221)相哨合,所述第一輸入軸(202)、第二輸入軸(208)及動(dòng)力輸出軸(211)的至少一端伸出所述殼體外，用于與外動(dòng)力或外負(fù)載連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的風(fēng)電互補(bǔ)的風(fēng)能綜合利用系統(tǒng)，其特征在于，所述第一輸入軸軸承(203)及第二輸入軸軸承(206)成對(duì)設(shè)置，其中每對(duì)中至少有一個(gè)為單向軸承。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的風(fēng)電互補(bǔ)的風(fēng)能綜合利用系統(tǒng)，其特征在于，所述殼體包括支撐肋板(207)，所述第一輸入軸軸承(203)及第二輸入軸軸承(206)中分別有一個(gè)軸承設(shè)于所述支撐肋板(207)上，所述齒圈軸承(216)也設(shè)于所述支撐肋板(207)上；所述行星架軸承(222)通過(guò)行星架軸承套(223)固定在所述殼體(201)上；所述齒圈(217)的外端還設(shè)有推力軸承(214)，所述推力軸承(214)通過(guò)推力軸承套(213)固定在殼體(201)上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1?3任一項(xiàng)所述的風(fēng)電互補(bǔ)的風(fēng)能綜合利用系統(tǒng)，其特征在于，所述電力驅(qū)動(dòng)裝置(300)還包括第一電磁離合器(302)、第一皮帶輪(304)及第二皮帶輪(305),所述電動(dòng)機(jī)的輸出軸通過(guò)第一電磁離合器(302)、第一皮帶輪(304)及第二皮帶輪(305)與所述雙動(dòng)力合成裝置的第二輸入軸(208)連接；所述風(fēng)力機(jī)輸出軸(102)通過(guò)第三皮帶輪(103)和第四皮帶輪(104)與所述第一輸入軸(202)連接；所述動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括第五皮帶輪(307)和第六皮帶輪(308)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的風(fēng)電互補(bǔ)的風(fēng)能綜合利用系統(tǒng)，其特征在于，所述電動(dòng)機(jī)的輸出軸上還設(shè)有第七皮帶輪(402)，所述動(dòng)力輸出軸(211)上還設(shè)有第二電磁離合器(309)和換向器(310)，所述第二電磁離合器的輸入端設(shè)有第八皮帶輪(403)，所述第七和第八皮帶輪通過(guò)皮帶連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)電互補(bǔ)的風(fēng)能綜合利用系統(tǒng)，其特征在于:所述動(dòng)力負(fù)載裝置(400)是高壓泵海水淡化系統(tǒng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)電互補(bǔ)的風(fēng)能綜合利用系統(tǒng)，其特征在于:所述雙動(dòng)力合成裝置的第一輸入軸(202)和第二輸入軸(208)上還分別設(shè)有第一抱閘裝置(105)和第二抱閘裝置(306)。
10.一種風(fēng)能綜合利用系統(tǒng)的控制方法，其特征在于:包括采用如權(quán)利要求1?9任一項(xiàng)所述的風(fēng)電互補(bǔ)的風(fēng)能綜合利用系統(tǒng)，具體步驟如下: 1)、系統(tǒng)啟動(dòng)，四象限變頻器(505)根據(jù)PLC接收的第三光電編碼器(504)信號(hào)自動(dòng)計(jì)算當(dāng)前動(dòng)力負(fù)載裝置(400)實(shí)際轉(zhuǎn)速NP，并與設(shè)定的負(fù)載轉(zhuǎn)速NS相比較，并設(shè)定兩者速度控制差值Λ N ； 2)、如果NP〈NS，且NS-NP〉ΔN,則說(shuō)明風(fēng)力不足以帶動(dòng)負(fù)載，此時(shí)四象限變頻器(505)輸出控制信號(hào)使第一電磁離合器(302)接通并啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，四象限變頻器(505)內(nèi)部通過(guò)PI算法自動(dòng)調(diào)節(jié)頻率，與NP實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，直至NS-NP〈 Δ N ； 3)、如果風(fēng)力增大，使NS-NP接近ΛN,四象限變頻器(505)通過(guò)PI調(diào)節(jié)作用使其變頻頻率變小，當(dāng)NS-NP =Λ N時(shí)，四象限變頻器(505)使電動(dòng)機(jī)停機(jī)，并關(guān)斷第一電磁離合器(302)； 4)、當(dāng)風(fēng)力增大到使NP>NS，且NP-NS〈Λ N時(shí)，四象限變頻器(505)仍按步驟3)執(zhí)行動(dòng)作； 5)、當(dāng)風(fēng)力增大到使NP>NS，且NP-NS〉ΔN時(shí)，此時(shí)風(fēng)力所提供的能量大于負(fù)載所需轉(zhuǎn)速，四象限變頻器(505)輸出控制信號(hào)使第一電磁離合器(302)閉合，四象限變頻器(505)根據(jù)第一光電編碼器(502)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速自動(dòng)跟蹤，并將多余能量回饋到電網(wǎng)； 6)、當(dāng)風(fēng)力變化時(shí)，四象限變頻器(505)根據(jù)PLC接收的第三光電編碼器(504)信號(hào)即實(shí)際負(fù)載轉(zhuǎn)速按上述步驟自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行。
【文檔編號(hào)】F03D11/02GK104196683SQ201410413013
【公開(kāi)日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年8月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月20日
【發(fā)明者】吳速, 麻常選, 任效承 申請(qǐng)人:吳速