專利名稱：一種低速直驅液壓型海流發(fā)電裝置及其控制方法
技術領域：
本發(fā)明屬于海流能發(fā)電領域，具體涉及一種低速直驅液壓型海流發(fā)電裝置及其控制方法。
背景技術：
海流能能量密度高、清潔、可預測性強，海流能發(fā)電不占用寶貴的土地資源。因此，海流能的開發(fā)利用具有深遠的意義。但是，海流發(fā)電機組難以像傳統(tǒng)能源機械(水輪機、氣輪機等)一樣設計“額定工作點”，因為水流的速度是在變化的，葉輪的轉速只有與不斷變化的流體速度保持一個“最佳比值”，才能捕獲最大的能量。另一方面，從發(fā)電機的工作效率和輸出頻率穩(wěn)定方面考慮，希望發(fā)電機轉速穩(wěn)定在額定轉速附近。最大功率捕獲和發(fā)電機穩(wěn)定輸出是海流能發(fā)電裝置的兩個重要控制目標。目前常見的海流能發(fā)電機組中，多采用剛性齒輪箱傳動+發(fā)電機的結構形式。為了實現(xiàn)最大捕獲能量，通常采用電力電子變流裝置控制發(fā)電機及葉輪的轉速，使得葉尖速度與瞬時海流流速保持最佳比值，這種方法不僅結構復雜、海上環(huán)境工作可靠性差，而且成本高。這種方案的另一個缺點是，齒輪箱傳動故障率高。另外葉輪加永磁同步發(fā)電機的直驅式傳動方式在海流能發(fā)電技術中也有應用。但直驅式傳動技術存在如下缺點:1、機組最大能量捕獲同樣需要復雜的電力電子裝置；2、機組運行時，發(fā)電機要么變速運行使葉輪捕獲最大功率，要么恒速運行保證發(fā)電機輸出穩(wěn)定，所以最大功率跟蹤和發(fā)電機穩(wěn)定輸出這兩個控制目標只能取其一 ；3、直驅電機存在體積過大、安裝維修困難制作成本高等問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明根據現(xiàn)有技術的不足提供一種低速直驅液壓型海流發(fā)電裝置及其控制方法，通過中間液壓能的轉換，避免了葉輪經過齒輪箱再連接發(fā)電機或者葉輪連接直驅電機兩種連接方式存在的裝置復雜，不能同時達到最大功率跟蹤和發(fā)電機穩(wěn)定輸出，并且容易產生故障的問題。為了解決上述技術問題，本發(fā)明通過下述技術方案得以解決:—種低速直驅液壓型海流發(fā)電裝置，包括葉輪、與葉輪主軸相連的定量液壓泵、與定量液壓泵串聯(lián)且與定量液壓泵出口相連的變量液壓泵和變量液壓馬達、發(fā)電機；所述定量液壓泵的入口、變量液壓泵的出口和變量液壓馬達的出口均連接油箱；所述變量液壓泵和變量液壓馬達的主軸剛性連接；所述變量液壓馬達主軸另一端與發(fā)電機主軸相連，所述發(fā)電機上連接有負載。作為優(yōu)選，還包括控制器；第一轉速傳感器安裝在葉輪主軸上，用于檢測葉輪主軸轉速并將第一轉速信息發(fā)送到控制器；第二轉速傳感器安裝在發(fā)電機主軸上，用于檢測發(fā)電機主軸轉速并將第二轉速信息發(fā)送到控制器；流速傳感器安裝在靠近葉輪處，用于檢測使葉輪轉動的海流流速并將信息發(fā)送到控制器；作為優(yōu)選，變量液壓泵上設有第一控制機構；所述變量液壓馬達上設有第二控制機構。其中變量液壓泵上設置有第一控制機構，用于通過控制器發(fā)送的第一控制信號控制變量液壓泵的排量；其中變量液壓馬達上設置有第二控制機構，用于通過控制器發(fā)送的第二控制信號控制變量液壓馬達的排量。作為優(yōu)選，所述定量液壓泵的出口與并聯(lián)的變量液壓泵和變量液壓馬達之間設有單向閥，防止液壓油逆流。作為優(yōu)選，所述定量液壓泵的出口與并聯(lián)的變量液壓泵和變量液壓馬達之間的管路上安裝有溢流閥，且溢流閥連接油箱，其中設置有溢流閥用于防止因系統(tǒng)壓力過高，而對整個系統(tǒng)造成損壞。一種低速直驅液壓型海流發(fā)電裝置的控制方法，步驟包括:S1、通過葉輪將海流能轉換為機械能；S2、通過定量液壓泵將機械能轉換為液壓能，并且通過調整變量液壓泵排量大小調整液壓系統(tǒng)壓力，進而調整葉輪捕獲功率大?。籗3、通過變量液壓馬達將液壓能轉換為機械能；S4、將得到的機械能通過發(fā)電機將機械能轉換為電能。作為優(yōu)選，所述步驟S3包括:S3a、通過第一轉速傳感器檢測到葉輪主軸的轉速，并將第一轉速信息發(fā)送到控制器計算得到目標功率，并同時檢測得到發(fā)電機輸出作為實測功率；S3b、通過目標功率與實測功率相比較得出功率偏差信號，控制器再根據功率偏差信號計算輸出排量的第二控制信號；S3c、將第二控制信號傳遞給變量液壓馬達的第二控制機構，從而調節(jié)系統(tǒng)壓力，間接控制葉輪的轉速，使得葉輪捕獲最大功率，實現(xiàn)最大功率跟蹤控制。作為優(yōu)選，所述步驟S2包括:S2a、通過第二轉速傳感器檢測到發(fā)電機轉軸的轉速，并將第二轉速信息發(fā)送到控制器得到實測轉速；S2b、實測轉速與發(fā)電機需要的目標轉速相比較得出偏差轉速，控制器根據偏差轉速計算輸出排量第一控制信號；S2c、將第一控制信號傳遞給變量液壓泵的第一控制機構，從而調節(jié)變量液壓泵的輸出反力矩，與變量液壓馬達的輸出力矩共同作用，間接調節(jié)發(fā)電機的轉速跟蹤目標轉速，實現(xiàn)發(fā)電機的恒轉速輸出。按照本發(fā)明的技術方案，采用低速直驅式液壓傳動技術體積小、成本低，并且降低了故障率；并且在傳動系統(tǒng)環(huán)節(jié)同時實現(xiàn)了葉輪轉速控制(最大功率跟蹤控制)和發(fā)電機轉速控制，無需額外的電力電子設備，簡化了后續(xù)的電氣控制系統(tǒng)；另外，與葉輪主軸連接的是定量液壓泵，水下無控制機構，無需關注控制電纜的密封問題及放大板的受潮失效問題。


圖1為本發(fā)明低速直驅液壓型海流發(fā)電裝置實施例結構示意圖。圖2為本發(fā)明低速直驅液壓型海流發(fā)電裝置控制方法實施例原理框圖。圖3為圖2工作時葉輪輸出功率和轉速的曲線圖。附圖標記:1.葉輪，2.定量液壓泵，3.單向閥，4.溢流閥，5.變量液壓泵，6.變量液壓馬達，7.發(fā)電機，8.負載,9.控制器,11.流速傳感器,12.第一轉速傳感器,13.第一控制機構，14.第二控制機構，15.第二轉速傳感器。
具體實施例方式下面結合附圖與具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細描述:1、用于上述低速直驅液壓型海流發(fā)電裝置:圖1示出了本發(fā)明低速直驅液壓型海流發(fā)電裝置實施例的結構，葉輪I的主軸與定量液壓泵2相連，定量液壓泵2的入口連接油箱，定量液壓泵2出口連接與定量液壓泵2串聯(lián)的變量液壓泵5和變量液壓馬達6，并聯(lián)的變量液壓泵5和變量液壓馬達6的出口均連接油箱，變量液壓泵5和變量液壓馬達6的主軸剛性連接，變量液壓馬達6的主軸與發(fā)電機7的主軸連接，發(fā)電機7連接負載8。第一轉速傳感器12安裝于葉輪I的主軸處，第二轉速傳感器15安裝于發(fā)電機7的主軸處，第一轉速傳感器12和第二轉速傳感器15均與控制器9相連，變量液壓泵5上自帶有一個第一控制機構13和變量液壓馬達6上也自帶有一個第二控制機構14，兩個控制機構均與控制器9相連。其中控制器9用于控制整個系統(tǒng)運行；流速傳感器11用于檢測使葉輪I轉動的海流流速并將信息發(fā)送到控制器9 ;第一轉速傳感器12用于檢測葉輪I主軸轉速并將第一轉速信息發(fā)送到控制器9 ;變量液壓泵5上自帶的第一控制機構13用于通過控制器9發(fā)送的第一控制信號控制變量液壓泵5的排量；變量液壓馬達6自帶的第二控制機構14用于通過控制器9發(fā)送的第二控制信號控制變量液壓馬達6排量；第二轉速傳感器15用于通過控制器9發(fā)送的第二控制信號控制變量液壓馬達6排量。另外，定量液壓泵與并聯(lián)的變量液壓泵和變量液壓馬達之間安裝有單向閥3，防止液壓油逆流；定量液壓泵和并聯(lián)的變量液壓泵和變量液壓馬達之間的管路上安裝有溢流閥4，防止系統(tǒng)壓力過聞，保護系統(tǒng)。工作時，葉輪I在海流作用下轉動，帶動定量液壓泵2從油箱中泵油，系統(tǒng)中的油液通過變量液壓馬達6時，帶動變量液壓馬達6轉動，變量液壓馬達6主軸與發(fā)電機7主軸剛性連接，從而發(fā)電機7轉動發(fā)電。其中改變變量液壓泵5的排量，就改變了變量液壓泵5的輸出反力矩，然后變量液壓泵5的輸出反力矩與變量液壓馬達6的輸出反力矩共同作用，從而達到控制發(fā)電機7的轉速，而變量液壓馬達6的排量要根據功率控制的要求給定，則輸出反力矩就相當于是給定了，因此是通過改變變量液壓泵5的排量，可以實現(xiàn)發(fā)電機的轉速控制。變量液壓泵5與變量液壓馬達6并聯(lián)安裝，兩者的主軸剛性連接。改變變量液壓馬達6的排量時，系統(tǒng)的壓力相應變化，從而葉輪的負載發(fā)生改變，最終改變葉輪的轉速。2、用于上述低速直驅液壓型海流發(fā)電裝置的控制方法，如圖2所示，其步驟包括:
S1、通過葉輪I將海流能轉換為機械能；S2、通過定量液壓泵2將機械能轉換為液壓能，并且通過調整變量液壓泵排量大小調整液壓系統(tǒng)壓力，進而調整葉輪I捕獲功率大小；S3、通過變量液壓馬達6將液壓能轉換為機械能；S4、將得到的機械能通過發(fā)電機7將機械能轉換為電能。Betz理論指出，水平軸式海流發(fā)電機組從海水中捕獲的功率為:
權利要求
1.一種低速直驅液壓型海流發(fā)電裝置，其特征在于，包括油箱、葉輪(I)、與葉輪主軸相連的定量液壓泵(2)、與定量液壓泵(2)串聯(lián)且與定量液壓泵(2)出口相連的變量液壓泵(5)和變量液壓馬達(6)、發(fā)電機(7);所述定量液壓泵(2)的入口、變量液壓泵(5)的出口和變量液壓馬達(6)的出口均連接至油箱；所述變量液壓泵(5)和變量液壓馬達(6)的主軸剛性連接；所述變量液壓馬達(6)主軸另一端與發(fā)電機(7)主軸相連，所述發(fā)電機(7)上連接有負載(8)。
2.如權利要求1所述的低速直驅液壓型海流發(fā)電裝置，其特征在于，還包括控制器(9)； 第一轉速傳感器(12)安裝在葉輪(I)主軸上，用于檢測葉輪(I)主軸轉速并將第一轉速信息發(fā)送到控制器(9); 第二轉速傳感器(15)安裝在發(fā)電機(7)主軸上，用于檢測發(fā)電機(7)主軸轉速并將第二轉速信息發(fā)送到控制器(9)； 流速傳感器(11)安裝在靠近葉輪(I)處，用于檢測使葉輪(I)轉動的海流流速并將信息發(fā)送到控制器(9)。
3.如權利要求1所述的低速直驅液壓型海流發(fā)電裝置，其特征在于，所述變量液壓泵上設有第一控制機構；所述變量液壓馬達上設有第二控制機構。
4.如權利要求1所述的低速直驅液壓型海流發(fā)電裝置，其特征在于，所述定量液壓泵(2)的出口與并聯(lián)的變量液壓泵(5)和變量液壓馬達(6)之間設有單向閥(3)。
5.如權利要求4所述的低速直驅液壓型海流發(fā)電裝置，其特征在于，所述定量液壓泵(2)的出口與并聯(lián)的變量液壓泵(5)和變量液壓馬達(6)之間的管路上安裝有溢流閥(4)，且溢流閥(4)連接油箱。
6.一種低速直驅液壓型海流發(fā)電裝置的控制方法，其特征在于，步驟包括:S1、通過葉輪(I)將海流能轉換為機械能； 52、通過定量液壓泵(2)將機械能轉換為液壓能，并且通過調整變量液壓泵排量大小調整液壓系統(tǒng)壓力，進而調整葉輪(1)捕獲功率大??； 53、通過變量液壓馬達(6)將液壓能轉換為機械能； 54、將得到的機械能通過發(fā)電機(7)將機械能轉換為電能。
7.根據權利要求6所述的低速直驅液壓型海流發(fā)電裝置的控制方法，其特征在于，所述步驟S3包括: S3a、通過第一轉速傳感器檢測到葉輪(I)主軸的轉速，并將第一轉速信息發(fā)送到控制器(9)計算得到目標功率，并同時檢測得到發(fā)電機(7)輸出的實測功率； S3b、通過目標功率與 實測功率相比較得出功率偏差信號，控制器(9)再根據功率偏差信號計算輸出排量的第二控制信號； S3c、將第二控制信號傳遞給變量液壓馬達(6)的第二控制機構(14)，從而調節(jié)系統(tǒng)壓力，間接控制葉輪(1)的轉速，使得葉輪(1)捕獲最大功率，實現(xiàn)最大功率跟蹤控制。
8.如權利要求6所述的低速直驅液壓型海流發(fā)電裝置的控制方法，其特征在于，所述步驟S2包括: S2a、通過第二轉速傳感器檢測到發(fā)電機(7)轉軸的轉速，并將第二轉速信息發(fā)送到控制器(9)得到實測轉速；S2b、實測轉速與發(fā)電機(7)需要的目標轉速相比較得出偏差轉速，控制器(9)根據偏差轉速計算輸出排量第一控制信號； S2c、將第一控制信號傳遞給變量液壓泵(5)的第一控制機構(13)，從而調節(jié)變量液壓泵(5)的輸出反力矩，與變量液壓馬達(6)的輸出力矩共同作用，間接調節(jié)發(fā)電機(7)的轉速跟蹤目標轉速，實現(xiàn)發(fā)電機(7)的 恒轉速輸出。
全文摘要
本發(fā)明屬于海流能發(fā)電領域，具體涉及一種低速直驅液壓型海流發(fā)電裝置及，包括葉輪、與葉輪主軸相連的定量液壓泵、與定量液壓泵并聯(lián)且與定量液壓泵出口相連的變量液壓泵和變量液壓馬達、發(fā)電機；定量液壓泵的入口、變量液壓泵的出口和變量液壓馬達的出口均連接油箱；變量液壓泵和變量液壓馬達的主軸剛性連接；變量液壓馬達主軸另一端與發(fā)電機主軸相連；控制方法，步驟包括1、通過葉輪將海流能轉換為機械能；2、通過定量液壓泵將機械能轉換為液壓能，并且通過調整變量液壓泵排量大小調整液壓系統(tǒng)壓力，進而調整葉輪捕獲功率大??；3、通過變量液壓馬達將液壓能轉換為機械能；4、將得到的機械能通過發(fā)電機將機械能轉換為電能。
文檔編號F16H61/42GK103206334SQ201310116749
公開日2013年7月17日 申請日期2013年4月3日 優(yōu)先權日2013年4月3日
發(fā)明者劉宏偉, 石茂順, 李偉, 樓杉 申請人:浙江大學