基于液壓傳動與控制的風力發(fā)電方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于液壓傳動與控制的風力發(fā)電方法，所用裝置包括內(nèi)曲線液壓馬達,內(nèi)曲線液壓馬達的軸上利用聯(lián)軸器連接有風輪，內(nèi)曲線液壓馬達的出口連接有管道，管道上設置有過濾器；管道另一端依次連接有比例流量閥、高速定量馬達，高速定量馬達采用聯(lián)軸器連接有無級減速機，無級減速機采用聯(lián)軸器連接有普通交流發(fā)電機。本發(fā)明中，在多級(≥2級)風輪與配套普通交流發(fā)電機之間布置液壓傳動與控制系統(tǒng)，將在同一塔架不同高度上的風輪組產(chǎn)生的能量收集到一起，共同轉換成液壓能來驅(qū)動一臺或多臺功率不等的普通交流發(fā)電機，真正使系統(tǒng)能夠輸出50±0.2Hz的合格交流電，滿足并網(wǎng)發(fā)電要求。
【專利說明】基于液壓傳動與控制的風力發(fā)電方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于液壓傳動與控制的風力發(fā)電方法，屬于風力發(fā)電【技術領域】。

【背景技術】
[0002]我國風能資源豐富，根據(jù)國家氣象局的資料，我國離地10米高的風能資源儲量約
32.26億千瓦，其中可開發(fā)利用的風能儲量約10億千瓦，50米高度的風能資源比10米高度的多一倍，為5億多千瓦。隨著人們對風力發(fā)電認識的日漸提高和風力發(fā)電技術的不斷成熟，其應用領域也會越來越廣泛。風能的利用主要是水平軸及垂直軸風力發(fā)電系統(tǒng)。目前的垂直軸風力機具備能接收來自任何方向的風，無須對風及發(fā)電機能安裝在地面上，維修方便等優(yōu)點而逐步被重視。
[0003]但目前垂直軸風力發(fā)電系統(tǒng)也存在很多不足，主要體現(xiàn)在:一是為了適應不同風速的發(fā)電要求，垂直軸風機中的發(fā)電機都是永磁式的，價格比普通交流發(fā)電機貴很多，尤其是大型風力發(fā)電機所需的永磁發(fā)電機十分昂貴，這也是限制其規(guī)?；l(fā)展的重要原因。二是風機轉速相對較低，而對應的發(fā)電機轉速要求較高，在風輪與發(fā)電機之間需要傳動比較大的齒輪增速箱。目前的垂直軸風機的齒輪增速箱雖然可以放在地面上，但其體積仍笨重，價格昂貴；當采用不同高度的風輪時仍存在安裝和維修不方便等問題。三是獨立運行的風力發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的電，其電壓和頻率是一直在變化的非標準交流電，且風能是隨機波動的，不可能與負載的需求相匹配，需要用儲能裝置來儲存這些風電，儲存裝置所儲存的電能為直流電，但目前絕大多數(shù)的用電器和動力機械均需標準交流電，因此，風電系統(tǒng)中均設計有能實現(xiàn)直流轉換成交流、且復雜昂貴的逆變器。
[0004]在現(xiàn)有技術方面，目前已有發(fā)明專利《基于內(nèi)曲線液壓馬達的分離式柔性增速裝置》(專利權號為201210141062.5)，該專利中公開了一種基于內(nèi)曲線液壓馬達的分離式柔性增速裝置，包括:風機，內(nèi)曲線液壓馬達，高壓端蓄能器，單向閥，溢流閥，節(jié)流閥，液壓管道，液壓馬達組，發(fā)電機組，油箱。所述內(nèi)曲線液壓馬達與液壓管道相連，裝在塔架上方，所述其他設備裝在塔架下方。本發(fā)明裝置使用的內(nèi)曲線液壓馬達屬于低速大扭矩馬達，在所述發(fā)明中有改作液壓泵使用。
[0005]上述專利技術很大程度上強調(diào)了改進的內(nèi)曲線液壓馬達的結構，應用對象是僅有一級的(一個風輪)的水平軸風力發(fā)電機，水平軸風機的結構、工作原理及安裝方式等均與垂直軸風機的有很大區(qū)別。由于風的隨機性和液壓組件自身的協(xié)調(diào)響應特性，尤其是對于中小型的風機，風速的瞬間變化經(jīng)常引起風輪轉速和系統(tǒng)壓力的快速變化，而該變化往往快于有些液壓元件的響應時間，引起這些液壓元件動作的滯后性，導致控制精度降低，因而單靠該專利中的旁路節(jié)流閥、溢流閥、馬達等常見液壓元件組成的純液壓系統(tǒng)很難保證普通發(fā)電機的轉速維持在滿足并網(wǎng)要求的苛刻范圍內(nèi)；這是因為若采用常用普通4級交流發(fā)電機的話，須要求其轉速控制在1500±6r/min范圍內(nèi)才能滿足二級電的合格上網(wǎng)要求，須要求其轉速控制在1500±3r/min的范圍內(nèi)才能滿足一級電的上網(wǎng)合格要求，這就要求流入馬達的流量必須精確控制，因而單靠普通的節(jié)流閥、溢流閥等很難保證進入馬達的流量的穩(wěn)定性和準確性，這是我們已經(jīng)過測試驗證了的。若專利中采用的發(fā)電機組為永磁式的，則開發(fā)成本仍然會很高，特別是對于大型風力發(fā)電機。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]鑒于上述系統(tǒng)在實際使用時存在的不足，本發(fā)明提出了基于液壓傳動與控制的多級垂直軸風力發(fā)電機液壓恒頻有效發(fā)電技術，在不同風速下，垂直軸風輪帶動內(nèi)曲線液壓馬達(當作泵用)旋轉，泵打出的油流經(jīng)比例流量閥后，驅(qū)動高速定量馬達轉動，高速定量馬達通過減速機、聯(lián)軸器與普通交流發(fā)電機連接，并帶動發(fā)電機發(fā)電。當達到要求的啟動風速時，溢流閥始終工作，通過調(diào)節(jié)比例流量閥的開度和無級減速機的傳送比，通過液壓系統(tǒng)和減速機構相結合的方法，并增加閉環(huán)控制單元，確保高速定量馬達的轉速維持在1500r/min±6r/min范圍內(nèi)，實現(xiàn)節(jié)流調(diào)速并合格發(fā)電。
[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案如下。
[0008]一種基于液壓傳動與控制的風力發(fā)電方法，其所用裝置包括內(nèi)曲線液壓馬達，內(nèi)曲線液壓馬達的軸上利用聯(lián)軸器連接有風輪，風輪設置有兩級；內(nèi)曲線液壓馬達的出口連接有管道，管道上設置有過濾器；管道另一端依次連接有比例流量閥、高速定量馬達，高速定量馬達采用聯(lián)軸器連接有無級減速機，無級減速機采用聯(lián)軸器連接有普通交流發(fā)電機；比例流量閥和高速定量馬達之間設置有第一級反饋控制單元；無級減速機與普通交流發(fā)電機之間設置有第二級反饋控制單元；高速定量馬達出口連接有油箱；內(nèi)曲線液壓馬達上連接有補油泵和輔助油箱；內(nèi)曲線液壓馬達的出口處設置有蓄能器，用以更好地吸收液壓沖擊和壓力波動；內(nèi)曲線液壓馬達的出口處還設置有溢流閥，用以節(jié)流調(diào)速；無級減速電機上連接有變頻電機；風輪設置有兩級，均固定在同一立式塔架上，其各自的主軸獨立旋轉的。
[0009]上述裝置中，針對兩級風輪系統(tǒng)，當兩風輪的轉速之差超過所設計的合理范圍時，補油泵啟動，給運行慢的風輪所對應的內(nèi)曲線液壓馬達補油，加速該風輪的轉動，讓兩個風輪的轉速之差始終維持在合理范圍內(nèi)。內(nèi)曲線液壓馬達、補油泵都是從油箱吸油的，高速定量馬達的回油也流入油箱。副油箱解決了內(nèi)曲線液壓馬達自吸能力差和風輪自啟動困難的問題。
[0010]為了確保普通交流發(fā)電機的轉速維持在1500r/min可控范圍內(nèi)，控制時應首先啟動第一級反饋控制單元，調(diào)節(jié)比例流量閥，此時無級減速機的轉速跟蹤高速定量馬達的轉速，使普通交流發(fā)電機的轉速與1500r/min的誤差維持在盡可能低的范圍內(nèi)(如12?30r/min)。然后再啟動第二級反饋控制單元,通過變頻電機實時調(diào)節(jié)無級減速機的傳動比,讓普通交流發(fā)電機的轉速誤差進一步維持在3?6r/min之內(nèi)，滿足并網(wǎng)要求。
[0011]該發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明中，在多級(彡2級)風輪與配套普通交流發(fā)電機之間布置液壓傳動與控制系統(tǒng)，將在同一塔架不同高度上的風輪組產(chǎn)生的能量收集到一起，共同轉換成液壓能來驅(qū)動一臺或多臺功率不等的普通交流發(fā)電機。通過研究補償系統(tǒng)、多組閉環(huán)控制等技術,真正使系統(tǒng)能夠輸出50±0.2Hz的合格交流電，滿足并網(wǎng)發(fā)電要求。該裝置具有以下優(yōu)勢:
[0012]I)這種多級垂直軸風力發(fā)電機液壓恒頻有效發(fā)電系統(tǒng)采用在同一塔架上安裝多級風輪的方式，每個風輪獨立運轉，通過液壓系統(tǒng)匯流后驅(qū)動一臺或多臺普通交流發(fā)電機有效可靠工作，較好地吸收不同高度的風能，節(jié)省地基用地，進一步提高風能利用率。
[0013]2)避免在高空處采用轉換風能與電能之間的笨拙的傳動機構——機械式齒輪增速箱；省去了整流器和逆變器，并用普通交流發(fā)電機代替昂貴的永磁發(fā)電機，節(jié)省開發(fā)成本。
[0014]3)通過采用精密布置的液壓傳動和輕盈靈活的無極減速機相結合的方法，并加上多級閉環(huán)控制技術，可使同步交流發(fā)電機輸出電的頻率維持在50±0.2Hz范圍內(nèi)，系統(tǒng)響應時間快。這種無級減速機只是將高速定量馬達的轉速從12?30r/min的范圍變成3?6r/min的范圍，所以傳速比范圍較小，而且又安裝在地面上，安裝和維修方便，價格也較低。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明裝置的系統(tǒng)結構示意圖。
[0016]圖2為本發(fā)明裝置的控制系統(tǒng)策略圖。
[0017]圖中標記說明:1、補油泵；2、內(nèi)曲線液壓馬達；3、輔助油箱；4、風輪；5、聯(lián)軸器；
6、過濾器；7、蓄能器；8、溢流閥；9、比例流量閥；10、第一級反饋控制單元；11、高速定量馬達；12、第二級反饋控制單元；13、普通交流發(fā)電機；14、無級減速機；15、變頻電機；16、油箱；17、管道。

【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明的【具體實施方式】進行描述，以便更好理解本發(fā)明。
[0019]實施例
[0020]如圖1所示的基于液壓傳動與控制的風力發(fā)電方法，包括內(nèi)曲線液壓馬達2，內(nèi)曲線液壓馬達2的軸上利用聯(lián)軸器5連接有風輪4，內(nèi)曲線液壓馬達2的出口連接有管道17，管道17上設置有過濾器6 ;管道17另一端依次連接有比例流量閥9、高速定量馬達11，高速定量馬達11采用聯(lián)軸器5連接有無級減速機14，無級減速機14采用聯(lián)軸器5連接有普通交流發(fā)電機13 ；比例流量閥9和高速定量馬達11之間設置有第一級反饋控制單元10 ；無級減速機14與普通交流發(fā)電機13之間設置有第二級反饋控制單元12 ;高速定量馬達11出口連接有油箱16。內(nèi)曲線液壓馬達2上連接有補油泵I和輔助油箱3。內(nèi)曲線液壓馬達2的出口處設置了蓄能器7，用以更好地吸收液壓沖擊和壓力波動。內(nèi)曲線液壓馬達2的出口處設置了溢流閥8，用以節(jié)流調(diào)速。無級減速電機14上連接有變頻電機15。風輪4設置有兩級，均固定在同一立式塔架上，其各自的主軸獨立旋轉。
[0021]上述裝置中，針對兩級風輪系統(tǒng)，當兩風輪的轉速之差超過所設計的合理范圍時，補油泵I啟動，給運行慢的風輪所對應的內(nèi)曲線液壓馬達2補油，加速該風輪的轉動，讓兩個風輪的轉速之差始終維持在合理范圍內(nèi)。內(nèi)曲線液壓馬達2、補油泵I都是從油箱16吸油的，高速定量馬達11的回油也流入油箱16。副油箱3解決了內(nèi)曲線液壓馬達自吸能力差和風輪自啟動困難的問題。
[0022]為了確保普通交流發(fā)電機13的轉速維持在1500r/min可控范圍內(nèi)，控制時應首先啟動第一級反饋控制單元10,調(diào)節(jié)比例流量閥9,此時無級減速機14的轉速跟蹤高速定量馬達11的轉速，使普通交流發(fā)電機13的轉速與1500r/min的誤差維持在盡可能低的范圍內(nèi)(如12?30r/min)。然后再啟動第二級反饋控制單元12,通過變頻電機15實時調(diào)節(jié)無級減速機14的傳動比,讓普通交流發(fā)電機13的轉速誤差進一步維持在3?6r/min之內(nèi)，滿足并網(wǎng)要求。
[0023]該裝置具體的工作過程如下:
[0024]在不同風速下，兩級垂直軸風輪帶動各自的內(nèi)曲線液壓馬達(作為液壓泵使用)旋轉，兩個泵打出的高壓油匯流經(jīng)過比例流量閥后，驅(qū)動高速定量馬達轉動，高速定量馬達通過無級減速機、聯(lián)軸器與交流發(fā)電機連接，并帶動交流發(fā)電機發(fā)電。為了確保交流發(fā)電機的轉速維持在1500r/min可控范圍內(nèi)，并能盡可能多地發(fā)出合格電，采取了如圖2所示的控制策略。當達到要求的啟動風速時，首先判斷兩個風輪的轉速是否相同或差別很小，若相同和相差很小，說明兩路能夠較好合流，則合流后的高壓流體直接經(jīng)過比例流量閥驅(qū)動高速定量馬達；若兩風輪的轉速相差較大，但在可控范圍內(nèi)，為了順利高效合流，則需啟動補油系統(tǒng)，給運行慢的風輪所對應的內(nèi)曲線液壓馬達補油，加速該對應風輪的轉動，讓兩個風輪的轉速之差始終維持在合理范圍內(nèi)，此時合流后的高壓流體直接經(jīng)過比例流量閥驅(qū)動高速定量馬達。接著判斷高速定量馬達的轉速是否在1500±6r/min的范圍內(nèi)，若在此范圍內(nèi)，則無級減速機保持1:1的傳動比運行；若不在此范圍內(nèi)，應首先調(diào)節(jié)比例流量閥，此時無極減速機的轉速跟蹤馬達的轉速，使發(fā)電機的轉速與1500r/min的誤差維持在盡可能低的范圍內(nèi)(如12?30r/min)。然后再啟動第二級反饋控制單元，即通過變頻電機實時調(diào)節(jié)無極減速機的傳送比，讓交流發(fā)電機的轉速誤差進一步維持在3?6r/min之內(nèi)，滿足并網(wǎng)要求。
[0025]另外，通常液壓泵的最低轉速均大于500r/min,而IkW垂直軸風輪的轉速為30r/min?200r/min, 3kff垂直軸風輪的轉速為30r/min?120r/min,風輪功率越大,所對應的可用最高轉速越小，因此選用內(nèi)曲線液壓馬達來代替液壓泵。但目前內(nèi)曲線液壓馬達本身的自吸能力較差，而與其配套的第二級風輪又被安裝在一定的高度(通常大于8米)上，若不采取措施，將使內(nèi)曲線液壓馬達的工作效率很低，這也經(jīng)過測試。為此，在高于內(nèi)曲線液壓馬達的一定位置處安裝一個輔助油箱，讓其提供內(nèi)曲線液壓馬達啟動時的初始壓力，這既不借助外力，也較好地解決了內(nèi)曲線液壓馬達自啟動能力差的問題。目前野外風輪實驗也已證實,這種方法在一定程度上還對改善大功率垂直軸風輪的自啟動難題有很大幫助。
[0026]以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種基于液壓傳動與控制的風力發(fā)電方法，其所用裝置包括內(nèi)曲線液壓馬達，其特征在于:所述內(nèi)曲線液壓馬達的軸上利用聯(lián)軸器連接有風輪，所述風輪設置有兩級；所述內(nèi)曲線液壓馬達的出口連接有管道，所述管道上設置有過濾器；所述管道另一端依次連接有比例流量閥、高速定量馬達，所述高速定量馬達采用聯(lián)軸器連接有無級減速機，所述無級減速機采用聯(lián)軸器連接有普通交流發(fā)電機；所述比例流量閥和高速定量馬達之間設置有第一級反饋控制單元；所述無級減速機與普通交流發(fā)電機之間設置有第二級反饋控制單元；所述高速定量馬達出口連接有油箱；所述內(nèi)曲線液壓馬達上連接有補油泵和輔助油箱；所述內(nèi)曲線液壓馬達的出口處設置有蓄能器和溢流閥；所述無級減速電機上連接有變頻電機。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于液壓傳動與控制的風力發(fā)電方法，其特征在于:基于上述裝置，針對兩級風輪系統(tǒng)，當兩風輪的轉速之差超過所設計的合理范圍時，補油泵啟動，給運行慢的風輪所對應的內(nèi)曲線液壓馬達補油，加速該風輪的轉動，讓兩個風輪的轉速之差始終維持在合理范圍內(nèi)；內(nèi)曲線液壓馬達、補油泵都從油箱吸油，高速定量馬達的回油流入油箱；副油箱用以解決內(nèi)曲線液壓馬達自吸能力差和風輪自啟動困難的問題。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的基于液壓傳動與控制的風力發(fā)電方法，其特征在于:為確保普通交流發(fā)電機的轉速維持在1500r/min可控范圍內(nèi)，控制時首先啟動第一級反饋控制單元，調(diào)節(jié)比例流量閥，此時無級減速機的轉速跟蹤高速定量馬達的轉速，使普通交流發(fā)電機的轉速與1500r/min的誤差維持在12?30r/min,再啟動第二級反饋控制單元,通過變頻電機實時調(diào)節(jié)無級減速機的傳動比，讓普通交流發(fā)電機的轉速誤差進一步維持在3?6r/min之內(nèi)，滿足并網(wǎng)要求。
【文檔編號】F03D9/00GK104131953SQ201410406468
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年8月18日 優(yōu)先權日:2014年8月18日
【發(fā)明者】張立軍, 孫明剛, 劉華, 張明明, 藺偉濤, 胡義娥 申請人:中國石油大學(華東)