基于液压传动的风力发电机组及其变速恒频控制方法

技术领域

本发明属于液压传动领域，具体涉及一种基于液压传动的风力发电机组及其变速恒频控制方法。

背景技术

随着风电机组大型化和海上风电的发展，工况和运行条件的改变使得风力机部件承受了更剧烈的转速和转矩波动，故障率增大。齿轮箱传动和直驱是风力发电机普遍采用的传动方式，尤其以齿轮箱传动为主。据统计，传动部件中的齿轮箱是发生故障频发的部分，其维修成本占风力机总维修成本的60％以上。齿轮箱的传动比单一，由风速波动造成的载荷波动更为剧烈。

直驱式风力机虽然没有齿轮箱，但是为了提高低速发电机效率，一般采用大量增加发电机的极对数的方法，造成发电机体积大，重量高，不易吊装等问题。另外永磁式发电机的制造需要稀土这种稀有资源，成本很高，不宜大量推广。同时直驱式风力机一般采用低速永磁同步发电机，这种电机的转速和电网中的频率是刚性耦合的，风速的波动会向电机传递变化的能量，给风力机造成了高载荷和高冲击，难以以最优策略运行。

采用齿轮箱传动的风力机一般采用双馈异步发电机，通过调节发电机本身来使输出的频率与电网保持一致。但是变速控制中会发生抖动，这会使机械应力加剧，加大齿轮箱受到的冲击，增加故障率。多级增速机构的引入降低了机组效率，使大型机组的整体效率的下限降到26％左右，造成配套资源的极度浪费。

风力发电机要求变速恒频以实现对风能的最大化捕捉以及最优化运行，目前风电机组的变速运行主要通过变频器对电机的转速进行控制来实现，这导致风力机结构复杂，可靠性降低，而且变频设备造价昂贵，运行过程中会造成能量较多的损失。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于液压传动的风力发电机组，该风力发电机组以集成化的可调速液力变速器代替多级增速齿轮箱，控制风力机变速恒频运行，实现并网控制，减小机舱整体重量体积，减轻传动系统发电过程中的转矩波动及冲击，使风力机更优化运行。

本发明是通过下述技术方案解决上述技术问题的：

一种基于液压传动的风力发电机组，包括叶轮、第一联轴器和第二联轴器，还包括液力变速器和永磁同步发电机，所述第一联轴器和所述第二联轴器分别设置在所述液力变速器的两端，所述叶轮通过所述第一联轴器与所述液力变速器可转动的连接，所述永磁同步发电机通过所述第二联轴器与所述液力变速器可转动的连接；

所述液力变速器包括壳体、能量传递单元、补油单元和控制器，所述能量传递单元用于转速的传递，所述补油单元用于为所述能量传递单元补充液压油，所述控制器用于控制所述补油单元的补油量，所述能量传递单元置于所述壳体内；

所述能量传递单元包括配油轴、与所述配油轴一端端面依次连接的分流仓、导轮、涡轮和涡轮轴，所述配油轴、导轮、涡轮和涡轮轴均同轴设置，所述壳体对应所述配油轴的另一端设有开口，所述壳体对应所述涡轮轴的一端设有开口；

所述配油轴内部沿轴向设有进油管和出油管，所述出油管与所述分流仓连通，所述配油轴内部沿轴向设有多组排油装置，每组排油装置所在平面与所述配油轴的轴向垂直，每组排油装置包括均匀设置的多个柱塞，所述柱塞的腔体与所述进油管和所述出油管连通；

所述壳体靠近所述涡轮一端设有多组出油口，所述出油口与所述进油管的进油口通过循环管路连通，所述补油单元与所述循环管路连通。

优选地，所述配油轴另一端设有第一转速传感器，所述出油管的排油口设有压力传感器，所述涡轮轴输出端设有第二转速传感器，每个所述柱塞上均设有行程开关传感器、应力传感器和响应开关，所述控制器分别与所述行程开关传感器、应力传感器、响应开关、第一转速传感器、第二转速传感器及压力传感器通过信号线连接，用于根据各传感器采集到的值来控制所述补油单元的补油量，实现将恒定转速由所述涡轮轴输出。

优选地，所述排油装置共有40组，每组所述排油装置包括9个所述柱塞，每个所述柱塞的腔体均通过第一单向阀与所述进油管连通，每个所述柱塞的腔体均通过第二单向阀和所述出油管连通，所述第一单向阀和所述第二单向阀方向相反，40组所述排油装置以等间距设置在所述配油轴上，靠近所述分流仓的一组排油装置为第一组排油装置，与所述第一组排油装置相邻的为第二组排油装置，所述第一组排油装置围绕所述配油轴沿逆时针方向转动9度，即为所述第二组排油装置的设置方向，以此类推，前一组排油装置围绕所述配油轴沿逆时针方向转动9度即为其后一组排油装置的设置方向。

优选地，所述循环管路上依次设有冷却器和过滤器，所述冷却器邻近所述出油口，所述补油单元设置在所述过滤器和所述进油口之间。

优选地，所述补油单元包括第一补油单元和第二补油单元，所述第一补油单元包括第一单向阀、液压泵和第一过滤器，所述第一单向阀的一端与所述循环管路连接，所述第一单向阀的另一端依次连接液压泵和第一过滤器，所述液压泵还连接电动机，所述电动机与所述控制器通过信号线连接，所述第二补油单元包括第二单向阀和第二过滤器，所述第二单向阀的一端与所述循环管路连接，所述第二单向阀的另一端与所述第二过滤器连接。

优选地，所述循环管路上靠近所述进油口设有溢流阀。

优选地，控制器为PLC(可编程逻辑控制器)。

与现有技术相比，本发明具有以下优势：

1)可以控制风力机以变速恒频工况运行，减轻传动系统的转矩转速波动，降低传动系统的故障率，提高能量利用率，向电网输入适合的电能，减少调频环节，便于并网运行。

2)采用PLC控制输入端变量容积，快速地实时调整传动比，使风力机稳定的保持变速恒频工况；同时，液压传动系统可以减轻传动系统的转矩波动，具有柔性特性，体现了近似于无级变速的多级变速。

3)传动系统分级少，液压传动系统中极大的减少了传动部件间的直接接触，将传统变量泵变量马达传动系统的功能进行了整合，对能量传递的效率更高；本系统省去了齿轮箱，并且可以使用更普通的发电机，节约成本，提高了可靠性；液压部分的集成化和简化，缩短了油路，减少了能量损失，减轻了变速器整体体积和重量。

4)在并网前通过检测发电机转速，由控制器控制液压变速器的转速比，给发电机输入合适的转速，使得发电机的输出频率满足并网需求，使得风轮捕捉到最大风能。

本发明的另一目的在于提供一种基于液压传动的风力发电机组变速恒频控制方法，包括以下步骤：

第二转速传感器、各个行程开关传感器和各个应力传感器分别采集涡轮轴的转速值及对应柱塞的行程值和压力值，并将采集值输送给控制器；

控制器接收各传感器的采集值，并对各采集值进行分析比较，判断所有柱塞锁止状态及位置，同时将转速值与额定值比较，并计算转速偏差值；

控制器根据转速偏差值计算排油装置所需变化的液压油排量，根据液压油排量判断锁止或解锁柱塞的数量，同时控制电机的转速，进而控制补油单元的补油量；

控制器根据锁止或解锁柱塞的数量向响应开关发出控制信号，卡住或释放相应柱塞。

优选地，当转速偏差值为0时，则发电机直接并入电网；

当转速偏差值小于0时，即涡轮轴的输出转速低于发电机额定转速时，需要增大转速比，提高排量，释放一部分柱塞；

当转速偏差值大于0时，即涡轮轴的输出转速高于发电机额定转速时，需要减小转速比，减小排量，锁止一部分柱塞。

优选地，当柱塞收缩到最深处时触发行程开关传感器后，控制器向响应开关发出锁止信号，卡住柱塞；当应力传感器感应到接触应力后，控制器向响应开关发出解锁信号，释放柱塞。

所述基于液压传动的风力发电机组变速恒频控制方法与上述基于液压传动的风力发电机组相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。

附图说明

图1为本发明实施例的基于液压传动的风力发电机组的结构示意图；

图2为一组排油装置沿配油轴的径向切面示意图；

图3为单个柱塞处传感器和单向阀的布置示意图；

图4为本实施例提供的风力发电机组变速恒频控制方法的流程图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。

本发明提供了一种基于液压传动的风力发电机组，具体如图1至图3所示，

包括叶轮1、第一联轴器2和第二联轴器12、液力变速器和永磁同步发电机13，第一联轴器2和第二联轴器12分别设置在液力变速器的两端，叶轮1通过第一联轴器2与液力变速器可转动的连接，永磁同步发电机13通过第二联轴器12与液力变速器可转动的连接，本实施例中控制器24为PLC。

液力变速器包括壳体3、能量传递模块、补油模块和控制器24；

能量传递单元用于转速的传递，包括配油轴4、与配油轴4一端端面依次连接的分流仓8、导轮9、涡轮10和涡轮轴11，配油轴4、导轮9、涡轮10和涡轮轴11均同轴设置，壳体3对应配油轴4的另一端设有开口，壳体3对应涡轮轴11的一端设有开口。

配油轴4内部沿轴向设有进油管5和出油管6，出油管6与分流仓8连通，配油轴4内部沿轴向设有多组排油装置，每组排油装置所在平面与配油轴4的轴向垂直，每组排油装置包括均匀设置的多个柱塞14，柱塞14的腔体与进油管5和出油管6连通，柱塞14的柱塞杆在液压油的作用下与壳体3起伏形状的内壁相抵接，叶轮1带动配油轴4转动，配油轴4带动柱塞14做伸缩运动，使柱塞14将液压油从进油管5吸入腔体或将腔体内的液压油压出至出油管6，出油管6将多个柱塞14往复运动压出的液压油一起由排油口7压入分流仓8，分流仓8通过多组孔口将液压油传递到导轮9的叶片上，液压油经过导轮9上叶片的导向作用改变了方向，导轮9将改变方向后的液压油以一定方向打到涡轮10的叶片上，驱动涡轮10转动，并将转速由涡轮轴11输出。

本实施例中，排油装置共有40组，每组排油装置包括9个柱塞14，每个柱塞14的腔体均通过第一单向阀33与进油管5连通，每个柱塞14的腔体均通过第二单向阀34和出油管6连通，第一单向阀33和第二单向阀34方向相反，每个柱塞14均在顶端设有滑动滚珠并用卡簧固定，柱塞14腔体外侧设有密封件，40组排油装置以等间距设置在配油轴4上，靠近分流仓8的一组排油装置为第一组排油装置，与第一组排油装置相邻的为第二组排油装置，与第二组排油装置相邻的为第三组排油装置，以此类推直到第四十组排油装置，第四十组排油装置靠近进油口17；其中，第一组排油装置围绕配油轴4沿逆时针方向转动9度，即为与其相邻的第二组排油装置的设置方向，第二组排油装置围绕配油轴4沿逆时针方向转动9度，即为与其相邻的第三组排油装置的设置方向，以此类推，前一组排油装置围绕配油轴4沿逆时针方向转动9度即为其后一组排油装置的设置方向，这样的设置方式使得所有柱塞交错排布，使液压能均匀产生，同时使变量调节的效果更均衡。

壳体3靠近涡轮10一端设有多组出油口，出油口与进油管5的进油口17通过循环管路连通26，补油单元与循环管路26连通，变速器利用补油单元通过循环管路26给进油管5补充液压油。

为了对从出油管6出来的液压油进行降温和去除杂质，循环管路26上依次设有冷却器15和过滤器16，液压油经过涡轮10后，经液力变速器的多组出油口进入循环管路26，通过冷却器15和过滤器16，冷却器15邻近出油口，经配油轴4前端进油口17进入进油管5，完成一次循环；同时补油单元设置在过滤器16和进油口17之间，在补油单元和进油口17之间还设置有溢流阀25，通过溢流阀25整个油路进行泄压。

为了更加精确的控制补油单元的补油量及排油装置的排油量，本实施例在在配油轴4另一端设有第一转速传感器27，出油管6的排油口7设有压力传感器28，涡轮轴11输出端设有第二转速传感器29，每个柱塞14上均设有行程开关传感器30、应力传感器31和响应开关32；控制器24分别与行程开关传感器30、应力传感器31、响应开关32、第一转速传感器27、第二转速传感器29及压力传感器28通过信号线连接，用于根据各传感器的采集到的转速、压力等值，和预先设定值进行分析比较，实时调节各个柱塞14处的锁止状态进行整体传动系统的调速，实现将恒定转速由涡轮轴11输出。

补油单元包括第一补油单元和第二补油单元，第一补油单元包括第一单向阀18、液压泵19和第一过滤器21，第一单向阀18的一端与循环管路26连接，第一单向阀18的另一端依次连接液压泵19和第一过滤器21，液压泵19还连接电动机20，电动机20与控制器24通过信号线连接，第二补油单元包括第二单向阀22和第二过滤器23，第二单向阀22的一端与循环管路26连接，第二单向阀22的另一端与第二过滤器23连接。

第一补油单元的补油过程为，压力传感器28实时检测排油口7的压力值，并将压力值传递给控制器24，当压力低于额定值时，控制器24控制电动机20转动，液压泵19在电动机20的带动下，将液压油从油箱抽出，并依次经过过滤器21、液压泵19和第一单向阀18进入循环管路26，并通过进油口17进入配油轴4的进油管5，完成补油；同时液压油也可在风力机转动情况下通过过滤器23和单向阀22进入循环管路26，并通过进油口17进入配油轴4的进油管5，完成补油；当压力值高于额定值时，溢流阀25打开泄压。

本发明的另一目的在于提供一种基于液压传动的风力发电机组变速恒频控制方法，如图4所示，包括以下步骤：

S1：第二转速传感器29、各个行程开关传感器30和各个应力传感器31分别采集涡轮轴11的转速值及对应柱塞14的行程值和压力值，并将采集值输送给控制器24；

S2：控制器24接收各传感器的采集值，并对各采集值进行分析比较，判断所有柱塞14锁止状态及位置，同时将转速值与额定值比较，并计算转速偏差值；

S3：控制器24根据转速偏差值计算排油装置所需变化的液压油排量，根据液压油排量判断锁止或解锁柱塞14的数量，同时控制电机20的转速，进而控制补油单元的补油量；

当转速偏差值为0时，则发电机直接并入电网；

当转速偏差值小于0时，即涡轮轴11的输出转速低于发电机额定转速时，需要增大转速比，提高排量，释放一部分柱塞；

当转速偏差值大于0时，即涡轮轴11的输出转速高于发电机额定转速时，需要减小转速比，减小排量，锁止一部分柱塞；

S4：控制器24根据锁止或解锁柱塞14的数量向响应开关32发出控制信号，卡住或释放相应柱塞14；

当柱塞14收缩到最深处时触发行程开关传感器30后，控制器24向响应开关32发出锁止信号，卡住柱塞14；当应力传感器31感应到接触应力后，控制器24向响应开关32发出解锁信号，释放柱塞14。

本发明提供的基于液压传动的风力发电机组工作过程如下：

风力机叶轮1捕获风能，并转换成机械能，通过第一联轴器2将能量传递给液力变速器的配油轴4，带动配油轴4转动，从而使得配油轴4带动各柱塞14做伸缩运动，使柱塞14将液压油从进油管5吸入腔体或将腔体内的液压油压出至出油管6，出油管6将多个柱塞14往复运动压出的液压油一起由排油口7压入分流仓8，分流仓8通过多组孔口将液压油打在导轮9的叶片上；液压油经过导轮9上叶片的导向作用，以一定方向打在涡轮10的叶片上，驱动涡轮10以一定速度转动；控制器24采集所有传感器的检测值，并对比参考值，计算出排油装置需要增加或者减少的排油量，进而算出需要锁止或释放的柱塞数量，通过检测各个柱塞处的传感器信号判断柱塞伸缩位置状态，当柱塞的柱塞杆完全缩回时才锁止，当锁止的柱塞杆接触到壳体内壁后才释放；当最终输出转速达到发电机的额定转速时，涡轮10转动通过涡轮轴11和第二联轴器12带动永磁同步发电机13以额定转速转动产生电能，将发电机13产生的电能接入电网系统中。液压油经过涡轮10后，经液力变速器壳体3后部的多组出油口进入循环管路26，通过冷却器15和过滤器16，经配油轴4前端进油口17进入进油管5，完成一次循环；

液压油从油箱经过第一滤器21、液压泵19和第一单向阀18从进油口17进入进油管5，可以完成补油；同时液压油也可在风力机转动情况下通过第二滤器23和第二单向阀22进入进油管5完成补油。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。