风力发电机的液压混合动力控制系统和控制方法

1.本发明涉及了风力发电领域的一种风力发电机控制方法，具体涉及了一种风力发电机的液压混合动力控制系统和控制方法。


背景技术：

2.随着全球能源短缺和环境污染等问题的日益严重，大力发展可再生清洁能源迫在眉睫。风能作为一种重要的可再生能源，具有分布范围广和储量丰富等特点。兆瓦级以上的大型风力发电机是目前主流的机型，大型化也是未来风电的发展方向之一。
3.大型风力发电机均为变速风力发电机，风速低于额定风速时为了获得最大的叶片风能-机械能转化效率，叶片轴转速需随风速变化而变化。大型风力发电机的叶片半径大，叶片转动惯量很大，风速变化时叶片轴需经过较长时间才能达到期望转速。而风速具有随机性且变化较快，大型风力发电机叶片轴的响应速度远跟不上风速的变化速率，这大大降低了叶片的风能-机械能转化效率，进而降低了风力发电机的输出功率。
4.一年当中有很长一段时间风速低于风力发电机的额定风速，因此提高叶片轴的响应速度对于提高风力发电机的年产电量有着重要的意义。如何提高大型风力发电机叶片轴的响应速度，成为了风力发电机领域亟待解决的一个难题。


技术实现要素：

5.为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种风力发电机的液压混合动力控制系统和控制方法，解决了风力发电机叶片轴的响应速度不高的技术问题。
6.本发明采用的技术方案是：
7.一、一种风力发电机的液压混合动力控制系统：
8.包括叶片、叶片轴、传动系统和发电机，风力发电机的叶片和叶片轴输入端同轴连接，叶片轴输出端经传动系统和发电机连接；采用液压混合动力控制系统，液压混合动力控制系统包括第一输出轴、输入轴、齿轮组、第二输出轴、液压蓄能器、变量液压泵/马达和油箱；叶片轴输出端和输入轴的一端并联连接，输入轴的另一端经齿轮组和第二输出轴的一端传动连接，第二输出轴的另一端经变量液压泵/马达的轴端同轴连接，变量液压泵/马达的两个液压口分别连通液压蓄能器、油箱；叶片轴上安装有角加速度传感器，用于检测叶片轴旋转的角加速度。
9.所述的变量液压泵/马达的两个液压口分别经第一液压管道、第二液压管道后连通液压蓄能器、油箱。
10.所述的齿轮组放大变量液压泵/马达产生传递到叶片轴的制动转矩和驱动转矩。
11.所述齿轮组的结构形式根据液压混合动力控制系统中的变量液压泵/马达个数决定。
12.所述液压混合动力控制系统中只有单个变量液压泵/马达时，齿轮组采用轴线齿轮。
13.所述液压混合动力控制系统中由多个变量液压泵/马达并联，齿轮组采用行星齿轮。
14.二、液压混合动力控制系统的控制方法：方法采用所述液压混合动力控制系统，在风力发电机工作中，角加速度传感器实时监测叶片轴旋转的角加速度，并且进行以下处理控制：在风速下降时，通过角加速度传感器检测到叶片轴的角加速度为负，控制变量液压泵/马达作为变量液压泵，从油箱抽油向液压蓄能器充能，给叶片轴辅助提供制动转矩，使叶片轴转速下降直到角加速度传感器检测到叶片轴的角加速度为零，则停止变量液压泵/马达工作；在风速上升时，通过角加速度传感器检测到叶片轴的角加速度为正，控制变量液压泵/马达作为变量液压马达，液压蓄能器释放能量经由变量液压泵/马达回油到油箱，进而驱动变量液压泵/马达给叶片轴辅助提供驱动转矩，使叶片轴转速上升直到角加速度传感器检测到叶片轴的角加速度为零，则停止变量液压泵/马达工作。
15.所述的变量液压泵/马达的实时工作排量大小由角加速度传感器检测的角加速度和液压蓄能器的能量水平实时调节。
16.所述变量液压泵/马达的最大排量根据需求设置选取，采用单个变量液压泵/马达，或者采用多个变量液压泵/马达并联的形式。
17.所述的变量液压泵/马达产生的制动转矩和驱动转矩经由齿轮组放大后传递到叶片轴。
18.本发明的有益效果是：
19.本发明能够使得风速变化时叶片轴经过较短时间就能达到期望转速，风速在变化较快时，实现了大型风力发电机叶片轴的响应速度的提高，这大大增加了叶片的风能-机械能转化效率，进而提高了风力发电机的输出功率。
20.本发明的液压混合动力控制方法能够加快叶片轴的响应速度，提高叶片轴的风能-机械能转化效率和风力发电机的输出功率，进而提高风力发电机的年产电量。
附图说明
21.图1为本发明液压混合动力控制方法下的液压混合动力控制系统原理图。
22.图2为本发明的一种实施例结构图。
23.图中：1是叶片，2是叶片轴，3是传动系统，4是第一输出轴，5是发电机，6是角加速度传感器，7是输入轴，8是齿轮组，9是第二输出轴，10是液压蓄能器，11是第一液压管道，12是变量液压泵/马达，13是第二液压管道，14是油箱；定量液压泵31、变量液压马达32、高压管道33、低压管道34。
具体实施方式
24.下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
25.如图1所示，具体实施的液压混合动力控制系统包括叶片1、叶片轴2、传动系统3和发电机5，风力发电机的叶片1和叶片轴2输入端同轴连接，叶片轴2输出端经传动系统3和发电机5连接；其特征在于：采用液压混合动力控制系统，液压混合动力控制系统包括第一输出轴4、输入轴7、齿轮组8、第二输出轴9、液压蓄能器10、变量液压泵/马达12和油箱14；叶片轴2输出端和输入轴7的一端并联连接，即叶片轴2和输入轴7同步连接旋转，输入轴7的另一
端经齿轮组8和第二输出轴9的一端传动连接，第二输出轴9的另一端经变量液压泵/马达12的轴端同轴连接，变量液压泵/马达12的两个液压口分别连通液压蓄能器10、油箱14；叶片轴2上安装有角加速度传感器6，用于检测叶片轴2旋转的角加速度。
26.变量液压泵/马达12的两个液压口分别经第一液压管道11、第二液压管道13后连通液压蓄能器10、油箱14。
27.输入轴7与变量液压泵/马达12间设有的齿轮组8放大变量液压泵/马达12产生传递到叶片轴2的制动转矩和驱动转矩。
28.齿轮组8的结构形式根据液压混合动力控制系统中的变量液压泵/马达12个数决定。液压混合动力控制系统中只有单个变量液压泵/马达12时，齿轮组8采用轴线齿轮。液压混合动力控制系统中由多个变量液压泵/马达12并联，齿轮组8采用行星齿轮。
29.变量液压泵/马达12的实时工作排量大小由角加速度传感器6检测的角加速度和液压蓄能器10的能量水平实时调节，提高风速变化时叶片轴的响应速度。
30.变量液压泵/马达12的最大排量根据需求设置选取，采用单个变量液压泵/马达，或者采用多个变量液压泵/马达并联的形式。
31.如图2所示为本发明的一种具体实施例结构：
32.具体实施的传动系统3包括定量液压泵31、变量液压马达32、高压管道33、低压管道34，定量液压泵31安装在叶片轴2上，且定量液压泵31的轴采用为叶片轴2，齿轮组8同样连接在叶片轴2的输出端。定量液压泵31的出油口经高压管道33与变量液压马达32的进油口连接，变量液压马达32的出油口通过低压管道34与定量液压泵31的进油口连接，变量液压马达32的轴端作为第一输出轴4与发电机5连接。角加速度传感器6设置在叶片1和定量液压泵31之间的叶片轴2上。
33.本发明的工作过程如下：
34.方法采用液压混合动力控制系统，在风力发电机工作中，角加速度传感器6实时监测叶片轴2旋转的角加速度，并且进行以下处理控制：
35.在风速下降时，通过角加速度传感器6检测到叶片轴2的角加速度为负，输出信号控制变量液压泵/马达12作为变量液压泵，从油箱14抽油向液压蓄能器10充能，给叶片轴2辅助提供制动转矩，使叶片轴2转速下降直到角加速度传感器6检测到叶片轴2的角加速度为零，则停止变量液压泵/马达12工作；
36.在风速上升时，通过角加速度传感器6检测到叶片轴2的角加速度为正，输出信号控制变量液压泵/马达12作为变量液压马达，液压蓄能器10释放能量经由变量液压泵/马达12回油到油箱14，进而驱动变量液压泵/马达12给叶片轴2辅助提供转速提高的驱动转矩，使叶片轴2转速上升直到角加速度传感器6检测到叶片轴2的角加速度为零，则停止变量液压泵/马达12工作。
37.变量液压泵/马达12产生的制动转矩和驱动转矩经由齿轮组8放大后传递到叶片轴2。
38.具体实施中，为了获得最大的叶片轴风能-机械能转化效率，叶片轴转速需要随着风速变化而变化。系统中设有转矩控制器控制叶片轴2的转矩，进而控制叶片轴2达到期望转速，本发明的控制方法作为辅助控制，加快叶片轴2达到期望转速。
39.由此实施可见，本发明的液压混合动力控制方法能够大大提升了风速变化时叶片
的响应速度，提高了叶片轴的风能-机械能转化效率和风力发电机的输出功率，进而提高了风力发电机的年产电量。
40.上述具体实施方式用来解释说明本发明，所述实施例仅为本发明的一种实施例，而不是全部的实施例。在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都属于本发明的保护范围。