本发明涉及一种基于液压传动的风力机及其控制方法。所述风力机控制方法为：采用液压传动方式实现能量从叶轮到发电机的传递，在并网之前，通过检测永磁同步发电机的转速，由控制器控制变量液压马达的排量的调节，实现永磁同步发电机的恒频控制，使得永磁同步发电机的输出频率满足并网要求；在并网之后，通过检测叶轮的转速和输出功率，由控制器控制变量液压马达的排量的调节，实现叶轮的变速控制，使得叶轮捕获最大风能。本发明采用液压传动方式可以实现无级变速，蓄能器可以吸收由风速瞬变引起的能量波动，使得风力机可以在一定程度上避免由于风速波动带来的刚性冲击。在实现变速恒频控制的基础上，可以提高能量利用率，并节约了成本。
1)风力机通过叶轮捕获风能，叶轮将风能转换为机械能并将能量传递给定量液压泵，所述定量液压泵将输入的机械能转换为液压能输出，所述定量液压泵输出的液压能通过管路传递给变量液压马达，通过蓄能器来缓冲所述定量液压泵输出的液压能；所述变量液压马达将输入的液压能转换为机械能输出，所述变量液压马达带动永磁同步发电机转动输出电能，将所述永磁同步发电机的输出端直接连接电网；
2)在叶轮的转轴上设置转矩转速仪，在所述永磁同步发电机的转轴处设置第一转速传感器，控制器分别与转矩转速仪、第一转速传感器、变量液压马达的排量控制端进行电气连接；
3)在风力机启动之后，并入电网之前，将第一转速传感器测得的永磁同步发电机的实际转速值ωg输入控制器；所述控制器将实际转速值ωg与预先设定的额定转速值ωr相比较，得出转速偏差值ωe，所述控制器根据转速偏差值ωe通过PID算法计算出的恒频排量控制信号Qm；所述控制器输出恒频排量控制信号Qm给变量液压马达的排量控制端，通过调节变量液压马达的排量，来调节变量液压马达的转速，所述变量液压马达的转速等于永磁同步发电机的转速，使得永磁同步发电机的实际转速值ωg等于额定转速值ωr；当风力机满足并网要求时，所述控制器启动并网程序，将风力机并入电网；
4)风力机并入电网之后，所述永磁同步发电机输出的电能的频率等于电网频率，所述永磁同步发电机的实际转速值ωg等于额定转速值ωr；当风力机工作在低于风力机的额定风速的某一风速下时，将转矩转速仪测得的所述叶轮的转速值ωw和输出功率值Pw分别输入控制器；所述控制器根据叶轮的转速值ωw计算出最大功率值Pm，所述控制器将最大功率值Pm与输出功率值Pw相比较得出的功率偏差值Pe，所述控制器根据功率偏差值Pe通过PID算法计算出变速排量控制信号Qb；所述控制器输出变速排量控制信号Qb给变量液压马达的排量控制端，通过调节变量液压马达的排量，来调节定量液压泵与变量液压马达相连接的管路中油液的压力，实现对定量液压泵的转速的调节，使得叶轮捕获最大风能。
2.采用权利要求1所述的风力机控制方法的基于液压传动的风力机，其特征在于：叶轮(11)通过转矩转速仪(13)与定量液压泵(12)相连接，所述定量液压泵(12)的出口通过管路连接变量液压马达(21)的进口，所述变量液压马达(21)的出口通过管路连接定量液压泵(12)的进口，在所述定量液压泵(12)的出口与变量液压马达(21)的进口相连接的管路上连接有蓄能器(31)，所述变量液压马达(21)与永磁同步发电机(51)相连接，所述永磁同步发电机(51)的输出端与电网(52)相连接；
所述永磁同步发电机(51)的转轴处设有第一转速传感器(41)，控制器(60)分别与转矩转速仪(13)、第一转速传感器(41)、变量液压马达(21)的排量控制端(211)电气连接。
3.按照权利要求2所述的基于液压传动的风力机，其特征在于：所述风力机还包括冲洗阀(70)和补油装置(80)，所述冲洗阀(70)的A 口连接定量液压泵(12)的出口，所述冲洗阀(70)的B口与定量液压泵(12)的进口相连接；补油装置(80)包括电机(81)、补油液压泵(82)、第一单向阀(83)、第二单向阀(84)、第二溢流阀(85)、滤油器(86)和油箱(87)；
所述电机(81)连接补油液压泵(82)，所述补油液压泵(82)的出口通过管路连接第一单向阀(83)的进口，所述补油液压泵(82)的进口连接油箱(87)；所述第一单向阀(83)的出口连接冲洗阀(70)的C口，所述第二溢流阀(85)的进口连接第一单向阀(83)的出口，所述第二溢流阀(85)的出口连接油箱(87)；所述第二单向阀(84)的进口连接滤油器(86)的进口，所述第二单向阀(84)的出口与油箱(87)相连接；所述滤油器(86)的进口与冲洗阀(70)的D 口相连接，所述滤油器(86)的出口与油箱(87)相连接。
4.按照权利要求3所述的基于液压传动的风力机，其特征在于：所述冲洗阀(70)包括第三节流阀(73)、三位三通阀(74)和第一溢流阀(75)；所述三位三通阀(74)的E口与冲洗阀(70)的A 口连通，所述三位三通阀(74)的F 口与冲洗阀(70)的B 口连通，所述三位三通阀(74)的G 口与冲洗阀(70)的C口连通，所述第一溢流阀(75)的出口与冲洗阀(70)的D 口连通，所述三位三通阀(74)的G 口通过第三节流阀(73)与第一溢流阀(75)的进口相连通；所述三位三通阀(74)的上位控制油路设有第一节流阀(71)，所述三位三通阀(74)的下位控制油路设有第二节流阀(72)。
5.按照权利要求3或4所述的基于液压传动的风力机，其特征在于：所述定量液压泵(12)的出口处设有背压阀(14)，所述定量液压泵(12)的出口与背压阀(14)的进口相连接，所述定量液压泵(12)的进口与背压阀(14)的出口相连接。
6.按照权利要求5所述的基于液压传动的风力机，其特征在于：所述蓄能器(31)通过截止阀(32)连接所述定量液压泵(12)的出口与变量液压马达(21)的进口相连接的管路。
一种基于液压传动的风力机及其控制方法
技术领域
[0001] 本发明属于风力发电领域，具体涉及一种基于液压传动的风力机及其控制方法。
背景技术
[0002] 风力机是捕获风能并将其转换为电能的装置。由于风能是一种瞬时变化很大的能源，在风力机并入电网时，要求风力机发出的电的频率与电网的频率一致。为了解决风能的瞬时变化与恒定的电网频率之间的矛盾，目前广泛应用的一种方法是风力机变速恒频控制。变速恒频是指在风力机运行过程中，控制发电机的转速随风速变化捕获最大风能，通过其他控制方式输出恒频电能。
[0003] 目前，现有的风力机通常采用齿轮箱传动方式或者直驱传动方式。齿轮箱传动方式是，叶轮在风的吹动下旋转，由于叶轮转速通常较低，需经齿轮箱增速，通过齿轮箱将能量传递到发电机端。直驱传动方式是，叶轮直接与低速永磁同步发电机相连接。
[0004] 采用齿轮箱传动方式的风力机，通常采用双馈异步发电机，通过调节双馈异步发电机的励磁电流的幅值、频率、相序，确保输出电功率恒频恒压。同时采用矢量变换控制技术，通过调节双馈异步发电机有功功率来调节叶轮转速，进而实现最大风能捕获的追踪控制。这种控制方法的缺点是在变速控制中发生的抖振会造成机械应力的增加，由于风速的波动较大，齿轮箱会受到较大的冲击，引起齿轮箱故障，一般由于齿轮箱故障发生的维修成本就占了风力机维修成本的60％以上。
[0005] 采用直驱传动方式的风力机，通常采用低速永磁同步发电机。低速永磁同步发电机的转速和电网频率之间是刚性耦合的，不断波动变化的风速将给低速永磁同步发电机输入变化的能量，这不仅给风力机带来高负荷和冲击力，而且不能以优化方式运行。在低速永磁同步发电机和电网之间采用频率转换器可以解决转速和电网频率之间的耦合问题，但是电力电子器件通常较为复杂，而且成本昂贵，由于在低速永磁同步发电机和电网之间按采用了中间设备，还会造成能量的传递损失。
发明内容
[0006] 本发明要解决的技术问题是提供一种基于液压传动的风力机及其控制方法，本发明采用液压传动方式实现能量的传递，并采用变量液压马达排量控制技术实现风力机并网前后的控制，达到变速恒频的目的。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明风力机控制方法，其具体内容如下所述：
[0008] 1)风力机通过叶轮捕获风能，叶轮将风能转换为机械能并将能量传递给定量液压泵，所述定量液压泵将输入的机械能转换为液压能输出，所述定量液压泵输出的液压能通过管路传递给变量液压马达，通过蓄能器来缓冲所述定量液压泵输出的液压能。所述变量液压马达将输入的液压能转换为机械能输出，所述变量液压马达带动永磁同步发电机转动输出电能，将所述永磁同步发电机的输出端直接连接电网。
[0009] 2)在叶轮的转轴上设置转矩转速仪，在所述永磁同步发电机的转轴处设置第一转速传感器，控制器分别与转矩转速仪、第一转速传感器、变量液压马达的排量控制端进行电气连接。
[0010] 3)在风力机启动之后，并入电网之前，将第一转速传感器测得的永磁同步发电机的实际转速值ωg输入控制器。所述控制器将实际转速值ωg与预先设定的额定转速值ωr相比较，得出转速偏差值ωe，所述控制器根据转速偏差值ωe通过PID算法计算出的恒频排量控制信号Qm。所述控制器输出恒频排量控制信号Qm给变量液压马达的排量控制端，通过调节变量液压马达的排量，来调节变量液压马达的转速，所述变量液压马达的转速等于永磁同步发电机的转速，使得永磁同步发电机的实际转速值ωg等于额定转速值ωr。当风力机满足并网要求时，所述控制器启动并网程序，将风力机并入电网。
[0011] 4)风力机并入电网之后，所述永磁同步发电机输出的电能的频率等于电网频率，所述永磁同步发电机的实际转速值ωg等于额定转速值ωr。当风力机工作在低于风力机的额定风速的某一风速下时，将转矩转速仪测得的所述叶轮的转速值ωw和输出功率值Pw分别输入控制器。所述控制器根据叶轮的转速值ωw计算出最大功率值Pm，所述控制器将最大功率值Pm与输出功率值Pw相比较得出的功率偏差值Pe，所述控制器根据功率偏差值Pe通过PID算法计算出变速排量控制信号Qb。所述控制器输出变速排量控制信号Qb给变量液压马达的排量控制端，通过调节变量液压马达的排量，来调节定量液压泵与变量液压马达相连接的管路中油液的压力，实现对定量液压泵的转速的调节，使得叶轮捕获最大风能。
[0012] 采用上述风力机控制方法的基于液压传动的风力机，其技术方案如下所述：
[0013] 叶轮通过转矩转速仪与定量液压泵相连接，所述定量液压泵的出口通过管路连接变量液压马达的进口，所述变量液压马达的出口通过管路连接定量液压泵的进口，在所述定量液压泵的出口与变量液压马达的进口相连接的管路上连接有蓄能器，所述变量液压马达与永磁同步发电机相连接，所述永磁同步发电机的输出端与电网相连接。
[0014] 所述永磁同步发电机的转轴处设有第一转速传感器，控制器分别与转矩转速仪、第一转速传感器、变量液压马达的排量控制端电气连接。
[0015] 进一步的，所述风力机还包括冲洗阀和补油装置，所述冲洗阀的A口连接定量液压泵的出口，所述冲洗阀的B口与定量液压泵的进口相连接。补油装置包括电机、补油液压泵、第一单向阀、第二单向阀、第二溢流阀、滤油器和油箱。
[0016] 所述电机连接补油液压泵，所述补油液压泵的出口通过管路连接第一单向阀的进口，所述补油液压泵的进口连接油箱。所述第一单向阀的出口连接冲洗阀的C口，所述第二溢流阀的进口连接第一单向阀的出口，所述第二溢流阀的出口连接油箱。所述第二单向阀的进口连接滤油器的进口，所述第二单向阀的出口与油箱相连接。所述滤油器的进口与冲洗阀的D口相连接，所述滤油器的出口与油箱相连接。
[0017] 进一步的，所述冲洗阀包括第三节流阀、三位三通阀和第一溢流阀。所述三位三通阀的E口与冲洗阀的A口连通，所述三位三通阀的F口与冲洗阀的B口连通，所述三位三通阀的G口与冲洗阀的C口连通，所述第一溢流阀的出口与冲洗阀的D口连通，所述三位三通阀的G口通过第三节流阀与第一溢流阀的进口相连通。所述三位三通阀的上位控制油路设有第一节流阀，所述三位三通阀的下位控制油路设有第二节流阀。
[0018] 进一步的，所述定量液压泵的出口处设有背压阀，所述定量液压泵的出口与背压阀的进口相连接，所述定量液压泵的进口与背压阀的出口相连接。
[0019] 进一步的，所述蓄能器通过截止阀连接所述定量液压泵的出口与变量液压马达的进口相连接的管路。
[0020] 采用本发明具有如下的有益效果：
[0021] 1、本发明采用液压传动方式实现能量从捕获端到发电端的传递，根据液压系统的特性，蓄能器可以吸收由风速瞬变引起的能量波动，使得风力机可以在一定程度上避免由于风速波动带来的刚性冲击。
[0022] 2、本发明可以实现风力机变速恒频控制目的，提高了能量利用率，并可以满足风力机在并网时对发电机频率的要求。
[0023] 3、本发明可以省去齿轮箱及电力电子设备，节约了成本，而且液压传动方式可以起到无级变速的作用。
附图说明
[0024] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
[0025] 图1为本发明实施例风力机控制方法的控制原理图；
[0026] 图2为本发明实施例基于液压传动的风力机的转速ω-功率P曲线图；
[0027] 图3为本发明实施例基于液压传动的风力机的工作原理图；
[0028] 图4为本发明实施例基于液压传动的风力机的冲洗阀的工作原理图。
具体实施方式
[0029] 参照附图1和附图2。本发明公开了一种风力机控制方法，具体内容如下所述：
[0030] 1)风力机通过叶轮捕获风能，叶轮将风能转换为机械能并将能量传递给定量液压泵，所述定量液压泵将输入的机械能转换为液压能输出，所述定量液压泵输出的液压能通过管路传递给变量液压马达，通过蓄能器来缓冲所述定量液压泵输出的液压能。所述变量液压马达将输入的液压能转换为机械能输出，所述变量液压马达带动永磁同步发电机转动输出电能，将所述永磁同步发电机的输出端直接连接电网。
[0031] 2)在叶轮的转轴上设置转矩转速仪，在所述永磁同步发电机的转轴处设置第一转速传感器，所述转矩转速仪用于测量叶轮的转速和输出功率，所述第一转速传感器用于测量永磁同步发电机的转速。控制器分别与转矩转速仪、第一转速传感器、变量液压马达的排量控制端进行电气连接。
[0032] 3)在风力机启动之后，并入电网之前，将第一转速传感器测得的永磁同步发电机的实际转速值ωg输入控制器。所述控制器将实际转速值ωg与预先设定的额定转速值ωr相比较，得出转速偏差值ωe，所述控制器根据转速偏差值ωe通过PID算法计算出的恒频排量控制信号Qm。所述控制器输出恒频排量控制信号Qm给变量液压马达的排量控制端，通过调节变量液压马达的排量，来调节变量液压马达的转速，所述变量液压马达的转速等于永磁同步发电机的转速，使得永磁同步发电机的实际转速值ωg等于额定转速值ωr。此时，风力机实现恒频控制，满足并网要求，所述控制器启动并网程序，将风力机并入电网。
[0033] 4)图2所示为转速ω-功率P曲线图。当风速低于风力机的额定风速时，叶轮输出功率在每个风速(如图2中所示的四个风速v1、v2、v3、v4，其中v1＞v2＞v3＞v4)下对应一个最大功率点(如图2中所示的)，连接每个最大功率点就可以得到一条最大功率曲线。通过最大功率曲线可知，通过调节叶轮转速使得风力机运行在最大功率曲线上，就可以使风力机在不同的风速下捕获最大风能。为了随着风速的波动调节叶轮的转速，需要改变定量液压泵转轴上的反力矩，通过调节变量液压马达的排量，可以调节定量液压泵出口处的压力，从而可以间接调节液压泵转轴上的反力矩，实现叶轮转速的调节。根据上述控制理论，得出如下控制方式：
[0034] 风力机并入电网之后，所述永磁同步发电机输出的电能的频率等于电网频率，所述永磁同步发电机的实际转速值ωg等于额定转速值ωr。当风力机工作在低于风力机的额定风速的某一风速下时，将转矩转速仪测得的所述叶轮的转速值ωw和输出功率值Pw分别输入控制器。所述控制器根据叶轮的转速值ωw，查询预先设定的最大功率曲线，计算出与转速值ωw相对应的最大功率值Pm，所述控制器将最大功率值Pm与输出功率值Pw相比较得出的功率偏差值Pe，所述控制器根据功率偏差值Pe通过PID算法计算出变速排量控制信号Qb。所述控制器输出变速排量控制信号Qb给变量液压马达的排量控制端，通过调节变量液压马达的排量，来调节定量液压泵与变量液压马达相连接的管路中油液的压力，实现对定量液压泵的转速的调节，达到变速控制目的并使得叶轮捕获最大风能。
[0035] 参照附图3和附图4。附图3和附图4所示为采用上述风力机控制方法的一种基于液压传动的风力机，包括叶轮11、定量液压泵12、蓄能器31和变量液压马达21。叶轮11通过转矩转速仪13与定量液压泵12相连接，所述叶轮11在风的吹拂下带动定量液压泵12转动。
[0036] 所述定量液压泵12的出口通过管路连接变量液压马达21的进口，所述变量液压马达21的出口通过管路连接定量液压泵12的进口。所述定量液压泵12与变量液压马达21通过管路构成一个闭合的液压回路，所述定量液压泵12通过该闭合的液压回路将能量传递给变量液压马达21。所述变量液压马达21与永磁同步发电机51相连接，所述变量液压马达21带动永磁同步发电机51转动发电输出电能，所述永磁同步发电机51的输出端与电网52相连接。所述永磁同步发电机51的转轴处设有第一转速传感器41，控制器60分别与转矩转速仪13、第一转速传感器41、变量液压马达21的排量控制端211电气连接。
[0037] 在所述定量液压泵12的出口与变量液压马达21的进口相连接的管路上连接有截止阀32和蓄能器31，所述蓄能器31与截止阀32的一端相连接，所述截止阀32的另一端与定量液压泵12的出口相连接。所述蓄能器31起到蓄能稳压的作用，可以缓冲定量液压泵12输出的液压能。所述定量液压泵12的出口处设有背压阀14，所述定量液压泵12的出口与背压阀14的进口相连接，所述定量液压泵12的进口与背压阀14的出口相连接。
[0038] 所述风力机还包括冲洗阀70和补油装置80，所述冲洗阀70用于冲洗管路中的油液，并作为补充油液的中介输入装置。所述冲洗阀70的A口连接定量液压泵12的出口，所述冲洗阀70的B口与定量液压泵12的进口相连接。
[0039] 所述冲洗阀70包括第三节流阀73、三位三通阀74和第一溢流阀75。所述三位三通阀74的E口与冲洗阀70的A口连通，所述三位三通阀74的F口与冲洗阀70的B口连通，所述三位三通阀74的G口与冲洗阀70的C口连通，所述第一溢流阀75的出口与冲洗阀70的D口连通，所述三位三通阀74的G口通过第三节流阀73与第一溢流阀75的进口相连通；所述三位三通阀74的上位控制油路设有第一节流阀71，所述三位三通阀74的下位控制油路设有第二节流阀72。
[0040] 所述补油装置80包括电机81、补油液压泵82、第一单向阀83、第二单向阀84、第二溢流阀85、滤油器86和油箱87。所述电机81连接补油液压泵82，所述补油液压泵82的出口通过管路连接第一单向阀83的进口，所述补油液压泵82的进口连接油箱87。所述第一单向阀83的出口连接冲洗阀70的C口，所述第二溢流阀85的进口连接第一单向阀83的出口，所述第二溢流阀85的出口连接油箱87。所述第二单向阀84的进口连接滤油器86的进口，所述第二单向阀84的出口与油箱87相连接。所述滤油器86的进口与冲洗阀70的D口相连接，所述滤油器86的出口与油箱87相连接。
[0041] 根据上述冲洗阀70和补油装置80的结构，具体分析风力机的油液冲洗和补油过程，具体过程如下：
[0042] 1、油液冲洗过程：控制三位三通阀74工作在下位，此时所述三位三通阀74的E口和G口相连通，从定量液压泵12的出口流出的油液，依次流经三位三通阀74、第三节流阀73和滤油器86，流回油箱87。在此过程中，滤油器86起到冲洗过滤油液的作用。
[0043] 2、补油过程：启动电机81，控制三位三通阀74工作在上位，此时所述三位三通阀74的F口和G口相连通，电机81带动补油液压泵82转动，补油液压泵82从油箱87中吸油，从补油液压泵82的出口流出的油液，依次流经第一单向阀83和三位三通阀74，流入定量液压泵12进口处的管路，完成补油过程。
