技术领域
[0001] 本
发明涉及一种海流能发电装置及其控制方法。
背景技术
[0002] 目前，国家大
力倡导发展清洁的
可再生能源，海流能成为即
风能、
太阳能之后又一个重点研究的领域，它具有
能量密度高、可预测性强等优点。离网型的海流能发电装置可以解决
孤岛供电困难的问题，具有很大的现实意义和研究价值。和
风力机类似，海流能发电装置存在着前端
叶轮转速与后端发
电机额定转速不匹配的现象，因此需要有一个
传动系统将叶轮捕获的能量传递给发电机。传动系统直接影响到整个海流能发电装置的性能和效率。
[0003] 传统的传动系统一般是一个增速
齿轮箱。齿轮箱传动的优点是具有很高的机械效率，其机械效率一般在95％以上。与风力机类似，海流能发电装置所捕获的能量随着海流流速的
波动而波动，齿轮箱传递的
扭矩也是随之变化的，齿轮箱长期工作于交变
载荷下，很容易发生疲劳破坏。据统计，齿轮箱故障在风力机故障中占有很大的比例。针对传统齿轮箱存在的不足，提出了液压传动，从根本上解决了齿轮箱疲劳失效的问题。液压传动具有较高的柔性，可以缓冲叶轮捕获能量的波动，同时能够实现无级变速。
[0004] 理想的海流能发电装置液压传动系统可以实现两个方面的控制，一是叶轮最大能量捕获控制，二是发电机恒转速控制。叶轮最大能量捕获控制是指：随着海流流速的变化，对于一个几何结构不变的叶轮，始终存在一个最佳
叶尖速比，叶轮工作在最佳叶尖速比时其能量捕获效率最大，控制叶轮的转速，使叶轮在变化着的海流流速下
跟踪最佳叶尖速比，即为最大能量捕获控制。发电机恒转速控制是指：发电 机转速不随负载的大小变化而变化，始终工作在发电机的额定转速。
[0005] 公开号为CN101350589的发明
专利，提出了一种基于液压传动的海流发电变速恒频方法及其装置。该系统的实质是通过一个变量
泵拖动一个变量
马达以实现无级变速，通过一个
蓄能器吸收系统的压力流量脉动带来的冲击。系统的压力流量脉动主要来自两个方面，一是来自
变量泵转速的脉动，即叶轮转速的变化；二是来自容积式变量泵的固有结构，即有限个容腔。系统中的蓄能器存在一个固有
角频率ωA，系统脉动频率ωs越接近ωA，蓄能器吸收脉动的效果越好；当系统脉动频率ωs远离ωA时，蓄能器起不到吸收脉动的作用。海流能发电装置实际的工况复杂，其系统
压力脉动分布在一个较宽的频率区域上，在一些
频率范围内，蓄能器起到的吸收脉动的作用很小，因此该专利提出的系统不可避免的存在刚性冲击，这是该系统的一大
缺陷。
发明内容
[0006] 本发明要解决的技术问题是提供一种海流能发电装置及其控制方法，采用液压传动方式，海流流速波动对系统带来的冲击小，可以实现叶轮最大功率跟踪控制以及发电机的恒频输出控制。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
[0008] 海流能发电装置，包括由海流推动旋转的叶轮、由叶轮
直接驱动的第一变量
液压泵，第一变量液压泵的入口连接油箱，第一变量液压泵的出口经过第一单向
阀连接变量
液压马达的入口，变量液压马达的出口连接油箱，变量液压马达具有第一
输出轴和第二输出轴，所述第一输出轴连接发电机的
主轴，该发电机的输出端连接负载，所述第二输出轴连接第二变量液压泵的主轴，第二变量液压泵的入口接油箱，第二变量液压泵的出口经过第二
单向阀接变量液压马达的入口，第二变量液压泵与 变量液压马达构成可吸收系统脉动的油液循环回路；所述叶轮处装有测量海流流速的流速
传感器，叶轮与第一变量液压泵连接的主轴上装有第一
转速传感器，变量液压马达入口的液压管路上装有
压力传感器，发电机的主轴上装有第二转速传感器，所述流速传感器、第一转速传感器、压力传感器、第二转速传感器采集的
信号均传输给
控制器，控制器发出第一变量液压泵的
排量控制信号、第二变量液压泵的排量控制信号、以及变量液压马达的排量控制信号。
[0009] 进一步，所述变量液压马达的入口管路上经过截止连接有蓄能器。蓄能器可以吸收系统中频率接近蓄能器固有角频率的脉动，使液压系统保持稳定。
[0010] 进一步，所述变量液压马达的入口管路上连接有溢流阀。通过溢流阀可以设定系统压力，当系统压力过高时，可以通过溢流阀释放部分液压油，使系统压力值维持在溢流阀的设定溢流压力值，避免系统压力过高对系统造成损坏。
[0011] 上述海流能发电装置的控制方法：
[0012] 1)叶轮的转速取决于海流施加在叶轮上的转矩和拖动第一变量液压泵时所受的反力矩，所述流速传感器将当前的流速
信号传输给控制器，控制器根据当前的海流流速计算得到要实现叶轮最大能量捕获所需的最佳叶轮转速，控制器通过第一转速传感器检测到当前的叶轮转速并与最佳叶轮转速相比较，控制器根据当前叶轮转速与最佳叶轮转速的比较值控制第一变量液压泵的排量，从而改变其施加在叶轮主轴上的反力矩，从而将叶轮转速调节到最佳叶轮转速，以实现叶轮最大能量捕获控制；
[0013] 2)压力传感器将采集到的系统当前压力信号传输给控制器，控制器将系统当前压力与预先设定的压力值进行比较，根据其差值计算得到变量液压马达所需的排量，控制器控制变量液压马达的排量调节系统压力到预先设定的值；第二转速传感 器将采集到的当前发电机转速信号传输给控制器，控制器将发电机当前转速与发电机额定转速进行比较，控制器根据发电机当前转速与发电机额定转速的比较值控制第二变量液压泵的排量，从而改变其施加在发电机主轴上的力矩，从而将发电机转速调节到发电机额定转速，以实现发电机恒转速控制。
[0014] 采用本发明具有如下的有益效果：
[0015] 1、采用液压传动，放弃了齿轮箱的使用，从根本上避免了由齿轮箱疲劳失效带来的海流能发电装置故障，提高了系统运行的可靠性。
[0016] 2、通过液压系统带动发电机的主轴旋转，发电机无需与
电网连接，因此本发明可以离网运行在海岛或偏远地区，解决当地的用电问题，省去大电网往这些地区铺设线路输电的成本。
[0017] 3、实现了叶轮最大能量捕获控制和发电机恒转速控制，提高了系统的效率。
[0018] 4、变量液压马达与第二变量液压泵组成油液循环回路，该油液循环回路可以吸收系统脉动，减小刚性冲击，使系统保持稳定。
附图说明
[0019] 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。
[0020] 图1为本发明
实施例海流能发电装置的原理图。
[0021] 图2为本发明实施例在不同流速下叶轮输出功率-转速关系曲线。
[0022] 图3为本发明实施例海流能发电装置的变速恒频控制方法原理图。
[0023] 附图标号：1-叶轮；2-第一变量液压泵；3-第一单向阀；4-
截止阀；5-蓄能器；6-溢流阀；7-第二单向阀；8-第二变量液压泵；9-变量液压马达；10-发电机；11-负载；
12-控制器；13-油箱；14-流速传感器；15-第一转速传感器；19-压力传感器；20-第二转速传感器。
具体实施方式
[0024] 以下结合附图对发明作进一步说明。
[0025] 1、海流能发电装置
[0026] 如图1所示，海流能发电装置，包括由海流推动旋转的叶轮1、由叶轮1直接驱动的第一变量液压泵2，第一变量液压泵2的入口连接油箱13，第一变量液压泵2的出口经过第一单向阀3连接变量液压马达9的入口，变量液压马达9的出口连接油箱13，变量液压马达9具有第一输出轴和第二输出轴，所述第一输出轴连接发电机10的主轴，该发电机10的输出端连接负载11，所述第二输出轴连接第二变量液压泵8的主轴，第二变量液压泵8的入口接油箱13，第二变量液压泵8的出口经过第二单向阀7接变量液压马达9的入口，第二变量液压泵8与变量液压马达9构成油液循环回路，该油液循环回路将一部分波动的能量存储在循环的油液中，从而达到吸收系统脉动的作用；所述叶轮1处装有测量海流流速的流速传感器14，叶轮1与第一变量液压泵2连接的主轴上装有第一转速传感器15，变量液压马达9入口的液压管路上装有压力传感器19，发电机10的主轴上装有第二转速传感器20，所述流速传感器14、第一转速传感器15、压力传感器19、第二转速传感器20采集的信号均传输给控制器12，控制器12发出第一变量液压泵的排量控制信号、第二变量液压泵的排量控制信号、以及变量液压马达的排量控制信号。
[0027] 所述变量液压马达9的入口管路上经过截止阀4连接有蓄能器5。蓄能器5可以吸收系统中频率接近蓄能器固有角频率的脉动，使液压系统保持稳定。
[0028] 所述变量液压马达9的入口管路上连接有溢流阀6。通过溢流阀6可以设定系统压力，当系统压力过高时，可以通过溢流阀释放部分液压油，使系统压力值维持在溢流阀的设定溢流压力值，避免系统压力过高对系统造成损坏。
[0029] 2、海流能发电装置的工作原理：
[0030] 叶轮1在海流的作用下转动，第一变量液压泵2的主轴与叶轮1相连，将叶轮1转动的机械能转化为液压油液的压力能，变量液压马达9在液压油液的作用下转动，将油液的压力能转化为主轴转动的机械能；当转化过来的机械能大于发电机10的额定功率时，一部分机械能被用来拖动发电机10发电而转化为
电能储存在负载11中(本实施例中，负载11为
蓄电池)，多余的能量被用来拖动第二变量液压泵8重新将机械能转化为液压油液的压力能，此时控制器12将第二变量液压泵8的排量调节在一个适当的值，系统多余的能量在变量液压马达9与第二变量液压泵8所组成的油液循环回路内循环；当系统前端由叶轮捕获并传递到变量液压马达9的能量小于发电机10的额定功率时，控制器12将减小第二变量液压泵的排量，从而将循环回路内储存的一部分能量释放出来用以拖动发电机发电。
变量液压马达9与第二变量液压泵8所组成的油液循环回路可以吸收系统脉动，减小刚性冲击，使系统保持稳定。
[0031] 叶轮1的转速取决于海流施加在叶轮1上的转矩和拖动第一变量液压泵2时所受的反力矩，流速传感器14将当前的流速信号传输给控制器12，控制器12根据当前的海流流速计算得到要实现叶轮最大能量捕获所需的最佳叶轮转速，控制器12通过第一转速传感器15检测到当前的叶轮转速并与最佳叶轮转速相比较，控制器12根据当前叶轮转速与最佳叶轮转速的比较值控制第一变量液压泵2的排量，从而改变其施加在叶轮1主轴上的反力矩，从而将叶轮转速调节到最佳叶轮转速，以实现叶轮最大能量捕获控制。
[0032] 压力传感器19将采集到的系统当前压力信号传输给控制器12，控制器12将系统当前压力与预先设定的压力值进行比较，根据其差值计算得到变量液压马达9所 需的排量，控制器12控制变量液压马达9的排量从而调节系统压力到预先设定的值；第二转速传感器20将采集到的当前发电机转速信号传输给控制器12，控制器12将发电机当前转速与发电机额定转速进行比较，控制器12根据发电机当前转速与发电机额定转速的比较值控制第二变量液压泵8的排量，从而改变其施加在发电机10主轴上的力矩，从而将发电机转速调节到发电机额定转速，以实现发电机恒转速控制。
[0033] 另外，由于发电机的主轴是由液压系统带动旋转，发电机无需与电网连接，因此本发明可以离网运行在海岛或偏远地区，解决当地的用电问题，省去大电网往这些地区铺设线路输电的成本。
[0034] 3、海流能发电装置的控制方法
[0035] 1)叶轮最大能量捕获控制
[0036]
水平轴式海流能发电装置中，叶轮从
海水中捕获的功率为：
[0037]
[0038] 其中，ρ为海水密度，S为叶轮的扫截面积，v为海流流速，CP为叶轮的功率系数，P为叶轮的输出功率。
[0039] 如图2所示为不同海流流速(如v1-v4)下的叶轮1输出功率P与叶轮转速ωB的关系曲线，对应每个海流流速都有一个最大功率点(如A1-A4)，连接这些曲线的最大功率点即可得到叶轮1的最大功率曲线L。
[0040] 在最大功率曲线的每个点上，叶轮1输出功率的变化相对于叶轮转速的变化率为零，此时，海流能发电装置输出最大功率，即：
[0041]
[0042] 由图2可知，将叶轮转速ωB调节到某一特定值，可以实现叶轮1捕获功率的最大化。为了实现这一目标，本发明通过调节第一变量液压泵2的排量Dopt来改变液压传动系统负载特性，进而调节叶轮转速ωB跟踪最佳转速ωopt，从而使得叶轮1实现最大能量捕获。
[0043] 式(3)为叶轮1主轴的转矩平衡方程，
[0044]
[0045] Tp＝Dp1Pp (4)
[0046] 其中，T为叶轮转矩，Tf为库伦
摩擦力矩，BP1为粘性阻尼系数，ωB为叶轮转速，TP为第一变量液压泵的反作用转矩，Jt为折算到叶轮主轴上的等效
转动惯量，t为时间，DP1为第一变量液压泵的排量，pp为第一变量液压泵2的出口压力。
[0047] 从式(3)、(4)可以看出，通过调节第一变量液压泵2的排量DP1，可以改变第一变量液压泵2作用在叶轮1主轴上的反作用转矩TP，从而可以调节叶轮转速ωB，使其运行在最佳叶轮转速ωopt，达到叶轮1的最大能量捕获控制。
[0048] 2)发电机恒转速控制
[0049] 本实施例将变量液压马达9的第一输出轴与发电机10连接、变量液压马达9的第二输出轴与第二变量液压泵8的主轴连接，以实现发电机10的恒转速控制，第二变量液压泵8、变量液压马达9和发电机10主轴上的转矩方程为：
[0050]
[0051] 其中，DM为变量液压马达9的排量，DP2为第二变量液压泵8的排量，PM为变量液压马达9的入口压力，TL为发电机10的等效负载，BP2为粘性阻尼系数，ωM为发电机10主轴转速，JM为折算到主轴上的等效转动惯量，t为时间。
[0052] 发电机转速恒定时，即 根据式(5)有如下等式成立：
[0053] (DM-Dp2)PM-TL＝BP2ωM (6)
[0054] 反过来，控制变量液压马达9和第二变量液压泵8的排量使式(6)成立，即可控制发电机10转速恒定。当发电机的等效负载TL发生变化或者变量液压马达9的入口压力PM波动时，根据式(6)可以计算得到变量液压马达9和第二变量液压泵8的排量差：
[0055]
[0056] 因此分别调节变量液压马达9和第二变量液压泵8的排量使其差值为(DM-DP2)，就可以调节发电机的转速保持恒定。
[0057] 综合1)、2)两点，本实施例海流能发电装置采用的叶轮最大能量捕获、发电机恒转速控制策略可以用图3所示的原理图表示。
[0058] 图3中，叶轮1的能量捕获特性、发电机额定转速ωR以及系统设计压力P0均已知且设定在控制器12中，控制器12有4路
输入信号，分别来自流速传感器14、第一转速传感器15、压力传感器19以及第二转速传感器20，控制器12有3路
输出信号，分别控制第一变量液压泵2、第二变量液压泵8以及变量液压马达9的排量，控制器12根据采集得到的海流流速v和叶轮1的能量捕获特性计算得到最佳叶轮转速optt，比较最佳叶轮转速ωopt与第一转速传感器15反馈回来的叶轮转速ωB，根据其偏差计算得到第一变量液压泵2所需的排量，控制器通过变排量执行机构改变第一变量液压泵2的排量，进而改变其施加在叶轮主轴上的反力矩，间接地调节叶轮1的转速，直至其达到最佳叶轮转速，从而实现叶轮最大能量捕获控制；控制器12将发电机额定转速ωR与第二转速传感器20反馈回来的发电机转速ωM做比较，得到转速偏差，将系统设计压力P0与压力传感器19反馈回来的变量液压马达9的 入口压力PM做比较，得到压力偏差，控制器12根据这两个偏差计算得到变量液压马达9的排量DM和第二变量液压泵8的排量Dp2，使式(6)始终成立，并使系统压力保持稳定，即实现发电机恒转速控制，且系统无冲击。
[0059] 上述实施例仅仅是本发明技术构思实现形式的列举，本发明的保护范围不仅限于上述实施例，本发明的保护范围可延伸至本领域技术人员根据本发明的技术构思所能想到的等同技术手段。
