风浪互补液压传动发电装置及其控制方法

摘要

本发明公开了一种风浪互补液压传动发电装置及其控制方法。风浪互补液压传动发电装置，包括风能捕能装置、波浪能捕能装置，风能捕能装置的输出管路连接并联的第一变量液压泵和第一液压马达，波浪能捕能装置的输出管路连接并联的第二变量液压泵和第二液压马达，第三单向阀的输出管路与第四单向阀的输出管路合并后连接第三液压马达，第三液压马达的输出轴连接发电机，发电机的输出轴连接负载；第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力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以及第二变量液压泵的排量控制信号。本发明可以实现风能捕能装置液压管路、波浪能捕能装置液压管路、负载液压管路压力的实时精确匹配。

说明书

技术领域

    本发明属于新能源利用领域，具体涉及一种风浪互补液压传动发电装置及其控制方法。

背景技术

    随着传统能源的日益消耗，能源危机与环境危机日渐加重，各国政府及企业纷纷将目光转向取之不尽用之不竭的清洁能源，其中风力发电技术已经商业运营，海洋能利用技术中的波浪能发电技术由于其储量丰富近几年受到越来越多的关注。但由于风、波浪的不确定性，风能捕能装置及波浪能捕能装置都有很大的间歇性及波动性。为了解决上述问题，有研究人员提出了采用液压传递方式代替传统的机械传动方式减小由于输入的变化而引起的能量的波动性，通过多种能量互补的方式来解决由输入的不确定性引起的能量的间歇性。然而，不同捕能装置的液压管路，由于其输入能量及液压管路结构的不同，各捕能装置液压管路的压力等级也不同，不同压力等级的液压管路相连通，会产生较大冲击，影响发电机等机构的稳定运行。为解决上述问题，授权公告号为CN102182641B的专利提出了一种风浪互补发电系统。该专利通过压力匹配机构实现风能捕能装置和波浪能捕能装置液压管路压力等级的匹配。其匹配方法为：当两捕能装置液压管路的压力达到相同压力等级时，两压力匹配机构同时导通，实现风能捕能装置液压管路与波浪能捕能装置液压管路之间的压力匹配，油液合流，共同驱动发电机及负载的运行；当两捕能装置液压管路的压力不在同一压力等级时，低压力等级捕能装置液压管路的压力匹配机构关闭，高压力等级捕能装置液压管路的压力匹配机构导通，由高压力等级捕能装置的液压管路驱动发电机及负载的运行。该专利的缺点在于，其压力控制方式是被动控制，而且不能实现精确控制，并且只能实现两捕能装置液压管路之间的压力等级匹配，而不能实现两捕能装置液压管路压力与负载液压管路压力的匹配。负载液压管路的压力等于高压力等级捕能装置液压管路的压力，并跟随其一起波动，这对发电机及负载的运行很不利。

发明内容

本发明的目的是提供一种风浪互补液压传动发电装置及其控制方法，可以减小风能捕能装置液压管路压力和波浪能捕能装置液压管路压力的波动，可以主动调节各捕能装置液压管路的输出压力，实现它们与负载液压管路压力的实时精确匹配。

为实现本发明的目的，本发明采用如下技术方案：

风浪互补液压传动发电装置，包括将风能转化为液压能的风能捕能装置、将波浪能转化为液压能的波浪能捕能装置，所述风能捕能装置的输出管路连接并联的第一变量液压泵和第一液压马达，第一液压马达的输出轴连接第一变量液压泵的输入轴，第一液压马达的输出管路连接第三单向阀；所述波浪能捕能装置的输出管路连接并联的第二变量液压泵和第二液压马达，第二压马达的输出轴连接第二变量液压泵的输入轴，第二液压马达的输出管路连接第四单向阀；第三单向阀的输出管路与第四单向阀的输出管路合并后连接第三液压马达，第三液压马达的输出轴连接发电机，发电机的输出轴连接负载；风能捕能装置与第一变量液压泵的连接管路上设置有第一压力传感器，波浪能捕能装置与第二量液压泵的连接管路上设置有第二压力传感器，第三单向阀、第四单向阀与第三液压马达的连接干路上设置有第三压力传感器，所述第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力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以及第二变量液压泵的排量控制信号。

进一步，所述风能捕能装置包括由风能推动旋转的叶轮，叶轮的转轴连接定量液压泵的输入轴。 

进一步，所述波浪能捕能装置包括液压缸，液压缸的有杆腔连接第五单向阀的输入口，液压缸的无杆腔连接第六单向阀的输出口，第五单向阀的输出口连接第六单向阀的输入口，液压缸的有杆腔通过第四溢流阀连接油箱，液压缸的无杆腔通过第五溢流阀连接油箱，第五单向阀的输入口和第四溢流阀的输入口连接第七单向阀的输出口，第七单向阀的输出口还连接液压缸的有杆腔，第七单向阀的输入口连接油箱。

进一步，所述风能捕能装置与第一变量液压泵、第一液压马达的连接干路上设置有第一蓄能器，第一蓄能器的入口设置有第一截止阀；所述波浪能捕能装置与第二变量液压泵、第二液压马达的连接干路上设置有第二蓄能器，第二蓄能器的入口设置有第二截止阀；所述第三单向阀、第四单向阀与第三液压马达的连接干路上设置有第三蓄能器，第三蓄能器的入口设置有第三截止阀。第一蓄能器可以减小风况的变化引起的风能捕能装置连接的液压管路的压力波动。第二蓄能器可以减小波浪的变化引起的波浪能捕能装置连接的液压管路的压力波动。第三蓄能器可以吸收能量的波动，减小负载的变化引起的发电机连接的液压管路的压力波动。

优选的，所述风能捕能装置与第一变量液压泵、第一液压马达的连接干路上设置有第一单向阀。

优选的，所述波浪能捕能装置与第二变量液压泵、第二液压马达的连接干路上设置有第二单向阀。

优选的，所述风能捕能装置与第一变量液压泵、第一液压马达的连接干路上设置有第一溢流阀。第一溢流阀可以限定风能捕能装置的输出液压管路的最高压力。

优选的，所述波浪能捕能装置与第二变量液压泵、第二液压马达的连接干路上设置有第二溢流阀。第二溢流阀可以限定波浪能捕能装置的输出液压管路的最高压力。

优选的，所述第三单向阀、第四单向阀与第三液压马达的连接干路上设置有第三溢流阀。第三溢流阀可以限定第三液压马达的输入管路的最高压力。

控制上述风浪互补液压传动发电装置的方法，第一压力传感器采集第一变量液压泵的出口压力P_a，并将含有此压力信息的信号传递给控制器；第二压力传感器采集第二变量液压泵的出口压力P_b，并将含有此压力信息的信号传递给控制器；第三压力传感器采集第三变量液压马达的进口压力P_c，并将含有此压力信息的信号传递给控制器；控制器根据采集到的各压力信号，计算出第一变量液压泵的排量V_pa和第二变量液压泵的排量V_pb，并将带有V_pa信息的信号传递给第一变量液压泵的排量执行机构，将含有V_pb信息的信号传递给第二变量液压泵的排量执行机构，分别使第一变量液压泵和第二变量液压泵的排量改变，从而使第一液压马达的出口压力和第二液压马达的出口压力均维持在P_c，即均与第三液压马达的入口压力相等，从而实现风能捕能装置的输出液压管路压力和波浪能捕能装置的输出液压管路压力与负载液压管路压力的实时精确匹配。

使用本发明的优点是：

1、本发明可以主动实现风能捕能装置液压管路、波浪能捕能装置液压管路与负载液压管路压力的实时精确匹配，使负载液压管路的压力只受负载的影响，而不受风能捕能液压管路级波浪能捕能液压管路压力变化的影响。

2、本发明可以使风能捕能装置液压管路、波浪能捕能装置液压管路同时与负载液压管路导通，而不是单独一路液压管路的导通，使发电机及负载同时利用风能和波浪能，而不是单独利用其中的一种，提高了能量的利用效率。

3、本发明可以分别通过第一蓄能器、第二蓄能器、第三蓄能器减小风能捕能装置液压管路、波浪能捕能装置液压管路、负载液压管路的压力波动，增强液压系统稳定性，减小压力匹配难度。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

图1为本发明实施例的结构示意图。

附图标号：1-风能捕能装置；101-叶轮；102-定量液压泵；11-第一单向阀；12-第一截止阀；13-第一蓄能器；14-第一溢流阀；15-第一压力传感器；16-第一变量液压泵；17-第一液压马达；18-第三单向阀；2-波浪能捕能装置；201-液压缸；202-第五单向阀；203-第六单向阀；204-第四溢流阀；205-第五溢流阀；206-第七单向阀；21-第二单向阀；22-第二截止阀；23-第二蓄能器；24-第二溢流阀；25-第二压力传感器；26-第二变量液压泵；27-第二液压马达；28-第四单向阀；31-第三液压马达；32-发电机；33-负载；34-第三蓄能器；35-第三截止阀；36-第三溢流阀；37-第三压力传感器；38-控制器；39-油箱。

具体实施方式

1、风浪互补液压传动发电装置

如图1所示，风浪互补液压传动发电装置，包括将风能转化为液压能的风能捕能装置1、将波浪能转化为液压能的波浪能捕能装置2，所述风能捕能装置1的输出管路连接并联的第一变量液压泵16和第一液压马达17，第一液压马达17的输出轴连接第一变量液压泵16的输入轴，第一液压马达17的输出管路连接第三单向阀18；所述波浪能捕能装置2的输出管路连接并联的第二变量液压泵26和第二液压马达27，第二压马达27的输出轴连接第二变量液压泵26的输入轴，第二液压马达27的输出管路连接第四单向阀28；第三单向阀18的输出管路与第四单向阀28的输出管路合并后连接第三液压马达31，第三液压马达31的输出轴连接发电机32，发电机32的输出轴连接负载33；风能捕能装置1与第一变量液压泵16的连接管路上设置有第一压力传感器15，波浪能捕能装置2与第二量液压泵26的连接管路上设置有第二压力传感器25，第三单向阀18、第四单向阀28与第三液压马达31的连接干路上设置有第三压力传感器37，所述第一压力传感器15、第二压力传感器25、第三压力传感器37采集的信号均传输给控制器38，控制器38发出第一变量液压泵16的排量控制信号以及第二变量液压泵26的排量控制信号。

所述风能捕能装置1包括由风能推动旋转的叶轮101，叶轮101的转轴连接定量液压泵102的输入轴。

所述波浪能捕能装置2包括液压缸201，液压缸201的有杆腔连接第五单向阀202的输入口，液压缸201的无杆腔连接第六单向阀203的输出口，第五单向阀202的输出口连接第六单向阀203的输入口，液压缸201的有杆腔通过第四溢流阀204连接油箱39，液压缸201的无杆腔通过第五溢流阀205连接油箱39，第五单向阀202的输入口和第四溢流阀204的输入口连接第七单向阀206的输出口，第七单向阀206的输出口还连接液压缸201的有杆腔，第七单向阀206的输入口连接油箱39。 

所述风能捕能装置1与第一变量液压泵16、第一液压马达17的连接干路上设置有第一蓄能器13，第一蓄能器13的入口设置有第一截止阀12；所述波浪能捕能装置2与第二变量液压泵26、第二液压马达27的连接干路上设置有第二蓄能器23，第二蓄能器23的入口设置有第二截止阀22；所述第三单向阀18、第四单向阀28与第三液压马达31的连接干路上设置有第三蓄能器34，第三蓄能器34的入口设置有第三截止阀35。第一蓄能器可以减小风况的变化引起的风能捕能装置连接的液压管路的压力波动。第二蓄能器可以减小波浪的变化引起的波浪能捕能装置连接的液压管路的压力波动。第三蓄能器可以吸收能量的波动，减小负载的变化引起的发电机连接的液压管路的压力波动。

所述风能捕能装置1与第一变量液压泵16、第一液压马达17的连接干路上设置有第一单向阀11。所述波浪能捕能装置2与第二变量液压泵26、第二液压马达27的连接干路上设置有第二单向阀21。

所述风能捕能装置1与第一变量液压泵16、第一液压马达17的连接干路上设置有第一溢流阀14。第一溢流阀可以限定风能捕能装置的输出液压管路的最高压力。所述波浪能捕能装置2与第二变量液压泵26、第二液压马达27的连接干路上设置有第二溢流阀24。第二溢流阀可以限定波浪能捕能装置的输出液压管路的最高压力。所述第三单向阀18、第四单向阀28与第三液压马达31的连接干路上设置有第三溢流阀36。第三溢流阀可以限定第三液压马达的输入管路的最高压力。

本实施例中，所述第一溢流阀14、第一变量液压泵16、第二溢流阀24、第二变量液压泵26、第三溢流阀36、第三液压马达31、定量液压泵102均连接油箱39。

风浪互补液压传动发电装置工作原理：风带动风能捕能装置1工作，风能捕能装置1将风能转化为液压能输入到液压管路，压力油带动第一液压马达17的输出轴转动，从而带动与第一液压马达17的输出轴连接的第一液压变量泵16的输入轴转动，第一液压变量泵16将油液从油箱39吸入液压管路，压力油从第一液压马达17出来后通过第三单向阀18与来自波浪能捕能装置2连接的液压管路的压力油合流。波浪带动波浪能捕能装置2工作，波浪能捕能装置2将波浪能转化为液压能输入到液压管路，压力油带动第二液压马达27的输出轴转动，从而带动与第二液压马达27的输出轴连接的第二液压变量泵26的输入轴转动，第二液压变量泵26将油液从油箱39吸入液压管路，压力油从第二液压马达27出来后通过第四单向阀28与来自风能捕能装置1连接的液压管路的压力油合流。合流之后的压力油驱动第三液压马达31的输出轴转动，输出轴与发电机32的输入轴连接，带动发电机32工作，将机械能转为为电能，供负载33使用。 

2、风浪互补液压传动发电装置的控制方法

控制上述风浪互补液压传动发电装置的方法，第一压力传感器采集第一变量液压泵的出口压力P_a，并将含有此压力信息的信号传递给控制器；第二压力传感器采集第二变量液压泵的出口压力P_b，并将含有此压力信息的信号传递给控制器；第三压力传感器采集第三变量液压马达的进口压力P_c，并将含有此压力信息的信号传递给控制器；控制器根据采集到的各压力信号，计算出第一变量液压泵的排量V_pa和第二变量液压泵的排量V_pb，并将带有V_pa信息的信号传递给第一变量液压泵的排量执行机构，将含有V_pb信息的信号传递给第二变量液压泵的排量执行机构，分别使第一变量液压泵和第二变量液压泵的排量改变，从而使第一液压马达的出口压力和第二液压马达的出口压力均维持在P_c，即均与第三液压马达的入口压力相等，从而实现风能捕能装置的输出液压管路压力和波浪能捕能装置的输出液压管路压力与负载液压管路压力的实时精确匹配。

1)风能捕能装置1的液压管路与负载液压管路压力匹配与控制

第一变量液压泵16上的扭矩

第一液压马达17上的扭矩 ，其中，是第一液压马达17的排量。

当第一液压马达17转速稳定后，，即

化简得到：

第一液压马达17的排量是固定不变的，而第一变量液压泵16的排量是可调的，因此，当风能捕能装置1液压管路的压力发生变化时，控制器38通过采集到的压力信号，计算得到第一变量液压泵16的排量，并将含有此排量信息的信号传递给第一变量液压泵16的排量执行机构，改第一变量液压泵16的排量，使第一变量液压马达17输出液压管路的压力维持在，即与负载管路压力相等，实现压力的精确匹配。

2)波浪能捕能装置2的液压管路与负载液压管路压力匹配与控制

第二变量液压泵26上的扭矩

第二液压马达27上的扭矩 ，其中，是第二液压马达27的排量。

当第二液压马达17转速稳定后，，即

化简得到：

第二液压马达27的排量是固定不变的，而第二变量液压泵26的排量是可调的，因此，当波浪能捕能装置2液压管路的压力发生变化时，控制器38通过采集到的压力信号，计算得到第二变量液压泵26的排量，并将含有此排量信息的信号传递给第二变量液压泵26的排量执行机构，改第二变量液压泵16的排量，使第二变量液压马达27输出液压管路的压力维持在，即与负载管路压力相等，实现压力的精确匹配。这样，风能捕能装置1的液压管路压力、波浪能捕能装置2液压管路压力、负载液压管路压力三者均相等，实现各管路压力大实时精确匹配。