CN106870289A - 一种静液储能式液压传动型风力发电机组及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于风力发电控制技术领域。为了解决现有风力发电机组在实际运行过程中，由于风速的不稳定而引起发电功率不稳定以及采用齿轮箱结构进行变速时设备结构复杂的问题，本发明公开了一种静液储能式液压传动型风力发电机组。该风力发电机组，包括主循环***、地面补油***、蓄能***、主油箱、第一截止阀以及风轮和发电机，其中主循环***包括与风轮连接的液压泵，与发电机连接的变量马达。本发明的风力发电机组不仅可以平抑因风速变化引起的功率波动，而且通过根据风轮的转速对变量马达的摆角进行调整，从而控制变量马达的输出转速，稳定发电机的转速使之趋于工频转速达到并网频率所要求的偏差范围内，更易实现并网发电。
Description
技术领域
本发明属于风力发电控制技术领域，具体涉及一种静液储能式液压传动型风力发电机组及控制方法。
背景技术
近些年来，世界风电行业长足发展，在缓解能源、环境危机方面逐步发挥越来越重要的作用。目前，在实际运行中的风力发电机组主要有两种：增速齿轮箱—双馈发电机***和直驱—变流器***。
增速齿轮箱—双馈发电机***，通过调节双馈发电机的励磁电流的幅值、频率和相序，确保输出电功率的恒频恒压。同时采用矢量变换控制技术，通过调节双馈发电机有功功率对风轮的转速进行调节，从而实现对最大风能的捕获追踪控制。但是，在通过增速齿轮箱进行变速操作时会发生机械抖动造成机械应力的增加，最终引起齿轮箱的故障。
直驱—变流器***，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，这样在风速小于切入风速或者大于切出风速时，这样不仅给风力机带来高负荷和冲击力，而且存在入网电压谐波大，易发生电网谐波振荡，短时过载成本高以及对电网电压支撑能力较弱的问题。
发明内容
为了解决现有风力发电机组在实际运行过程中，由于风速的不稳定而引起发电功率不稳定以及采用齿轮箱结构进行变速时设备结构复杂的问题，本发明提出了一种静液储能式液压传动型风力发电机组。该风力发电机组，包括主循环***、地面补油***、蓄能***、主油箱、第一截止阀以及风轮和发电机；其中，
所述主循环***，包括液压泵、变量马达、高压油路、低压油路以及第一溢流阀、第一单向阀和第二截止阀；所述高压油路位于所述液压泵的出油口与所述变量马达的进油口之间；所述低压油路位于所述变量马达的出油口与所述液压泵的进油口之间；所述第一溢流阀位于所述高压油路和所述低压油路之间；所述第一单向阀和所述第二截止阀位于所述高压油路上，且所述第二截止阀更靠近所述变量马达；
所述地面补油***，包括补油泵、补油油路以及第二溢流阀和第三溢流阀；所述补油泵的进油口与所述主油箱连接；所述补油油路的一端与所述补油泵的出油口连接，另一端与所述低压油路连接；所述第二溢流阀位于所述低压油路和回油油路之间；所述第三溢流阀位于所述补油油路和所述回油油路之间；其中，所述回油油路与所述主油箱连接；
所述蓄能***，包括并联蓄能器组、蓄能油路以及第一节流阀和第三截止阀；所述并联蓄能器组由多个独立的蓄能器并联而成；所述蓄能油路的一端与所述并联蓄能器组的油口连接，另一端与所述高压油路连接且位于所述第一单向阀和所述第二截止阀之间；所述第一节流阀和所述第三截止阀并联连接且同时位于所述蓄能油路上；
所述第一截止阀位于所述补油油路与所述回油油路之间；
所述风轮与所述液压泵的输入轴连接；
所述发电机与所述变量马达的输出轴连接。
优选的，该风力发电机组还包括高空补油***和压力传感器，所述高空补油***包括高位补油箱、第二节流阀和第四截止阀；所述第二节流阀和所述第四截止阀位于所述高位补油箱和所述液压泵的进油口之间，且所述第四截止阀采用电磁截止阀；所述压力传感器位于所述液压泵的进油口端，用于检测所述液压泵的进油口压力并辅助控制所述第四截止阀的通断。
优选的，所述主循环***还包括第二单向阀、第四溢流阀和第五截止阀；第二单向阀位于所述液压泵的进油口端；所述第五截止阀位于所述高压油路上，且靠近所述液压泵的出油口端；所述第四溢流阀位于所述高压油路和所述低压油路之间，且所述第四溢流阀的进油口位于所述液压泵的出油口和所述第五截止阀之间，出油口位于所述液压泵的进油口和所述第二单向阀之间。
进一步优选的，所述主循环***还包括第一换向阀、第五溢流阀、第六溢流阀和第三单向阀；所述第一换向阀位于所述高压油路中且为两位三通换向阀，用于控制第一油口与第二油口或第三油口之间的连接，其中第一油口与所述液压泵的出油口端连接，第二油口与所述变量马达的进油口端连接，第三油口与所述第五溢流阀的进油口连接，所述第五溢流阀的出油口与所述第三单向阀的进油口连接，所述第三单向阀的出油口与所述低压油路连接，且位于所述第二单向阀的进油口端；所述第六溢流阀的进油口位于所述第五溢流阀和所述第三单向阀之间，出油口与所述回油油路连接。
优选的，所述主循环***还包括第二换向阀和第四单向阀；所述第二换向阀位于所述低压油路中且为两位三通换向阀，用于控制第一油口与第二油口或第三油口之间的连接，其中第一油口与所述变量马达的出油口端连接，第二油口与所述液压泵的进油口端连接，第三油口与所述高压油路连接且位于所述第二截止阀和所述变量马达的进油口之间；所述第四单向阀的进油口与所述主油箱连接，出油口与所述第二换向阀的第三油口连接。
优选的，所述主循环***还包括稳压蓄能器，所述稳压蓄能器位于所述高压油路中且靠近所述第一溢流阀的进油口端。
优选的，所述主循环***还包括一个调速阀，所述调速阀位于所述变量马达的进油口处。
一种采用上述任意一项所述静液储能式液压传动型风力发电机组的控制方法，
当有发电需求，且风速位于切入风速和切出风速之间时：第一截止阀和第三截止阀处于断开状态，第二截止阀和第五截止阀处于连通状态；第一换向阀和第二换向阀的第一油口和第二油口连通，第三油口关闭；补油泵处于工作状态；补油泵从主油箱吸入油液并输送至液压泵的进油口，液压泵在风轮的带动下输出高压油液，高压油液通过高压油路流至变量马达，驱动变量马达转动进而带动发电机转动产生电能，变量马达的出油口输出低压油液，一部分低压油液通过低压油路流至液压泵的进油口，另一部分低压油液通过第二溢流阀流至主油箱；补油泵从主油箱中吸入油液并通过补油油路输送至低压油路；
当有发电需求，但风速小于切入风速或者大于切出风速时：第一截止阀和第二截止阀处于连通状态，第三截止阀和第四截止阀处于断开状态；第二换向阀的第一油口和第二油口连通，第三油口关闭；补油泵处于停机状态；位于并联蓄能器组内的高压油液通过蓄能油路和第一节流阀进入高压油路，通过第二截止阀和调速阀后进入变量马达，驱动变量马达转动进而带动发电机转动产生电能，变量马达的出油口输出低压油液，低压油液通过第二换向阀和第一截止阀流至主油箱；
当无发电需求，但风速位于切入风速和切出风速之间时：第一截止阀和第二截止阀处于断开状态，第三截止阀、第四截止阀和第五截止阀处于连通状态；第一换向阀的第一油口与第二油口连接，第三油口关闭，第二换向阀的第一油口与第三油口连接，第二油口关闭；补油泵处于运行状态；补油泵从主油箱吸入油液并输送至液压泵的进油口，同时高位补油箱内有的油液通过第二节流阀和第四截止阀向液压泵的进油口补油，液压泵在风轮的带动下输出高压油液，高压油液依次通过第五截止阀、第一换向阀和第三截止阀后流至并联蓄能器组中进行高压油液的存储；当高压油路中的油液压力超过第一溢流阀的设定压力值时，高压油液通过第一溢流阀和第二溢流阀流至主油箱；
当风力发电机组进行正常停车时：第一截止阀、第二截止阀、第三截止阀和第四截止阀处于断开状态，第五截止阀处于连接状态；第一换向阀和第二换向阀的第一油口和第三油口连接，第二油口关闭；补油泵处于运行状态；液压泵在风轮的带动下输出高压油液，高压油液通过第五截止阀、第一换向阀、第五溢流阀以及第三单向阀和第二单向阀后重新流至液压泵，形成闭环***，其中流过第五溢流阀的部分高温油液通过第六溢流阀流至主油箱，同时补油泵向液压泵的进油口端补充油液；变量马达的出油口流出的油液经过第二换向阀和调速阀后重新流入变量马达，形成闭环***，同时通过第四单向阀从主油箱向该闭环***中补充油液；
当风力发电机组需要紧急停车时：第一截止阀和第四截止阀处于连通状态，第二截止阀、第三截止阀和第五截止阀处于关闭状态；第一换向阀的第一油口和第二油口连接，第三油口关闭，第二换向阀的第一油口和第三油口连接，第二油口关闭；补油泵处于停机状态；液压泵在风轮的带动下输出高压油液，高压油液流过第四溢流阀后重新流至液压泵，形成闭式***，同时高位补油箱通过第二节流阀和第四截止阀向液压泵的进油口端补充油液；变量马达出油口流出的油液经过第二换向阀和调速阀后重新流入变量马达，形成闭环***，同时通过第四单向阀从主油箱向该闭环***中补充油液。
优选的，当有发电需求，且风速位于切入风速和切出风速之间时，以及当无发电需求，但风速位于切入风速和切出风速之间时，压力传感器对液压泵的进油口压力进行实时监测，当检测进油口压力低于液压泵的最低吸入压力时，第四截止阀进入连通状态，高位补油箱内的油液对液压泵的进油口进行补油；当进油口压力高于液压泵的最低吸入压力时，第四截止阀处于关闭状态。
采用本发明静液储能式液压传动型风力发电机组进行风力发电，具有以下有益效果：
1、本发明将液压传动技术引入风力发电机组，通过风轮直接驱动液压泵进行高压油液输出，然后通过高压油液驱动变量马达输出转速，最终驱动发电机进行转动发电。这样在风力发电机组正常工作过程中，根据风轮转动速度的变化，对变量马达的自身摆角进行调整改变其排量，从而控制变量马达的输出转速，进而稳定发电机的转速。同时，通过调速阀的配合使用，对进入变量马达的流量进行节流控制，实现对变量马达转速的精准调整使其趋于工频转速，达到并网频率所要求的偏差范围内，从而省去了现有风力发电机组中的齿轮箱和变流器，减轻机舱重量。并且通过将变量马达和发电机安装在地面并借助油液管路与固定在机架上放的液压泵连接，这样可以省去变量马达和发电机的吊装，以便于风力发电机组的安装和维护。
2、本发明通过设置蓄能***，这样在风能富裕时，通过蓄能***对风轮带动液压泵输出的高压油液进行存储收集，当风能不足时，再将蓄能***作为单独动力源或辅助动力源进行能量输出驱动变量马达带动发电机进行发电。这样，不仅可以对风能进行更高效的利用，而且在无风但有电力需求时，可以实现风力发电机组在短时间内的持续发电，为电网的调度争取时间。
3、在采用本发明的静液储能式液压传动型风力发电机组进行停机操作时，首先借助叶片变桨或叶尖扰流器甩出的操作，使风轮转速大幅下降；然后通过截止阀和换向阀，将液压泵和变量马达进行脱离并使液压泵和变量马达形成各自的循环***，并通过液压泵和变量马达的自循环***使液压泵和变量马达的转速逐渐减速为零，达到液压制动的作用；最后借助制动盘对风轮和液压泵之间的传输轴进行制动，完成停车操作。由于本发明的风力发电机组省略了齿轮箱，因此如果直接采取制动盘对低转速大扭矩的风轮进行机械刹车，则需要大尺寸的制动盘才能实现刹车操作，而且在此过程中会产生有害的冲击载荷，对设备造成破坏。因此，本发明的风力发电机组通过采用液压制动和机械制动相互结合的方法，不仅可以减小机械制动过程中的制动力，降低冲击载荷，提高设备的工作安全性和使用寿命，而且降低了对制动盘的尺寸要求，进一步减轻了机舱的重量，降低了风力发电机组的复杂性。
附图说明
图1为本发明静液储能式液压传动型风力发电机组的总***原理图；
图2为当有发电需求且风速位于切入风速和切出风速之间时，本发明风力发电机组进行工作的***原理图；
图3为当有发电需求但风速小于切入风速或者大于切出风速时，本发明风力发电机组进行工作的***原理图；
图4为当无发电需求但风速位于切入风速和切出风速之间时，本发明风力发电机组进行工作的***原理图；
图5为当风力发电机组进行正常停车时，本发明风力发电机组进行工作的***原理图；
图6为当风力发电机组需要紧急停车时，本发明风力发电机组进行工作的***原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明中的技术方案进行详细介绍。
结合图1所示，静液储能式液压传动型风力发电机组，包括主循环***1、地面补油***2、蓄能***3、主油箱4、第一截止阀5以及风轮6和发电机7。
主循环***1为闭式液压***，包括液压泵101、变量马达102、高压油路103、低压油路104以及第一溢流阀105、第一单向阀106和第二截止阀107。高压油路103位于液压泵101的出油口与变量马达102的进油口之间，低压油路104位于变量马达102的出油口与液压泵101的进油口之间。第一溢流阀105位于高压油路103和低压油路104之间，第一单向阀106和第二截止阀107位于高压油路103上，并且第二截止阀107更靠近变量马达102。
优选的，在液压泵101的出油口端和变量马达102的出油口端分别设有压力流量传感器81，分别用于检测高压油路103和低压油路104中油液的压力和流量，并经过转换为电流信号传输至控制***，从而实现对主循环***1的远程监控。
地面补油***2，包括补油泵201、补油油路202以及第二溢流阀203和第三溢流阀204。其中，补油泵201的进油口与主油箱4连接，出油口设有过滤器，用于提高输入主循环***1中油液的清洁度，以及设有单向阀，用于防止主循环***1内的液压冲击对补油泵201造成冲击破坏。补油油路202的一端与201补油泵的出油口连接，另一端与低压油路104连接。第二溢流阀203位于低压油路104和回油油路401之间。第三溢流阀204位于补油油路202和回油油路401之间。其中，回油油路401与主油箱4连接。优选的，所述补油泵201采用变量泵结构，这样在液压泵101进口压力不稳定时，可以通过适当增大补油泵201的排量，提高输入低压油路104的油液流量，从而避免液压泵101出现吸空现象。
蓄能***3，包括并联蓄能器组301、蓄能油路302以及第一节流阀303和第三截止阀304。并联蓄能器组301由多个独立的蓄能器并联而成，并且在每一个蓄能器的油口位置设有截止阀，以便于对单个蓄能器进行拆装检修而不影响并联蓄能器组301的正常工作。另外，蓄能***3直接放置和安装在地面，以便于对蓄能***3的拆装。蓄能油路302的一端与并联蓄能器组301的油口连接，另一端与高压油路103连接且位于第一单向阀106和第二截止阀107之间，这样由并联蓄能器组301输出的油液进入高压油路103后，只能通过第二截止阀107流向变量马达102。第一节流阀303和第三截止阀304并联连接，并且同时位于蓄能油路302上。
其中，当对并联蓄能器组301进行高压油液存储时，即高压油液由高压油路103进入蓄能***3时，第三截止阀304处于连通状态，这样高压油液通过第三截止阀304可以快速进入蓄能器内，从而快速的、低损耗的完成对高压油液的存储。当对并联蓄能器组301内的高压油液进行释放操作时，即高压油液由蓄能***3进入高压油路103时，第三截止阀304处于关闭状态并开启第一节流阀303，使存储的高压油液通过第一节流阀303进入高压油路103中，这样通过调节第一节流阀303的开口量，可以对高压油液的释放速度进行控制和稳定，降低高压油液释放过程中产生的流量波动和液压冲击。
另外，在并联蓄能器组301的油口位置以及第一节流阀303中靠近高压油路103的油口端分别设有压力流量传感器81，分别用于采集和检测进入并联蓄能器组301内的油液压力和流量以及通过第一节流阀303进入高压油路103中的油液压力和流量，并以此作为调节变量马达102摆角的参考值。此外，在并联蓄能器组301的油口位置还设有一个安全阀305，用于限定并联蓄能器组301内存储油液的最高压力。
第一截止阀5位于补油油路202与回油油路401之间，当第一截止阀5处于连通状态时，补油油路202和低压油路104直接与主油箱4连通，这样可以对补油油路202和部分低压油路104内的油液进行快速泄油操作。
风轮6与液压泵101的输入轴连接，发电机7与变量马达102的输出轴连接，并且发电机7和变量马达102直接安装在地面上，变量马达102通过油液管路与塔架上方机舱内的液压泵101连接。这样既可以减小机舱的尺寸和重量，也可以省去对变量马达102和发电机7的吊装操作。另外，在风轮6的端面位置处设有速度传感器82，用于检测风轮6的转速。在液压泵101的输入轴以及变量马达102的输出轴位置设有转速传感器83，用于检测传动轴的转速。这样，可以对风轮6和发电机7的运行情况进行实时的远程监控并可以及时发现问题。此外，在本发明中，发电机7采用励磁同步发电机。
优选的，该风力发电机组还包括高空补油***9和压力传感器84。高空补油***9包括高位补油箱901、第二节流阀902和第四截止阀903。其中，第二节流阀902和第四截止阀903串联连接，位于高位补油箱901和液压泵101的进油口之间，并且第四截止阀903采用电磁截止阀。压力传感器84位于液压泵101的进油口端，用于检测液压泵101的进油口压力。这样，当压力传感器84检测到液压泵101的进油口压力低于液压泵101的最低进油压力时，发出控制信号，使第四截止阀903切换至连通状态，高位补油箱901内的油液在大气压的作用下，通过第二节流阀902和第四截止阀903流至低压油路104中，对液压泵101的进油口进行及时补油。此外，通过调节第二节流阀902的开口量，可以对补油速度进行控制。另外，在本发明中，该高空补油***9与液压泵101同时位于塔架上方的机舱内，这样可以提高对液压泵101补充油液的及时性和快速性，同时减少补油过程的沿程损失，保证补充油液的压力稳定性。
优选的，主循环***1还包括第二单向阀108、第四溢流阀109和第五截止阀110。其中，第二单向阀108位于液压泵101的进油口端。第五截止阀110位于高压油路103上，且靠近液压泵101的出油口端。第四溢流阀109位于高压油路103和低压油路104之间，且第四溢流阀109的进油口位于液压泵101的出油口和第五截止阀110之间，出油口位于液压泵101的进油口和第二单向阀108之间。
优选的，主循环***1还包括第一换向阀111、第五溢流阀112、第六溢流阀113和第三单向阀114。第一换向阀111位于高压油路103中，并且采用两位三通换向阀结构，用于控制第一油口与第二油口连接或第一油口与第三油口连接。其中，第一换向阀111的第一油口与液压泵101的出油口端连接，第二油口与变量马达102的进油口端连接，第三油口与第五溢流阀112的进油口连接。第五溢流阀112的出油口与第三单向阀114的进油口连接。第三单向阀114的出油口与低压油路104连接，并且位于第二单向阀108的进油口端。第六溢流阀113的进油口位于第五溢流阀112和第三单向阀114之间，出油口与回油油路401直接连接。
优选的，主循环***1还包括第二换向阀115和第四单向阀116。第二换向阀115位于低压油路104中并且采用两位三通换向阀结构，用于控制第一油口与第二油口连接或第一油口与第三油口连接。其中，第二换向阀115的第一油口与变量马达102的出油口端连接，第二油口与液压泵101的进油口端连接，第三油口与高压油路103连接并且位于第二截止阀107和变量马达102的进油口之间。第四单向阀116的进油口与主油箱4连接，出油口与第二换向阀115的第三油口连接。
优选的，主循环***1还包括稳压蓄能器117。稳压蓄能器117位于高压油路103中，并且靠近第一溢流阀105的进油口端。这样，在由于风轮6的转速不稳定而引起液压泵101的输出油液存在流量脉动和液压冲击时，可以通过稳压蓄能器117对流量脉动和液压冲击进行及时快速的吸收平抑，使流至变量马达102的油液保持平稳，从而稳定变量马达102的输出转速，降低发电机7的功率波动。
优选的，主循环***1还包括第五单向阀118并且位于变量马达102的出油口和补油油路202之间的低压油路104上。用于阻止补油泵201输出的补充油液进入低压油路104后，直接流至液压马达102处，从而防止对液压马达102的正常运行造成影响。
优选的，主循环***1还包括一个调速阀119，并且位于变量马达102的进油口处。通过调速阀119对进入变量马达102的流量进行控制，以及对变量马达102自身摆角的调整，实现对变量马达102实际输出转速的控制。首先，对变量马达102的自身摆角进行设定，确定变量马达102的输出转速范围；然后，对调速阀119的开口量进行调节，控制进入变量马达102的实际流量，从而控制变量马达102的最终输出转速，实现对发电机7的转速控制并趋于工频转速，使发电机7能够直接并网发电，省去了变流器及复杂控制电路。
在本发明中，第一截止阀5、第二截止阀107、第三截止阀304以及第四截止903和第五截止阀110均采用电磁截止阀结构，第一溢流阀105、第四溢流阀109和第五溢流阀112均采用比例溢流阀结构。这样可以通过远程电流控制信号，实现对这些液压元件的远程控制，以便于实现对风力发电机组进行快速准确的控制以及自动化控制。其中，针对600KW的风力发电机组，本发明中的第一溢流阀105的最高设定压力为30MPa，用于限定高压油路103内油液的最高压力，保护主循环***1的运行安全。第二溢流阀203和第六溢流阀113分别设定为1.5MPa，用于将***内的高温油液引流至主油箱4内，降低***内的油液温度。第三溢流阀204设定为2MPa，用于限定补油泵201输出的油液压力。第四溢流阀109和第五溢流阀112分别设定的最高压力为30MPa，用作负载使用时压力设定值通过逐渐调整增大，从而调节相应油路的压力负载。
本发明静液储能式液压传动型风力发电机组的控制方法如下：
当有发电需求，且风速位于切入风速和切出风速之间时。风速条件满足风力发电机组的正常运行，地面补油***2辅助主循环***1进行工作。
结合图1和图2所示，第一截止阀5和第三截止阀304处于断开状态，第二截止阀107和第五截止阀110处于连通状态，并且第一换向阀111和第二换向阀115的第一油口和第二油口连通，第三油口关闭，补油泵201处于工作状态。这样，在高压油路103和低压油路104之间形成一个完整的闭式液压***。此时，液压泵101在风轮6的带动下输出高压油液，高压油液通过高压油路103流至变量马达102，期间依次通过第五截止阀110、第一换向阀111、第一单向阀106、第二截止阀107和调速阀119,驱动变量马达102进行转动，进而带动发电机7转动产生电能。变量马达102的出油口输出低压油液，低压油液通过第二换向阀115后，一部分通过第五单向阀118和第二单向阀108后流至液压泵101的进油口，另一部分通过第二溢流阀203流至主油箱4。此外，补油泵201从主油箱4中吸入油液，并通过补油油路202输送至低压油路104中。这样通过第二溢流阀203将一部分高温油液回流至主油箱4，并通过补油泵201重新向低压油路104补入低温油液，从而对主循环***1的油温进行控制。
优选的，在此过程中，压力传感器84对液压泵101的进油口压力进行实时监测，当进油口压力低于液压泵101的最低进油压力时，第四截止阀903进入连通状态，高位补油箱901内的油液对液压泵101的进油口进行及时补油；当进油口压力高于液压泵101的最低进油压力时，第四截止阀903处于关闭状态。这样可以避免在补油泵201出现问题时，由于无法提供足够油液而引起液压泵101的吸空问题。
当有发电需求，但风速小于切入风速或者大于切出风速时。风轮6进入停机状态停止转动，由蓄能***3作为动力单元，维持发电机7的正常发电。
结合图1和图3所示，第一截止阀5和第二截止阀107处于连通状态，第三截止阀304和第四截止阀903处于断开状态，第二换向阀115的第一油口和第二油口连通，第三油口关闭，补油泵201处于停机状态。此时，高压油路103被第一单向阀106切断，低压油路104被第一截止阀5直接连接至主油箱4。这样，由蓄能***3作为动力单元，变量马达102作为执行单元以及主油箱4作为回油箱，形成一个开式液压***。并联蓄能器组301内部存储的高压油液，通过蓄能油路302和第一节流阀303进入高压油路103，流经第二截止阀107和调速阀119后进入变量马达102，驱动变量马达102转动，进而带动发电机7转动产生电能。变量马达102的出油口输出低压油液，低压油液通过第二换向阀115、第五单向阀118和第一截止阀5后，流至主油箱4。
当无发电需求，但风速位于切入风速和切出风速之间时。风速条件满足风轮6的运转，并可以驱动液压泵101输出高压油液，这样由蓄能***3对液压泵101输出的高压油液进行存储。
结合图1和图4所示，第一截止阀5和第二截止阀107处于断开状态，第三截止阀304和第五截止阀110处于连通状态。第一换向阀111的第一油口与第二油口连接，第三油口关闭，第二换向阀115的第一油口与第三油口连接，第二油口关闭，补油泵201处于工作状态。此时，高压油路103被第二截止阀107切断，低压油路104被第二换向阀115切断，这样变量马达102被隔离。补油泵201从主油箱4中吸入油液，并通过补油油路202和第二单向阀108输送至液压泵101的进油口端，液压泵101在风轮6的带动下输出高压油液，并依次通过第五截止阀110、第一换向阀111、第一单向阀106和第三截止阀304后，流至并联蓄能器301中进行高压油液的存储。其中，当高压油路103中的油液压力超过第一溢流阀105的设定压力值时，高压油液通过第一溢流阀105和第二溢流阀203流至主油箱4。此时，第五单向阀118的出油口端油液压力大于进油口端油液压力，因此始终处于关闭状态。另外，如果在此过程中风速突然下降并且降幅较大，那么为了避免高压油路内出现液压冲击而对液压泵101以及风轮6造成影响，则需要对第一溢流阀105的压力值进行适当降低，进而对高压油路103内的油液进行适当的泄压操作。当风速恢复平稳后，再逐渐调整第一溢流阀105的压力值为***的安全压力值。
另外，在此过程中通过调整补油泵201的排量，以及通过压力传感器84对液压泵101进油口压力的检查，控制第四截止阀903的通断进而借助高位补油箱901对液压泵101进行补油操作，从而避免液压泵101进油口出现吸空现象，保证液压泵101的正常工作。
当风力发电机组进行正常停车时，首先借助叶片变桨或叶尖扰流器甩出的操作，使风轮6的转速大幅下降，然后对液压泵101和变量马达102进行减速操作，使风轮6和发电机7的转速减为零，最后再借助制动设备进行机械停车。其中，在对液压泵101和变量马达102进行减速操作时，要求避免出现液压冲击和吸空现象。
结合图1和图5所示，第一截止阀5、第二截止阀107、第三截止阀304以及第四截止阀903处于断开状态，第五截止阀110处于连接状态，第一换向阀111和第二换向阀115的第一油口和第三油口连接，第二油口关闭，补油泵201处于运行状态。这样，主循环***1被第一换向阀111、第二截止阀107、第五单向阀118和第二换向阀115切成两部分，一部分为液压泵101的大循环***，并由补油泵201进行油液补充；另一部为变量马达102的自循环***，并从主油箱4自吸补油。液压泵101在风轮6的带动下输出高压油液，高压油液通过第五截止阀110、第一换向阀111、第五溢流阀112、第三单向阀114和第二单向阀108后重新流至液压泵101，形成闭环***。其中，流过第五溢流阀112的部分高温油液通过第六溢流阀113流至主油箱4，同时补油泵201向液压泵101的进油口端补充油液。这样，通过从零压力开始，对第五溢流阀112的设定压力值进行实时调整，使液压泵101的大循环***内的压力负载逐渐增大，实现液压泵101的减速操作。变量马达102的出油口流出的油液经过第二换向阀115和调速阀119后重新流入变量马达102形成闭环***，同时通过第四单向阀116从主油箱4向该闭环***中补充油液，从而避免变量马达102的减速停车过程中发生吸空现象。此外，为了防止高压油路103中的高压油液通过第二换向阀115流至变量马达102的出油口端对变量马达102造成影响，在第二换向阀115的第三油口和高压油路103之间可以设置一个单向阀，从而避免高压油液通过第二换向阀115流至变量马达102的出油口端。
当风力发电机组需要紧急停车时，例如，液压***出现故障造成液压泵吸油不足时，要求液压泵101快速停止，并且要求避免出现液压冲击和吸空现象。
结合图1和图6所示，第四截止阀903处于连通状态，第二截止阀107、第三截止阀304和第五截止阀110处于关闭状态，第二换向阀115的第一油口和第三油口连接，第二油口关闭，补油泵201处于停机状态。这样，主循环***1被第五截止阀110、第二截止阀107、第二单向阀108和第二换向阀115切成两部分，一部分为液压泵101的小循环***，并由高位补油***9进行油液补充；另一部为变量马达102的自循环***，并从主油箱4自吸补油。液压泵101在风轮6的带动下输出高压油液，高压油液流过第四溢流阀109后重新流至液压泵101，形成闭式液压***。其中，通过从零压力开始，对第四溢流阀109的设定压力值进行实时调节，使液压泵101的小循环***内的压力负载逐渐增大，实现液压泵101的减速停止操作。同时高位补油箱901内的油液在大气压的作用下，通过第二节流阀902和第四截止阀903向液压泵101的进油口端进行油液补充。这样通过缩短该循环***的油路长度，并通过高位补油***9的快速补充油液，实现液压泵101的快速停机操作。变量马达102与正常停机过程相同，此处不再重复叙述。另外，第一截止阀5处于连通状态，这样可以将补油油路202和部分低压油路104中的油液通过第一截止阀5快速引流至主油箱4中。
Claims (9)
1.一种静液储能式液压传动型风力发电机组，其特征在于，包括主循环***、地面补油***、蓄能***、主油箱、第一截止阀以及风轮和发电机；其中，
所述主循环***，包括液压泵、变量马达、高压油路、低压油路以及第一溢流阀、第一单向阀和第二截止阀；所述高压油路位于所述液压泵的出油口与所述变量马达的进油口之间；所述低压油路位于所述变量马达的出油口与所述液压泵的进油口之间；所述第一溢流阀位于所述高压油路和所述低压油路之间；所述第一单向阀和所述第二截止阀位于所述高压油路上，且所述第二截止阀更靠近所述变量马达；
所述地面补油***，包括补油泵、补油油路以及第二溢流阀和第三溢流阀；所述补油泵的进油口与所述主油箱连接；所述补油油路的一端与所述补油泵的出油口连接，另一端与所述低压油路连接；所述第二溢流阀位于所述低压油路和回油油路之间；所述第三溢流阀位于所述补油油路和所述回油油路之间；其中，所述回油油路与所述主油箱连接；
所述蓄能***，包括并联蓄能器组、蓄能油路以及第一节流阀和第三截止阀；所述并联蓄能器组由多个独立的蓄能器并联而成；所述蓄能油路的一端与所述并联蓄能器组的油口连接，另一端与所述高压油路连接且位于所述第一单向阀和所述第二截止阀之间；所述第一节流阀和所述第三截止阀并联连接且同时位于所述蓄能油路上；
所述第一截止阀位于所述补油油路与所述回油油路之间；
所述风轮与所述液压泵的输入轴连接；
所述发电机与所述变量马达的输出轴连接。
2.根据权利要求1所述静液储能式液压传动型风力发电机组，其特征在于，该风力发电机组还包括高空补油***和压力传感器，所述高空补油***包括高位补油箱、第二节流阀和第四截止阀；所述第二节流阀和所述第四截止阀位于所述高位补油箱和所述液压泵的进油口之间，且所述第四截止阀采用电磁截止阀；所述压力传感器位于所述液压泵的进油口端，用于检测所述液压泵的进油口压力并辅助控制所述第四截止阀的通断。
3.根据权利要求2所述静液储能式液压传动型风力发电机组，其特征在于，所述主循环***还包括第二单向阀、第四溢流阀和第五截止阀；第二单向阀位于所述液压泵的进油口端；所述第五截止阀位于所述高压油路上，且靠近所述液压泵的出油口端；所述第四溢流阀位于所述高压油路和所述低压油路之间，且所述第四溢流阀的进油口位于所述液压泵的出油口和所述第五截止阀之间，出油口位于所述液压泵的进油口和所述第二单向阀之间。
4.根据权利要求1所述静液储能式液压传动型风力发电机组，其特征在于，所述主循环***还包括第一换向阀、第五溢流阀、第六溢流阀和第三单向阀；所述第一换向阀位于所述高压油路中且为两位三通换向阀，用于控制第一油口与第二油口或第三油口之间的连接，其中第一油口与所述液压泵的出油口端连接，第二油口与所述变量马达的进油口端连接，第三油口与所述第五溢流阀的进油口连接，所述第五溢流阀的出油口与所述第三单向阀的进油口连接，所述第三单向阀的出油口与所述低压油路连接，且位于所述第二单向阀的进油口端；所述第六溢流阀的进油口位于所述第五溢流阀和所述第三单向阀之间，出油口与所述回油油路连接。
5.根据权利要求1所述静液储能式液压传动型风力发电机组，其特征在于，所述主循环***还包括第二换向阀和第四单向阀；所述第二换向阀位于所述低压油路中且为两位三通换向阀，用于控制第一油口与第二油口或第三油口之间的连接，其中第一油口与所述变量马达的出油口端连接，第二油口与所述液压泵的进油口端连接，第三油口与所述高压油路连接且位于所述第二截止阀和所述变量马达的进油口之间；所述第四单向阀的进油口与所述主油箱连接，出油口与所述第二换向阀的第三油口连接。
6.根据权利要求1所述静液储能式液压传动型风力发电机组，其特征在于，所述主循环***还包括稳压蓄能器，所述稳压蓄能器位于所述高压油路中且靠近所述第一溢流阀的进油口端。
7.根据权利要求1所述静液储能式液压传动型风力发电机组，其特征在于，所述主循环***还包括一个调速阀，所述调速阀位于所述变量马达的进油口处。
8.一种采用权利要求1-7中任意一项所述静液储能式液压传动型风力发电机组的控制方法，其特征在于，
当有发电需求，且风速位于切入风速和切出风速之间时：第一截止阀和第三截止阀处于断开状态，第二截止阀和第五截止阀处于连通状态；第一换向阀和第二换向阀的第一油口和第二油口连通，第三油口关闭；补油泵处于工作状态；补油泵从主油箱吸入油液并输送至液压泵的进油口，液压泵在风轮的带动下输出高压油液，高压油液通过高压油路流至变量马达，驱动变量马达转动进而带动发电机转动产生电能，变量马达的出油口输出低压油液，一部分低压油液通过低压油路流至液压泵的进油口，另一部分低压油液通过第二溢流阀流至主油箱；补油泵从主油箱中吸入油液并通过补油油路输送至低压油路；
当有发电需求，但风速小于切入风速或者大于切出风速时：第一截止阀和第二截止阀处于连通状态，第三截止阀和第四截止阀处于断开状态；第二换向阀的第一油口和第二油口连通，第三油口关闭；补油泵处于停机状态；位于并联蓄能器组内的高压油液通过蓄能油路和第一节流阀进入高压油路，通过第二截止阀和调速阀后进入变量马达，驱动变量马达转动进而带动发电机转动产生电能，变量马达的出油口输出低压油液，低压油液通过第二换向阀和第一截止阀流至主油箱；
当无发电需求，但风速位于切入风速和切出风速之间时：第一截止阀和第二截止阀处于断开状态，第三截止阀、第四截止阀和第五截止阀处于连通状态；第一换向阀的第一油口与第二油口连接，第三油口关闭，第二换向阀的第一油口与第三油口连接，第二油口关闭；补油泵处于运行状态；补油泵从主油箱吸入油液并输送至液压泵的进油口，同时高位补油箱内有的油液通过第二节流阀和第四截止阀向液压泵的进油口补油，液压泵在风轮的带动下输出高压油液，高压油液依次通过第五截止阀、第一换向阀和第三截止阀后流至并联蓄能器组中进行高压油液的存储；当高压油路中的油液压力超过第一溢流阀的设定压力值时，高压油液通过第一溢流阀和第二溢流阀流至主油箱；
当风力发电机组进行正常停车时：第一截止阀、第二截止阀、第三截止阀和第四截止阀处于断开状态，第五截止阀处于连接状态；第一换向阀和第二换向阀的第一油口和第三油口连接，第二油口关闭；补油泵处于运行状态；液压泵在风轮的带动下输出高压油液，高压油液通过第五截止阀、第一换向阀、第五溢流阀以及第三单向阀和第二单向阀后重新流至液压泵，形成闭环***，其中流过第五溢流阀的部分高温油液通过第六溢流阀流至主油箱，同时补油泵向液压泵的进油口端补充油液；变量马达的出油口流出的油液经过第二换向阀和调速阀后重新流入变量马达，形成闭环***，同时通过第四单向阀从主油箱向该闭环***中补充油液；
当风力发电机组需要紧急停车时：第一截止阀和第四截止阀处于连通状态，第二截止阀、第三截止阀和第五截止阀处于关闭状态；第一换向阀的第一油口和第二油口连接，第三油口关闭，第二换向阀的第一油口和第三油口连接，第二油口关闭；补油泵处于停机状态；液压泵在风轮的带动下输出高压油液，高压油液流过第四溢流阀后重新流至液压泵，形成闭式***，同时高位补油箱通过第二节流阀和第四截止阀向液压泵的进油口端补充油液；变量马达的出油口流出的油液经过第二换向阀和调速阀后重新流入变量马达，形成闭环***，同时通过第四单向阀从主油箱向该闭环***中补充油液。
9.根据权利要求8所述所述静液储能式液压传动型风力发电机组的控制方法，其特征在于，当有发电需求，且风速位于切入风速和切出风速之间时，以及当无发电需求，但风速位于切入风速和切出风速之间时：压力传感器对液压泵的进油口压力进行实时监测，当检测进油口压力低于液压泵的最低吸入压力时，第四截止阀进入连通状态，高位补油箱内的油液对液压泵的进油口进行补油；当进油口压力高于液压泵的最低吸入压力时，第四截止阀处于关闭状态。
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