发电系统和液压控制系统的制作方法

发电系统和液压控制系统的制作方法
【专利摘要】一种液压控制系统HCS，用于控制发电系统的可变比传动装置。液压马达/泵单元140可操作地连接至叠加齿轮，且连接至液压电路，所述液压电路包括节流孔28和/或减压阀29，所述减压阀在预定的液压打开。所述液压电路在可变低速运行模式和扭矩限制高速模式之间切换。在所述扭矩限制高速运行模式中，所述液压马达/泵单元140由所述叠加齿轮驱动，并驱动液压流动通过所述节流阀28和/或减压阀29，以提供被动扭矩限制功能。在所述可变低速运行模式中，所述液压马达/泵单元140驱动所述叠加齿轮，且所述液压控制系统通过控制通过所述液压马达/泵单元140的液压流体流率来提供理想的转子101速度。
【专利说明】发电系统和液压控制系统

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种这样类型的发电系统：流体驱动涡轮机或转子驱动交流发电机。 本发明更具体地关心一种这样的系统：在该系统中，由于流体驱动涡轮机速度的改变，涡轮 机或转子的旋转扭矩可改变。这样的发电系统的一种示例是风力驱动涡轮机或风车。本发 明还涉及一种液压控制系统，用于这样的发电系统的传动装置。

【背景技术】
[0002] 风力涡轮机中的可变转子速度因几种原因是可取的。对于给定的转子，最大气动 效率的最佳转子速度是风速的函数。通常，该最佳转子速度随着风速增加而增加。因此，风 力涡轮机中的可变转子速度对于最大限度地提高能量捕获是可取的。可变转子速度还使得 能够：在较低的风速（对应于较低的转子速度）下发电，提高风力涡轮机可运行的风力条件 的范围，并由此增加每年的运行时间量。由于涡轮机在较低的rpm下运行时转子的声级减 小，因此在较低的速度下运行还具有噪声优势。最终，可变转子速度使得能够：根据扭矩在 传动装置中被限制的位置以及如何限制，在涡轮机额定功率下将该传动装置上的扭矩限制 并平滑到更大或更小的程度，因此，大体上减小齿轮箱和传动装置的扭矩任务。
[0003] 自从九十年代以来，大多数商用风力涡轮机采用一些机构使得风力涡轮机转子的 变速成为可能。这样的机构可为电气或机械'变速'系统。九十年代末之前的风力涡轮机 通常使用传统的异步发电机，传统的异步发电机具有仅允许较小的转子速度变化的固定传 动比齿轮箱。
[0004] 电气变速系统通常使得发电机速度能够显著变化，且因此，允许具有固定传动比 的可变转子速度。电力电子整流器和逆变器通常是使得风力涡轮发电机（可为同步或异步 设计，但不管是同步还是异步，均未像传统的同步发电机那样与电网同步）电连接至恒定 频率的交流电网所必须的。由于实用大小的商用风力涡轮机等级的电力电子整流器和逆变 器是非常昂贵的，因此这是高成本的方法。
[0005] 尽管电气系统可非常有效地控制转子-定子接合处的磁力矩，但由于在强风期间 需要加速发电机转子的惯性，从而引发传动系统扭矩的异常波动，因此，具有电气变速系统 的风力涡轮机会经受比具有机械系统的风力涡轮机更大的传动系统扭矩波动。过多的传动 系统扭矩波动会破坏该风力涡轮机传动装置，且该破坏模式在风能工业中是一种持续的问 题。
[0006] 机械变速系统使得能够使用直接连接电网的同步发电机，该直接连接电网的同步 发电机在通过电网设置并与电网同步的恒定速度下运行。由于能够找到低成本的'实用级' 同步发电机，且不需要昂贵的电力电子整流器和逆变器，因此直接连接电网的同步发电机 的使用具有与电气变速系统相比的成本优势。但是，直接连接电网的同步发电机必须运行 在电网频率以及同步发电机的极数决定的恒定速度下。因此，对于固定传动比，风力涡轮机 转子速度必须是恒定的，或者必须采用可变传动比以使得可变转子速度成为可能，以最大 化能量捕获。风力涡轮机中的各转子经受湍流引起的扭矩波动。由于连接电网的同步发电 机不具有吸收这样的扭矩波动的柔度，因此这意味着恒定转子速度对风力涡轮机来说不是 一种实际的选择，且必须通过（由机械变速系统提供的）一些其他形式的柔度来平滑这些 波动，以防止对风力涡轮传动装置的破坏。
[0007] 机械变速系统可管理风力涡轮机或类似的发电源（例如，潮汐流发电机）中湍流 引起的扭矩波动。
[0008] 使具有恒定速度的同步发电机的风力涡轮机中的可变转子速度成为可能的大多 数尝试为W081/01444中描述的发明的变形。在该文件中，利用一个或多个行星齿轮级获得 可变传动比，该一个或多个行星齿轮级将风力涡轮机转子和发电机之间的主机械功率传输 路径连接至第二个平行的旁路功率传输路径。该旁路的功率传输路径可为具有液压机或电 机的液压式的或电气式的，液压机或电机中的一个或二者可为变速的，且二者均可为可变 功率的。两个液压机或电机通过传输功率的方式互联，如果适用，该互联可为液压或电路的 闭环。在较低的转子速度下，旁路功率从可变比传动装置的发电机侧传输到转子侧，以提高 传动比。在较高的转子速度下，旁路功率从可变比传动装置的转子侧传输到发电机侧，以降 低传动比。这种类型的可变比传动装置显著增加了风力涡轮机传动系统的复杂度和成本。
[0009] 对于上述具有可变比传动装置的典型的商用风力涡轮机，根据变速范围和传动类 型，使得在高达额定风速的所有风速下的可变转子速度模式成为可能所需要的最大旁路功 率可为额定风力涡轮机功率的20-50%。图1显示了转子效率对叶尖速度比（TSR)的曲 线图，叶尖速度比为转子叶片的尖端的切向速度与风的实际速度的比。典型的转子的该效 率-TSR曲线的最高端相对较宽且平滑，意味着：尽管旁路功率系统的成本增加了其活跃的 更宽的速度和功率范围，但随着TSR移动至接近'最佳TSR'，能量捕获中的增量收益减小到 忽略不计的点，其中，'最佳TSR'为给出最大转子效率的地方（图1中的最大值）。因此， 根据所使用的特定的旁路功率系统的成本，成本优势也减小了尝试将TSR维持在最佳以及 确定实际限制的更宽的速度和功率范围。
[0010] 上述类型的可变比传动装置还可通过W02004/109157和W02008/149109中描述的 主动控制器的方式限制过多的传动系统扭矩波动。这些主动控制器以补偿的方式、理论上 以涡轮机速度的瞬态改变一样的比率改变传动比，以维持恒定的发电机速度和扭矩，同时 允许风力涡轮机转子加速并吸收瞬时过剩动能。由于主动控制器的响应时间，这样的限制 过多的传动系统扭矩波动的方法不总是有效的。
[0011] 授予杰弗里M.亨德森的美国专利5140170描述了一种风力涡轮机传动装置，其 中，使用具有被动液压扭矩限制功能的可变比传动装置以及允许风力涡轮机转子速度的较 小变化的主动叶片桨距控制系统，基本上消除了有害的传动系统扭矩波动。该专利中描述 的系统中，驱动连接电网的同步发电机于恒定的速度，且风力涡轮机转子速度接近恒定，直 至由于瞬时气动扭矩波动，超过设计额定转子扭矩水平。当超过该设计额定转子扭矩时，由 于被动液压滑动，传动比迅速降低，瞬时过剩能量随着风力涡轮转子加速存储为动能，并由 液压系统作为热量消耗。
[0012] 在可用的气动转子功率足够运行于设计额定转子扭矩水平或在该水平之上时， US5140170中的主动叶片桨距防止转子在高风速时超速。该扭矩限制系统简单且划算，但 是，可实现的较窄范围的可变转子速度（通常达到最小转子速度以上5 %的转子速度变化） 使得该扭矩限制系统在额定功率水平下，仅能通过恢复风速的瞬时波动期间存储的动能， 而不能增加能量捕获。这样的系统通常配置成使得能够在一定的风速下获得最佳TSR，并因 此获得峰值气动转子效率。在较低的风速下，转子速度比最佳TSR时理想的转子速度更快， 且在较高的风速下，转子速度比最佳TSR时理想的转子速度更慢。在较低的风速下比最佳 转子速度更快还意味着：在微风时，风力涡轮机将具有相对较高的切入风速以及相对较高 的涡轮机声级。
[0013] 在已经参照多个专利说明书、其他外部文件或其他信息源的此说明书中，这一般 是出于提供用于讨论本发明的特征的背景的目的。除非特别声明，否则，参照这样的外部文 件或这样的信息源不可以任何权限解释为：允许这样的文件或这样的信息源为本领域的现 有技术或形成部分公知常识。
[0014] 本发明的至少优选的实施例的一个目的是提供简单且划算的扭矩控制系统，限制 可变传动比以提供较低转子速度下的可变转子速度，使得具有连接电网的同步发电机的风 力涡轮机以持续改变的转子速度运行，且由此减小切入风速，减小微风下的涡轮机声级，以 及提高与接近恒定的转子速度风力涡轮机相比横跨更宽的风速范围的能量捕获，以及/或 为公众提供电气变速系统的一个有用的替代。


【发明内容】

[0015] 在第一方面，本发明可以说大致包括一种液压控制系统，用于控制发电系统的可 变比传动装置，所述发电系统包括转子或涡轮机以及发电机，所述转子或涡轮机适于由流 体驱动于可变速度，所述发电机适于驱动于恒定或可变速度，所述传动装置将所述转子或 涡轮机连接至所述发电机，所述液压控制系统包括：液压马达/泵单元，适于可操作地连接 至叠加齿轮；所述液压马达/泵单元连接至液压电路，所述液压电路包括节流孔和/或减压 阀，所述节流孔和/或减压阀配置成在预定的液压下打开，所述液压电路配置成在可变低 速运行模式和扭矩限制高速运行模式之间切换，其中，在所述扭矩限制高速运行模式中，所 述液压马达/泵单元适于由所述叠加齿轮驱动，且运行作泵，用于驱动液压流体通过所述 节流孔和/或减压阀，以提供被动扭矩限制功能，且其中，在所述可变低速运行模式中，所 述液压马达/泵单元适于作为马达驱动，以驱动所述叠加齿轮，且所述液压控制系统配置 成通过控制通过所述液压马达/泵单元的液压流体流率来提供理想的转子速度。
[0016] 在本发明的实施例中，所述液压马达/泵单元为正排量型。可选地，所述液压马达 /泵单元可为动态型。
[0017] 在本发明的实施例中，所述液压电路配置成响应于测量的所述液压电路中的液 压，或者响应于测量的所述传动装置上的扭矩，在所述可变低速运行模式和所述扭矩限制 高速运行模式之间切换。
[0018] 在本发明的实施例中，在所述可变低速运行模式中，响应于测量的所述液压电路 中的液压，或者响应于测量的所述传动装置上的扭矩，控制通过所述液压马达/泵单元的 所述液压流体流率。
[0019] 在本发明的实施例中，所液压控制系统进一步包括：可变排量供应泵，其中，在所 述可变低速运行模式中，所述可变排量供应泵配置成供应流体，以驱动所述液压马达/泵 单元为马达。所述可变排量供应泵可为电气驱动的。可选地，所述可变排量供应泵可配置 成由所述传动装置直接驱动。
[0020] 在本发明的实施例中，所述液压控制系统进一步包括：压力测量设备，该压力测量 设备设置成测量所述液压电路的高压区域中的压力。所述压力测量设备可包括传感器。
[0021] 在本发明的实施例中，所述液压电路限定第一流体路径和第二流体路径，所述第 一流体路径和第二流体路径分别限定所述可变低速运行模式和所述扭矩限制高速运行模 式中的流体流动。
[0022] 优选地，所述第一、第二流体路径为闭环路径。
[0023] 在本发明的实施例中，所述液压控制系统进一步包括控制器，该控制器配置成在 预定的液压下，在所述第一、第二流体路径之间切换所述液压电路。
[0024] 在本发明的实施例中，所述液压控制系统进一步包括用于在所述第一、第二路径 之间切换的至少一个电磁阀。
[0025] 第二方面，本发明可以说大致包括一种用于发电系统的可变比传动装置，所述传 动装置包括：传动输入，适于驱动于可变速度；传动输出，适于驱动于恒定或可变速度；以 及如关于以上第一方面概述的液压控制系统。
[0026] 在本发明的实施例中，所述传动装置包括：传动输入和所述传动输出之间的行星 齿轮设置，所述行星齿轮设置包括行星齿轮输入、行星齿轮输出、以及叠加齿轮，所述行星 齿轮输入可操作地连接至所述传动输入，所述行星齿轮输出可操作地连接至所述传动输 出。
[0027] 第三方面，本发明可以说大致包括一种发电系统，所述发电系统包括：转子或涡轮 机，适于驱动于可变速度；发电机，适于驱动于恒定或可变速度；以及如关于以上第二方面 概述的可变比传动装置，所述可变比传动装置连接所述转子或涡轮机和所述发电机。
[0028] 在本发明的实施例中，所述发电系统具有额定功率，且在所述可变低速运行模式 时，从所述发电系统输出的功率限制为小于或等于所述额定功率的约25%。
[0029] 在本发明的实施例中，所述转子或涡轮机在所述叠加齿轮的角速度为零时具有零 滑动速度，且在所述可变低速运行模式中，最小转子速度大于或等于所述零滑动速度的约 75%。
[0030] 在本发明的实施例中，所述发电系统具有额定功率，且所述液压控制系统元件实 现所述可变低速运行模式所需要的最大功率小于或等于所述发电系统额定功率的约5%。
[0031] 在本发明的实施例中，所述发电机为运行于更大的发电系统或电网设置的恒定速 度的同步发电机。可选地，所述发电机可为与电气变速系统结合的、运行于可变速度的异步 发电机。
[0032] 下面综述本发明的实施例，其在"【具体实施方式】"部分更详细的描述。所述传动 组装包括一种机械传动系统以及叠加齿轮，所述机械传动系统将所述转子连接至所述发电 机，所述叠加齿轮驱动正排量液压马达/泵单元或由所述正排量液压马达/泵单元驱动 (优选在流体压力和输出扭矩之间具有线性关系）。提供一种液压电路，在对应于两个不同 的运行模式的两个闭环流体路径之间可切换。所述液压电路和正排量马达/泵单元一起构 成所述液压控制系统。
[0033] 在所述第一运行模式（可变低速运行模式）中，所述正排量液压马达/泵单元运 行作马达，且由电气驱动可变排量液压泵供应的流体流动驱动，使所述转子能够运行于可 变低速。
[0034] 在所述第二运行模式（扭矩限制高速运行模式）中，所述正排量液压马达/泵单 元运行作泵，且驱动流体通过节流孔，引起所述传动装置大致零滑动，直至所述转子扭矩超 过预定级别，在所述预定级别，减压阀打开（被动操作）并允许通过所述正排量液压马达/ 泵单元的增加的流体流率，且因此，为了允许所述转子速度以此方式提高，以维持所述发电 机大致恒定的扭矩，允许所述传动组装滑动。
[0035] 所述可变比传动装置使得增加转子功率的可变转子速度成为可能，且因此使得较 低风速（尤其是在所述转子达到所述零滑动转子速度的点以下的风速）的能量捕获成为可 能，所述零滑动转子速度是所述正排量液压马达/泵单元稳定的转子速度。在此点之上的 风速下，所述可变比传动装置主要用作被动扭矩限制传动装置，且在高风速下，所述转子速 度小于最大能量捕获的最佳转子速度。
[0036] 主动液压控制环路提供成响应于所述液压的测量获得的扭矩来控制所述传动装 置。所述控制环路配置成提供在所述可变低速和扭矩限制高速运行模式之间切换的输出， 还用于控制运行于所述可变低速运行模式时的所述液压流体流率，设置所述液压马达/泵 单元的速度，且因此，设置所述可变低速运行模式时的所述转子速度。
[0037] 本说明书和权利要求中所用的术语"包括"意思为"至少部分由其组成"。当解释 包括术语"包括"的本说明书和权利要求的语句时，除了每个语句中用此术语做为开端的特 征外，还可存在其他特征。也可以类似的方式解释像"包含"以及"被包含"这样的相关术 语。
[0038] 目的在于：参考本文所公开的数字的范围（例如，1至10)也包含参考该范围内的 全部合理的数字（例如，1、1. 1、2、3、3. 9、4、5、6、6. 5、7、8、9和10)，以及该范围内的合理数 字的任意范围（例如，2至8、1.5至5. 5以及3. 1至4. 7)，且因此，本文明确公开的全部范 围的全部子范围以此方式明确公开。这些仅为特别意在仅示例的，且所列举的最小值和最 大值之间的数字值的全部可能的组合被认为以类似的方式明确规定在本申请中。
[0039] 本文中所用的名词后面的复数形式的意思为：多个和/或该名词的单数形式。
[0040] 本文中所用的术语"和/或"意思为"和"或"或"，或允许二者的情形。
[0041] 本发明以前述内容为主要部分，且其预想的结构在下面仅给出示例。

【专利附图】

【附图说明】
[0042] 现在将仅通过示例的方式并参照各附图描述本发明，其中：
[0043] 图1是已知的风力涡轮机转子的转子气动效率对叶尖速度比（TSR)的曲线图；
[0044] 图2是根据本发明一个实施例的包括液压控制系统HCS和传动装置的发电系统的 示意图；
[0045] 图3是根据本发明一个实施例的传动装置的液压控制系统的液压电路的示意图；
[0046] 图4是本发明一个实施例的转子和液压单元功率对风速的曲线图；
[0047] 图5是本发明一个实施例的转子和液压单元速度对风速的曲线图；
[0048] 图6是本发明一个实施例的转子和液压单元扭矩对风速的曲线图；
[0049] 图7是本发明一个实施例的转子和液压单元扭矩对转子速度的曲线图；
[0050] 图8是本发明一个实施例的液压单元功率、扭矩和速度对风速的曲线图；
[0051] 图9是本发明一个实施例的液压单元流率和风速对液压单元压差的曲线图；
[0052] 图10是根据本发明一个实施例的传动装置的液压控制系统的简化的控制逻辑 图；
[0053] 图11是根据本发明第二实施例的传动装置的液压控制系统的示意图；
[0054] 图12是根据本发明第三实施例的传动装置的液压控制系统的示意图；以及
[0055] 图13是为了清楚提供的显示了图4中示出的曲线图的一部分的细节D13的曲线 图。

【具体实施方式】
[0056] 参考图2,在像风力涡轮机这样的发电系统中，风力驱动的转子101的轴1向风力 涡轮机传动装置的固定比行星齿轮级PGS的行星架提供输入，该PGS包括多个行星齿轮5、 安装至传动装置外壳16的固定环齿轮6、以及太阳齿轮7。太阳齿轮7向该风力涡轮机传 动装置的固定比平行齿轮级FRPGS提供输入，该FRPGS包括齿轮8以及安装在输出轴2上 的小齿轮9。该固定比行星齿轮级PGS和固定比平行齿轮级FRPGS -起形成风力涡轮机的 两级固定比传动装置，可提供例如10或20比1的升压比。制动器13可操作连接至该平行 齿轮级的输出轴12,以提供制动转子101的手段。
[0057] 该平行齿轮级的输出轴2向风力涡轮机传动装置的该可变比行星齿轮级VREGS的 行星架提供输入。该可变比行星齿轮级包括多个行星齿轮10、环齿轮11以及太阳齿轮12。 太阳齿轮12驱动输出轴3,输出轴3通过单向离合器17可操作连接至连接电网的同步发电 机103。由于与该发电机连接的电网同步，该发电机103的速度维持恒定。
[0058] 这样的替代的齿轮布置是可能的：可包括不同数量的齿轮级，且所支持的元件可 连接至一些或全部齿轮级的不同的齿轮。输出轴1具有角速度，且该输出轴具有角速度 ω3。所描述的齿轮设置的实施例在提供较高的整体可变升压比ω3/ωι是有优势的，但是， 本发明不排除替代的齿轮设置。
[0059] 除了单向离合器17超限运转（over-runs)时，根据电网频率以及发电机103的极 数，以恒定的速度，例如，1200、1500、或1800rpm驱动输出轴3。该单向离合器可在例如以下 情况下超限运转：在风速的瞬时波动期间超限运转；或在转子101被制动器13制动快速停 止，但发电机103轴在从电网断电之后用一段时间休息时，仅因发电机本身的摩擦和风阻 损失而发生发电机减速时，随着该风力涡轮机的关闭超限运转。
[0060] 该行星齿轮级VREGS的环齿轮11可操作地连接至齿轮14,齿轮14可驱动安装至 轴4的小齿轮15,或由小齿轮15驱动。小齿轮轴4可以可变的速度驱动可逆液压单元104， 或可由可逆液压单元104以可变的速度驱动，可逆液压单元104可用作液压泵或马达。液 压单元104形成本发明一种实施例的液压控制系统HCS的一部分。
[0061] 来自角速度％的输入轴1与角速度ω3的主输出轴3的整体升压比在设计范围内 无级变速。可通过该行星齿轮级VREGS的环齿轮11实现可变传动比，该行星齿轮级VREGS 用作由液压马达/泵单元104以可变速度驱动或以可变速度驱动液压马达/泵单元104的 速度叠加齿轮。上下文中的叠加齿轮是该行星齿轮级VREGS的一个部件，包括三个旋转部 件，且其中一个部件可操作地连接至已知角速度ω 3的主输出轴3,另一个部件可操作地连 接至已知角速度ω2的输入轴2,使得假如叠加齿轮的角速度或输入轴2的角速度已知，可 通过叠加来计算叠加齿轮或输入轴2的角速度。在可选的实施例中，该输入轴、输出轴以及 叠加齿轮可操作地连接至该行星齿轮级VREGS的不同部件。环11和小齿轮轴4之间的包 括齿轮14和小齿轮15的第二平行齿轮级SPGS使此齿轮级的比可调，使得可利用快速可用 的液压马达/泵单元获得最佳速度和扭矩输出。整体可变升压比ω 3/ω^^设计范围可在 例如30比1和40比1之间。
[0062] 上述优选的实施例的传动装置具有三个滑动状态：负滑动状态、零滑动状态、以及 正滑动状态。在零滑动，液压马达/泵单元104的转速为零，该转子具有零滑动转子速度 ω1ζ_。只要足够的气动转子功率可用于将主输出轴3维持在连接电网的同步发电机103的 恒定的速度，且因此单向离合器17未超限运转，该传动装置具有零滑动转子速度。。负 滑动在实际转子速度比零滑动转子速度。慢时发生，且正滑动在实际转子速度 ωι 比零滑动转子速度快时发生。当运行于负滑动时，液压马达/泵单元104用作这样的马达： 弥补速度不足并提供反扭矩，以使从输入轴1向主输出轴3的功率传输成为可能。当运行 于正滑动时，液压马达/泵单元104用作这样的泵：调节较低的ω 3/ωι比并提供反扭矩，以 使从输入轴1向主输出轴3的功率传输成为可能。
[0063] 图3显示了第一优选的实施例的液压马达/泵单元104的液压电路，且其形成液 压控制系统HCS的部分。该液压电路具有高压侧HPS和低压侧LPS。如上面所讨论的，该传 动装置具有两个运行模式，液压马达/泵单元104用作泵的第一模式，以及单元104用作马 达的第二模式。当液压马达/泵单元104用作泵时，电磁阀23, 24处于图3中示出的断开 位置。液压电荷泵33和存储器34提供液压流体和系统压力。减压阀/泄压阀32确保以 恒定的充装压力将流体提供至液压马达/泵单元104的低压侧。低压蓄能器27设置用于 抑制该液压电路的低压侧的动态效应。
[0064] 当液压马达/泵单元104作为泵时，该传动装置提供用于将流体从液压马达/泵 单元104的低压侧泵到高压侧的输入功率。然后，在通过止回阀35、油冷器30、过滤器31 和电磁阀24返回到液压马达/泵单元104的低压侧之前，高压流体通过固定节流孔28和 减压阀29减缓到设定压力以上。减压阀29设置为在与液压马达/泵单元104上的上限扭 矩一致的预定压差下打开，该压差又等于主输出轴3上的上限扭矩。优选地，输出轴3上的 上限扭矩为该风力涡轮机的额定功率时的扭矩。
[0065] 当减压阀29关闭时，该传动装置基本上为刚性的，绝不是通过节流孔28和高压蓄 能器26的流体流动所提供的较小的柔度。通过节流孔28的流动允许较小的正滑动，高压 蓄能器26抑制该液压电路的高压侧上的动态效应。由于马达/泵单元104的速度的增加， 减压阀29响应于随着通过节流孔28的流体流率增加而增加的压力打开，从而提高正滑动， 且由此允许转子101的速度增加，而同时发电机103的速度保持恒定。
[0066] 当马达/泵单元104用作泵时，电马达22驱动的可变排量供应泵21提供存储器 34中的液压流体的冷却-存储器34中的液压流体在执行其他风力涡轮机液压功能（例如， 叶片桨距和机舱偏航功能）的过程中被加热。当激活可变排量泵21时，来自存储器34的 额外的流体通过止回阀36、供应泵21以及电磁阀23被吸入该液压电路。该流体通过油冷 器30、过滤器31以及第二电磁阀24循环。然后，任意额外的流体通过减压阀/泄压阀32 从该液压电路脱出，返回至系统存储器34,使得该液压电路的低压侧上的压力维持在减压 阀/泄压阀32设置的充装压力。
[0067] 当液压马达/泵单元104作为马达时，电磁阀23和24处于通电位置，与图3中画 出的位置相反。由电马达22驱动供应泵21，以将流体从供应泵21的低压侧泵到高压侧。 从供应泵21的高压侧的流体流动路径通过阀23、液压马达/泵单元104、阀24、止回阀25、 油冷器30、过滤器31以及阀24,以提供闭环电路。减压阀/泄压阀32在此运行模式下提 供一样的功能，以维持该电路的低压侧上设置的充装压力。通过节流孔28从该电路的高压 侧到低压侧存在较小的泄流，由于其旁路液压马达/泵单元104,这无助于有用的工作。由 于该传动装置运行在此模式时，压差较小，因此该泄流较小，且由此产生的功率损耗是可以 忽略的。
[0068] 设置压力传感器25以提供对该液压电路的高压侧上的液压流体压力的测量。由 于减压阀/泄压阀32将该电路的低压侧维持在设置的充装压力，可随时从传感器25得到 液压马达/泵单元104上的压差。液压马达/泵单元104上的压差用作测量的控制输入参 数，用于设置电磁阀23和24的位置，并因此选择该传动装置的运行模式。
[0069] 当液压马达/泵单元104用作马达时，该传动装置运行于负滑动，在本文中称为可 变低速运行模式。当液压马达/泵单元104用作泵时，该传动装置运行于正滑动，在本文中 称作扭矩限制高速运行模式。
[0070] 应理解，当运行于该可变低速运行模式时，需要马达22从可变排量供应泵21吸引 的电力形式的功率输入，且由发电机103恢复该功率输入（忽略损失）。还应理解，当运行 于该扭矩限制高速运行模式时，存在以热量形式消耗的功率耗费。忽略该发电机和该传动 装置的机械及液压系统中的低效，控制该风力涡轮机功率关系的等式可设置如下：
[0071] 马达功率：Ρ1(ι1 = ?\ · (1)
[0072] 液压马达 / 泵单元功率：Ρ1(ι4 = ?\ · (ω「ω1ζΜ。）= Τ4 · ω4 (2)
[0073] 发电机功率：Ρ1(Ι3 = Ρ^-Ρκ^ = Τ3 · ω3 (3)
[0074] 其中，?\为元件1的扭矩，Τ3为元件3的扭矩，且Τ4为元件4的扭矩，ω 3为元件3 的角速度，且ω4为元件4的角速度。现在将参照各图描述优选的实施例的传动装置的运行 特性。该传动装置在运行风速范围内具有四个运行区域。在各图中，这些区域用字母Α到 E表示。
[0075] 图4显示了示例的通过变速维持最大效率TSR(细实线）的风力涡轮机转子的典 型的转子功率对风速的曲线。也示出了具有恒定的转子速度的同样的风力涡轮机转子的转 子功率对风速的曲线（虚点线）。在此示例中，在大约9msH的风速，示出的恒定的转子速 度最佳，且该恒定的转子速度看做是零滑动转子速度ω 1zot。，是根据本发明的传动装置的运 行特性的论证。可选地，根据特定的风力涡轮机应用，该零滑动转子速度可在不同的风速和 不同的转子设计最佳。
[0076] 在第一运行区域A-B，优选的实施例的风力涡轮机转子101受控运行于其最小运 行速度，考虑机器低效、转子动态稳定性以及液压马达/泵单元104速度限制确定该最小运 行速度。在第二运行区域B-C，优选的实施例的风力涡轮机转子101受控运行于持续变速， 使得受可变排量供应泵21及其马达22的最大功率速度的限制，转子速度依赖于风速且对 于最大限度的能量捕获是最佳的。在区域A-B-C，液压马达/泵单元104运行作马达（可 变低速运行模式）。点C是零滑动运行条件，可在最佳TSR功率曲线之上，也可不在该最佳 TSR功率曲线之上。
[0077] 在贯穿第三、第四区域C-D-E的更高的风速，液压马达/泵单元104用作泵（扭矩 限制高速运行模式）。在区域C-D-E，用较窄范围的速度控制被动控制风力涡轮机转子101。 由于风湍流，在区域D-E中的风力涡轮机转子101额定速度设置点之上会发生瞬时转子过 速TOS;但是，这样的过速事件的量级由该转子桨距控制系统维持在可接受的限制内。
[0078] 随着风速的提高以及到达点D，减压阀29将打开，且高压流体将通过固定节流孔 28也通过减压阀29减压。
[0079] 液压马达/泵单元104必须从该传动装置提取功率或向该传动装置供应功率。如 等式（2)所描述的，提取（或供应）的功率为转子扭矩和速度的函数。图4中所示的净功 率（大的虚线）是有用的转子功率，在可变低速运行模式中，从发电机103功率减去液压马 达/泵单元104输入功率计算该净功率，忽略低效。这显示了在点C以下的风速下、以及相 对于恒速的同样的风力涡轮机转子的较低切入风速下，增加的能量捕获。图13显示了图4 的细节D13的放大。
[0080] 液压马达/泵单元104优选地为恒定排量类型，且因此呈现每单元压差恒定 的扭矩。可变比行星齿轮级VREGS控制液压马达/泵单元104的速度与转子滑动速度 成比例。因此，与转子和液压马达/泵单元1〇4相关的速度、扭矩和液压 /流量特性可从下式导出：
[0081] 无量纲转子滑动速度：％ slip = (ω「ω1ζΜ。）· l〇〇/c〇lzer。 (4)
[0082] 液压马达/泵单元速度：ω4 = K · % slip (5)
[0083] 液压马达/泵单元压差：P1Q4 = T4/C (6)
[0084] 液压马达/泵单元体积流率：q1(l4 = W · ω4 (7)
[0085] 其中，上述常量定义为：
[0086] Κ =每百分之转子滑动的液压马达/泵单元104角速度
[0087] C =每单元压差的液压马达/泵单元104扭矩
[0088] W =每单元角位移的液压马达/泵单元104体积排量
[0089] 可通过使用现有的齿轮比关系的传动装置的齿轮设计获得理想的常量Κ的值。常 量C和W为所选的液压马达/泵单元104的属性。对于特定的风力涡轮机应用，根据对该 马达/泵单元的速度和功率需要、关于最大液压系统压力的限制、可变转子速度的范围以 及该传动装置需要的比、以及零滑动转子速度的选择，选择常量Κ和特定的液压马达/泵单 J Li 〇
[0090] 图5、图6和图7显示优选的实施例的传动装置的根据等式（1)至（7)的速度和扭 矩关系。在该可变低速运行模式中，在区域A至C内，假定供应至液压马达/泵单元的最大 功率限制为额定风力涡轮机功率输出的3%。这表示可由供应泵21及其马达22供应的功 率上的实际限制，给出相对于前述的由于随着达到该最佳TSR(见图1)增加的转子效率而 在能量捕获中的增加的增量提高，泵21和马达22的花费。在示出的示例中，该功率限制具 有对需要比区域B-C部分的该最佳TSR速度稍微更快的转子101速度的影响。
[0091] 本发明可通过使用此功率限制实现更划算的解决方案，以比通过具有增量次优转 子能量捕获所牺牲的节约更多的资本成本值以及液压系统损耗。
[0092] 参照图8和9,现将描述传动装置控制参数。在该可变低速运行模式（区域A-B-C) 中，通过控制可变排量供应泵21向液压马达/泵单元104供应的流体的流率来控制风力涡 轮机转子101速度。在此运行模式中，该风力涡轮机控制系统使用测量的液压马达/泵单 元104压差作为单元104反扭矩的直接测量，且然后，该反扭矩或压力值用于设置期望的转 子101速度的液压马达/泵单元104速度。在该扭矩限制高速运行模式（区域C-D-E)中， 由该液压电路被动控制该风力涡轮机。该传动装置控制参数因此为液压马达/泵单元101 扭矩（或压力）。
[0093] 图9显示了液压流体流动控制关系，可例如由风力涡轮机控制器通过查找表或函 数的方式实现，以用于将供应泵流率设置为液压马达/泵单元压差的函数，由高压传感器 25测量该液压马达/泵单元的压差。液压马达/泵单元104和供应泵21之间的较小的流 率之间的差是由于运行于可变低速运行模式时通过节流孔28的泄流。
[0094] 该风力涡轮机控制系统也采用具有对应于额定功率下期望的转子速度的转子速 度设置点（点D)的叶片桨距控制。因此，在整个区域A-B-C以及C-D的大部分区域，叶片 通常为全桨距。叶片桨距活动通常仅发生在额定功率及额定功率以上，叶片水平（feather) 以限制最大转子速度。
[0095] 使用来自传感器25的压力，此控制系统消除了为了控制该可变低速运行模式中 的可变比传动装置的目的而对测量风速或轴速的需要。比液压流体流动控制所设置的响应 速率更快的速率发生的风速波动以及因此的转子功率和扭矩波动开始，这些仅将引起该转 子暂时运行于与该设计特性略有不同的扭矩和速度组合。实际上，考虑风速波动的速率、可 获得的转子加速和减速的速率、以及对通过可变排量液压供应泵21改变的液压流体流动 的速率的实际限制，设置液压流体流动控制系统的响应速度。
[0096] 图10示出了由图3的液压电路控制的传动装置的简化的控制逻辑。图10的流程 中的字母"B"和"C"指的是在图9中的点B和C。将以任意合适类型的控制器实现该控制 逻辑，像例如可编程逻辑控制器或可编程微处理器这样的。使用电磁阀23和24在两个运 行模式（可变低速和扭矩限制高速）之间切换。当激活该可变低速运行模式时，通过响应 于从在高压传感器25测量的液压获得的液压马达/泵单元104压差设置可变排量供应泵 21流率，来控制转子速度以及因此产生的功率。
[0097] 参照图10,现将描述该控制逻辑。当该风力涡轮机运行标志201为使能时，测量风 速，且如果测量的风速203比编程的切入风速更大，进入启动例程205。在该启动例程中，激 活可变低速运行模式207,该风力涡轮机桨距控制算法的转子速度命令输入设置为最小运 行转子速度209,供应泵21流率设置为其与该最小运行转子速度对应的最大液压流率211， 且当该转子速度足够稳定且受控使得该发电机和公用电网相位角和频率之间的测量误差 值在编程的限制213内时，发电机并网接触器关闭，以同步215该发电机和电网。
[0098] 随着启动例程205的完成进入发电模式217。在该发电模式，该风力涡轮机桨距控 制算法的转子速度命令设置为额定（最大额定）转子速度219。根据测量的液压与编程的 压力设置点C的比较，选择扭矩限制高速运行模式227或可变低速运行模式229。为了防 止在测量的液压在压力设置点C附近波动时在该扭矩限制高速运行模式和该可变低速运 行模式之间过多切换，设置磁滞回线221。在磁滞回线221内，如果测量的液压小于压力设 置点C减去滞后余量223,那么进入可变低速运行模式229,且如果该测量的液压大于压力 设置点C加上滞后余量225,那么进入扭矩限制高速运行模式227。条件223和225的顺序 意味着：如果测量的液压在压力设置点C附近的磁滞带内，那么假设该涡轮机运行标志247 保持使能，运行模式（扭矩限制高速或可变低速）将保持不变，且将以编程循环频率再测量 滞后条件221。
[0099] 在扭矩限制高速运行模式227内，如果之前的程序周期激活了该可变低速运行模 式231，那么，通过切换电磁阀23和24取消激活该可变低速运行模式233,且如果在之前 的程序周期未激活该可变低速运行模式231，那么，保持这个真状态。在可变低速运行模式 229内，如果在之前的程序周期内激活了该可变低速运行模式235,那么，直接进入可变低 速控制模式239,否则，通过切换电磁阀23和24激活可该变低速运行模式237,且然后进入 可变低速控制模式239。在可变低速控制模式239中，如果测量的液压小于编程的压力设置 点B (条件241)，那么，供应泵21液压流率设置为其对应于该最小运行转子速度的最大流率 245。否则，对于可变转子速度，供应泵21液压流率作为测量的液压的函数改变243。
[0100] 假如风力涡轮机运行标志247保持使能，且将继续满足图10中未描述的其他条 件，例如，测量的风速保持在切入风速之上，以及假如未激活错误或告警条件，通常，将以编 程循环频率重复图10的步骤219至247描述的发电模式217控制逻辑过程。如果涡轮机 运行标志247为禁用，那么，通过关闭例程249关闭该风力涡轮机。
[0101] 图3说明了根据本发明的一个优选实施例的传动装置的液压控制系统的液压电 路。图11和图12显示了可选实施例的液压电路，且相同的标号表示相同的部件。除非下 文描述了，各电路的运行如上面所描述的，且那些实施例的控制将如图10中的那样。
[0102] 在图11示出的实施例中，重构的液压电路允许通过一个电磁阀38取代第一个实 施例的两个电磁阀23和24,以及额外的止回阀37和39用于防治逆流。图11显示了电磁 阀38处于断开位置，对应于该扭矩限制高速运行模式。在此运行模式，该液压电路的运行 如关于图3所描述的。当通过将电磁阀38切换为与图11示出的相反的位置选择该可变低 速运行模式时，该电路从图3中的运行改变，在图3的运行中，油冷器30和过滤器31位于 液压马达/泵单元104的入口端上，这是该液压电路的高压侧。
[0103] 对液压冷却器和过滤器元件的实际的压力限制意味着：具有图11示出的结构的 液压电路的该传动装置可具有运行于该可变低速运行模式时的最大压力限制。这样的压力 限制应为：该传动装置在较低的压力下应从可变低速运行模式切换到扭矩限制高速运行模 式，且因此，较低的转子扭矩和较低的风速可另外选择为切换之上点。可容易地利用等式1 至7计算对可变低速运行特性的影响，且可看到，图4上的C点应为较低的风速，且在对应 于该零滑动转子速度的功率曲线上，但不一定在该最佳TSR功率曲线上。
[0104] 图12中示出了液压电路的另一个可选的实施例。在该实施例中，已去除图3中示 出的第一个实施例的两个电磁阀23和24,且在可变低速和扭矩限制高速运行模式之间改 变不再需要电磁阀切换。在此可选的实施例中，以之前实施例描述的同样的方式控制可变 排量液压供应泵21，且止回阀39和40防止逆流，使得在供应泵21输送的流量不为零时，该 传动装置将运行于可变低速运行模式。当供应泵21流率设置为零时，被动选择该扭矩限制 高速运行模式。
[0105] 在图12的实施例中，供应泵21不能如图3的实施例中那样在该扭矩限制高速运 行模式中执行液压冷却泵功能。因此，可使用额外的泵提供此功能。额外的油冷器41在此 实施例中是必须的，因为在闭环（图12的上部分环路）中未设置在运行于可变低速运行模 式时形成主液压流体流动路径的其他的液压冷却。该液压电路的此部分中的热量生成仅由 于液压马达/泵单元104和可变排量液压供应泵21的损耗，因此，油冷器41可比该扭矩限 制电路（图12的下部环路）的油冷器30更小。
[0106] 本发明各优选的实施例提供可配置用于提供风力涡轮机和类似应用的变速传动 装置最理想的特征的可变低速运行模式：由于更低的转子速度和更低的切入风速，在微风 时增加的能量捕获，以及微风时因此减少的噪声级。本发明各优选的实施例可配置用于特 定的应用，使得通过选择合适的零滑动转子速度和功率以及该可变低速运行模式中的转子 速度限制，最大限度提高生命周期内每单元能量捕获成本的净效益。通常，该可变低速运行 模式可激活高达额定功率的约25 %，且该可变低速运行模式中的最小转子速度可为该零滑 动转子速度的约75%。通常可将该液压马达/泵单元在该可变低速运行模式中提供的最 大液压功率限制在额定功率的约5 %，允许在强制执行此限制时，该转子TSR与该最佳TSR 略有不同。可考虑任意特定的已知的风速分布下给出的量化的生命周期每单元能量捕获成 本，进行这些参数的选择。
[0107] 已仅通过示例的方式描述了本发明各优选的实施例，且可不脱离本发明的范围做 出其修改。
[0108] 例如，可替代电马达22,直接从该传动装配机械驱动（例如，驱动轴或带驱动）图 3、图11或图12中的可变排量液压供应泵21。如果可以比示出的电马达和泵结构更低的成 本包含驱动泵21需要的额外的传动系统复杂度，对于特定的应用机械驱动可为优选。
[0109] 虽然已经将液压控制系统HCS描述为与风力涡轮机一体成型，该液压控制系统可 替代地加装到现有的风力涡轮机的传动装置上，以改进其性能。
[0110] 作为另一个示例，虽然将该液压马达/泵单元描述为正排量型，其可替换为动态 型。
[0111] 作为另一个示例，虽然运行模式之间的切换以及控制在该可变低速运行模式中通 过该液压马达/泵单元的液压流体流率，描述为响应测量的液压发生，还可根据不同的测 量参数进行，像例如测量的转子速度或风速这样的测量参数。但是，根据测量的液压的自动 模式切换以及可变低速控制是优选的，因为液压实际上是扭矩的直接测量，比转子速度在 气动转子功率中的改变更快速的响应。此外，通常通过一个位置上（典型地，在风力涡轮机 机舱上）的风速计提供风速测量，其提供对不总是准确表示该转子净功率的等量风速的风 速的测量。精确以及低成本的液压传感器随时可用，使得基于液压的测量的控制实际且划 算。
[0112] 虽然已经通过风力涡轮机应用的示例描绘了本发明，该发电系统和液压控制系统 HCS可应用到任意其他转子或涡轮机驱动发电源，其中，必须顾及到湍流引起的扭矩波动， 和/或机械变速对于提高的能量捕获是理想的。潮汐流发电机是这样的发电源的另一个示 例。
[0113] 对于本发明所涉及的领域的技术人员，可建议其本发明结构中的许多改变以及各 种改变的实施例和应用，而不脱离所附权利要求所限定的本发明的范围。本文的公开和描 述完全是说明性的且不用于任何意义上的限制。在本文中提到了在本发明所涉及的领域存 在已知的等效替代的特定的整数，如单独规定的，这样的已知的等效替代被认为并入本文。
【权利要求】
1. 一种液压控制系统，用于控制发电系统的可变比传动装置，所述发电系统包括：转 子或涡轮机以及发电机，所述转子或涡轮机适于由流体驱动于可变速度，所述发电机适于 驱动于恒定或可变速度，所述传动装置将所述转子或涡轮机连接至所述发电机，所述液压 控制系统包括：液压马达/泵单元，适于可操作地连接至叠加齿轮；所述液压马达/泵单元 连接至液压电路，所述液压电路包括节流孔和/或减压阀，所述节流孔和/或减压阀配置 成在预定的液压下打开，所述液压电路配置成在可变低速运行模式和扭矩限制高速运行模 式之间切换，其中，在所述扭矩限制高速运行模式中，所述液压马达/泵单元适于由所述叠 加齿轮驱动，并且运行作泵以用于驱动液压流体通过所述节流孔和/或减压阀，以提供被 动扭矩限制功能，且其中，在所述可变低速运行模式中，所述液压马达/泵单元适于作为马 达被驱动，以驱动所述叠加齿轮，且所述液压控制系统配置成通过控制通过所述液压马达/ 泵单元的液压流体流率来提供理想的转子速度。
2. 如权利要求1所述的液压控制系统，其中，所述液压马达/泵单元为正排量型。
3. 如权利要求1或2所述的液压控制系统，其中，所述液压电路配置成响应于测量的所 述液压电路中的液压，或者响应于测量的所述传动装置上的扭矩，在所述可变低速运行模 式和所述扭矩限制高速运行模式之间切换。
4. 如权利要求1所述的液压控制系统，其中，在所述可变低速运行模式中，响应于测量 的所述液压电路中的液压，或者响应于测量的所述传动装置上的扭矩，控制通过所述液压 马达/泵单元的所述液压流体流率。
5. 如权利要求1至4中任一项所述的液压控制系统，进一步包括：可变排量供应泵，其 中，在所述可变低速运行模式中，所述可变排量供应泵配置成供应流体，以驱动所述液压马 达/泵单元作为马达。
6. 如权利要求5所述的液压控制系统，其中，所述可变排量供应泵为电气驱动的。
7. 如权利要求5所述的液压控制系统，其中，所述可变排量供应泵配置成由所述传动 装置直接驱动。
8. 如前述权利要求中任一项所述的液压控制系统，进一步包括：压力测量设备，该压 力测量设备设置成测量所述液压电路的高压区域中的压力。
9. 如权利要求8所述的液压控制系统，其中，所述压力测量设备包括传感器。
10. 如前述权利要求中任一项所述的液压控制系统，其中，所述液压电路限定第一流体 路径和第二流体路径，所述第一流体路径和第二流体路径分别限定所述可变低速运行模式 和所述扭矩限制高速运行模式中的流体流动。
11. 如权利要求10所述的液压控制系统，其中，所述第一、第二流体路径为闭环路径。
12. 如权利要求10或11所述的液压控制系统，进一步包括控制器，该控制器配置成在 预定的液压下，在所述第一、第二流体路径之间切换所述液压电路。
13. 如权利要求10至12中任一项所述的液压控制系统，进一步包括用于在所述第一、 第二路径之间切换的至少一个电磁阀。
14. 一种用于发电系统的可变比传动装置，所述传动装置包括： 传动输入，适于驱动于可变速度； 传动输出，适于驱动于恒定或可变速度；以及 如权利要求1至10中任一项所述的液压控制系统。
15. 如权利要求15所述的可变比传动装置，其中，所述可变比传动装置包括：传动输入 和所述传动输出之间的行星齿轮设置，所述行星齿轮设置包括行星齿轮输入、行星齿轮输 出、以及叠加齿轮，所述行星齿轮输入可操作地连接至所述传动输入，所述行星齿轮输出可 操作地连接至所述传动输出。
16. -种发电系统，包括： 转子或涡轮机，适于驱动于可变速度； 发电机，适于驱动于恒定或可变速度；以及 如权利要求14或15所述的可变比传动装置，连接所述转子或涡轮机以及所述发电机。
17. 如权利要求16所述的发电系统，其中，所述发电系统具有额定功率，且在所述可变 低速运行模式时从所述发电系统输出的功率限制为小于或等于所述额定功率的约25%。
18. 如权利要求16或17所述的发电系统，其中，所述转子或涡轮机在所述叠加齿轮的 角速度为零时具有零滑动速度，且在所述可变低速运行模式中，最小转子速度大于或等于 所述零滑动速度的约75%。
19. 如权利要求16至18中任一项所述的发电系统，其中，所述发电系统具有额定功率， 且所述液压控制系统元件实现所述可变低速运行模式所需要的最大功率小于或等于所述 发电系统额定功率的约5%。
20. 如权利要求16至19中任一项所述的发电系统，其中，所述发电机为运行于由更大 的发电系统或电网设置的恒定速度的同步发电机。
【文档编号】F03D7/04GK104066977SQ201280063303
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2012年12月11日 优先权日:2011年12月20日
【发明者】杰弗里·摩根·亨德松, 彼得·约翰·斯科特, 马修·詹姆斯·西尔韦斯特, 理查德·詹姆斯·特鲁德吉安 申请人:文德浮洛科技有限公司