風輪發電機和潮流發電機及其操作方法

2023-06-02 21:35:06 2

專利名稱：風輪發電機和潮流發電機及其操作方法
技術領域：
本發明涉及一種風輪發電機和潮流發電機以及該風輪發電機的操作方法，風輪發 電機和潮流發電機將轉子的旋轉能經由具有液壓泵和液壓馬達的組合的流體傳動裝置傳 輸到發電機。
背景技術：
近年來，從保護環境的視角看，使用可再生能源式渦輪發電機諸如利用風能的風 輪發電機和利用潮流的潮流發電機正變得流行。
在渦輪發電機中，風輪發電機將風的動能轉化成轉子的旋轉能並進一步通過發電 機將轉子的旋轉能轉化成電功率。在普通的風輪發電機中，轉子的轉速大約為每分鐘幾轉 到每分鐘幾十轉。同時，發電機的額定速度通常為1500rpm或1800rpm,因而將機械變速箱 設置在轉子與發電機之間。具體地，通過變速箱將轉子的轉速增加到發電機的額定速度，然 後輸入到發電機。
近年來，因為風輪發電機正變得更大以提高發電效率，所以變速箱趨於變得更沉 重和更昂貴。因而，配備採用可變容量式的液壓泵和液壓馬達的組合的液壓傳動裝置的風 輪發電機正在得到更多關注。
例如，專利文獻I公開了一種使用液壓傳動裝置的風輪發電機，該液壓傳動裝置 包括由轉子旋轉的液壓泵和連接到發電機的液壓馬達。在該風輪發電機的液壓傳動裝置 中，液壓泵和液壓馬達經由高壓容器和低壓容器相連。由此，轉子的旋轉能經由液壓傳動裝 置傳輸到發電機。另外，液壓泵由多組活塞和缸以及凸輪構成，該凸輪使多個活塞在缸中周 期性地往復。
另外，專利文獻2描述了一種採用液壓傳動裝置的風輪發電機，該液壓傳動裝置 由通過轉子旋轉的液壓泵、連接到發電機的液壓馬達以及布置在液壓泵與液壓馬達之間的 工作油路徑構成。在該風輪發電機的液壓傳動裝置中，液壓泵由多組活塞和缸、使活塞在缸 中周期性往復的凸輪以及利用活塞的往復打開和關閉的高壓閥和低壓閥構成。通過將活塞 鎖閉在上死點附近，由缸和活塞包圍的工作室無效，然後液壓泵的排量改變。
儘管液壓泵和液壓馬達不是可變排量式的，但是專利文獻3公開了一種具有液壓 泵和液壓馬達的風輪發電機。專利文獻3的風輪發電機通過調節將從液壓泵供應到液壓馬 達的工作油的壓力來維持發電機的轉速恆定。在該風輪發電機中，液壓泵的排出側經由塔 架的用作高壓儲罐的內部空間連接到液壓馬達的進口側，而液壓泵的進口側經由布置在塔 架下方的低壓儲罐連接到液壓馬達的排出側。
引用列表
專利文獻
專利文獻1:US 2010/0032959
專利文獻2 :US 2010/0040470
專利文獻3 :US 7436086 B發明內容
技術問題
此處，將風輪發電機和潮流發電機稱為可再生能源式發電機。在可再生能源發電 機之中，在風輪發電機中，取決於風速或潮流的流速，轉子的產生最大輸出的轉速不同。要 實現最大的發電效率，必須根據風速來改變轉子的轉速。從該視角看，在配備機械式(齒輪 式)的變速箱的傳統風輪機中，換流器布置在發電機與電網之間並且通過控制該換流器來 改變轉子的轉速。該變速操作方法普遍使用。
同時，專利文獻I到3公開了配備液壓傳動裝置的風輪機。然而，專利文獻I到3 都沒有提出用以提高發電效率的具體控制。目前沒有為提高發電效率而設立的操作方法。
鑑於上述問題，本發明的目的是提供一種配備液壓傳動裝置並且實現優良發電效 率的風輪發電機和潮流發電機及其操作方法。
問題的解決方案
本發明提出一種風輪發電機或潮流發電機，該風輪發電機或潮流發電機包括轂； 主軸，其聯接到該轂；發電機，其將從主軸傳輸的旋轉能轉化成電功率；可變排量式的液壓 泵，其通過主軸驅動；可變排量式的液壓馬達，其連接到該發電機；高壓油管，其布置在液 壓泵的排出側與液壓馬達的進口側之間；低壓油管，其布置在液壓泵的進口側與液壓馬達 的排出側之間；以及控制單元，其與泵控制器和馬達控制器通信，該泵控制器調節液壓泵的 排量Dp，該馬達控制器調節液壓馬達的排量Dm，其中泵控制器設定液壓泵的目標扭矩，然後 基於該目標扭矩和高壓油管中的工作油的壓力來設定液壓泵的排量Dp，並且其中馬達控制 器基於液壓泵的排出量Qp來設定液壓馬達的排量Dm，使得發電機的轉速變得恆定，液壓泵 的排出量Qp由排量Dp獲得。
在該風輪發電機或潮流發電機中，泵控制器設定液壓泵的目標扭矩，然後基於該 目標扭矩和高壓油管中的工作油的壓力來設定液壓泵的排量Dp，以便控制該液壓泵，其中 在該目標扭矩下，功率係數變得最大。由此，發電效率得以提高。
另外，馬達控制器基於液壓泵的排出量Qp來設定液壓馬達的排量Dm，使得發電機 的轉速變得恆定，並且液壓泵的排出量Qp由排量Dp獲得。因此，即使當液壓泵的目標扭矩 改變時，發電機的轉速也能夠保持恆定。由此，發電機能夠產生具有恆定頻率的電功率。
此外，由泵控制器使用的用以設定液壓泵的排量Dp的「高壓油管中的工作油的壓 力」可以是工作油的壓力的實際測量值或者可以是設定值(目標壓力)。
上述風輪發電機或潮流發電機可進一步包括測量主軸的轉速的轉速計，其中泵控 制器根據由該轉速計測量的主軸的轉速來設定目標扭矩，在該目標扭矩下，功率係數變得 最大。
目標扭矩根據由轉速計測量的主軸的轉速來設定，並且利用該目標扭矩來控制液 壓傳動裝置，其中在該目標扭矩下，功率係數變得最大。由此，風輪發電機或潮流發電機的 發電效率得以提高。另外，能夠高精度地測量主軸的轉速，因而基於所測量的主軸的轉速， 能夠適當地控制液壓泵。
可替代地，風輪發電機或潮流發電機可進一步包括測量風速的風速計或速度計， 並且泵控制器可從所測量的風速或潮流的速度來獲得目標扭矩，在該目標扭矩下，功率係數變得最大。
以這種方式，能夠從由風速計測量的風速或由速度計測量的潮流的速度來獲得目 標扭矩，在該目標扭矩下，功率係數變得最大。所獲得的目標扭矩用於控制液壓傳動裝置以 便改進風輪發電機或潮流發電機的發電。
在風輪發電機或潮流發電機中，還優選液壓泵和液壓馬達中的每一個包括多個油 室、凸輪、高壓閥以及低壓閥，所述多個油室中的每一個油室由缸和在該缸中以滑動方式移 動的活塞包圍，該凸輪具有與活塞形成接合的凸輪輪廓，所述高壓閥中的每一個高壓閥打 開和關閉油室中的每一個油室與高壓油管之間的連通路徑，所述低壓閥中的每一個低壓閥 打開和關閉油室中的每一個油室與低壓油管之間的連通路徑，並且泵控制器控制液壓泵的 無效油室與所有的油室的比率以便調節液壓泵的排量Dp，無效油室保持為使得在液壓泵的 活塞從下死點開始、到達上死點並且返回到下死點的循環期間，液壓泵的高壓閥保持關閉， 且液壓泵的低壓閥保持打開，並且馬達控制器控制液壓馬達的無效油室與所有的油室的比 率以便調節液壓馬達的排量Dm，無效油室保持為使得在液壓馬達的活塞從下死點開始、到 達上死點並且返回到下死點的循環期間，液壓馬達的高壓閥關閉，且液壓馬達的低壓閥保 持打開。
每個油室(工作室或無效室)的狀態能夠在活塞完成一組向上和向下運動的每個 循環中進行切換。因此，通過改變無效油室與所有油室的比率能夠迅速改變液壓泵和液壓 馬達的排量。此外使用部分無效的油室是可能的，在所述部分無效的油室中，高壓閥打開以 用於向上或向下運動的一部分(不是全部)，而低壓閥打開以用於向上或向下運動的其餘 的大部分。
風輪發電機或潮流發電機可優選構造為使得液壓泵的凸輪是環凸輪，其環形地布 置在主軸的外周上並且具有凸輪輪廓，該凸輪輪廓限定多個具有繞主軸交替布置的多個凹 部和凸部的波形部，並且液壓馬達的凸輪是偏心凸輪，其相對於與發電機聯接的液壓馬達 的輸出軸的軸心偏心地布置。
在典型的風輪發電機中，轉子的轉速大約為每分鐘幾轉到每分鐘幾十轉，而發電 機的額定速度通常為1500rpm或1800rpm。因而，在具有液壓泵和液壓馬達的液壓傳動裝置 中，需要將轉子的旋轉增大大約100倍以傳輸到發電機。此處，液壓傳動裝置的增速比由液 壓泵的排量Dp與液壓馬達的排量Dm的比率決定。也就是說，液壓泵的排量Dp必須設定為 比液壓馬達的排量Dm大約大100倍。通過使每個缸的容積較大或提供更多的缸能夠增加 液壓泵的排量。然而，這導致液壓泵的尺寸大約變大100倍。
鑑於此，選擇具有凸輪輪廓的環凸輪作為液壓泵的凸輪，該凸輪輪廓限定多個具 有交替布置的多個凹部和凸部的波形部。由此，當主軸完成一圈旋轉時，液壓泵的活塞中的 每一個活塞完成多組的向上和向下運動。由此，能夠獲得具有高增速比的液壓傳動裝置。
在上述的風輪發電機或潮流發電機中，優選液壓泵的高壓閥是僅允許流體從油室 流向高壓油管的止回閥，而液壓泵的低壓閥是常開式電磁操作的面密封閥，並且對於液壓 泵的除無效油室之外的油室，泵控制器在液壓泵的活塞到達下死點時或之後關閉低壓閥並 且通過油室與低壓油管之間的壓力差來保持低壓閥關閉，以便減小緊接在通過泵控制器關 閉低壓閥之後保持低壓閥關閉所需的電功率。
如上所述，液壓泵的高壓閥是止回閥，因而在液壓泵的活塞從下死點開始並且到達上死點的循環期間，油室中的工作油被壓縮。由此，油室中的壓力變得高於高壓油管中的 壓力，從而致使高壓閥自動打開。因而，無需主動地控制高壓閥。另外，液壓泵的高壓閥是 具有比電磁閥的結構簡單的結構的止回閥，因而能夠使液壓泵的尺寸更小。
此外，當控制液壓泵的除無效油室之外的油室中的高壓閥和低壓閥的打開和關閉 時，超過緊接在活塞到達下死點之後的點，低壓閥便通過油室與低壓油管之間的壓力差關 閉。由此，能夠節省用於保持低壓閥關閉的電功率。
在風輪發電機或潮流發電機中，優選液壓馬達的高壓閥是面密封電磁閥並且液壓 馬達的低壓閥是面密封電磁閥，並且對於液壓馬達的除無效油室之外的油室，馬達控制器 在液壓馬達的活塞即將到達上死點時關閉低壓閥，然後以此順序打開高壓閥，然後維持低 壓閥關閉，直至液壓馬達的活塞即將到達下死點時，並且馬達控制器將高壓閥鎖閉在打開 狀態中，直至低壓閥即將重新打開時。
如上所述，在液壓馬達的活塞到達上死點之後，高壓閥鎖閉在打開狀態中，直至活 塞即將到達下死點時。由此，能夠將高壓閥鎖閉在打開狀態中，同時節省用於激勵高壓閥的 電功率。
風輪發電機或潮流發電機可進一步包括槳距驅動機構，該槳距驅動機構調節安裝 在轂上的葉片的槳距角，並且控制單元可控制該槳距驅動機構，使得風輪發電機或潮流發 電機的輸出不超過額定輸出。
由此，在其中以等於或高於額定風速並且低於切出風速的風速下執行發電的額定 操作中，發電機20能夠產生指定量的電功率輸出(額定輸出)。
另外，額定風速意是通過發電機獲得額定輸出所需的風速，而切出風速是停止發 電機以確保風輪發電機的安全所需的風速。例如，額定風速可設定為大約lOm/s，而切出風 速可設定為25m/s。
風輪發電機或潮流發電機可進一步包括勵磁器，該勵磁器通過改變發電機的轉子 中的勵磁電流來調節在發電機的定子中產生的功率的功率因數，該發電機是電磁同步發電 機。
如上所述，發電機是電磁同步發電機並且勵磁器還設置為通過改變勵磁電流來調 節功率勵磁電流(power field current)的功率因數。由此，能夠將調節到預期功率因數 的優質電功率供應到電網。
此外風輪發電機或潮流發電機可進一步包括旁通油管，其布置在高壓油管與低 壓油管之間以繞過該液壓馬達；以及安全閥，其布置在該旁通油管中以維持高壓油管的液 壓壓力不超過標定壓力，其中泵控制器消除無效油室以使液壓泵的排量Dp最大，以便將高 壓油管中的壓力升高到安全閥的標定壓力並且降低主軸的轉速。
如上所述，將液壓泵的排量調節為增加液壓泵的排量Dp以及增加高壓油管中的工 作油的壓力。由此，能夠提高用於旋轉液壓泵所需的扭矩(=液壓泵的排量DpX高壓油管 中的工作油的壓力)。由此，能夠迅速地降低主軸的轉速。
在上述風輪發電機或潮流發電機中，還優選液壓泵和液壓馬達中的每一個包括多 個油室、凸輪、高壓閥以及低壓閥，所述多個油室中的每一個油室由缸和在該缸中以滑動方 式移動的活塞包圍，該凸輪具有與活塞形成接合的凸輪輪廓，所述高壓閥中的每一個高壓 閥打開和關閉油室中的每一個油室與高壓油管之間的連通路徑，所述低壓閥中的每一個低壓閥打開和關閉油室中的每一個油室與低壓油管之間的連通路徑，並且泵控制器通過控制 如下時段來調節液壓泵的排量Dp，即在該時段期間，液壓泵的低壓閥保持關閉，而液壓泵 的活塞從下死點移動到上死點，並且馬達控制器通過控制如下時段來調節液壓馬達的排量 Dffl,即在該時段期間，液壓馬達的高壓閥保持打開，而液壓馬達的活塞從上死點移動到下死
由此，與改變無效油室與所有的油室的數量的情形不同，液壓泵和液壓馬達的排 量能夠在可變範圍內連續地(不離散地)改變。
此外，在液壓泵和液壓馬達的操作期間，當用於改變排量的信號通過泵控制器或 馬達控制器被傳輸時，無論活塞在油室中的每一個油室內定位在何處，液壓泵和液壓馬達 的排量都能夠立即改變。
在此情形中，風輪發電機或潮流發電機可優選包括電網狀態判定單元，該電網狀 態判定單元判定與發電機同步的電網的狀態，其中當電網狀態判定單元判定電網的電壓已 下降時，馬達控制器將液壓馬達的排量Dm降至用於在幾毫秒內使發電機與電網保持同步所需的量。
由此，液壓馬達的扭矩能夠響應於發電機的減小負載而瞬時地改變，以便解決電 網的壓降。
優選風輪發電機或潮流發電機的馬達控制器基於高壓油管中的液壓壓力的測量 來設定液壓馬達的排量Dm，調節液壓馬達的排量Dm以將高壓油管中的液壓壓力維持在可接 受的壓力範圍內。
作為關於本發明的風輪發電機或潮流發電機的操作方法，提供一種風輪發電機或 潮流發電機的操作方法，該風輪發電機或潮流發電機包括轂、連接到該轂的主軸、用於將從 主軸傳輸的旋轉能轉化成電功率的發電機、由主軸旋轉的液壓泵、連接到發電機的可變排 量式的液壓馬達、布置在液壓泵的排出側與液壓馬達的進口側之間的高壓油管以及布置在 液壓泵的進口側與液壓馬達的排出側之間的低壓油管，該方法包括計算液壓泵的目標扭 矩的目標扭矩計算步驟，在該目標扭矩下，功率係數變得最大；基於在目標扭矩計算步驟中 計算的目標扭矩以及高壓油管中的液壓壓力來設定液壓泵的排量％的泵排量設定步驟；以 及基於由在泵排量設定步驟中設定的排量Dp獲得的液壓泵的排出量Qp來設定液壓馬達的 排量Dm而使得發電機的轉速變得恆定的馬達排量設定步驟，其中基於在泵排量設定步驟中 設定的排量Dp和在馬達排量設定步驟中設定的排量Dm來控制液壓泵和液壓馬達。
根據風輪發電機或潮流發電機的操作方法，液壓泵的控制通過如下執行設定液 壓泵的目標扭矩，然後基於該目標扭矩以及高壓油管中的工作油的壓力來設定液壓泵的排 量Dp，其中在該目標扭矩下，功率係數變得最大。由此，發電效率得以提高。
另外，基於液壓泵的排出量Qp來設定液壓馬達的排量Dm，使得發電機的轉速變得 恆定，並且液壓泵的排出量Qp由排量Dp獲得。因此，即使當液壓泵的目標扭矩改變時，發電 機的轉速也能夠保持恆定。由此，發電機能夠產生具有恆定頻率的電功率。
本發明的有利效果
根據本發明，液壓泵的控制通過如下執行設定液壓泵的目標扭矩，然後基於該目 標扭矩以及高壓油管中的工作油的壓力來設定液壓泵的排量Dp，其中在該目標扭矩下，功 率係數變得最大。由此，發電效率得以提高。
另外，基於液壓泵的排出量Qp來設定液壓馬達的排量Dm，使得發電機的轉速變得 恆定，並且液壓泵的排出量Qp由排量Dp獲得。因此，即使當液壓泵的目標扭矩改變時，發電 機的轉速也能夠保持恆定。由此，發電機能夠產生具有恆定頻率的電功率。


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圖1是風輪發電機的示例結構的示意圖。2是用於風輪發電機單元的液壓傳動裝置和發電機的結構的示意圖。3是槳距驅動機構的結構的圖示。4是顯示存儲在控制單元的存儲單元中的Cp最大值曲線的曲線圖。5是顯示存儲在控制單元的存儲單元中的Cp最大值曲線的曲線圖。6是顯示存儲在控制單元的存儲單元中的目標壓力設定曲線的曲線圖。 7是顯示通過控制單元控制液壓傳動裝置的過程的流程圖。8是液壓泵的詳細結構的圖示。9是顯示液壓泵的高壓閥和低壓閥的打開和關閉定時的曲線圖。10是液壓馬達的詳細結構的圖示。11是顯示液壓馬達的高壓閥和低壓閥的打開和關閉定時的曲線圖。
具體實施方式
現在將參照附圖對本發明的優選實施例進行詳細描述。然而，預期的是如果沒有 特別指定，則尺寸、材料、形狀、其相對位置等將被理解為僅僅是說明性的而不限制本發明 的範圍。
下文對關於優選實施例的風輪發電機系統的總體結構進行說明。使用三葉片風輪 機作為該風輪發電機的示例。然而，該優選實施例不限於該示例而是能夠應用於各種類型 的風輪機。
圖1是風輪發電機的示例結構的圖示。圖3是槳距驅動機構的結構的圖示。
如圖1中所示，風輪發電機I包括通過風旋轉的轉子2、用於增加轉子2的轉速的 液壓傳動裝置10、用於生成電功率的發電機20、短艙22、用於支撐短艙22的塔架24、泵控 制器32、馬達控制器34、槳距控制器36以及用於控制該風輪發電機的每個單元的控制單元 30。控制單元30和控制器32、34、36可位於短艙22的內部或外部的不同位置中，使得控制 單元30可形成分布式控制系統。此外可能的是控制單元30和控制器32、34、36中的一個 以上的功能可合併到一個計算機處理單元中。
轉子2構造為使得主軸8連接到具有葉片4的轂6。具體地，三個葉片4從轂6徑 向延伸，並且葉片4中的每一個葉片安裝在與主軸8相連的轂6上。由此，作用在葉片4上 的風力使整個轉子2旋轉，轉子2的旋轉經由主軸8輸入到液壓傳動裝置10。由此，作用在 葉片上的風力使整個轉子2旋轉，轉子2的旋轉經由主軸8輸入到液壓傳動裝置10。
如圖2中所示，液壓傳動裝置10包括由主軸8旋轉的可變排量式的液壓泵12、連 接到發電機20的可變排量式的液壓馬達14以及布置在液壓泵12與液壓馬達14之間的高 壓油管16和低壓油管18。
高壓油管16將液壓泵12的排出側連接到液壓馬達14的進口側。低壓油管18將液壓泵12的進口側連接到液壓馬達14的排出側。從液壓泵排出的工作油(低壓油)經由 高壓油管流入液壓馬達中。已在液壓馬達14中工作的工作油經由低壓油管18流入液壓泵 12中，然後其壓力通過液壓泵12升高，最後工作油流入液壓馬達14中以便驅動液壓馬達 14。
圖2示出了液壓傳動裝置10僅包括一個液壓馬達14的示例性實施例。然而，也 可能的是提供多個液壓馬達14並且將液壓馬達14中的每一個液壓馬達連接到液壓泵12。 一端連接到液壓泵12的排出側的高壓油管16沿路線分開以連接到液壓馬達14中的每一 個液壓馬達的進口側。同時，其一端連接到液壓馬達14中的每一個液壓馬達的排出側的低 壓油管18在該路線上匯合併且連接到液壓泵的進口側。
另外，設置了用於測量主軸8的轉速的轉速計38和用於測量高壓油管16中的壓 力的壓力計39。轉速計38和壓力計39的測量結果發送到控制單元30以控制液壓泵12和 液壓馬達14。
此外，防脈衝蓄能器64設置用於高壓油管16和低壓油管18。由此，高壓油管16 和低壓油管18的壓力波動(脈衝)得以抑制。而且，用於從工作油中去除雜質的濾油器66 和用於冷卻工作油的冷油器68布置在低壓油管中。
旁通油管60布置在高壓油管16與低壓油管18之間以繞過液壓馬達14，並且安全 閥62布置在旁通油管60中以維持高壓油管16中的液壓壓力不超過標定壓力。由此，當高 壓油管16中的壓力達到安全閥62的標定壓力時，安全閥62自動打開，並且允許高壓油經 由旁通管路60逃離到低壓油管18。
另外，液壓傳動裝置10具有油箱70、補充管路72、增壓泵74、濾油器76、回流管路 78和低壓安全閥79。在一些實施例中，來自液壓馬達14的所有或部分的回流通過這些單 元中的一個或多個。
油箱70存儲補充工作油。補充管路72將油箱70和低壓油管18相連。增壓泵74 布置在補充管路72中以便利用來自油箱70的補充工作油來補充低壓油管18。在此情形 中，布置在補充管路72中的濾油器76去除將供應到低壓油管18的工作油中的雜質。
即使當工作油在液壓傳動裝置10中洩漏時，增壓泵74也利用來自油箱70的工作 油來補充低壓油管，因而能夠維持在液壓傳動裝置10中循環的工作油的量。
回流管路78安裝在油箱70與低壓油管18之間。低壓安全閥79布置在回流管路 78中並且低壓油管18中的壓力維持在指定壓力附近。
由此，即使增壓泵74將工作油供應到低壓油管18，但是一旦低壓油管18中的壓力 達到低壓安全閥79的指定壓力，低壓安全閥79就自動地打開以便將工作油經由回流管路 88釋放到油箱70。因而，能夠充分地維持在液壓傳動裝置10中循環的工作油的量。
發電機20與電網50同步，使得由發電機20生成的電功率供應到電網50。如圖2 所示，發電機20包括由連接到液壓馬達14的輸出軸15的轉子20A和連接到電網50的另 一轉子20B構成的電磁同步發電機。勵磁器52連接到發電機20的轉子20A，使得在發電 機20的轉子20B中生成的電功率的功率因數能夠通過改變在轉子20A中流動的勵磁電流 來調節。由此，能夠將調節到預期功率因數的優質電功率供應到電網50。
另外，電網狀態判定單元54監控電網50的狀態。由電網狀態判定單元54判定的 電網50的狀態發送到控制單元30以用於控制風輪發電機I的每個單元。例如，當電網狀態判定單元54判定電網50的電壓已下降時，在下文描述的槳距驅動機構40的控制下，通過槳距控制器36 (參見圖1)將葉片4的槳距角控制到順槳位置，並且通過泵控制器32和馬達控制器34將液壓泵12和液壓馬達14的排量減小到用於保持發電機20與電網40同步所需的量。
另外，電網狀態判定單元54優選由用於測量電網50的電壓的電壓傳感器構成。但是代替電壓傳感器，利用功率因數計或無功伏安計來間接地判定電網50的狀態也是可能的。
圖1中所示的短艙22可旋轉地支撐轉子2的轂6並且容納諸如液壓傳動裝置10 和發電機20的各種裝置。另外，短艙22可旋轉地支撐在塔架24上並且可根據風向通過偏航馬達(未示出)轉動。
塔架24形成從基座26向上延伸的柱形形狀。例如，塔架24能夠由一個柱狀構件構成或由多個單元構成，所述多個單元在豎直方向上相連以形成柱形形狀。如果塔架24由多個單元構成，則短艙22安裝在最頂部單元上。
轂6容納用於調節葉片4的槳距角的槳距驅動機構40，如圖3中所示。槳距驅動機構40由液壓缸42、伺服閥44、油壓源46和蓄能器48構成。在槳距控制器36的控制下， 伺服閥44調節由油壓源46產生的高壓油和存儲在蓄能器48中的高壓油向液壓缸42的供應量，使得葉片4的槳距角變為預期的角度。
圖1的控制單元30包括用於控制液壓泵12的泵控制器32、用於控制液壓馬達14 的馬達控制器34、用於控制槳距驅動機構40的伺服閥44的槳距控制器36以及存儲用於控制風輪發電機I的數據的存儲單元37。
泵控制器32獲得液壓泵12的目標扭矩，功率係數在該目標扭矩下變得最大，然後泵控制器32基於該目標扭矩和高壓油管16中的壓力來設定液壓泵12的排量Dp。同時，馬達控制器34基於從液壓泵12的排量Dp獲得的液壓泵的排出量Qp來設定液壓馬達14的排量Dm，使得發電機20的轉速變得恆定。
一旦發電機20的輸出達到額定輸出，則槳距控制器36控制槳距驅動機構40的伺服閥44來維持發電機20的額定輸出，並且將葉片4的槳距角改變到順槳位置。由此，在其中以等於或高於額定風速並且低於切出風速的風速下執行發電的額定操作中，發電機20 能夠產生指 定量的電功率輸出(額定輸出)。
另外，在電網狀態判定單元54判定電網50的電壓下降的情形中，槳距控制器36 控制槳距驅動機構40的伺服閥44以將葉片4的槳距角改變到順槳位置。
存儲單元37存儲將用於控制風輪發電機I的Cp最大值曲線和目標壓力設定曲線。
圖4和圖5是顯示存儲在存儲單元37中的Cp最大值曲線的曲線圖。Cp最大值曲線通過連接功率係數Cp變得最大所在的點而形成。圖4顯示了 Cp最大值曲線100，其中風速V在X軸上而主軸8的轉速η在y軸上。圖5顯示了 Cp最大值曲線102，其中主軸8的轉速η在X軸上而液壓泵12的目標扭矩在y軸上。
圖6是顯示存儲在存儲單元37中的目標壓力設定曲線104的曲線圖。將高壓油管16中的壓力的目標值針對主軸8的轉速η進行繪製，從而形成目標壓力設定曲線104。
在圖6中所示的目標壓力設定曲線104中，高壓油管16中的目標壓力隨轉速η增加而單調地增加。因而，與其中主軸8的轉速η高，即液壓泵的排出量Qp大的情形相比，在主軸8的轉速η低的情形中，高壓油管16的目標壓力設定得較低。由此，在轉速η低的情形中，工作油的洩漏相對於液壓泵的排出量Qp小，從而防止工作油的洩漏影響液壓傳動裝置10的控制。
接下來，對風輪發電機中的液壓傳動裝置的控制進行說明，圖7是顯示在控制單元30的控制下控制液壓傳動裝置10的過程的流程圖。
如圖7中所示，在步驟S2中，轉速計測量主軸8的轉速η。
在步驟S4中，泵控制器32基於在步驟S2中由轉速計38測量的轉速η來估算風速 V。具體地，在維持功率係數Cp最大的此操作狀態的狀況中，泵控制器32從存儲單元37讀出Cp最大值曲線100 (參見圖4)並且基於該Cp最大值曲線100來獲得與該測量轉速η相對應的風速V。然後，在步驟S6中，泵控制器32從存儲單元37讀出Cp最大值曲線102 (參見圖5)並且獲得與在步驟S4中估算的風速V相對應的液壓泵12的目標扭矩Tp tawt。圖 5示出了如下示例在步驟S2中估算的風速V* V2的情形中獲得液壓泵12的目標扭矩。
另外，在步驟S8中，泵控制器32從存儲單元讀出目標壓力設定曲線104(圖6)並且獲得與在步驟S2中由轉速計38測量的轉速η相對應的高壓油管的目標壓力Th toget。
然後，過程前進到步驟S10。在步驟SlO中，泵控制器根據數學公式I由液壓泵12 的目標扭矩Tp tawt和高壓油管16的目標扭矩Tll tawt獲得液壓泵的排量Dp。
(數學公式I)
排量Dp=目標扭矩Tp target/目標壓力Ph target
在步驟S12中，泵控制器32根據下面的數學公式2由液壓泵12的排量Dp獲得液壓泵的排出量Qp。
(數學公式2)
排出量Qp =排量DpX轉速η
在步驟S12中獲得液壓泵12的排出量％之後，在步驟S14中，根據下面的數學公式3來設定液壓馬達14的排量Dm，使得發電機20的轉速變為指定值(例如1500rpm或 1800rpm)。
(數學公式3)
排量Dm =排出量Qp/發電機20的轉速ng
接下來，在步驟S16中調節液壓泵12的排量Dp。在步驟S18中，馬達控制器34調節液壓馬達14的排量Dm。稍後對調節液壓泵12和液壓馬達14的排量的過程進行更具體地說明。
在步驟S20中，壓力計39測量高壓油管16中的壓力PH。在步驟S22中，判定由壓力計39測量的高壓油管16的壓力Ph與高壓油管的目標壓力Ph tawt之間的差是否在容許範圍內。
如果判定由壓力計39測量的高壓油管16的壓力Ph與高壓油管的目標壓力Ph targrt 之間的差超過該容許範圍，則在步驟S24中，馬達控制器34校正液壓馬達14的排量Dm。具體地，在壓力Ph小於目標壓力Pll targrt的情形中，將液壓馬達14的排量Dm減少與壓力Ph和目標壓力PH—targrt之間的差成比例的量。相反，在壓力Ph大於目標壓力Ph targrt的情形中，將液壓馬達14的排量Dm增加與壓力Ph和目標壓力Ph 之間的差成比例的量。響應於高壓油管16的壓力的改變的實際測量值，液壓泵12的排量也可改變，如下文所述。
圖7顯示了如下示例其中由在步驟S4中基於主軸8的轉速η估算的風速V來獲得液壓泵12的目標扭矩Tp toget。但是根據Cp最大值曲線從由轉速計38測量的轉速η直接獲得目標扭矩Tp tawt也是可能的。
另外，在圖7的示例中，由液壓泵的目標扭矩Tp toget和高壓油管16的目標壓力Ph target來獲得液壓泵12的排量Dp。但是代替高壓油管16的目標壓力Ph tawt，使用高壓油管 16的壓力的實際測量值來獲得液壓泵12的排量Dp也是可能的。
接下來，對調節風輪發電機中的液壓泵12和液壓馬達14的排量的過程進行說明。 圖8是液壓泵12的詳細結構的圖示。圖9是顯示在油室的一個有效循環期間液壓泵12的一個高壓閥和一個低壓閥的打開和關閉定時的曲線圖。圖10是液壓馬達14的詳細結構的圖示。圖11是顯示在油室的一個有效循環期間液壓馬達14的一個高壓閥和一個低壓閥的打開和關閉定時的曲線圖。
如圖8中所示，液壓泵12包括每一個均由缸80和活塞82形成的多個油室83、具有與活塞82形成接合的凸輪輪廓的凸輪84以及設置用於油室83中的每一個油室的高壓閥86和低壓閥88。
從使活塞82沿凸輪84的凸輪輪廓平滑運行的視角看，活塞82中的每一個活塞優選包括活塞體82A和活塞輥或活塞滑靴，該活塞體82A在缸80中以滑動方式移動，而該活塞輥或活塞滑靴安裝在該活塞體82A上並且與凸輪84的凸輪輪廓接合。圖3示出了活塞 82由活塞體82A和活塞輥82B構成的示例。油室83中的壓力保持活塞輥82B與凸輪84形成接觸。
凸輪84經由凸輪架85安裝在主軸8的外周上。對於主軸8的一圈旋轉，凸輪84 使活塞82中的每一個活塞向上和向下移動多次，從而增大液壓泵12的扭矩。從這種觀點看，凸輪84優選是具有凸輪輪廓的環凸輪，該凸輪輪廓限定多個具有繞主軸8交替布置的凹部84A和凸部 84B的波形部。
高壓閥86是止回閥，其布置在高壓油管16與油室83中的每一個油室之間的高壓連通路徑87中並且僅允許油從油室83流向高壓油管16。同時，低壓閥88是常開式提升電磁閥，其布置在低壓油管18與油室83中的每一個油室之間的低壓連通路徑89中。
在液壓泵12中，凸輪84隨主軸8旋轉並且如在圖9的活塞循環曲線110中所示， 活塞82周期性地向上和向下移動以重複活塞82從下死點開始並且到達上死點的泵循環以及活塞從上死點開始並且到達下死點的吸入循環。
圖9的活塞循環曲線110在X軸上具有時間且在y軸上具有活塞82的位置。在圖中，HPV電壓信號112是要供應到高壓閥86的電壓信號，高壓閥位置114是高壓閥86的打開/關閉狀態，LPV電壓信號116是將要供應到低壓閥88的電壓信號，低壓閥位置118是低壓閥88的打開/關閉狀態並且壓力曲線120是油室83中的壓力。
泵控制器32改變無效油室的數量以便實現液壓泵12的預期排量Dp，無效油室保持為使得在液壓泵12的活塞82從下死點開始、到達上死點並返回到下死點的循環期間，液壓泵12的高壓閥86關閉，且液壓泵12的低壓閥88保持打開。具體地，泵控制器32按照下面的數學公式4根據液壓泵12的排量Dp來設定無效室的數量，據此來對液壓泵進行控制。
(數學公式4)
排量Dp = m X Vp X Fdp
在數學公式4中，m是凸輪84的凹部(或凸部)的數量。Vp是所有的缸80的總 容量。Fdp是工作室與所有的油室83的比率。Fdp可在一段時間上進行判定，使得Fdp是工 作室與所有的油室的比率的短期平均。此處，液壓泵12的「無效室」指在活塞82從下死點 開始並且到達上死點的泵衝程期間不向高壓油管16排出工作油的油室83，而液壓泵12的 「工作室」指在活塞82從下死點開始並且到達上死點的泵衝程期間向高壓油管排出工作油 的油室83。
每個油室83 (工作室或無效室)的狀態能夠在活塞82完成一組向上和向下運動 的每個循環進行切換。因此，通過改變無效油室與所有油室的比率能夠迅速改變液壓泵和 液壓馬達的排量。
對於液壓泵12的無效室和工作室，泵控制器32以下文所述的方式控制高壓閥86 和低壓閥88的打開/關閉。
對於液壓泵的無效室83，將常開式的低壓閥88去激勵以在活塞完成一組向上和 向下運動時保持低壓閥88打開。由此，即使當活塞82向上和向下運動時，工作油也僅僅在 油室83與低壓油管之間移動，而不升高油室83中的壓力，因而高壓止回閥86保持關閉。
另一方面，對於油室83的工作室，針對活塞82的向上和向下運動來控制高壓閥86 和低壓閥88的打開和關閉，如圖9中所示。
由於高壓閥86由止回閥構成，所以電壓信號不能供應，因而HPV電壓信號112總 是零。但是油室83與高壓油管16之間的壓力差致使壓力閥86自動地打開或關閉。具體 地，由於高壓閥位置114顯示油室83中的壓力在泵循環期間升高(參見壓力曲線120)並 且一旦油室83中的壓力超過高壓油管16的壓力，高壓閥86就自動打開並且然後在泵衝程 之後自動關閉。
對於常開式的低壓閥88，應用此LPV電壓信號，以便在活塞82即將到達下死點時 激勵低壓閥88並且緊接在活塞82到達下死點之後使低壓閥88去激勵。如從低壓閥位置 118理解的，通過在活塞82即將到達下死點時激勵低壓閥88來關閉低壓閥88。在其它實 施例中，可使用常閉的電磁閥。
另外，即使當緊接在活塞82到達下死點之後使低壓閥88去激勵時，因為油室83 中的壓力在活塞到達上死點之前保持高，所以低壓閥88也通過油室83與低壓油管18之間 的壓力差來保持關閉。隨後，活塞82到達上死點並且過程移動到吸入循環。在吸入循環期 間，由於高壓閥86的關閉，所以油室83中的壓力降低，因而油室83與低壓油管18之間的 壓力差變小，從而致使低壓閥88自動打開。
由於液壓泵12的高壓閥86是止回閥，所以在液壓泵12的活塞82從下死點開始 並且到達上死點的循環期間，油室83中的工作油被壓縮。由此，油室83中的壓力變得高於 高壓油管16中的壓力，從而致使高壓閥86自動打開。因而，無需主動地控制高壓閥86。另 外，液壓泵12的高壓閥86是具有比電磁閥的結構簡單的結構的止回閥，因而能夠使液壓泵 12的尺寸更小。
此外，當控制油室83的工作室中的高壓閥86和低壓閥88的打開和關閉時，緊接 在活塞82到達下死點之後使低壓閥88去激勵，並且在此之後，通過油室83與低壓油管18之間的壓力差來關閉低壓閥88。由此，能夠節省用於激勵低壓閥88的電功率。
如圖10中所示，液壓馬達14包括多個形成在缸90與活塞92之間的液壓室93、具 有與活塞92接合的凸輪輪廓的凸輪94以及設置用於液壓室93中的每一個液壓室的高壓 閥96和低壓閥98。
從將活塞92的向上和向下運動平滑地轉換成凸輪94的旋轉運動的視角看，活塞 92中的每一個活塞優選包括活塞體92A和活塞輥或活塞滑靴，該活塞體92A在缸90中以 滑動方式移動，而該活塞輥或活塞滑靴安裝在該活塞體92A上並且與凸輪94的凸輪輪廓接 合。圖10示出了活塞92中的每一個活塞由活塞體92A和活塞棍92B構成的示例。
凸輪94是偏心凸輪，其相對於與發電機20相連的液壓馬達14的輸出軸(曲軸)15 的軸心O偏心布置。當活塞92完成一組向上和向下運動時，凸輪94和凸輪94安裝在其上 的輸出軸15完成一圈旋轉。
如上所述，液壓泵12的凸輪84是環凸輪，而液壓馬達14的凸輪94是偏心凸輪， 使得液壓馬達14的排量小於液壓泵12的排量，以實現液壓傳動裝置10的高增速比。
高壓閥96是常閉式的提升電磁閥，其布置在高壓油管16與油室93中的每一個油 室之間的高壓連通路徑97中。高壓閥96可以是常開式的。同時，低壓閥98是常開式的提 升電磁閥，其布置在低壓油管18與油室93中的每一個油室之間的低壓連通路徑99中。低 壓閥98可以是常閉式的。
在如用活塞循環曲線130所示的液壓馬達14中，活塞92周期性地向上和向下移 動以重複活塞92從上死點開始並且到達下死點的馬達循環以及活塞從下死點開始並且到 達上死點的排出循環。
圖11的活塞循環曲線130在X軸上具有時間且在y軸上具有活塞92的位置。在 圖中，HPV電壓信號132是要供應到高壓閥96的電壓信號，高壓閥位置134是高壓閥96的 打開/關閉狀態，LPV電壓信號136是要供應到低壓閥98的電壓信號，低壓閥位置138是 低壓閥98的打開/關閉狀態並且壓力曲線140是油室93中的壓力。
馬達控制器34改變無效油室的數量以便實現液壓馬達14的預期排量Dm，無效油 室保持為使得在液壓馬達14的活塞92從下死點開始、到達上死點並返回到下死點的循環 期間，液壓馬達14的高壓閥96關閉，且液壓馬達14的低壓閥98保持打開。具體地，馬達 控制器34按照下面的數學公式5根據液壓馬達14的排量Dm來設定無效室的數量，據此來 對液壓馬達14進行控制。
(數學公式5)
排量D111 = V111XFdm
在數學公式5中，Vm是所有的缸90的總容量，而Fdm是工作室與所有的油室93的 比率。Fdffl可在一段時間上進行確定，使得Fdm是工作室與所有的油室的比率的短期平均。
此處，液壓馬達14的「無效室」指在活塞92從上死點開始並且到達下死點的馬達 衝程期間工作油不從高壓油管16供應到的油室93，而液壓馬達14的「工作室」指在活塞92 從上死點開始並且到達下死點的馬達衝程期間工作油從高壓油管16供應到的油室93。
每個油室93 (工作室或無效室)的狀態能夠在活塞92完成一組向上和向下運動 的每個循環中進行切換。因此，通過改變無效油室與所有油室的比率能夠迅速改變液壓馬 達14的排量。
對於液壓馬達14的無效室和工作室，馬達控制器34以下文所述的方式控制高壓 閥96和低壓閥98的打開/關閉。
對於油室93的無效室，將常閉式的高壓閥96去激勵以在活塞92完成一組向上和 向下運動時保持高壓閥96關閉，並且使常開式的低壓閥98去激勵以保持低壓閥98打開。
另一方面，對於油室93的工作室，針對活塞92的向上和向下運動來控制高壓閥96 和低壓閥98的打開和關閉，如圖11中所示。
對於常閉式的高壓閥96，應用此HPV電壓信號132，如從高壓閥位置134理解的， 高壓閥96通過在活塞92即將到達上死點時被激勵而被打開。
一旦高壓閥96打開，高壓油就流入油室93中以驅動凸輪94旋轉。僅需要小力來 克服容納在高壓閥96中的彈簧的偏置力(在關閉高壓閥96的方向上作用的力)以將高壓 閥96鎖閉在打開狀態中。以這種方式，在活塞92到達上死點之後，高壓閥96能夠通過減 小的電流而鎖閉在打開狀態中，該減小的電流通過以非常高的頻率對高壓閥96進行反覆 地激勵和去激勵來實現。例如，在IOkHz下使用20%的佔空比。在此情形中，從確保高壓 閥96保持在打開狀態中的視角看，施加到高壓閥96的電壓信號優選是具有較高頻率的脈 衝電壓信號，該頻率是高壓閥96的線圈的時間常數的倒數。
通過停止用於激勵/去激勵高壓閥96的脈衝電壓信號的供應，高壓閥96通過高 壓閥96的彈簧的偏置力關閉。
對於常開式的低壓閥98，施加該LPV電壓信號136，以便在活塞92即將到達上死 點時激勵低壓閥98，然後緊接在高壓閥96被激勵之後使低壓閥98去激勵。如從低壓閥位 置138理解的，低壓閥98通過在活塞92即將到達上死點時被激勵而被關閉。
一旦低壓閥98通過激勵而關閉，即使低壓閥98在活塞92到達上死點之前去激 勵，低壓閥98也保持關閉。這是因為在活塞92移動到上死點的期間(在關閉低壓閥98之 後的排出循環期間)，油室93中的壓力(參見壓力曲線140)高並因而低壓閥98通過油室 93與低壓油管18之間的壓力差保持關閉。並且當活塞92到達上死點並且過程移動到馬達 循環時，高壓油經由高壓閥96流入油室93中。油室93中的壓力仍保持高，因而低壓閥98 通過油室93與低壓油管18之間的壓力差而保持關閉。
隨後，如果在活塞92即將到達下死點時停止向高壓閥96的脈衝電壓信號，則高壓 閥96關閉並且油室93中的壓力降低。由於油室的繼續膨脹，油室93與低壓油管18之間 的壓力差變小並且低壓閥98自動打開。
如上所述，在液壓馬達14的活塞92到達上死點之後，對高壓閥96進行反覆地激 勵和去激勵，直至活塞92即將到達下死點時。由此，能夠將高壓閥鎖閉在打開狀態中，同時 節省用於激勵高壓閥96的電功率。
此外，低壓閥98在活塞92即將到達上死點時被激勵，然後被去激勵。在此之後， 低壓閥98通過油室93與低壓油管18之間的壓力差而關閉。由此，能夠節省用於激勵低壓 閥98的電功率。
如上所述，在該優選實施例中，泵控制器32獲得液壓泵12的目標扭矩Tp toget，基 於該目標扭矩Tp 和高壓油管16中的壓力Ph來設定液壓泵12的排量Dp，並且控制液壓 泵12，其中，功率係數在該目標扭矩下變得最大。由此，發電效率得以提高。
此外，馬達控制器34基於液壓泵12的排出量Qp來設定液壓馬達14的排量Dm，使得發電機20的轉速變得恆定，並且馬達控制器34控制液壓馬達14。由此，即使當液壓泵 12的目標扭矩Tp tmgrt改變時，發電機的轉速也能夠保持恆定。因而，在發電機20中能夠產生具有恆定頻率的電功率。
儘管已參照示例性實施例對本發明進行了描述，但是對本領域中的技術人員明顯的是在不偏離本發明的範圍的情況下可作出各種變化。
例如，上述優選實施例使用將本發明應用於風輪發電機的示例性情形。但是本發明也可應用於潮流發電機。此處「潮流發電機」指安裝在適當位置諸如海洋、河流和湖泊中並且使用潮汐能的發電機。除了轉子2通過潮流而不是風旋轉之外，潮流發電機與風輪發電機I具有相同的基本結構。潮流發電機包括通過潮流旋轉的轉子2、用於增加轉子2的轉速的液壓傳動裝置10、用於產生電功率的發電機20以及控制單元30，該控制單元30包括泵控制器32、馬達控制器34和存儲單元37並且控制潮流發電機的每個單元。此處使用相同的附圖標記來說明與風輪發電機I共同的部件。
此處，潮流發電機的控制單元10設定液壓泵的目標扭矩，然後基於該目標扭矩和高壓油管中的工作油的壓力來設定液壓泵的排量Dp，以便控制液壓泵12，其中在該目標扭矩下，功率係數變得最大。由此，發電效率得以提高。另外，基於液壓泵的排出量Qp來設定液壓馬達14的排量Dm，使得發電機的轉速變得恆定，並且液壓泵的排出量Qp由該排量Dp獲得。因此，即使當液壓泵12的目標扭矩改變時，發電機20的轉速也能夠保持恆定。由此， 發電機20能夠產生具有恆定頻率的電功率。
此外，在使用潮流發電機的情形中，代替由風速計測量的風速，可基於由速度計 測量的潮流的速度利用Cp最大值曲線102 (參見圖5)來獲得液壓泵12的目標扭矩。
在上述實施例中，轉速計38測量主軸8的轉速η，並且基於主軸8的轉速η來獲得液壓泵的目標扭矩。然而，基於由風速計測量的風速V利用Cp最大值曲線102 (參見圖5) 來獲得液壓泵12的目標扭矩也是可能的。在此情形中，一個風速計可設置用於風輪發電機中的每一個風輪發電機或者一個風速計能夠用於多個風輪發電機I。並且風速計可安裝在短艙22上。
另外，在上述優選實施例中，液壓泵12和液壓馬達14的排量調節為使得功率係數 Cp最大並且發電機的轉速恆定。但是調節液壓泵12和液壓馬達14的排量以在緊急停止風輪發電機I時降低主軸8的轉速也是可能的。
具體地，當風輪發電機I由於緊急停止而需要關閉時，泵控制器32將液壓泵12的所有油室83變為工作室，即，使無效油室的數量變為零，以便使液壓泵12的排量Dp最大。 另外，馬達控制器可增加液壓馬達14的無效油室的數量以便減小液壓馬達14的排量Dm。由此，液壓泵12的排量Dp超過液壓馬達14的排量Dm並且高壓油管16中的壓力升高到安全閥62的標定壓力值。由此，用於旋轉液壓泵12所需的扭矩增加並且主軸8的轉速能夠迅速地降低。
另外，在上述的優選實施例中，改變無效油室與所有的油室(83、93)的比率以調節液壓泵12和液壓馬達14的排量。但是通過改變在活塞循環期間打開高壓閥(86、96)的定時來調節液壓泵12和液壓馬達14的排量也是可能的。例如，在圖11中，改變在馬達循環期間停止用於激勵和去激勵高壓閥96的脈衝電壓信號(HPV電壓信號132)的定時以便調節打開高壓閥96的定時也是可能的。
以類似的方式，在液壓泵12中，低壓閥88可稍後在從下死點到上死點的衝程中關閉，從而調節高壓閥86打開的時間，因而液壓泵12的排量Dp能夠改變。
以這種方式，通過改變在活塞循環期間打開高壓閥(86、96)的定時，能夠在可變範圍內連續地(不離散地)改變液壓泵12和液壓馬達14的排量。此外，在液壓泵12和液壓馬達14的操作中，當用於改變排量的信號通過泵控制器32或馬達控制器被傳輸時，無論活塞(82、92)在油室(83、93)中的每一個油室內定位在何處，液壓泵12和液壓馬達14的排量都能夠立即改變。
特別地，利用這樣的構造，即通過改變打開液壓馬達的高壓閥96的定時能夠調節排量Dm，當判定單元54判定電網50的電壓已下降時，液壓馬達的排量Dm能夠迅速地降至用於保持發電機20與電網50同步所需的量。由此，液壓馬達14的扭矩能夠響應於發電機 20的減小負載而瞬時地改變，以便解決電網50的壓降。0171]附圖標記列表0172]I風輪發電機0173]2轉子0174]4葉片0175]6轂0176]8主軸·0177]10液壓傳動裝置0178]12液壓泵0179]14液壓馬達0180]16高壓油管0181]18低壓油管0182]20發電機0183]22短艙0184]24塔架0185]26基座0186]30控制單元0187]32泵控制器0188]34馬達控制器0189]36槳距控制器0190]37存儲單元0191]40槳距驅動機構0192]42液壓缸0193]44伺服閥0194]46油壓源0195]48蓄能器0196]50電網系統0197]52勵磁器0198]54電網狀態判定單元
60旁通管路
62安全閥
64防脈衝蓄能器
66濾油器
68冷油器
70油箱
72補充管路
74增壓泵
76濾油器
78回流管路
79低壓安全閥
80缸
82活塞
82A活塞體
82B活塞輥
83油室
84凸輪
86聞壓閥
87高壓連通路徑
88低壓閥
89低壓連通路徑
90缸
92活塞
92A活塞體
92B活塞輥
93油室
94凸輪
96聞壓閥
97高壓連通路徑
98低壓閥
99低壓連通路徑
100Cp最大值曲線
102Cp最大值曲線
104目標壓力曲線
110活塞循環曲線
112HPV電壓信號
114高壓閥位置
116LPV電壓信號
118低壓閥位置
120壓力曲線
130活塞循環曲線
132HPV電壓信號
134高壓閥位置
136LPV電壓信號
138低壓閥位置
140壓力曲線
權利要求
1.一種風輪發電機或潮流發電機,包括轂；主軸，所述主軸聯接到所述轂；發電機，所述發電機將從所述主軸傳輸的旋轉能轉化成電功率；可變排量式的液壓泵，所述液壓泵由所述主軸驅動；可變排量式的液壓馬達，所述液壓馬達連接到所述發電機；高壓油管，所述高壓油管布置在所述液壓泵的排出側與所述液壓馬達的進口側之間； 低壓油管，所述低壓油管布置在所述液壓泵的進口側與所述液壓馬達的排出側之間；以及控制單元，所述控制單元與泵控制器和馬達控制器通信，所述泵控制器調節所述液壓泵的排量Dp，所述馬達控制器調節所述液壓馬達的排量Dm，其中，所述泵控制器設定所述液壓泵的目標扭矩，然後基於所述目標扭矩以及所述高壓油管中的工作油的壓力來設定所述液壓泵的排量Dp，並且其中，所述馬達控制器基於所述液壓泵的排出量Qp來設定所述液壓馬達的排量Dm，使得所述發電機的轉速恆定，所述液壓泵的所述排出量Qp由所述排量Dp獲得。
2.根據權利要求1所述的風輪發電機或潮流發電機，進一步包括轉速計，所述轉速計測量所述主軸的轉速，其中，所述泵控制器根據由所述轉速計測量的所述主軸的轉速來設定所述目標扭矩， 在所述目標扭矩下，功率係數變得最大。
3.根據權利要求1所述的風輪發電機或潮流發電機，進一步包括風速計，所述風速計測量風速，其中，所述泵控制器由測量的風速獲得所述目標扭矩，在所述目標扭矩下，功率係數變得最大。
4.根據權利要求1所述的風輪發電機或潮流發電機，其中，所述液壓泵和所述液壓馬達中的每一個均包括多個油室、凸輪、高壓閥以及低壓閥，所述多個油室中的每一個油室由缸和在所述缸中以滑動方式移動的活塞包圍，所述凸輪具有與所述活塞接合的凸輪輪廓，所述高壓閥中的每一個高壓閥打開和關閉所述油室中的每一個油室與所述高壓油管之間的連通路徑，所述低壓閥中的每一個低壓閥打開和關閉所述油室中的每一個油室與所述低壓油管之間的連通路徑，其中，所述泵控制器控制所述液壓泵的無效油室與所有油室的比率以便調節所述液壓泵的排量Dp，所述無效油室保持為使得在所述液壓泵的活塞從下死點開始、到達上死點並且返回到所述下死點的循環期間，所述液壓泵的所述高壓閥關閉且所述液壓泵的所述低壓閥保持打開，並且其中，所述馬達控制器控制所述液壓馬達的無效油室與所有油室的比率以便調節所述液壓馬達的排量Dm，所述無效油室保持為使得在所述液壓馬達的活塞從下死點開始、到達上死點並且返回到所述下死點的循環期間，所述液壓馬達的所述高壓閥關閉且所述液壓馬達的所述低壓閥保持打開。
5.根據權利要求4所述的風輪發電機或潮流發電機，其中，所述液壓泵的所述凸輪是環凸輪，所述環凸輪環形地設置在所述主軸的外周上並且具有凸輪輪廓，所述凸輪輪廓限定多個具有繞所述主軸交替地設置的多個凹部和凸部的波形部，並且其中，所述液壓馬達的所述凸輪是偏心凸輪，所述偏心凸輪相對於與所述發電機聯接的所述液壓馬達的輸出軸的軸心偏心地設置。
6.根據權利要求4所述的風輪發電機或潮流發電機，其中，所述液壓泵的所述高壓閥是僅允許流體從油室流向高壓油管的止回閥，而所述液壓泵的所述低壓閥是常開式電磁操作的面密封閥，其中，對於所述液壓泵的除了所述無效油室之外的油室，所述泵控制器在所述液壓泵的活塞到達下死點時或之後關閉所述低壓閥，並且通過所述油室與所述低壓油管之間的壓力差來保持所述低壓閥關閉，以便減小緊接在通過所述泵控制器關閉所述低壓閥之後保持所述低壓閥關閉所需的電功率。
7.根據權利要求4所述的風輪發電機或潮流發電機，其中，所述液壓馬達的所述高壓閥是面密封電磁閥，並且所述液壓馬達的所述低壓閥是面密封電磁閥，並且其中，對於所述液壓馬達的除了所述無效油室之外的油室，所述馬達控制器在所述液壓馬達的活塞即將到達上死點時關閉所述低壓閥，然後以此順序打開所述高壓閥，然後維持所述低壓閥關閉，直至所述液壓馬達的活塞即將到達下死點時，其中，所述馬達控制器將所述高壓閥鎖閉在打開狀態中，直至所述低壓閥即將重新打開時。
8.根據權利要求1所述的風輪發電機或潮流發電機，進一步包括槳距驅動機構，所述槳距驅動機構調節被安裝在所述轂上的葉片的槳距角，並且其中，所述控制單元控制所述槳距驅動機構，使得所述風輪發電機或所述潮流發電機的輸出不超過額定輸出。
9.根據權利要求1所述的風輪發電機或潮流發電機，進一步包括勵磁器，所述勵磁器通過改變所述發電機的轉子中的勵磁電流來調節在所述發電機的定子中產生的功率的功率因數，所述發電機是電磁同步發電機。
10.根據權利要求4所述的風輪發電機或潮流發電機，進一步包括旁通油管，所述旁通油管布置在所述高壓油管與所述低壓油管之間，以繞過所述液壓馬達；以及安全閥，所述安全閥布置在所述旁通油管中，以維持所述高壓油管的液壓壓力不大於標定壓力，其中，所述泵控制器消除所述無效油室，以使所述液壓泵的排量Dp最大，以便將所述高壓油管中的壓力升高到所述安全閥的標定壓力並且降低所述主軸的轉速。
11.根據權利要求1所述的風輪發電機或潮流發電機，其中，所述液壓泵和所述液壓馬達中的每一個均包括多個油室、凸輪、高壓閥以及低壓閥，所述多個油室中的每一個油室由缸和在所述缸中以滑動方式移動的活塞包圍，所述凸輪具有與所述活塞接合的凸輪輪廓，所述高壓閥中的每一個高壓閥打開和關閉所述油室中的每一個油室與所述高壓油管之間的連通路徑，並且所述低壓閥中的每一個低壓閥打開和關閉所述油室中的每一個油室與所述低壓油管之間的連通路徑，其中，所述泵控制器通過控制如下時段來調節所述液壓泵的排量Dp，即在該時段期間， 所述液壓泵的所述低壓閥保持關閉，同時所述液壓泵的活塞從下死點移動到上死點，並且其中，所述馬達控制器通過控制如下時段來調節所述液壓馬達的排量Dm，即在該時段期間，所述液壓馬達的所述高壓閥保持打開，同時所述液壓馬達的活塞從上死點移動到下死點。
12.根據權利要求11所述的風輪發電機或潮流發電機，進一步包括電網狀態判定單元，所述電網狀態判定單元判定與所述發電機同步的電網的狀態，其中，當所述電網狀態判定單元判定所述電網的電壓已下降時，所述馬達控制器將所述液壓馬達的排量Dm降低至用於在幾毫秒內使所述發電機與所述電網保持同步所需的量。
13.根據權利要求1所述的風輪發電機或潮流發電機，其中，所述馬達控制器基於所述高壓油管中的液壓壓力的測量來設定所述液壓馬達的排量Dm，調節所述液壓馬達的排量Dm以將所述高壓油管中的液壓壓力維持在可接受的壓力範圍內。
14.一種風輪發電機或潮流發電機的操作方法，所述風輪發電機或潮流發電機包括轂、 連接到所述轂的主軸、用於將從所述主軸傳輸的旋轉能轉化成電功率的發電機、由所述主軸旋轉的液壓泵、連接到所述發電機的可變排量式的液壓馬達、布置在所述液壓泵的排出側與所述液壓馬達的進口側之間的高壓油管、以及布置在所述液壓泵的進口側與所述液壓馬達的排出側之間的低壓油管，所述方法包括計算所述液壓泵的目標扭矩的目標扭矩計算步驟，在所述目標扭矩下，功率係數變得最大；基於在所述目標扭矩計算步驟中計算的所述目標扭矩以及所述高壓油管中的液壓壓力來設定所述液壓泵的排量Dp的泵排量設定步驟；以及基於由在所述泵排量設定步驟中設定的所述排量Dp獲得的所述液壓泵的排出量Qp來設定所述液壓馬達的排量Dm而使得所述發電機的轉速變得恆定的馬達排量設定步驟，其中，基於在所述泵排量設定步驟中設定的所述排量Dp和在所述馬達排量設定步驟中設定的所述排量Dm來控制所述液壓泵和所述液壓馬達。
全文摘要
本發明的目的是提供一種配備液壓傳動裝置並且實現優良發電效率的風輪發電機或潮流發電機及其操作方法。該風輪發電機1包括由主軸8旋轉的可變排量式的液壓泵12、連接到發電機20的可變排量式的液壓馬達14、以及布置在液壓泵12與液壓馬達14之間的高壓油管16和低壓油管18。泵控制器32獲得液壓泵12的目標扭矩，然後基於該目標扭矩以及高壓油管16中的壓力來設定液壓泵12的排量Dp，其中在該目標扭矩下，功率係數變得最大。馬達控制器34基於由液壓泵12的排量Dp獲得的液壓泵的排出量Qp來設定液壓馬達14的排量Dm，使得發電機20的轉速變得恆定。
文檔編號F03D11/00GK103003567SQ201080003099
公開日2013年3月27日 申請日期2010年11月30日 優先權日2010年11月30日
發明者堤和久, 清水將之, 尼爾·考德威爾, 丹尼爾·杜姆挪夫, 史蒂芬·萊爾德, 文卡塔·帕帕拉 申請人:三菱重工業株式會社