風輪發電機的製作方法

2023-06-02 21:30:41

專利名稱：風輪發電機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種將轉子的旋轉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的風輪發電機以及該風輪發電機的操作方法。
背景技術：
近年來，從保護環境的視角看，使用利用作為可再生能源的一種形式的風能的風輪發電機正變得流行。該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。術語「額定」意指預期的最大運行狀態並且例如可適用於速度、壓力、流量、排量或功率。在使用中可短時期地、通常不超過幾分鐘並且僅間歇地超過額定狀態。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，液壓泵由多個活塞和缸的組以及凸輪構成，所述凸輪使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，液壓泵由多個活塞和缸的組、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保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I :US 2010/0032959專利文獻2 :US 2010/0040470專利文獻3 :US 7436086B

發明內容
技術問題具有製造較大風輪發電機來提高發電效率的趨勢。然而,在較大風輪發電機中，葉片的尖端周向速度也變得較快。這帶來諸如噪音(葉片的風噪音)、機鳥互撞(野生鳥與葉片碰撞)的問題。並且較高的轉速由於軸承的摩擦熱而導致溫度升高的問題。然而，專利文獻1、2和3中都沒有公開如何採取措施來克服諸如噪音、機鳥互撞和軸承的摩擦熱的問題。鑑於上述問題，本發明的目的是提供一種採取措施來克服諸如噪音、機鳥互撞和軸承的摩擦熱的問題的風輪發電機及其操作控制方法。問題的解決方案
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本發明提出了一種風輪發電機，該風輪發電機包括轂；主軸，其聯接到該轂；發電機，其將從該主軸傳輸的旋轉能轉化成電功率；可變排量式的液壓泵，其通過該主軸旋轉；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；控制單元，其具有泵控制器和馬達控制器，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D111 ；以及操作模式選擇單元，其使操作模式在正常操作模式與低轉速操作模式之間切換，該低轉速操作模式的主軸的額定轉速比正常操作模式的主軸的額定轉速低。在該風輪發電機中，該操作模式選擇單元選擇正常操作模式或具有主軸的較低額定轉速的低轉速操作模式。當需要採取措施來克服諸如噪音、機鳥互撞、軸承的摩擦熱的問題時能夠選擇該低轉速操作模式。在上述風輪發電機中，液壓泵的額定排量和高壓油管的額定壓力中的至少一個可在低轉速操作模式中比正常操作模式中大。另外，低轉速操作模式中的電功率的額定輸出可與正常操作模式中的電功率的額定輸出基本相同。此外，操作模式選擇單元可根據環境狀況來選擇正常操作模式或低轉速操作模式。如上所述，通過使用液壓泵的額定排量和高壓油管的額定壓力中的至少一個比正常操作模式的大並且電功率的額定輸出與正常操作模式基本相同的低轉速操作模式，儘管低轉速操作模式具有比正常操作模式低的主軸的額定轉速，也能夠獲得與正常操作模式中基本相同的發電機的額定輸出。因此，通過採用低轉速操作模式，能夠在不經歷發電機的較低額定輸出的情況下降低主軸的額定轉速。此處，「環境狀況」意指風輪發電機周圍的時間/地理狀況，其影響採取措施克服噪音、機鳥互撞和軸承的摩擦熱的需求。例如，環境狀況包括是否處在特定時間諸如具有噪音限制的夜間、風輪發電機是否安裝在侯鳥的遷徙路徑上以及用於支撐主軸的軸承的溫度是否在可接受範圍內。在上述風輪發電機中，優選對於正常操作模式和低轉速操作模式兩種操作模式，當主軸的轉速不超過額定轉速時，泵控制器獲得液壓泵的目標扭矩，然後基於該目標扭矩和高壓油管中的工作油的液壓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。
如上所述，對於正常操作模式和低轉速操作模式兩種操作模式，當主軸的轉速不超過額定轉速時，泵控制器獲得液壓泵的目標扭矩，然後基於該目標扭矩和高壓油管中的工作油的液壓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。通過以這種方式控制液壓泵，能夠提高發電效率。在此情形中，風輪發電機可進一步包括測量主軸的轉速的轉速傳感器，其中泵控制器根據由該轉速傳感器測量的主軸的轉速來獲得目標扭矩，在該目標扭矩下，功率係數變得最大。可替代地，風輪發電機可進一步包括測量風速的風速計，其中泵控制器根據所測量的風速來獲得目標扭矩，在該目標扭矩下，功率係數變得最大。另外，在該風輪發電機中，還優選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。
如上所述，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。因而，在發電機20中能夠產生具有恆定頻率的電功率。在該情形中，還優選液壓泵和液壓馬達中的每一個包括多個油室、凸輪、高壓閥和低壓閥，所述多個油室中的每一個由缸和在該缸中以滑動方式移動的活塞包圍，該凸輪具有與該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，而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，並且泵控制器通過液壓泵的無效油室與所有油室的比率來調節液壓泵的排量Dp，所述無效油室保持為使得在液壓泵的活塞從下死點開始、到達上死點並返回到下死點的循環期間，液壓泵的高壓閥關閉，且低壓閥保持打開，並且馬達控制器通過液壓馬達的無效油室與所有油室的比率來調節液壓馬達的排量Dm，所述無效油室保持為使得在液壓泵的活塞從下死點開始、到達上死點並返回到下死點的循環期間，液壓泵的高壓閥關閉，且低壓閥保持打開。液壓泵和液壓馬達的油室(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。另外，優選液壓泵的凸輪是繞主軸周向布置並且具有凸輪輪廓的環凸輪，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。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。另一方面，發電機的額定速度通常為1500rpm或1800rpm。在該情形中，在具有液壓泵和液壓馬達的液壓傳動裝置中，需要將轉子的轉速增大大約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。這意味著液壓泵的排量Dp需要設定為比液壓馬達的排量Dm大約大100倍。通過改變每個缸的容積或增加缸的數量能夠增加液壓泵的排量Dp。然而，不可避免的是液壓泵的尺寸變得較大。因此，通過使用具有凸輪輪廓的液壓泵的環凸輪，該凸輪輪廓限定多個具有繞主軸交替布置的凹部和凸部的波形部，當環凸輪完成一圈旋轉時，該環凸輪使活塞的每一個向上和向下移動許多次。由此，能夠在不使液壓泵的尺寸較大的情況下增加液壓泵的排量Dp。關於液壓馬達的凸輪，通過使用相對於液壓馬達的輸出軸的軸心0偏心布置的偏心凸輪，液壓馬達的排量Dm變得小於液壓泵的排量，從而實現該液壓傳動裝置的較高增速比。上述風輪發電機可進一步包括調節安裝在轂上的葉片的槳距角的槳距驅動機構，並且控制單元可控制該槳距驅動機構以便一旦發電機的輸出達到額定輸出，則保持發電機的該額定輸出。由此，在以等於或高於額定風速並且低於切出風速的風速執行發電的額定操作中，該發電機能夠產生特定量的電功率輸出(額定輸出)。另外，額定風速意指從發電機獲得額定輸出所需的風速，而切出風速意指停止發電以確保風輪發電機的安全的風速。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。此外本發明提出一種風輪發電機的操作方法，該風輪發電機包括轂、聯接到該轂的主軸、用於將從該主軸傳輸的旋轉能轉化成電功率的發電機、通過該主軸旋轉的液壓泵、 連接到該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、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，該方法包括在正常操作模式與低轉速操作模式之間選擇操作模式的模式選擇步驟，該低轉速操作模式的主軸的額定轉速比正常操作模式的主軸的額定轉速低；以及基於在該模式選擇步驟中選擇的操作模式來調節液壓泵和液壓馬達的排量的排量調節步驟。根據風輪發電機的該操作控制方法，操作模式選擇單元選擇正常操作模式或具有主軸的較低額定轉速的低轉速操作模式。能夠選擇該低轉速操作模式來採取措施克服諸如噪音、機鳥互撞、軸承的摩擦熱的問題。根據風輪發電機的該操作控制方法，液壓泵的額定排量和高壓油管的額定壓力中的至少一個可在低轉速操作模式中比在正常操作模式中大。另外，根據風輪發電機的該操作控制方法，低轉速操作模式中的電功率的額定輸出可與正常操作模式基本相同。此外，在該模式選擇步驟中，能夠根據環境狀況來選擇正常操作模式或低轉速操作模式。本發明的有利效果根據本發明，操作模式選擇單元能夠根據環境狀況來選擇正常操作模式或具有主軸的較低額定轉速的低轉速操作模式。當需要採取措施來克服諸如噪音、機鳥互撞、軸承的摩擦熱的問題時，能夠選擇低轉速操作模式。


圖I是風輪發電機的示例結構的圖示。圖2是槳距驅動機構的結構的圖示。圖3是液壓泵的詳細結構的圖示。圖4是液壓馬達的詳細結構的圖示。圖5是用於風輪發電機的操作控制方法的流程圖。圖6是顯不關於發電機輸出和主軸的轉速對正常操作模式與低轉速操作模式相比較的結果的曲線圖。圖7是顯示關於發電機輸出和功率係數Cp對正常操作模式與低轉速操作模式相比較的結果的曲線圖。
具體實施例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。下文對與優選實施例有關的風輪發電機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應用於各種類型的風輪機。圖I是風輪發電機的示例結構的圖示。圖2是槳距驅動機構的結構的圖示。如圖I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、用於產生電功率的發電機20、短艙22、用於支撐短艙22的塔架24以及用於控制該風輪發電機的每個單元的控制單元30。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。主軸8的轉速通過轉速計26測量並且被用於控制單元30的控制。 轂6容納如圖2中所示的槳距驅動機構40。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，使得葉片的槳距角變為預期的角度。圖I中所示的液壓傳動裝置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的進口偵彳。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。從該液壓泵排出的工作油(低壓油)經由該高壓油管流入該液壓馬達中。工作在液壓馬達14中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，最後該工作油流入液壓馬達14中。在後文中對液壓泵12和液壓馬達14的詳細結構進行描述。另外，高壓油管16的壓力通過壓力傳感器28來測量並且被用於控制單元30的控制。發電機20連接到液壓馬達14的輸出軸15並且利用從液壓馬達14輸入的扭矩來產生電功率。發電機20連接到液壓傳動裝置10的液壓馬達14。現有的同步發電機或現有的異步發電機都能夠用作發電機20。在風輪發電機I中，在液壓傳動裝置10的控制下，發電機20的轉速能夠保持恆定。因而，利用同步發電機作為發電機20，電功率能直接從同步發電機20經由變壓器供應到電網(交流鏈路法)，並且不需要用於實現變速操作的昂貴換流器。短艙22可旋轉地支撐轉子2的轂，並且容納諸如液壓傳動裝置10和發電機20的各種裝置。短艙22進一步被可旋轉地支撐在塔架24上並且可根據風向通過未示出的偏航馬達(yaw motor)轉動。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以及用於選擇風輪發電機的操作模式的操作模式選擇器38。控制單元30的部件32-38中的一個或多個部件可位於短艙22的內部或外部的不同位置，使得控制單元30可形成分布式控制系統。當主軸8的轉速不超過額定轉速時，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，然後基於該目標扭矩和高壓油管16中的工作油的液壓壓力來設定液壓泵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來保持發電機20的額定輸出，並且將葉片4的槳距角改變到順槳位置(featheringposition)。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)。此處，額定風速意指從發電機20獲得額定輸出所需的風速，而切出風速意指停止發電以確保風輪發電機I的安全的風速。例如，額定風速可設定為大約10m/s,而切出風速可設定為25m/s。操作模式選擇單元38根據環境狀況來選擇正常操作模式和低轉速操作模式中的一個。低轉速操作模式具有比正常操作模式低的主軸8的額定轉速以及比正常操作模式高的液壓泵12的額定排量。因為響應於主軸8的低轉速，液壓泵的額定排量大，所以在低轉速操作模式中，發電機的額定輸出基本與正常操作模式的額定輸出相同。因此，在正常操作模式和低轉速操作模式的任一個操作模式中，在額定操作中從發電機20獲得的電功率近似相同。環境狀況是諸如這樣的情形如果在特定時間例如具有噪音限制的夜間、如果風輪發電機I安裝在侯鳥的遷徙路徑上以及如果用於支撐主軸8的軸承的溫度在可接受範圍內。具體地，操作模式選擇單元38在這樣的情形中選擇低轉速操作模式，即在諸如噪音被限制的夜間時、風輪發電機I的位置在侯鳥的遷徙路徑上且在侯鳥遷徙的季節中、或者主軸8的軸承的溫度超過可接受範圍。現在，對風輪發電機I的液壓泵12和液壓馬達14的詳細結構進行說明。圖3是液壓泵12的詳細結構的圖示。圖4是液壓馬達14的詳細結構的示例。如圖3中所示，液壓泵12包括每一個均由缸50和活塞52形成的多個油室53、具有與活塞52形成接合的凸輪輪廓的凸輪54以及設置用於油室53中的每一個油室的高壓閥56和低壓閥58。從使活塞52沿凸輪54的凸輪輪廓平滑運行的視角看，活塞52中的每一個活塞優選包括活塞體52A和活塞輥或活塞滑靴，該活塞體52A在缸50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52A上並且與凸輪54的凸輪輪廓接合。圖3示出了活塞52由活塞體52A和活塞輥52B構成的示例。凸輪54經由凸輪架55安裝在主軸8的外周上。對於主軸8的一圈旋轉，凸輪54使活塞52中的每一個活塞向上和向下移動多次，從而增大扭矩5。從這種觀點看，凸輪54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交替布置的凹部54A和凸部54B的波形部。高壓閥56布置在高壓油管16與油室53中的每一個油室之間的高壓連通路徑57中。同時，低壓閥58布置在低壓油管18與油室53中的每一個油室之間的低壓連通路徑59中。泵控制器32控制高壓閥56和低壓閥58的打開/關閉定時。對於油室53中的不向高壓油管16排出高壓油的無效油室，在活塞52從下死點開始、到達上死點並返回到下死點的循環期間，泵控制器32保持高壓閥56打開，而低壓閥關閉。相反，對於油室53中的向高壓油管排出高壓油的工作室，在活塞53從下死點開始並且到達上死點的泵循環期間，泵控制器打開高壓閥56且關閉低壓閥58，而在活塞52從上死點開始並且到達下死點的吸入循環期間，泵控制器關閉高壓閥56且打開低壓閥。泵控制器32改變無效油室與所有油室53的比率以便調節液壓泵12的排量Dp。在示例中，泵控制器32控制高壓閥56和低壓閥58的打開和關閉。然而，高壓閥56可由止回閥構成以僅允許工作油流向高壓油管16。在該情形中，當液壓泵12的活塞52從下死點移動到上死點時，油室53中的工作油被壓縮，並且油室53中的壓力變得高於高壓 油管中的壓力。然後，高壓閥自動打開，並因而不必主動地控制高壓閥56。如圖4中所示，液壓馬達14包括多個形成在缸60與活塞62之間的液壓室63、具有與活塞62形成接合的凸輪輪廓的凸輪64以及，該高壓閥66和低壓閥68設置用於液壓室63中的每一個液壓室的高壓閥66和低壓閥68。從將活塞62的向上和向下運動平滑地轉換成凸輪64的旋轉運動的視角看，活塞62中的每一個活塞優選包括活塞體62A和活塞輥或活塞滑靴，該活塞體62A在缸60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62A上並且與凸輪64的凸輪輪廓接合。圖4示出了活塞62中的每一個活塞由活塞體62A和活塞棍62B構成的示例。凸輪64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62完成一組向上和向下運動時，凸輪64和凸輪64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54是環凸輪，而液壓馬達14的凸輪64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66布置在高壓油管16與油室63中的每一個油室之間的高壓連通路徑67中。低壓閥68布置在低壓油管18與油室63中的每一個油室之間的低壓連通路徑69中。馬達控制器34控制高壓閥66和低壓閥68的打開/關閉定時。對於高壓油不從高壓油管16供應到的油室63的無效油室，在活塞62從下死點開始、到達上死點並返回到下死點的循環期間，馬達控制器34保持高壓閥66關閉，而低壓閥68打開。相反，對於高壓油從高壓油管16供應到的油室63的工作室，在活塞62從上死點開始並且到達下死點的馬達循環期間，馬達控制器打開高壓閥66且關閉低壓閥68，而在活塞62從下死點開始並且到達上死點的排出循環期間，馬達控制器關閉高壓閥66且打開低壓閥68。馬達控制器34改變無效油室與所有油室63的比率以便調節液壓馬達14的排量Dm。接下來，對風輪發電機I的通過控制單元30的操作控制方法進行說明。圖5是風輪發電機I的操作控制方法的流程圖。 如圖5中所示，在步驟S2中，操作模式選擇單元38根據環境狀況選擇正常操作模式和低轉速操作模式中的一種操作模式。例如，操作模式選擇單元38在如下情形中選擇低轉速操作模式，即在諸如噪音被限制的夜間時、風輪發電機I的位置在侯鳥的遷徙路徑上且在侯鳥遷徙的季節中、或者主軸8的軸承的溫度超過可接受範圍，而在其它情形中選擇正常操作模式。在步驟S4中，確定是否選擇正常操作模式。如果確定選擇了正常操作模式，則在步驟SlO到S30中執行正常操作控制。相反，如果確定選擇了低轉速操作模式，則在步驟S40到S68中執行低轉速操作控制。(正常操作控制)對於正常操作控制，在步驟SlO中，確定發電機20的輸出是否已達到額定輸出。如果確定發電機20的輸出已達到額定輸出，則在步驟S12中，槳距控制器36控制槳距驅動機構40的伺服閥44來調節葉片4的槳距角，使得發電機20的輸出達到額定輸出。然後在步驟S14中，確定發電機20的輸出與額定輸出之間的差是否在可容許範圍內。如果該差不在該可容許範圍內，則過程返回到步驟S12以重新調節葉片4的槳距角。·相反，如果在步驟SlO中確定發電機20的輸出未達到額定輸出(步驟SlO中否)，則過程前進到步驟S16。在步驟S16中，轉速計26測量主軸8的轉速η。在步驟S18中，基於該轉速η，泵控制器設定液壓泵12的目標扭矩Tp tawt，在該目標扭矩下，功率係數變得最大。例如，利用預先設定主軸8的轉速與液壓泵12的目標扭矩之間的關係的表，能夠獲得與由轉速計26測量的主軸的轉速η相對應的液壓泵12的目標扭矩Tp togrt。另外，在步驟S20中，壓力傳感器28測量高壓油管16中的壓力PH。在步驟S22中，基於液壓泵12的目標扭矩Tp 和高壓油管16中的壓力PH，泵控制器32根據如下數學公式I來設定液壓泵12的排量Dp。(數學公式I)排量Dp =目標扭矩Tp—target/壓力Ph在步驟S22中設定液壓泵12的排量Dp之後，過程前進到步驟S24。在步驟S24中，泵控制器32基於該排量Dp根據如下數學公式2來設定液壓泵12的排出量Qp。(數學公式2)排出量Qp =排量Dp X轉速η接下來，在步驟S26中，馬達控制器34設定液壓馬達14的排量Dm，使得發電機20的轉速保持恆定。具體地，馬達控制器34根據數學公式3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S28中，泵控制器32根據如下數學公式4改變液壓泵12的工作室的數量，使得液壓泵12的排量變為Dp。(數學公式4)排量Dp = m X Vp X Fdpm是凸輪54的凹部和凸部的數量。Vp是所有缸50的總容積。Fdp是工作室與所有油室53的比率。以類似的方式，在步驟S30中，馬達控制器34根據如下數學公式5改變液壓馬達14的工作室的數量，使得液壓馬達14的排量變為Dm。
(數學公式5)排量D111 = VniXFdmVm是所有缸60的總容積，而Fdm是工作室與所有油室63的比率。如上所述，在正常操作模式的步驟S18 、S22和S28中，泵控制器32獲得液壓泵12的目標扭矩Tp togrt，功率係數在該目標扭矩下變得最大，基於該目標扭矩Tp tawt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。由此，發電效率得以提聞。此外，在正常操作模式的步驟S26和S30中，馬達控制器34基於液壓泵12的排出量Qp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中能夠廣生具有恆定頻率的電功率。(低轉速操作控制)在低轉速操作控制中，在步驟S40中，確定發電機20的輸出是否已達到額定輸出。如果發電機20的輸出已達到額定輸出，則在步驟S42中，槳距控制器36控制槳距驅動機構40的伺服閥44以改變葉片4的槳距角，使得發電機20的輸出達到額定輸出。並且在步驟S44中確定發電機20的輸出與額定輸出之間的差是否在可容許範圍內。如果該差不在可容許範圍內，則過程返回到步驟S42以重新調節葉片4的槳距角。相反，如果發電機20的輸出未達到額定輸出(在步驟S40中確定為否)，則在步驟S46中，轉速計26測量主軸8的轉速η。在步驟S48中，確定主軸8的轉速η是否已達到額定轉速n2 ( < nl)。此處，nl是在正常操作模式中主軸的額定轉速，而n2是在低轉速操作模式中主軸8的額定轉速。如果在步驟S48中確定主軸8的轉速不大於額定轉速n2，則過程前進到步驟S50。在步驟S50中，基於在步驟S46中測量的主軸8的轉速n，泵控制器32設定液壓泵12的目標扭矩Tp tawt，在該目標扭矩下，功率係數變得最大。接下來，在步驟S52到S62中，泵控制器32基於該目標扭矩Tp ta,get和高壓油管16中的壓力Ph來設定液壓泵12的排量Dp，控制液壓泵12，而馬達控制器34基於液壓泵的排出量Qp設定液壓馬達14的排量Dm，使得發電機20的轉速變得恆定，並且控制液壓馬達14。步驟S52到S62類似於正常操作控制的步驟S20到S30，因而將不再進一步說明。如果在步驟S48中確定主軸8的轉速已達到額定轉速n2 (超過額定速度n2)，則過程前進到步驟S64。在步驟S64中，泵控制器32調節液壓泵的工作室的數量，使得主軸的轉速η達到額定轉速n2。具體地，增加液壓泵12的工作室的數量以便增大用於驅動液壓泵12所需的扭矩並將主軸8的轉速η降低到額定轉速η2。接下來，在步驟S66中，轉速計26再次測量主軸8的轉速η，並且在步驟S68中，確定主軸8的轉速η與額定轉速η2之間的差是否在可容許範圍內。如果確定主軸8的轉速η與額定轉速η2之間的差不在該可容許範圍內，則過程返回到步驟S64以通過泵控制器32重新調節液壓泵12的工作室的數量。如上所述，在低轉速操作模式的步驟S50、S54和S60中，以與正常操作模式類似的方式，如果主軸8的轉速η不大於額定轉速η2，則泵控制器32獲得液壓泵12的目標扭矩Tp target,功率係數在該目標扭矩下變得最大，泵控制器32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，並且泵控制器32控制液壓泵12。由此，發電效率得以提聞。此外，在正常操作模式的步驟S58和S62中，馬達控制器34基於液壓泵12的排出量Qp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。另外，在低轉速操作模式中，在主軸8的轉速η超過額定轉速n2的情形中，在步驟S64中增加液壓泵12的工作室的數量，以便保持主軸8的轉速處在比正常操作模式中主軸的額定轉速nl低的額定轉速n2。(優選實施例)
運行對上述操作控制方法的仿真。計算條件是在正常操作模式中主軸的轉速nl是12rpm(葉片4的尖端周向速度是79m/s)，在低轉速操作模式中主軸的額定轉速n2是10. 5rmp (尖端周向速度是69m/s)，發電機20的額定輸出是3. 5MW,而切入風速是3. 5m/s。圖6是顯示關於發電機20的輸出和主軸8的轉速對正常操作模式與低轉速操作模式相比較的結果的曲線圖。圖7是顯示關於發電機20的輸出和功率係數Cp對正常操作模式與低轉速操作模式相比較的結果的曲線圖。如圖6中所示，當風速不高於大約8. 7m/s時，在正常操作模式與低轉速操作模式之間沒有太大的差別。在兩種操作模式中，液壓傳動裝置10的控制使得功率係數Cp最大，而發電機20的轉速恆定。因此，在兩種操作模式中，發電機20的輸出隨風速增大而增加，並且主軸8的轉速隨風速增大而增大。然而，當風速達到接近8. 7m/s時，主軸8的轉速達到低轉速操作模式中主軸8的額定轉速n2 (10. 5rmp)。超過此點，發電機20的輸出在正常操作模式與低轉速操作模式之間出現輕微的差別。這是因為，在正常操作模式中，液壓傳動裝置10的控制執行為使得功率係數Cp最大，而發電機20的轉速恆定，而在低轉速操作模式中，控制被執行為增大液壓泵12的扭矩，使得主軸8的轉速保持恆定(圖5的S64到S68)。當風速達到接近10. 5m/s時，在兩種操作模式中，發電機20的輸出達到額定輸出(3. 5MW)。因而，在正常操作模式和低轉速操作模式兩種操作模式中，將葉片4的槳距角調節為保持發電機的輸出處在額定輸出(S12到S14和S42到S44)。因此，在兩種操作模式中，發電機20的輸出變為額定輸出。如圖7中所示，一旦風速達到切入風速(3. 5m/s)，則在兩種操作模式中，功率係數Cp顯著增加並且變得最大。這一直持續到風速變為大約8. 7m/s，在該風速下，在低轉速操作模式中主軸8的轉速達到額定轉速n2 (10. 5rpm)。當風速接近8. 5m/s時，功率係數在操作模式中出現輕微差別。這是因為，在正常操作模式中，液壓傳動裝置10的控制被執行為使得功率係數Cp最大，而發電機20的轉速恆定(圖5的S16到S30)，而在低轉速操作模式中，控制被執行為增大液壓泵12的扭矩，使得主軸8的轉速保持恆定(圖5的S64到S68)。當風速達到接近10. 5m/s時，在兩種操作模式中，發電機20的輸出達到額定輸出(3. 5MW)。因而，在正常操作模式和低轉速操作模式兩種操作模式中，將葉片4的槳距角調節為保持發電機的輸出處在額定輸出(圖5的S12到S14和S42到S44)，並且允許風部分地避開，因而功率係數Cp降低。
根據上述的操作控制方法，能夠在正常操作模式與低轉速操作模式之間選擇操作模式。儘管當風速大約在8. 7m/s與10. 5m/s之間時發電機的輸出具有微小下降並且功率係數Cp下降，但是能夠在幾乎所有風速區域中不損失發電效率的情況下將額定轉速從12rpm(尖端周向速度79m/s)降至10. 5rpm(尖端周向速度69m/s)。如上文說明的，在該優選實施例中，操作模式選擇單元38根據環境狀況來選擇正常操作模式或具有主軸的較低額定轉速的低轉速操作模式。當需要採取措施來克服諸如噪音、機鳥互撞、軸承的摩擦熱的問題時，能夠選擇低轉速操作模式。低轉速操作模式具有比正常操作模式低的主軸8的額定轉速和比正常操作模式大的液壓泵12的額定排量。因而，低轉速操作模式能夠實現與正常操作模式基本相同的發電機20的額定輸出。因此，通過採用低轉速操作模式，能夠在不經歷發電機20的較低額定輸出的情況下降低主軸8的額定轉速。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。在一些實施例中，泵12的額定扭矩(由於液壓油管的額定壓力或泵的額定排量)在低轉速操作模式中與在正常操作模式中類似。在這些實施例中，在高於低轉速操作模式的額定速度的情況下，將葉片4的槳距角調節為逐漸降低扭矩Tp toget和功率係數Cp( SP，在高於正常操作模式的額定速度的情況下，在高於該額定速度時，不管怎樣它都降低)。因而在一些實施例中，與正常操作模式相比，在低轉速操作模式中可降低風輪機的額定功率。在上述實施例中，轉速計26測量主軸的轉速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，改變無效室與所有油室(53、63)的比率以調節液壓泵12和液壓馬達14的排量。但通過在活塞循環期間改變打開高壓閥(56、66)的時機來改變液壓泵12和液壓馬達14的排量也是可能的。此外，該優選實施例顯示了將低轉速操作模式的排量設定為大於正常操作模式的示例性情形。但這不是限制性的，只要低轉速操作模式具有比正常操作模式低的主軸8的額定轉速以及與正常操作模式基本相同的發電機20的額定輸出。例如，與正常操作模式(與主軸8的較低額定轉速成反比地將高壓油管的額定壓力設定為較高)相比，在低轉速操作模式中，對於主軸8的較低額定轉速能夠將高壓油管的額定壓力設定為較高，以便獲得與正常操作模式相同的發電機的額定輸出。可替代地，對於主軸8的較低額定轉速，液壓泵12的額定排量和高壓油管16的額定壓力都可設定為在低轉速操作模式中比正常操作模式中高。附圖標記列表I風輪發電機2 轉子4 葉片6 轂8 主軸
10液壓傳動裝置12液壓泵14液壓馬達15輸出軸16高壓油管18低壓油管20發電機22短艙·24塔架26轉速計28壓力傳感器30控制單元32泵控制器34馬達控制器36槳距控制器38驅動模式選擇單元40槳距驅動機構42液壓缸44伺服閥46油壓源48蓄能器50缸
52活塞52A活塞體52B活塞棍53油室54凸輪56高壓閥57高壓連通路徑58低壓閥59低壓連通路徑60缸62活塞62A活塞體62B活塞輥63油室64凸輪66高壓閥67高壓連通路徑
68低壓閥 69低壓連通路徑
權利要求
1.一種風輪發電機,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旋轉； 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；控制單元，所述控制單元具有泵控制器和馬達控制器，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 ；以及 操作模式選擇單元，所述操作模式選擇單元使操作模式在正常操作模式與低轉速操作模式之間切換，所述低轉速操作模式的主軸的額定轉速比所述正常操作模式的主軸的額定轉速低。
2.根據權利要求I所述的風輪發電機， 其中，所述液壓泵的額定排量和所述高壓油管的額定壓力中的至少一個在所述低轉速操作模式中比所述正常操作模式中大。
3.根據權利要求I所述的風輪發電機， 其中所述低轉速操作模式中的電功率的額定輸出與所述正常操作模式中的電功率的額定輸出基本相同。
4.根據權利要求I所述的風輪發電機， 其中所述操作模式選擇單元根據環境狀況來選擇所述正常操作模式或所述低轉速操作模式。
5.根據權利要求I所述的風輪發電機， 其中，對於所述正常操作模式和所述低轉速操作模式兩種操作模式，當所述主軸的轉速不大於所述低轉速操作模式的額定轉速時，所述泵控制器獲得所述液壓泵的目標扭矩，然後基於所述目標扭矩和所述高壓油管中的工作油的液壓壓力來設定所述液壓泵的排量Dp，其中在所述目標扭矩下，功率係數變得最大。
6.根據權利要求5所述的風輪發電機，進一步包括 轉速傳感器，所述轉速傳感器測量所述主軸的轉速， 其中所述泵控制器根據由所述轉速傳感器測量的所述主軸的轉速來獲得所述目標扭矩，在所述目標扭矩下，功率係數變得最大。
7.根據權利要求5所述的風輪發電機，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來獲得所述目標扭矩，在所述目標扭矩下，功率係數變得最大。
8.根據權利要求5所述的風輪發電機， 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變得恆定，所述液壓泵的排出量Qp由所述排量Dp獲得。
9.根據權利要求8所述的風輪發電機，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、高壓閥和低壓閥，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，而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所述液壓泵的無效油室與所有油室的比率來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低壓閥保持打開，並且 其中所述馬達控制器通過所述液壓馬達的無效油室與所有油室的比率來調節所述液壓馬達的排量Dm以便進行調節，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低壓閥保持打開。
10.根據權利要求9所述的風輪發電機， 其中所述液壓泵的所述凸輪是繞所述主軸周向設置並且具有凸輪輪廓的環凸輪，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。
11.根據權利要求I所述的風輪發電機，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，以便一旦所述發電機的輸出達到額定輸出，就保持所述發電機的額定輸出。
12.一種風輪發電機的操作方法，所述風輪發電機包括轂、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、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 根據環境狀況、在正常操作模式與低轉速操作模式之間選擇操作模式的模式選擇步驟，所述低轉速操作模式的主軸的額定轉速比所述正常操作模式的主軸的額定轉速低；以及 基於在所述模式選擇步驟中選擇的操作模式來調節所述液壓泵和所述液壓馬達的排量的排量調節步驟。
13.根據權利要求12中所述的風輪發電機的操作方法， 其中所述液壓泵的額定排量和所述高壓油管的額定壓力中的至少一個在所述低轉速操作模式中比所述正常操作模式中大。
14.根據權利要求12中所述的風輪發電機的操作方法， 其中所述低轉速操作模式中的電功率的額定輸出與所述正常操作模式中的電功率的額定輸出基本相同。
15.根據權利要求12中所述的風輪發電機的操作方法， 其中，在所述模式選擇步驟中，根據環境狀況來選擇所述正常操作模式或所述低轉速操作模式。
全文摘要
本發明的目的是提供一種採取措施來克服諸如噪音、機鳥互撞和軸承的摩擦熱的問題的風輪發電機及其操作控制方法。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。操作模式選擇單元38使操作模式在正常操作模式與低轉速操作模式之間切換。該低轉速操作模式具有比正常操作模式低的主軸8的額定轉速，液壓泵12的額定排量和高壓油管的額定壓力中的至少一個比正常操作模式中的大，並且發電機20的額定輸出與正常操作模式中的基本相同。操作模式選擇單元38根據環境狀況來選擇正常操作模式或低轉速操作模式。
文檔編號F03D9/00GK102803718SQ201080003098
公開日2012年11月28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, 丹尼爾·杜姆挪夫 申請人:三菱重工業株式會社