諸如帶有液壓傳動裝置的風力渦輪機的可再生能量提取裝置的製作方法

2023-04-26 17:59:06 4

專利名稱：諸如帶有液壓傳動裝置的風力渦輪機的可再生能量提取裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及諸如風力渦輪發電機(WTG)的可再生能量裝置。
背景技術：
可再生能量裝置諸如風力渦輪發電機和潮流發電機是用於交流電力網絡的日益重要的電源。這樣的裝置傳統上利用齒輪箱形式的傳動裝置來將諸如風力渦輪機或潮汐渦輪機的能量提取機構的慢輸入速度改變成快輸出速度，以用於驅動發電機。因為這樣的變速箱易於發生故障並且維持和更換或修理是昂貴的，所以這樣的變速箱對設計和建造是有挑戰性的。
因此，已經提出了建造使用流體工作機械的用於可再生能量裝置的傳動裝置，這使得這樣的靜壓傳動裝置可變比率即使在大規模情況下也是可能的。這樣的液壓傳動裝置還比齒輪箱更輕且更加堅固，並且比將另外執行相同功能的直接發電機驅動裝置更輕，從而降低發電的總體成本。US 4503673世嘉格(Schacle)公開了由多個泵驅動的多個可變排量馬達，該馬達排量總量是變化的，以根據壓力對轉子速度的函數來控制液壓壓力。WO 2007 053036 Al卓普(Chapple)也公開了一種可變排量馬達，該可變排量馬達是由固定排量泵驅動的，但是馬達排量根據測量的風速受到控制。
然而，經驗表明，歸因於陣風和紊流，輸入到可再生能量裝置的輸入功率是時時刻刻不可預知的。這對輸出到電力網絡的功率輸出產生不期望的變化。當電力網絡暫時斷開或在短時間內需要來自裝置的額外的能量時，發生了進一步的問題。出於這些原因，已經提出了使用連接在泵與馬達之間的流體儲存器，並且控制泵和/或馬達來實現對流體儲存器中的過剩能量的瞬時儲存和回收。
US 4496847 巴基斯(Parkins)和索特和拉(Salter&Rae) (1984)兩者公開了一種包括電子整流泵的WTG (即，其中能夠使各個工作室停止作用以改變由泵每次旋轉而排出的流體的排量，並且因此改變施加到轉子的扭矩)。轉子扭矩被控制成用於維持轉子速度對測量風速的期望比率，而渦輪機(功能上相當於馬達)或馬達分別被控制成用於維持流體儲存器(分別是壓力容器和飛輪或真空存儲器)中的恆定壓力。US 4280061羅森-譚柯烈德 (Lawson-Tancred)公開了另一種WTG，藉此根據轉子速度的平方控制泵排量，並且馬達被控制成用於維持恆定壓力，其中流體儲存器是加重的液壓油缸。此外，US 4274010羅森-譚柯烈德(Lawson-Tancred)還公開了根據動力可用性間歇地開啟和關閉發電機/馬達的能力。
瀾本(Rampen)、泰勒(Taylor)和裡多克(Riddoch) (2006)公開了一種帶有電子整流泵和作為能量存儲器的液壓蓄能器的WTG，但是並沒有描述如何能夠控制泵、馬達和蓄能器以實現對過剩能量的瞬時儲存和回收。
雖然蓄能器是便宜且可靠的能量存儲器，但是它們的流體壓力在操作中必須非常廣泛地變化以提供平滑化效果。另外，流體工作機械的效率隨操作壓力而改變，並且因此， 期望優化使用中的操作壓力。具體地，如果操作壓力是低的，則波動能量輸入能夠在無警告的情況下產生超出泵在當前壓力下提供抑制扭矩的能力的轉子扭矩，從而導致轉子危險地加速。其它緊急停止狀況也可能需要對轉子突然施加全扭矩，所述緊急停止狀況諸如槳葉、 輔助設備、塔架或流體迴路發生故障。然而，因為蓄能器必須填充有流體以升高操作壓力， 所以包括蓄能器能量儲存器的WTG不能夠迅速地增加扭矩。
出於該原因，US 4496847公開了可控收縮閥，所述可控收縮閥用於當必要時將泵與渦輪機隔離，由此升高壓力，以控制所述裝置抵抗轉子超速。然而，即使當打開時，這些限制閥也會引入降低降低WTG的發電效率的損失。此外，當限制閥被操作時，發電停止。
因此，本發明的第一個目的在於提供用於可再生能量裝置的控制方法，該可再生能量裝置包括靜壓傳動裝置和便宜且可靠的能量存儲設備，其能夠更加迅速地響應檢測到的故障，同時在正常運轉中最大化發電效率並且在整個扭矩需求的增加期間維持發電。發明內容
根據第一方面，本發明提供了一種操作能量提取裝置以從來自可再生能源的波動能量流提取能量的方法，所述裝置包括液壓泵，所述液壓泵由旋轉軸驅動且將扭矩施加至所述旋轉軸，所述旋轉軸由可再生能源驅動；液壓馬達，所述液壓馬達驅動載荷；高壓歧管，所述高壓歧管與所述液壓泵的出口和所述液壓馬達的入口流體連通，並且被選擇性地設置成與流體蓄能器流體連通；至少一個低壓歧管，所述至少一個低壓歧管與所述液壓馬達的出口以及所述液壓泵的入口流體連通；以及故障事件傳感器，所述故障事件傳感器用於檢測故障事件；其中，所述液壓泵或液壓馬達中的至少一個是電子控制可變排量液壓機械，所述電子控制可變排量液壓機械包括多個工作室以及多個閥，所述工作室具有周期性地變化的容積，所述閥用於調節在每個工作室與每個歧管之間的工作流體的淨排量，與各工作室關聯的至少一個閥是電子控制閥，所述電子控制閥被操作以用於選擇在每個工作室容積循環上由每個所述工作室排出的工作流體的體積，並且由此調節由所述電子控制可變排量液壓機械排出的工作流體的淨排出速率；所述方法的特徵在於響應於檢測到故障事件，中斷所述流體蓄能器與所述高壓歧管之間的流體連通，並且升高在所述高壓歧管內的流體壓力。
與現有技術的能量提取裝置相比，根據本發明的裝置對特定的故障具有更快的響應時間，並且因此較少可能受到損壞。另外，該裝置不依賴於可變收縮閥，所述可變收縮閥通過將高壓作為熱量耗散而引起巨大的能量損失，這會促使工作流體沸騰，並且這在許多大規模能量提取裝置(例如>3MW)的情況下還是不實際的。此外，被直接放置在流體流動中的可變收縮閥降低了裝置的效率，而在本發明中，僅小部分的能量流每次經過用於中斷在流體蓄能器與高壓歧管之間的流體連通的裝置。
與常規液壓機械相比，電子控制可變排量機械具有更快且更準確的排量控制，在所述電子控制可變排量機械中，通過對電子控制閥的主動控制而在每個工作室容積循環上控制由每個工作室排出的工作流體的體積，並且因此，在流體蓄能器與高壓歧管之間的流體連通被中斷時，採用一個或多個電子控制可變排量機械的能量提取裝置具有較大的維持控制(這意味著連續的軸和載荷扭矩)的機會。因此，到目前為止，現有技術的系統已經是與本發明的特徵相反的。
優選地，響應於檢測到故障事件，高壓歧管內的流體壓力上升。可以是，響應於故CN 102985687 A書明說3/11 頁
障事件，高壓歧管內的流體壓力降低。由於高壓歧管內的流體壓力升高，一個或多個壓力釋放閥可以在流體蓄能器與高壓歧管之間的流體連通中斷之後打開。
本發明作為對故障事件的響應是特別有用的，所述故障事件能夠通過增加或減小將由液壓泵施加到旋轉軸的扭矩而減輕。因此，優選地，減輕故障事件包括增加或減小由液壓泵施加到旋轉軸的扭矩。
優選地，一檢測到故障事件，就維持在液壓泵的出口與液壓馬達的入口之間的流體連通，響應於檢測到故障事件，流體蓄能器與高壓歧管之間的流體連通已經被中斷。
可以的是，響應於檢測到故障事件，降低由液壓馬達排出的工作流體的淨排出速率。因此，較少的流體被液壓馬達吸收，從而升高高壓歧管中的壓力。可以的是，在檢測到故障事件之後，暫時降低由液壓馬達排出的工作流體的淨排出速率，並且可以在升高高壓歧管中的壓力之後增加由液壓馬達排出的工作流體的淨排出速率。優選地，液壓馬達是所述電子控制可變排量液壓機械。
優選地，該方法包括響應於檢測到故障事件，增加由液壓泵排出的工作流體的淨排出速率。因此，更多的流體被液壓泵泵送，從而升高高壓歧管中的壓力。可以的是，在檢測到故障事件之後，暫時增加由液壓泵排出的工作流體的淨排出速率，並且可以在升高高壓歧管中的壓力之後減小由液壓泵排出的工作流體的淨排出速率。優選地，該液壓泵是所述電子控制可變排量液壓機械。
優選地，所述流體蓄能器通過隔離閥被選擇性地設置成與高壓歧管流體連通。優選地，該能量提取裝置包括控制器，該控制器可操作用於控制隔離閥。優選地，該控制器可操作用於控制液壓泵和液壓馬達。
故障事件優選地是超速狀況、陣風、極端陣風、停止旋轉軸的請求或不期望的結構狀況中的一個或多個。極端陣風可以是比當前平均風速高出30%、50%或甚至100%的風速。 例如，停止旋轉軸的請求能夠是由於檢測到轉子軸承損壞、液壓流體洩漏、槳距系統故障、 發電機場電流的損失或關鍵電子控制模塊的故障。
優選地，響應於能量提取裝置的可接受操作範圍已經或即將被超過的計算，檢測到故障事件。即將意味著在當前時間(『現在』)與將來的時間範圍之間，使得給定在現在與所述時間範圍之間的所有可能操作條件，現在採取的動作將防止可接受操作範圍在現在與所述時間範圍之間的任何時候被超過。
優選地，可接受操作範圍包括以下範圍中的一個或多個能量提取裝置的(例如， 旋轉軸或載荷的)可接受速度範圍、(例如，旋轉軸或載荷的)可接受扭矩範圍、或(例如，流體蓄能器壓力或高壓歧管的)可接受壓力範圍、(例如，載荷的，其中所述載荷是發電機)可接受電壓範圍、(例如，液壓泵和馬達的工作流體的、或載荷的)可接受溫度範圍、或(例如， 載荷的，其中所述載荷是發電機)可接受頻率範圍、或(例如，能量提取裝置的第一部分相對於第二部分的)可接受運動範圍。
優選地，故障事件傳感器包括以下傳感器中的一個或多個軸速度傳感器、風速度傳感器、壓力傳感器、運動/振動傳感器、電壓傳感器、電流傳感器、頻率傳感器或溫度傳感器。故障事件傳感器可以包括比較裝置，該比較裝置可操作用於將傳感器的測量值與能量提取裝置的可接受操作範圍進行比較。
優選地，除了響應於檢測到故障事件以外，流體蓄能器通常與液壓泵和液壓馬達6流體連通。因此，在正常使用(即，在故障事件被檢測到之前的使用)中，優選地，流體蓄能器響應于波動的能量流或載荷中的波動，而對液壓馬達和泵吸收和釋放能量。
可以的是，所述流體蓄能器包括多個較小的流體蓄能器模塊，該方法進一步包括 響應於檢測到故障事件，中斷所述多個較小的流體蓄能器模塊中的一個或多個流體蓄能器模塊但非全部的流體蓄能器模塊和高壓歧管之間的流體連通。
優選地，至少一個蓄能器調節器被設置用於中斷或允許在所述流體蓄能器或每個流體蓄能器與高壓歧管之間的流體連通。優選地，所述蓄能器調節器或每個蓄能器調節器是具有打開狀態和關閉狀態的閥，在所述打開狀態中，所述流體蓄能器或每個流體蓄能器被設置成與高壓歧管流體連通，在所述關閉狀態中，所述流體蓄能器或每個流體蓄能器不與高壓歧管流體連通。優選地，在所述流體蓄能器或每個流體蓄能器與高壓歧管之間的流體連通是在打開狀態中是直接的，也就是說，不通過任何其它流體流量調節裝置。可以的是，所述蓄能器調節器或每個蓄能器調節器具有一個或多個局部狀態，在所述一個或多個局部狀態中，所述流體蓄能器或每個流體蓄能器被設置成與高壓歧管流體連通，使得流體能夠在所述流體蓄能器或每個流體蓄能器和高壓歧管之間逐漸地流動。逐漸地意味著使所述流體蓄能器或每個流體蓄能器與高壓歧管之間的壓力均衡可能需要花幾秒或幾分鐘。
優選地，該可再生能量裝置還包括至少一個另外的流體蓄能器，所述至少一個另外的流體蓄能器與高壓歧管永久性地流體連通。
優選地，該方法還包括確定在所述流體蓄能器或每個流體蓄能器與高壓歧管之間的流體連通被中斷；檢測在高壓歧管中的第一壓力和在所述流體蓄能器或每個流體蓄能器中的第二壓力；選擇由液壓泵和液壓馬達中的至少一個的每個工作室排出的工作流體的體積，以使所述第一壓力和所述第二壓力互相靠近；以及當所述第一壓力和所述第二壓力滿足相等準則時，將所述流體蓄能器或每個流體蓄能器與高壓歧管設置成彼此流體連通。 所述相等準則可以是所述第一壓力和所述第二壓力在預定公差內是相同的，所述預定公差例如可以以絕對項或作為比率而被表達。
可以的是，所述能量提取裝置包括放洩閥，該放洩閥被布置成用於使高壓歧管壓力和所述流體蓄能器或每個流體蓄能器壓力變為相同的值，並且，所述方法還包括當高壓歧管和流體蓄能器之間的流體連通被中斷時，關閉所述放洩閥；以及當高壓歧管和流體蓄能器之間的流體連通被恢復之前，打開所述放洩閥。
可以的是，控制器在中斷高壓歧管和蓄能器之間的流體連通之前、之後或同時、發送槳距致動信號以控制槳葉的槳距。
所述能量提取裝置是用於經由一個或多個渦輪機、螺旋槳或其它裝置從諸如空氣流或水流的可再生能源提取能量的能量提取裝置。例如，所述能量提取裝置可以是風力渦輪發電機(WTG)或用於從流動的水提取能量的發電機(例如，潮流發電機)。被提取的能量流通常每分鐘都在波動，這在沒有藉助於流體蓄能器的情況下將會導致到載荷的能量流波動。與提供波動輸出的可再生能量裝置相比，產生平滑的能量輸出的可再生能量裝置由於它們產生的能量而能夠要求更高的價格，或更容易地被連接到能源網。
載荷通常是用於產生電力到電力網絡中的發電機(尤其是，同步發電機)，但是也可以是泵、扇或壓縮機。可以在不同的時間連接不同的載荷。
流體蓄能器通常是在一端處被填充有加壓氮氣或其它氣體的充氣蓄能器，或可以是適於存儲加壓液壓流體的任何其它裝置。可以存在多個流體蓄能器，並且每個流體蓄能器可以被填充有在不同的壓力下的不同的氣體。可以存在多個液壓泵和/或多個液壓馬達。高壓歧管中的流體壓力通常能夠在50巴至350巴之間變化，比在低壓歧管中的流體壓力大。低壓歧管中的流體壓力通常稍微高於大氣壓力，例如是2巴至5巴，但是也可以是近似大氣壓力。低壓泵和壓力釋放閥可以將低壓歧管連接到工作流體的儲液器，並且可以存在與低壓歧管流體連通的低壓蓄能器。
選擇工作流體的淨排出速率意味著選擇一個或多個工作室在一段時間周期內的淨排量，或選擇在一段時間內實現淨流體排量的工作室的數量和那些所述工作室的淨排量。
選擇工作流體的淨排量意味著主動地控制至少一個與工作室關聯的電子控制閥，以導致一定容積的流體與工作室容積的各個循環同步地排入到高壓歧管中或從高壓歧管排出。
優選地，對每個單獨的工作室逐個循環地選擇工作流體的淨排量，使得一起運行的所有工作室實現能夠通過流體的排出而實現的淨排出速率需求。優選地，泵的工作室的淨排出速率需求是根據被施加到旋轉軸的淨扭矩來計算的。優選地，馬達的工作室的淨排出速率需求是根據被施加到載荷的淨扭矩或功率、或根據從高壓歧管排出的流體的排出速率來計算的。
優選地，根據如下函數來調節由液壓泵施加到旋轉軸的扭矩該函數包括旋轉軸的當前旋轉速率和旋轉軸的旋轉速率的變化率中的一個或多個。優選地，在至少一個恆定 λ範圍內大致根據旋轉軸的旋轉速度的平方的函數來調節由液壓泵施加到旋轉軸的扭矩。 優選地，利用旋轉軸的旋轉速率的變化率的函數來調節由液壓泵施加到旋轉軸的扭矩。
調節扭矩意味著根據扭矩需求函數來選擇由液壓泵排出的工作流體的淨排出速率，所述扭矩需求函數可以是可再生能源或能量提取裝置的一個或多個測量參數的函數。 可以的是，該扭矩需求函數是旋轉軸的速度或波動能量流的速度的函數。扭矩需求函數可以指定由泵的多個工作室施加到旋轉軸的時間平均淨扭矩。優選地，響應於扭矩需求函數、 一個或多個測量參數和測量壓力，來選擇由液壓泵排出的工作流體的淨排出速率。優選地， 對每個單獨的工作室在逐個循環的基礎上選擇工作流體的淨排量，使得由泵的活動工作室施加到旋轉軸的時間平均淨扭矩滿足扭矩需求函數。優選地，通過主動地控制至少一個與工作室關聯的電子控制閥而在逐個周期的基礎上選擇由工作室施加到旋轉軸的扭矩，以導致所述工作室的加壓以及由工作室到旋轉軸的扭矩傳送與工作室容積的各個循環同步。
優選地，朝目標(通常地最佳)壓力或壓力範圍調節高壓歧管中的壓力。說到調節高壓歧管中的壓力，我們包括相對於液壓泵或液壓馬達排出的工作流體的淨排出速率來選擇由液壓泵或由液壓馬達中的另一個排出的工作流體的淨排出速率，以增加或減小存儲在蓄能器中的流體的量，並且由此朝目標壓力分別增加或減小在高壓歧管中的工作流體的壓力。
優選地，當壓力超過(固定的或可變的)閾值時，採取動作以降低通過旋轉軸傳遞到液壓泵的扭矩。優選地，當壓力超過閾值時，控制可再生能源，以減少由可再生能源傳遞到旋轉軸的扭矩。優選地，當壓力超過(固定的或可變的)閾值時，減少由液壓泵排出的工作流體的淨排出速率。優選地，當壓力超過(固定的或可變的)閾值時，該方法包括重新構造該能量提取裝置，以從波動能源提取較少能量。在該能量提取裝置是渦輪機的情況下，重新構造能量提取裝置可以包括以下措施中的一個或多個改變槳葉的槳距、使槳葉順槳、施加機械制動或施加液壓制動。
優選地，該方法包括調節由每個工作室排出的工作流體的時間平均淨排量。流體的淨排量意味著由液壓泵或液壓馬達在工作室容積的一個完整循環期間排入到高壓歧管中的或從高壓歧管排出的淨流體。
能量提取裝置優選地包括控制器，所述控制器用於主動地控制與工作室容積的循環處於相位關係的電子控制閥，以調節由每個工作室排出的工作流體的淨排出速率。
優選地，液壓泵和液壓馬達每個均包括可旋轉軸，所述可旋轉軸用於周期性地驅動工作室或被工作室周期性地驅動。優選地，所述軸是偏心凸輪軸，並且所述軸可以包括環凸輪。液壓泵可以僅用作泵，並且液壓馬達可以僅用作馬達。可替代地，在替代操作模式中， 液壓泵或液壓馬達可以用作馬達或泵。
優選地，每個工作室在工作室容積的每個循環上能夠操作以用於執行活動循環或空閒循環，在所述活動循環中，所述室產生工作流體的淨排量，在所述空閒循環中，所述室基本不產生工作流體的淨排量。可以的是，每個工作室可操作用於在活動循環期間排出多個體積的工作流體(例如，工作流體的體積範圍)中的一個體積的工作流體。所述體積範圍可以是不連續的，例如，工作流體的體積範圍可以包括如下範圍從基本沒有淨流體排量的第一最小值擴展到工作室的最大淨流體排量的至多25%或40%的第一最大值；然後從工作室的最大淨流體排量的至少60%或75%的第二最小值擴展到在工作室的最大淨流體排量的 100%附近的第二最大值。這可以在例如如下情況下發生操作工作流體壓力足夠高，以至於不可能在工作室容積的膨脹或收縮衝程的中途將閥打開或關閉，或流體流動足夠高，以至於以連續的體積範圍操作對工作室、工作室的閥或每個流體工作機械的其它部分將會是有損壞的。
說到「主動地控制」我們指的是，使控制器能夠在至少一些情景中通過控制機構來影響閥的狀態，所述控制機構消耗電力並且不是排外地被動響應，例如單獨地響應於閥兩端的壓差而打開或關閉閥。諸如「主動控制」的相關的術語應被相應地解釋。然而，閥優選地還可操作用於由被動裝置打開或關閉。閥通常由於諸如在吸入衝程期間工作室內的壓力下降而被動地打開。例如，在至少一些循環期間閥可以由於壓差而被動地打開，並且閥在周期的一部分期間在控制器的主動控制下可以選擇性地關閉和/或打開。優選地，所述閥還通過偏置裝置被偏置地打開或偏置地關閉。優選地，閥能夠在主動控制下從第一位置移動至第二位置，並且能夠通過偏置裝置從第二位置移動至第一位置。優選地，第一或第二位置中的一個位置是關閉位置，而另一個位置是打開位置。
說到「主動地控制」(以及相關的術語諸如「主動控制」)，我們包括如下可能性控制器可操作用於選擇性地導致閥執行打開、關閉、保持打開和/或保持關閉中的一項或更多項。控制器可以僅能夠在工作循環的一部分期間影響閥的狀態。例如，當工作室內的壓力很大時，在工作循環的大部分期間控制器可以是不能夠克服壓差將低壓閥打開的。通常，控制器通過將控制信號直接傳遞至閥或傳遞至諸如半導體開關的閥驅動器而主動地控制閥。 說到傳遞控制信號，我們包括傳遞表示閥的預期狀態(例如，打開或關閉)的信號，或表示閥的應被改變的狀態(例如，閥應被打開或關閉)的脈衝，或表示閥的應被保持的狀態的脈衝。控制器可以在連續的基礎上傳遞信號，並且停止或改變信號，以導致閥的狀態的改變。閥可以包括常閉螺線管打開閥，該常閉螺線管打開閥通過提供電流而被保持打開並且通過切斷電流而被主動地關閉。
說到「與工作室容積的循環處於相位關係」我們意味著，參照工作室的容積循環的相位來確定閥的由控制器執行的主動控制的時序。因此，每個流體工作機械通常包括工作室相位確定裝置，諸如位置傳感器。例如，在工作室容積的循環被機械地聯接至軸的旋轉的情況下，每個流體工作機械優選地均包括軸位置傳感器，並且可選地包括軸速度傳感器，並且控制器可操作用於接收來自軸位置傳感器的軸位置信號並且可選地接收來自軸速度傳感器的軸轉速信號。在包括多個工作室且在不同的工作室的容積循環之間具有相位差的實施例中，控制器將通常可操作用於確定各個工作室的相位。
優選地，當由液壓泵或液壓馬達的工作室排出的流體的選定淨排出速率足夠低時，一個或多個可操作用於排出流體的工作室在工作室容積的一個或多個循環期間是冗餘的，也就是說，如果工作室不存在或不運行，液壓泵或液壓馬達機械能夠在不改變工作室容積的主動循環的總體頻率的情況下以任何方式將足夠的流體排出以滿足需求。優選地，當由液壓泵或液壓馬達的工作室排出的流體的選定的淨排量足夠低時，對於工作室容積的至少一些循環，由可用於提供選定排量的工作室中的至少一個工作室排出的流體的選定體積大致是零。在一些實施例中，當由液壓泵或液壓馬達的工作室排出的流體的選定淨排量足夠低時，對於工作室容積的至少一些循環由可用於提供選定排量的工作室中的至少一個工作室執行空閒循環。在一些實施例中，其中工作室可操作用於排出多個體積的工作流體中的一個體積的工作流體，當由液壓泵或液壓馬達的工作室排出的流體的選定淨排量足夠低時，由可用的工作室中的至少一個工作室排出的流體的選定體積小於工作室中的所述至少一個工作室可操作用於排出的工作流體的最大體積。
根據本發明的第二方面，提供了一種用於從來自可再生能源的波動能量流提取能量的能量提取裝置，該裝置包括液壓泵，所述液壓泵由旋轉軸驅動(並且由此在使用中對所述旋轉軸施加扭矩)，所述旋轉軸由可再生能源驅動；液壓馬達，所述液壓馬達驅動載荷； 流體蓄能器；高壓歧管，所述高壓歧管與所述液壓泵的出口和所述液壓馬達的入口流體連通；至少一個低壓歧管，所述至少一個低壓歧管與所述液壓馬達的出口和所述液壓泵的入口流體連通；其中所述液壓泵或液壓馬達中的至少一個是電子控制可變排量液壓機械，所述電子控制可變排量液壓機械包括多個工作室以及多個閥，所述工作室具有周期性地變化的容積，所述閥用於調節在每個工作室與每個歧管之間的工作流體的淨排量，與各工作室關聯的至少一個閥是電子控制閥，所述電子控制閥被操作以用於在每個工作室容積循環上選擇由每個所述工作室排出的工作流體的體積，並且由此調節由所述電子控制可變排量液壓機械排出的工作流體的淨排出速率；其特徵在於，所述蓄能器通過蓄能器調節器選擇性地與所述高壓歧管流體連通，並且，故障事件傳感器可操作用於檢測故障事件，其中，所述蓄能器調節器可操作用於響應於檢測到故障事件中斷所述流體蓄能器與所述高壓歧管之間的流體連通。
本發明在第三方面中擴展至包括程序代碼的計算機軟體，所述程序代碼當在計算機上被執行時導致計算機根據第一方面的方法來操作可再生能量裝置。本發明還擴展至計算機可讀存儲介質，所述計算機可讀存儲介質存儲根據第三方面的計算機軟體。


圖I示出連接到電力網絡並且實現本發明的風力渦輪發電機；
圖2示出用於在圖I的風力渦輪發電機中使用的液壓馬達；
圖3示出用於在圖I的風力渦輪發電機中使用的泵的截面；以及
圖4示出阻止圖I的風力渦輪發電機的超速狀況的本發明的時間序列。
具體實施方式
圖I圖示出風力渦輪發電機(WTG，100)形式的本發明的一種可能的實施例，該風力渦輪發電機充當能量提取裝置，並且被連接到電力網絡(101)。並不排除提供相同功能的不同布局。該WTG包括機艙(103)，該機艙(103)被可旋轉地安裝到塔架(105)，並且在其上安裝有輪轂(107)，該輪轂(107)支撐三個槳葉(109)，該三個槳葉(109)被統稱為轉子 (110)。被外部地附接到機艙的風速計(111)向控制器(112)提供測量到的風速信號(113)。 在機艙處的轉子速度傳感器(115)向控制器提供轉子速度信號(117，在一些實施例中其充當故障事件傳感器)。在示例系統中，能夠通過槳距致動器(119)改變每一個槳葉對風的迎角，該槳距致動器(119)與控制器交換槳距致動信號和槳距傳感信號(121 )。本發明能夠被應用於無槳距致動器的WTG。
輪轂通過充當可旋轉軸的轉子軸(125)被直接連接至泵(129)，所述轉子軸(125) 沿轉子旋轉的方向(127)旋轉。泵優選地為參照圖3描述的類型，並且與液壓馬達(131)形成流體連接，該液壓馬達(131)優選地為參照圖2描述的類型。在泵與液壓馬達之間的流體連接通過高壓歧管(133)和低壓歧管(135)，並且在不存在介於中間的閥來限制流動的意義上是直接的，所述高壓歧管(133)和低壓歧管(135)分別連接到所述泵和液壓馬達的高壓埠和低壓埠。泵和液壓馬達優選地是彼此直接安裝，使得高壓歧管和低壓歧管被形成在泵和液壓馬達之間以及在泵和液壓馬達內。進料泵(137)將流體從儲液器(139)抽吸到低壓歧管中，該低壓歧管被連接到低壓蓄能器(141 )。低壓釋放閥(143)將來自低壓歧管的流體返回至儲液器。平滑蓄能器(145)被連接到泵與液壓馬達之間的高壓歧管。第一高壓蓄能器(147)和第二高壓蓄能器(149)分別通過第一隔離閥(148)和第二隔離閥(150) 被連接至高壓歧管，所述第一隔離閥(148)和第二隔離閥(150)—起充當蓄能器調節器。第一和第二隔離閥包括與它們的主級平行的放洩閥，並且可操作用於使相對低的流動在蓄能器與高壓歧管之間發生。第一高壓蓄能器和第二高壓蓄能器可以具有不同的預充壓力，並且，可以存在另外的高壓蓄能器，所述另外的高壓蓄能器帶有甚至更寬的預充壓力範圍。第一隔離閥和第二隔離閥的狀態由控制器分別通過第一隔離閥信號(151)和第二隔離閥信號 (152)來設定。高壓歧管中的流體壓力是利用HP壓力傳感器(153)來測量的，該HP壓力傳感器(153)向控制器提供HP壓力信號(154)。高壓釋放閥(155)將高壓歧管和低壓歧管連接起來。
液壓馬達通過發電機軸(159)被連接到充當載荷的發電機(157)。發電機通過接觸器(161)被連接到電力網絡，該接觸器(161)接收來自發電機和接觸器控制器(163)的接觸器控制信號(162)。該發電機和接觸器控制器從電力供應信號(167)和發電機輸出信號(169)接收電壓、電流和頻率的測量值，該發電機和接觸器控制器將所述測量值傳達到控制器(112)，並且根據來自控制器的發電機和接觸器控制信號(175)通過調節場電壓發生器控制信號(165)來控制發電機的輸出，所述電力供應信號(167)和發電機輸出信號(169)分別由電力供應傳感器(168)和發電機輸出傳感器(170)測量。
經由泵致動信號和泵軸信號(171)以及馬達致動信號和馬達軸信號(173)，泵和馬達向控制器報告泵和馬達各自的軸的旋轉速度和瞬時角位置以及液壓油的溫度和壓力， 並且該控制器設定泵和馬達的相應的閥的狀態。該控制器使用功率放大器(180)來放大槳距致動信號、隔離閥信號、泵致動信號和馬達致動信號。
圖2圖示出電子整流液壓泵/馬達形式的液壓馬達(131)，該液壓馬達包括多個工作室(202，分別由字母A至H指定)，所述工作室具有由缸(204)的內部表面和活塞(206) 限定的容積，所述活塞(206)由可旋轉曲軸(208)通過偏心凸輪(209)驅動，並且所述活塞 (206)在缸內往復移動以周期性地改變工作室的容積。可旋轉曲軸被牢固地連接到發電機軸(159)並且與該發電機軸(159) —起旋轉。軸位置和速度傳感器(210)確定軸的瞬時角位置和轉速，並且通過信號線(211，是馬達致動信號和馬達軸信號173中的一些)通知控制器(112)，這使得控制器能夠確定每個工作室的循環的瞬時相位。該控制器通常是在使用中執行存儲程序的微處理器或微控制器。
所述工作室每個均與電子致動面密封提升閥(214)形式的低壓閥(LPV)關聯，所述提升閥向內面朝它們的相關聯的工作室，並且可操作用於選擇性地封閉從工作室延伸到低壓管道的通道，該低壓管道在使用中一般用作流體的淨源或接收器，並且該低壓管道可以通過低壓埠(217)將一個或若干個或如確實在此處示出的所有的工作室連接到儲液器 (未示出)，所述低壓埠(217)被流體地連接到低壓歧管(135)。LPV是常開螺線管關閉閥， 所述常開螺線管關閉閥在工作室內的壓力小於低壓歧管內的壓力時，即，在吸入衝程期間被動地打開，以使工作室與低壓歧管流體連通，但是能夠在控制器經由LPV控制線(218，是馬達致動信號和馬達軸信號173中的一些)的主動控制下選擇性地關閉，以斷開工作室與低壓歧管的流體連通。可以採用替代的電子可控閥，諸如常閉螺線管打開閥。
所述工作室每個還與壓力致動輸出閥形式的高壓閥(HPV) (220)關聯。所述HPV 從工作室向外敞開，並且可操作用於封閉從工作室延伸至高壓管道(222)的通道，該高壓管道(222)在使用中用作流體的淨源或接收器，並且該高壓管道(222)可以將一個或幾個或如在此處示出的確實所有的工作室連接到高壓埠(224，充當液壓馬達的入口)，所述高壓埠與高壓歧管(133)流體連通。所述HPV用作常閉壓力打開止回閥，當工作室內的壓力超過高壓歧管內的壓力時，所述常閉壓力打開止回閥被動地打開。所述HPV還用作常閉螺線管打開止回閥，一旦HPV被關聯的工作室內的壓力打開，控制器可以經由HPV控制線 (226，是馬達致動信號和馬達軸信號173中的一些)選擇性地將該常閉螺線管打開止回閥保持打開。通常，HPV不能夠由控制器克服高壓歧管中的壓力而打開。此外，例如如果閥是 W0/2008/029073 或 PCT/GB2009/051154 中公開的類型並且根據 W0/2008/029073 或 PCT/ GB2009/051154中公開的方法運作，則當高壓歧管中存在壓力而工作室中不存在壓力時， HPV在控制器的控制下是可打開的，或可以是部分可打開的。
在現有技術(例如，EP0361927、EP0494236和EP1537333)中描述的正常運轉模式下，控制器通過在關聯的工作室的循環中的最小容積點之前，主動地關閉一個或多個LPV， 從而關閉到低壓歧管的路徑並且由此將少量的流體通過關聯的HPV導出，而選擇由液壓馬達從高壓歧管排出的流體的淨排出速率。然後，控制器主動地將關聯的HPV保持打開，直到接近關聯的工作室的循環中的最大容積為止，從而允許來自高壓歧管的流體進入並且向可旋轉曲軸施加扭矩。在一種可選的泵送模式中，控制器通過在關聯的工作室的循環中的最大容積點附近主動地關閉一個或多個LPV，從而關閉到低壓歧管的路徑並且由此在隨後的收縮衝程上將流體通過關聯的HPV導出，而選擇由液壓馬達排出到高壓歧管的流體的淨排出速率。控制器選擇LPV閉合動作和HPV開啟動作的數量和次序來產生流動或產生軸扭矩或功率，以滿足選定的淨排出速率。和在逐個循環的基礎上確定是否關閉LPV或將LPV保持打開一樣，控制器也可操作用於關於變化的工作室容積而改變HPV的閉合動作的精確相位，並且由此選擇從高壓歧管到低壓歧管的流體的淨排出速率或反之亦然。
埠(217、224)上的箭頭表示在馬達運行模式中的流體流動；在泵送模式中，流動是反向的。壓力釋放閥(228)可以保護液壓馬達免受損壞。
圖3圖示帶有電子整流閥的的泵(129)的部分(301)的示意形式。該泵由徑向布置的多個類似的工作室(303)構成，在圖3中的該部分中僅示出了其中三個。每個工作室均具有由缸(305 )的內表面和活塞(306 )限定的容積，活塞(306 )經由滾子(308 )由環凸輪 (307)驅動，並且該活塞(306)在缸內往復移動以周期性地改變工作室的容積。環凸輪可以被分割成安裝在軸(322)上的段，該軸(322)被牢固地連接到轉子軸(125)。可以存在沿著所述軸軸向布置的多於一組的徑向布置的工作室。大於圍繞環凸輪的壓力的在低壓歧管內並且因此在工作室內的流體壓力、或可替代地彈簧(未示出)將滾子保持成與環凸輪接觸。 軸位置和速度傳感器(309)確定軸的瞬時角位置和轉速，並且通過電連接(311，是泵致動信號和泵軸信號171中的一些)通知控制器(112)，這使得該控制器能夠確定每個單獨的工作室的循環的瞬時相位。該控制器通常是在使用中執行存儲程序的微處理器或微控制器。
每個工作室均包括電子致動面密封提升閥(313)形式的低壓閥(LPV)，該低壓閥向內面朝工作室，並且可操作用於選擇性地封閉從工作室延伸至低壓管道(314)的通道， 該低壓管道在使用中一般(在泵送模式中)用作流體的淨源(或在馬達運行的情形中作為流體的接收器)。該低壓管道流體地連接到低壓歧管(135)。LPV是常開螺線管關閉閥，該常開螺線管關閉閥在吸入衝程期間當工作室內的壓力小於低壓導管內的壓力時被動地打開， 以使工作室與低壓歧管流體連通，但是該常開螺線管關閉閥在控制器經由電LPV控制信號 (315，是泵致動信號和泵軸信號171中的一些)的主動控制下可選擇性地關閉，用於斷開工作室與低壓歧管的流體連通。替代地，可以採用電子可控閥，諸如常閉螺線管打開閥。
工作室還包括壓力致動輸出閥形式的高壓閥(HPV，317)。所述HPV從工作室面向外側，並且可操作用於封閉從工作室延伸到高壓管道(319)的通道，該高壓管道(319)在使用中用作流體的淨源或接收器並且與高壓歧管(133)流體連通。所述HPV用作常閉壓力打開止回閥，所述常閉壓力打開止回閥在工作室內的壓力超過高壓歧管內的壓力時被動地打開。所述HPV還可以用作常閉螺線管打開止回閥，並且一旦HPV被工作室內的壓力打開時， 控制器可以經由HPV控制信號(321，是泵致動信號和泵軸信號171中的一些)選擇性地將該常閉螺線管打開止回閥保持打開。當在高壓歧管中而非在工作室中存在壓力時，HPV在控制器的控制下可以是可打開的，或可以是部分可打開的。
在現有技術(例如，EP0361927、EP0494236和EP1537333)中描述的正常運轉模式中，控制器通過在關聯的工作室的循環中的最大容積點附近主動地關閉一個或多個LPV，從而關閉到低壓歧管的路徑並且由此在隨後的收縮衝程上將流體通過關聯的HPV導出，而選擇由液壓泵排出到高壓歧管的流體的淨排出速率。控制器選擇LPV閉合動作的數量和次序來產生流動或對軸(322)施加扭矩，以滿足選定的淨排出速率。和在逐個循環的基礎上確定是否關閉LPV或將LPV保持打開一樣，控制器可操作用於關於變化的工作室容積而改變 HPV的閉合動作的精確定相，並且由此選擇從低壓歧管到高壓歧管的流體的淨排出速率。
圖4示出了時間序列，該時間序列圖示出本發明的方法，並且該時間序列在劇烈的陣風撞擊在WTG上時、將轉子速度維持在容許的速度範圍內。在h與h之間，由於作用在槳葉上的風的氣動扭矩Tna在風變化小的情況下波動，所以轉子速度&和高壓歧管壓力 Php發生較小的變化。泵扭矩Ts是通過在考慮Php之後調節由泵排出的流體的淨排出速率而被控制的，並且泵扭矩Ts根據由設計者選擇的控制算法粗略地跟蹤Tna。在時，劇烈的陣風撞擊在WTG上，並且Tna大幅上升。Ts立即上升，以抑制轉子，但是由於壓力過低，T s不能夠匹配Tna，並且轉子加速。然而，Ts增加(以及額外的轉子速度)導致泵產生超過由馬達吸收的流體的流體，該產生的流體被存儲在第一蓄能器和第二蓄能器中，並且因此致使Php上升。
在〖2時，控制器預見轉子速度過於迅速地接近轉子的可接受速度範圍的極限wmax， 並且該控制器關閉第一和第二隔離閥(148、150，其閉合動作由在148』、150』處的跡線中的黑框示出)，從而中斷高壓歧管與每個蓄能器之間的流體連通。在中斷的一刻，控制器HP將 HP壓力信號(154)的值作為蓄能器壓力存儲起來。在t2與t3之間，高壓歧管壓力由於過多的流體產生而急劇上升，並且Ts能夠朝Tna迅速上升。在t3處，當Ts匹配Tna時，轉子速度被穩定並且受到控制。
在丨4處，陣風過去，並且Tna恢復到原始水平。在扒與t5之間，Ts略微降低，但是被保持為高於Tna直到t5，以便使轉子速度A返回到原始水平。Php迅速地下降，並且在 t5處，控制器檢測到HP壓力信號匹配該控制器較早存儲的蓄能器壓力，並且將兩個隔離閥 (148、150)打開。隨著流體從蓄能器排走，Php現在更加緩慢地下降。替代地，隔離閥內的放洩閥可以被操作以用於加快蓄能器壓力與高壓歧管的互相靠近。
WTG還可以在控制器檢測到以下若干個其它故障事件中的任意一個故障事件時關閉隔離閥槳葉有問題(應力或振動在可接受操作範圍之外)、液壓系統有問題(流體汙染、 儲液器中的液位或溫度超過它們的相應的可接受操作範圍)、或載荷有問題(電網毀壞、電網故障、電壓或頻率在它們的相應的可接受操作範圍之外)。
在一些實施例中，控制器在中斷高壓歧管與蓄能器之間的流體連通之前、之後或同時，發送槳距致動信號，以控制槳葉的槳距。
由於隔離閥的閉合，所述隔離閥的閉合不會幹預流體在正常使用中在泵與馬達之間的流動，本發明能夠允許WTG使用便宜且可靠的能量存儲裝置，並且還能夠實現對扭矩需求的突然增加的快速反應，同時最大化正常運轉中的發電效率並且在整個扭矩需求的增加期間維持發電。
權利要求
1.一種操作能量提取裝置以從來自可再生能源的波動能量流提取能量的方法，所述裝置包括 液壓泵，所述液壓泵由旋轉軸驅動，且將扭矩施加至所述旋轉軸，所述旋轉軸由所述可再生能源驅動； 液壓馬達，所述液壓馬達驅動載荷； 高壓歧管，所述高壓歧管與所述液壓泵的出口及所述液壓馬達的入口流體連通，並且所述高壓歧管被選擇性地設置成與流體蓄能器流體連通； 至少一個低壓歧管，所述至少一個低壓歧管與所述液壓馬達的出口及所述液壓泵的入口流體連通；以及 故障事件傳感器，所述故障事件傳感器用於檢測故障事件； 其中，所述液壓泵或液壓馬達中的至少一個是電子控制可變排量液壓機械，所述電子控制可變排量液壓機械包括多個工作室以及多個閥，所述工作室具有周期性地變化的容積，所述閥用於調節在每個工作室與每個歧管之間的工作流體的淨排量，與各工作室關聯的至少一個閥是電子控制閥，所述電子控制閥被操作以用於在工作室容積的每個循環上選擇由每個所述工作室排出的工作流體的體積，並且由此調節由所述電子控制可變排量液壓機械排出的工作流體的淨排出速率， 所述方法的特徵在於響應於檢測到故障事件，中斷所述流體蓄能器與所述高壓歧管之間的流體連通，並且升高在所述高壓歧管內的流體壓力。
2.根據權利要求I所述的方法，其中，減輕所述故障事件包括增加或降低由所述液壓泵施加到所述旋轉軸的扭矩。
3.根據權利要求I所述的方法，還包括在檢測到故障事件時，維持在所述液壓泵的所述出口與所述液壓馬達的所述入口之間的流體連通，其中響應於檢測到所述故障事件，所述流體蓄能器與所述高壓歧管之間的流體連通已經被中斷。
4.根據權利要求I所述的方法，其中，所述液壓馬達是所述電子控制可變排量液壓機械，並且，所述方法包括響應於檢測到故障事件，降低由所述液壓馬達排出的工作流體的淨排出速率。
5.根據權利要求I所述的方法，其中，所述液壓泵是所述電子控制可變排量液壓機械，並且，所述方法進一步包括響應於檢測到故障事件，增加由所述液壓泵排出的工作流體的淨排出速率。
6.根據權利要求I所述的方法，其中，所述故障事件是超速狀況、陣風、極端陣風、停止所述旋轉軸的請求或不期望的結構狀況中的一個或多個。
7.根據前述權利要求中的任一項所述的方法，其中，響應於所述能量提取裝置的可接受操作範圍已經被超過或即將被超過的計算，檢測到所述故障事件。
8.根據權利要求7所述的方法，其中，所述可接受操作範圍包括所述能量提取裝置的可接受速度範圍、可接受扭矩範圍、可接受壓力範圍、可接受電壓範圍、可接受頻率範圍或可接受運動範圍中的一個或多個。
9.根據權利要求I所述的方法，其中，除了響應於檢測到故障事件以外，所述流體蓄能器通常與所述液壓泵及所述液壓馬達流體連通。
10.根據權利要求I所述的方法，其中，所述流體蓄能器包括多個流體蓄能器模塊，所述方法還包括響應於檢測到故障事件，中斷所述多個較小的流體蓄能器模塊中的一個或多個流體蓄能器模塊但非所有的流體蓄能器模塊與所述高壓歧管之間的流體連通。
11.根據權利要求I所述的方法，其中，所述可再生能量裝置還包括至少一個另外的流體蓄能器，所述至少一個另外的流體蓄能器與所述高壓歧管永久性地流體連通。
12.根據權利要求I所述的方法，還包括確定在所述流體蓄能器或每個流體蓄能器與所述高壓歧管之間的流體連通被中斷；檢測在所述高壓歧管中的第一壓力和在所述流體蓄能器或每個流體蓄能器中的第二壓力；選擇由所述液壓泵和所述液壓馬達中的至少一個的每個工作室排出的工作流體的體積，以導致所述第一壓力和第二壓力互相靠近；以及當所述第一壓力和所述第二壓力滿足相等準則時，將所述流體蓄能器或每個流體蓄能器和所述高壓歧管設置成彼此流體連通。
13.根據權利要求I所述的方法，其中，所述能量提取裝置包括放洩閥，所述放洩閥被布置成用於使所述高壓歧管壓力和所述流體蓄能器壓力或每個流體蓄能器壓力變成相同的值，所述方法還包括當所述高壓歧管與所述流體蓄能器之間的流體連通被中斷時，關閉所述放洩閥；以及在所述高壓歧管與所述流體蓄能器之間的流體連通被恢復之前，打開所述放洩閥。
14.一種用於從來自可再生能源的波動能量流提取能量的能量提取裝置，所述裝置包括 液壓泵，所述液壓泵由旋轉軸驅動，所述旋轉軸由所述可再生能源驅動； 液壓馬達，所述液壓馬達驅動載荷； 流體蓄能器； 高壓歧管，所述高壓歧管與所述液壓泵的出口及所述液壓馬達的入口流體連通； 至少一個低壓歧管，所述至少一個低壓歧管與所述液壓馬達的出口及所述液壓泵的入口流體連通； 其中，所述液壓泵或液壓馬達中的至少一個是電子控制可變排量液壓機械，所述電子控制可變排量液壓機械包括多個工作室以及多個閥，所述工作室具有周期性地變化的容積，所述閥用於調節在每個工作室與每個歧管之間的工作流體的淨排量，與各工作室關聯的至少一個閥是電子控制閥，所述電子控制閥被操作以用於在工作室容積的每個循環上選擇由每個所述工作室排出的工作流體的體積，並且由此調節由所述電子控制可變排量液壓機械排出的工作流體的淨排出速率； 其特徵在於，所述蓄能器通過蓄能器調節器選擇性地與所述高壓歧管流體連通，並且所述蓄能器升高所述高壓歧管內的流體壓力，並且故障事件傳感器可操作用於檢測故障事件，其中，所述蓄能器調節器可操作用於響應於檢測到故障事件而中斷所述流體蓄能器與所述高壓歧管之間的流體連通。
15.計算機軟體，所述計算機軟體包括程序代碼，所述程序代碼當在計算機上被執行時導致所述計算機根據權利要求I所述的方法來操作可再生能量裝置。
16.一種能量提取裝置，所述能量提取裝置根據權利要求I所述的方法被操作，或者所述能量提取裝置包括計算機，所述計算機執行根據權利要求15所述的計算機軟體代碼。
全文摘要
本發明提供了一種操作諸如風力渦輪機的能量提取裝置的方法，所述裝置包括液壓泵，所述液壓泵由旋轉軸驅動並且將扭矩施加至所述旋轉軸；液壓馬達，所述液壓馬達驅動載荷；高壓歧管，所述高壓歧管與所述液壓泵的出口和所述液壓馬達的入口流體連通，並且所述高壓歧管被選擇性地設置成與流體蓄能器流體連通；至少一個低壓歧管，所述至少一個低壓歧管與所述液壓馬達的出口和所述液壓泵的入口流體連通，所述液壓泵或液壓馬達中的至少一個是數字液壓機械，其特徵在於，響應於檢測到故障事件，中斷所述流體蓄能器與所述高壓歧管之間的流體連通。
文檔編號F03D11/02GK102985687SQ20118003421
公開日2013年3月20日 申請日期2011年11月30日 優先權日2010年11月30日
發明者威廉·蘭彭 申請人:三菱重工業株式會社