涡轮机驱动电力产生系统及其控制方法

专利名称：涡轮机驱动电力产生系统及其控制方法
技术领域：
本发明涉及涡轮机驱动电力产生系统及其控制系统。更具体地说，本 发明涉及的电力产生系统中涡轮机由流速随时间变化而变化的流体驱动，
驱动静液压排量(hydrostatic displacement)泵的涡轮机连接到静液压传动 (tmnsmission)系统中的静液压排量马达，静液压排量马达进一步地驱动发电 机，从而提供接近给定的期望频率的频率的交流(AC)电。流速测量值、涡 轮机转速测量值以及静液压马达或发电机转速的测量值可用作马达排量控 制系统的输入，以计算控制信号，用于控制静液压马达的容积排量。
背景技术：
通常，来自风力涡轮机系统的功率是机械传递的，要么直接传递到发 电机，要么由转速变化变速箱传递到发电机。发电机可以连接到电网，从 而强制其以同步频率转动并且达到固定速度，所以如果涡轮机没有供给适 当的机械扭矩和功率水平，则发电机将作为马达工作，因此电网可以通过 变速箱驱动发电机和涡轮机。公知的是涡轮机叶片的角度可以由液压系统 改变，从而要么在风速一定的情况下从涡轮机获得最高功率，要么在风速 超出设计极限的情况将功率限制在期望的水平。当由发电机保持涡轮机转 速的恒定时，叶片角度可以改变，以便维持最高的效率，并从而在各种风 速的情况下从涡轮机获得最大功率输出。通过调整桨距(pitch)来控制发电机 转速的缺点在于系统适应于风速变化的响应时间可能较长。
风力涡轮机和水力涡轮机是目前重要的发电设备。由于风力发电厂的 现有液压传动缺陷，在设计这种发电厂时， 一种现有技术是在涡轮机塔顶 部装配有高比率变速箱(变速箱)的涡轮机发电机组件。这种设计产生一系列 结构问题，其限制了发电厂的规模和输出，并且有损效率。采用变速箱增 加了风力发电厂的重量、成本以及噪音。更进一步地，其强制使用增加了 单机组(singleunit)发电厂，因此增加了各个机组的成本和重量。用于传输涡轮机功率的另一种方法采用由液压泵和液压马达组成的静 液压传动系统。液压泵由向与发电机相连接的液压马达提供流体的涡轮机 驱动马达。适当选择泵和马达排量会提供涡轮机和发电机之间的期望的转 速比，并且采用可变马达排量允许改变转速比。
在美国专利说明书4，503，673(Schachles， 1979)中，检测涡轮机泵产生 的液压，并将其与随风速变化而变化的基准值进行比较。如果压力低于设 定值，马达排量则增加，从而增大涡轮机转速，直到实际压力等于设定压 力为止。因此，当风速增大时，涡轮机转速按照随着风速变化而变化的基 准值那样增大，从而产生恒定的叶尖速度比(tip speed ratio, TSR)。
与美国专利说明书4,503,673所述的使用压力测量值控制发电机转速的 系统相比，根据本发明的测量涡轮机转速并使用测量值作为控制系统的输 入具有一些优点。这些优点包括
--改善最高效率运行点的精确度。这是因为在风速一定的条件下，液 压中的低比率变化随着涡轮机转速的变化而变化，这可能引起其运 行过程中的不确定性。还有可能的是，向上凹线的图形关系，这种 关系可能会恶化这个问题。利用涡轮机转速控制，可以更精确地限 定产生最大涡轮机效率的速度。 -作为a)的结果，还由于系统中液压上升的方式，在为压力控制系统 提供可接受的动态响应时，可能会出现困难。在这种情况下并且为 了避免不稳定性，系统控制器增益值将不得不设置在进一步牺牲其 稳态精确度的水平上。 己经为具有一个或多个发电机组的各种发电厂提出了在(一个或多个) 发电机组和发电机之间配备液压传动装置。 一个或多个发电机组可以是风 力涡轮机、(比如用于潮汐发电厂或波浪发电厂的)水力涡轮机。这种传送装 置允许多个传动机组对连接到发电机、泵或另一个工作机的液压马达进行 操作。
带有风力涡轮机的风力发电厂利用液压马达的传动装置来驱动液压泵 已经广为人知。
在德国专利公开3025563(Calzoni 1980)中，提出了用于风力发电厂的液 压传动装置，其中通过分路阀人工控制启动，并由压力控制阀限制最高工作压力。没有为保持固定的液压马达转速或优化涡轮机运行而提供控制。
日本专利申请61212674(Matsushita Seiko 1986)中描述了一种在风力涡 轮机塔架底座上设置液压泵和发电机组件的风力发电厂。
WIPO公开的WO 94/19605(Gelhard 1994)中描述了一种带有多个涡轮 机机组的风力发电厂，其中多个涡轮机机组可以相连，从而操作设置在机 组之一的底座上的一个液压马达发电机组件。
根据美国专利说明书4,503，673(schachle等1985)，已知一种连接到液 压泵和可变排量马达的风力发电厂，相连的液压泵和可变排量马达用于驱 动发电机。当等速运行时，流向马达的流量与其排量成正比。为了增大涡 轮机转速，必须增加马达排量，从而允许增大通过马达的流速。
WIPO公开的WO 03/098037(MLH Global 2003)描述一种带有可变排 量、压力补偿静液压传动装置的风力涡轮机。这种设备的主要目的是控制 "过速"负载。为了这个目的，提出了用于响应油路内部压力变化而改变 传动装置排量的模块。提出的排量控制在启动期间进行，而不在正常运行 中进行。
与风力涡轮机以固定转速比驱动发电机相关，已知各种风力涡轮机桨 距控制系统。在WIPO公开的WO 99/07996中描述了这种控制系统，其不
适用于液压传动。
根据美国专利说明书4，622，473(Curry，1986)，已知让大量波浪运行的液 压泵驱动液压马达，从而驱动发电机。这个系统没有用于维持任何特定频 率的液压控制系统。
法国专利申请FR-2755473描述了一种用于风力涡轮机的液压传动系 统。这种传动装置由闭环伺服系统控制，闭环伺服系统具有测量发电机 转速的速度检测器，以及接收该检测器输出并利用检测器输出控制可变流 体泵中板片倾角的调节器。这种控制系统不测量涡轮机转速或风速，并且 不能用于根据优化的叶尖速度比提高效率。
美国专利申请US2005/0194787A1描述了一种用于风力发电厂的具有
三个控制级别的控制系统，这种风力发电厂具有流体动力齿轮，其中风力 发电厂与电网相连。控制器控制转子叶片的角位置、和/或控制流体动力速 度转换器的反应器件的设置、和/或控制发电机的功率电子设备。根据风力发电厂和/或电网的运行状态或者风的特点，向控制器提供预定的设定点特 征。这种功率传动装置是机械齿轮。
待解决的问题
对于任何涡轮机而言，因为风必须能够退出涡轮机，所以不可能将风 的全部动能转换为轴功率。相对于移动的风体中的动能可以从涡轮机中获
得的理论最高功率被称为Betz极限Cp_max=0.59，这是所属技术领域的 技术人员熟知的。这在图4a中图示，其中假定的风容积汽缸以风速移动， 吹过风力涡轮机的旋转螺旋叶片。旋翼尖所定义的圆是涡轮机扫过的面积， 并且指出了在涡轮机一次回转中空气通过的涡轮机汽缸长度。当风速增大 时，假设的汽缸朝涡轮机移动得更快，并且必须改变涡轮机转速或桨距角， 以利用移动风体的全部能量，。涡轮机叶尖速度和风速之比就是所谓的叶尖 速度比(TSR)。最优叶尖速度比是涡轮机转速和风之间的如图4b所示的线 性关系。最优叶尖速度比随涡轮机设计改变而改变。4叶涡轮机的最优叶尖 速度比通常低于2叶涡轮机的最优叶尖速度比。在图4c中描绘了功率系数 Cp对TSR的图表，用于给定涡轮机设计的叶尖速度比。用于所示实例的功 率系数Cp相对于约为6的TSR值，具有约0.4的最大Cp。如果涡轮机运 行得较慢，即，如果叶尖速度比减小，那么功率系数减小。同样地，如果 涡轮机运行太快，即，如果叶尖速度比增大，那么功率系数也减小。因此， 保持叶尖速度比非常接近于曲线顶点处给出的最大功率系数值是很重要 的。通过检查闭环中液压如何随涡轮机转速和风速的函数变化而变化，可 以看出这种情况。这在图4b中表示出来，其中增大的风速将导致涡轮机转 速增大，以最大化闭环压力。然而，最大涡轮机效率不一定与最大液压一 致。
因此，应当通过改变马达静液压排量相对于涡轮机泵的静液压排量， 根据风速的改变来调整涡轮机允许的转速，从而使得马达和发电机以提供 期望的功率频率的旋转速度运行。
发电机必须在最普通电力产生系统中以给定频率运行，其频率要么由 发电机供电的电网控制，要么由消耗供电的耗电系统的特点控制。在提出 的系统中，马达排量形成了闭环液压控制系统的一部分，以便当涡轮机转速不同于设定值时，速度值之间的差异将引起马达排量变化，直到发电机 以接近于设定值的速度运行为止。更进一步地，通过将涡轮机桨距作为风 速的函数而改变，涡轮机可以进行设置，以便于即使在强制静液压马达和 发电机以期望的转速和频率运行的情况下，也可获得最高效率。
待解决的重要问题在于风力发电系统中的电能产生系统中主要重量的
实际布局。将发电机远离风力系统中的桅杆(mast)顶部的方案将会使得大部 分重量远离桅杆顶部，并且朝向地面。将发电机放置在地面上将进一步易 化对所述发电机的管理和维护，从而允许将发电机远离涡轮机放置，必须 采用诸如静液压传动系统这样的电力传动模块。已经在多份专利文献中提 出了采用静液压传动来传送风力涡轮机产生的电力的方案，比如将马达/发 电机机组远离涡轮机地设置在地面上。然而，如背景技术中所述，提出的 系统有很多缺点。
更进一步，本发明解决了当发电机独立连接到可变的功率消耗装置并 且不与大电网同步时控制马达转速的问题。
本发明更进一步实现了当发电机没有连接到电网时对涡轮机和马达以 及发电机的闭环速度控制。

发明内容
为了解决上述问题，根据本发明的解决方案是一种涡轮机驱动的电力 产生系统，包括由流速v随时间变化而变化的流体驱动的涡轮机，所述涡 轮机连接到静液压排量泵，静液压排量泵进一步连接到作为静液压传动系 统一部分的静液压排量马达，该马达驱动发电机，所述发电机以接近给定
期望频率fdes的频率fg供应交流电。根据本发明的系统的新颖特征在于闭环 控制系统，其采用一个或多个速度测量值作为输入，以连续计算作用在所 述静液压马达上的容积排量控制致动器的控制信号，所述静液压马达连续 调整所述静液压马达的容积排量。
根据本发明的一个优选实施例，电力产生系统进一步包括所述闭环 控制系统进一步从流速表连续接收表示所述流体的速度V的速度信号，以
及从涡轮机转速传感器12m连续接收表示所述涡轮机2的转速测量值co的 涡轮机转速信号(12s)。根据所述风速和涡轮机转速信号，计算所述静液压马达上的容积排量控制致动器17的控制信号(16),以便连续调整所述静液 压马达8的容积排量。
根据本发明，该系统可以用于维持设定的涡轮机叶尖速度比，从而能 够在所述流速v的波动期间提升电力产生系统的功率效率。
与例如美国专利说明书4，503，673所述的使用压力测量值控制发电机转 速的系统相比，根据本发明，测量涡轮机转速并将其输入到控制系统中具 有一些优点。其在于提高了最高效率工作点的精确度。这是因为对于给定 风速而言，液压中的低比率变化随涡轮机转速的变化而变化，可能引起其 运行的不确定性。也有可能是向上的凹曲线图形关系，这种关系可能恶化 这种问题。利用涡轮机转速控制，可以更精确地限定产生最大涡轮机效率 的速度。作为上述结果，也由于系统中液压上升的方式，在向压力控制系 统提供可接受的动态响应时，可能会出现问题。在这种情况下为了避免不 稳定性，系统控制器增益值将不得不设置在更进一步牺牲其稳态精确度的 水平上。


所述附图仅用于说明的目的，并且不应将其视为是对本发明的限制， 本发明仅由权利要求进行限定。
图l表示根据本发明的电力产生系统(l)，其中涡轮机(2)由流速(v)随时 间变化而变化的流体驱动，驱动静液压排量泵(6)的涡轮机(2)连接到静液压 传动系统(7)中的液压排量马达(8)，马达(8)驱动发电机(9)以接近给定期望频 率(fdes)的频率(fg)提供交流电(lO)。流速测量值(v)和涡轮机转速测量值(G))可 输入到马达排量控制系统(15)中，用于计算控制信号(16)，从而控制液压马 达(8)的容积排量(d)。
图2表示本发明的一个优选实施例，包括改变系统中的静液压马达(8) 的容积排量(d)，其中发电机(9)连接到具有可用的无功功率的电网(14)或局 部(local)电网(13)。发电机(9)在此为异步发电机。
图3表示本发明的另一个优选实施例，包括改变系统中的静液压马达(8) 的容积排量(d)，其中发电机(9)连接到主要的、刚性(stiff)的电网，或者连接
到局部功率消耗系统(13)。发电机(9)在此为同步发电机。给定的期望频率(fdes)是电网(14)的测得频率(fm咖)，或者局部功率消耗系统(13)的所需频率(U， 用于控制发电机(9)在所需频率(fi。w)上运行。将测量值提供给控制系统(15)， 控制系统(15)设置为控制发电机(9)以电网(14)的频率运行。
在这种替代的优选实施例中，发电机可以是回路中唯一的发电机，并
且连接到电路中的电器需要诸如50赫兹或60赫兹之类的大致的固定频率
以进行正常运行，这通常适用于交流电器的情况。
同步发电机(9s)由励磁电路(15e)反馈(feed)。励磁电路可用于改善输出 电压和频率的稳定性，否则输出电压和频率将受到发电机转速变化的影响。
励磁电路可与控制系统(15)互相配合以更进一步提高所产生的输出功 率的质量以及电力产生系统的总运行特性。
使用同步发电机的优点在于，通过改变励磁电路(15e)的参数，同步发 电机(9s)在网络中可以类似电容器那样工作。通过这种方式，同步发电机可 以改善由局部工业或网络中其他异步发电机或马达(比如其他使用异步发电 机发电的风力涡轮机)所引起较弱的相位角。
图4在一些相互关联的图形和图表中表示关于涡轮机驱动电力产生系
统为何应响应于风速和涡轮机转速变化的一些方面。
图4a中表示假设的气缸以风速进行移动并吹过风力涡轮机的旋转螺旋 叶片。旋翼尖定义的圆包络涡轮机扫过的面积，并且指出了在涡轮机一个 回转中空气通过的涡轮机汽缸长度。当风速增大时，假设的汽缸向着涡轮 机移动得更快，并且涡轮机转速必须增大到利用移动风体的全部能量。
图4b表示涡轮机叶尖速度和风速之间的比率。这是所谓的叶尖速度比 (TSR)。对于给定的涡轮机设计，最优叶尖速度比(TSRopt)是涡轮机转速和风 速之间的线性关系。它表示在两种涡轮机的叶片设计类似的情况下，2叶涡 轮^l比4叶涡轮机转得更快，从而最大利用风的能量。
图4c中表示功率系数Cp对TSR的图，即用于给定涡轮机设计的叶尖 速度比。它表明功率系数对于最优叶尖速度比(TSRopt)具有最大值。
图4d表示增大的风速将导致涡轮机转速增大，从而增大闭环静液压系 统中的压力，导致功率输出增大。然而，最大压力不一定对应于最大功率。
图5表示根据本发明第一优选实施例的控制回路。控制回路的涡轮机 设置速度是风速和最优叶尖速度比(TSRopt)的函数。图6a表示用于本发明另一优选实施例的控制回路。附图上半部表示马 达实际速度和马达设定速度之间的差异将如何改变马达排量，直到实现平 衡状态为止。控制行为将按照发电机上改变的电力负荷状态和按照变化的 风速提供受控的马达转速。马达设定速度根据发电机(9)的期望输出频率(f^) 计算得出。这个控制回路适合于控制供同步发电机使用的马达转速，并且 可用于刚性电网和局部功率消耗。涡轮机转速将运行在发电机扭矩对转速 曲线的陡倾侧面上，并根据消耗的输出功率调整涡轮机转速。
图6b表示除图6a之外的下半部，其显示出涡轮机转速以及电力产生 系统的效率将受到穿过系统动力(dynamics)的任何马达控制动作的影响。为 了最大化整个系统的效率，可以控制涡轮机叶片的桨距，以便维持最优叶 尖速度比(TSRopt)。
图7表示风力涡轮机发电厂的垂直截面， 一般包括连接到与发电机相 耦合的静液压马达的静液压涡轮机，这些部件全部设置在风力涡轮机塔架 顶部的舱体中。
图8表示根据本发明的优选实施例的液压传动装置以及控制电路的图。 图9示意性表示本发明的一个特定实施例，其中多个风力涡轮机机组
驱动设置在地面上的一个单独的液压马达和发电机组件。
图IO表示本发明的多样性。控制系统可以控制涡轮机驱动电力产生系
统运行在由发电机类型、网络规模以及是否使用桨距控制覆盖的控制空间中。
具体实施例方式
本发明包括涡轮机驱动电力产生系统(l)。涡轮机(2)设置为由流体(3)驱 动，流体具有随时间变化而变化的流速(v)，比如风力涡轮机或水力涡轮机 的情况。在以下说明书中，仅论述了包括风力涡轮机的例子，然而，对于 所属技术领域的技术人员而言显而易见的是，本发明同样适合水力驱动涡 轮机。参见图1，连接涡轮机(2)以运行静液压排量泵(6)，静液压排量泵(6) 更进一步连接到作为静液压传动系统(7)的一部分的静液压排量马达(8)。静 液压系统可以是闭环静液压系统或开环静液压系统。静液压马达(8)设置成 通过将静液压马达(8)连接到供应交流电(10)的发电机(9)的旋转轴来传递转动力矩。通常需要以稳定于接近给定期望频率(fdes)的频率(fg)产生交流电。
本发明带来的新颖和有利的重要特征是闭环控制系统(15，15a),该系统 设置成使用一个或多个速度测量值作为用于连续计算控制信号(16)的输入， 控制信号用于在所述静液压马达上作用的容积排量控制致动器(17)，静液压 马达设置成连续调整所述静液压马达(8)的容积排量(d)。排量的改变将引起 液压流体流量改变，这最终将改变涡轮机转速，直到泵的输出流体与马达 的流体需求相匹配为止。下面将给出控制静液压马达容积排量的若干优点。
在更进一步的本发明优选实施例中，闭环控制系统(15)设置成从液体流 速表(llm)连续地接收表示流体(3)速度(v)的速度信号(11)，并且从涡轮机转 速传感器(12m)连续地接收表示所述涡轮机(2)的转速测量值(co )的涡轮机转 速信号(12s)，还设置成根据所述风速以及涡轮机转速信号(ll、 12s)来计算 所述静液压马达上用于容积排量控制致动器(17)的控制信号(16)，从而连续 调整静液压马达(8)的容积排量(d)。
控制系统(15)包括马达排量控制子系统(15a)。
图2表示本发明的一个优选实施例，包括改变系统中静液压马达(8)的 容积排量(d),其中发电机(9)连接到具有可用的无功功率的电网(14)或局部 电网(13)。发电机(9)在此为异步发电机。
更进一步的，静液压传动系统包括连接到静液压马达的容积排量控制 致动器(17)，其被设置为接收用于连续调整所述静液压马达(8)的容积排量(d) 的所述控制信号(16)。当增大静液压马达(8)的容积排量容量(d)时，需要更 大的流体量将马达轮轴转动一个给定的角度，并且当减少容积排量容量时， 需要更小的流体量将马达轮轴转动同样的给定角度。
根据本发明优选实施例的系统，被设置成能够维持设定的涡轮机叶尖 速度比(tsiw)，从而在以流速(v)波动期间能够改善电力产生系统(l)的功率系 数。设置的涡轮机叶尖速度比随流速变化而变化。
相对于齿轮驱动的电力产生系统，对风力以及水力涡轮机电力产生系 统采用静液压传动系统提供了一些优点。
一般而言，液压机组提供较高的功率-重量比，减少了尺寸，因此降低 了安装成本。该系统中移动部分的数量比传统的机械系统中的少。组合了 分别从涡轮机定位马达和发电机的能力，使得在发电厂位置处的涡轮机和塔架的安装和维护成本进一步减少。
近期的开发显示静液压传动系统的效率因子可以与高速比率机械传动 系统的效率相比。
通常，涡轮机驱动系统采用液压来释放制动器。在本发明优选实施例 中，电厂的液压传动系统还为制动器以及需要的桨距控制系统提供液压油。 在用于涡轮机制动的替代方案中，紧急关闭电路带有受控扼流圈或固定的
扼流圈(choke)，并且关闭阀可以设置在泵的出口以及进口之间。
移动部分数目减少并且不使用高比率机械变速箱可以显著减少电力产 生系统产生的噪声。
根据本发明的系统的一个重要特征在于产生带有稳定受控频率的电 能，稳定受控频率不同的风速下接近于期望的频率，而无需附加的换流器 和/或可变叶片角度。因为本控制系统的工作点位于陡峭的线性函数上，与 根据背景技术的抛物线压力曲线的右侧部分中的操作相反，所以根据静液 压压力测量值，根据本发明的系统比类似的控制系统可以更快、更精确地 对风速中的波动产生动态响应。
可能出现两种主要情况，其中两者都包含上述的解决方案。所谓的给
定期望频率(fdes)可以是较大的所谓"刚性"电网的频率(fgrid)，其中发电机(9) 不会显著影响电网频率;或者给定的期望频率(fdes)可以是具有可变功率消耗 的局部功率消耗系统的所需频率(fi。cd)。
因此在根据本发明的一个系统实施例中，发电机(9)设置成连接到电网
(14)，并且给定的期望频率(fdes)是影响或支配所述发电机(9)的所述频率(fg)
的电网(14)的频率(fgrid)，以便控制发电机(9)以电网(14)的频率进行运行。
在根据本发明的另一个系统实施例中，发电机(9)连接到频率受发电机 (9)影响的局部功率消耗系统(13)，发电机(9)以频率(fg)提供交流电(10)。给
定的期望频率(fdes)将是局部功率消耗系统(13)的固定所需频率(U。
该系统的主要目的是在电网或局部功率消耗系统能够吸收当前电力产 生的情况下，保持涡轮机的涡轮机叶尖速度比尽可能地接近设定的涡轮机 叶尖速度比(tSfset)，从而改善在风速(v)波动期间电力产生系统(l)的效率。在
这种情况下，当强制以所需发电机输出功率运行时，有可能将发电机上静 液压马达的扭矩最大化，因此增大发电机的可用功率，从而在各种风速下都产生最大电力。如前所述，设定的涡轮机叶尖速度比将随风速变化而变 化。该系统更进一步设置成调整马达转速，以便发电机以接近期望频率的 频率运行。马达排量能力的调整将更进一步引起涡轮机转速改变。换言之， 可以说本发明的目的是如有需要，则允许发电机上静液压马达的扭矩最大 化，从而在风速连续变化的条件下产生最大电力。
图3表示本发明的另一个优选实施例，包括系统中静液压马达(8)的容 积排量(de)的变化，其中发电机(9)连接到主要的、刚性的电网，或者连接到 局部功率消耗系统(13)。发电机(9)在此为同步发电机。给定的期望频率(f^) 是电网(14)的测得频率(f,)或者局部功率消耗系统(13)的所需频率(f^)， 用于控制发电机(9)以所需频率(f'。c》运行。将测量值提供给控制系统(15)， 控制系统(15)设置为控制马达转速(cOg)以便发电机(9)以电网(14)或局部功 率消耗系统(13)的频率运行。在这种可替代的优选实施例中，发电机可以是 电路中唯一的发电机，并且连接到电路中的电子电器需要诸如50赫兹或60 赫兹之类的大致的固定频率以进行正常运行，这通常适用于交流电器的情 况。
同步发电机(9s)由励磁电路(15e)反馈。励磁电路可用于改善输出电压和 频率的稳定性，否则输出电压和频率将受到发电机转速变化的影响。励磁 电路可与控制系统(15)互相配合以更进一步提高所产生的输出功率的质量 以及电力产生系统的总运行特性。
使用同步发电机的优点在于，通过改变励磁电路(15e)的参数，同步发 电机(9s)在网络中可以类似电容器那样工作。通过这种方式，同步发电机可 以改善由局部工业或网络中其他异步发电机或马达(比如其他使用异步发电 机发电的风力涡轮机)所引起较弱的相位角。
刚性电网
图2表示本发明的一个优选实施例，包括改变系统中静液压马达(8)的 容积排量(d)，其中发电机(9)连接到带有反馈的可用功率的电网(14)或局部 电网(13)。发电机(9)在此为异步发电机。
因此在根据本发明实施例的系统中，发电机(9)可以设置成连接到电网 (14),给定的所需频率(W是电网(14)的频率(fgrid)。换言之，电网(14滩大， 以致于其表现为不受发电机系统影响的"刚性"电网。使用异步发电机，电网频率将影响或支配发电机(9)的频率(fg)，以便于有效控制或实际上强迫 发电机(9)以电网(14)频率的频率运行。
如果异步发电机(9)设置成连接到局部功率消耗系统(13)，其中局部功率 消耗系统包括(比如由柴油机驱动的)局部发电机，用于向异步发电机提供无 功功率。在这种情况下，同步柴油发电机控制局部功率生产系统的频率， 而异步发电机将如同设置在刚性电网中那样运行。因此，由于异步发电机(9) 不得不以接近电网(14)的速度运行，所以发电机(9)将实际控制涡轮机转速。 由于涡轮机叶尖速度比达不到最优，而这种系统具有固定泵/马达流体容量， 因此这样将减少发电系统的效率。因此本发明优选实施例的目的是使得涡 轮机以最优叶尖速度比运行，从而允许发电机上静液压马达的扭矩最大化， 强迫在各种风速下都产生最大电力，这样可以假定产生到电网中的电量没 有实际极限。
图5表示用于优化系统效率的控制回路。控制回路的涡轮机设置速度 是风速和最优叶尖速度比(TSRopt)的函数。
它进一步有可能包括使用与马达转速控制有关的桨距控制。如果风力 太强或者发电量超过需要，那么桨距控制还可以用于降低涡轮机效率。
图6a表示用于本发明另一个优选实施例的控制回路，其中由于采用同 步发电机，马达转速将保持恒定。附图表示马达实际速度和马达额定速度 之间的差异将如何改变马达排量，直到实现平衡状态。控制行为将按照发 电机上改变的电力负荷情况和按照变化的风速提供受控的马达转速。马达
额定速度从发电机(9)的需用输出频率(fdes)计算得出。这个控制回路适合于
控制供同步发电机使用的马达转速，并且可用于刚性电网和局部功率消耗。
涡轮机转速将运行在发电机扭矩对转速曲线和控制特性之间的交集部分，
并且根据消耗的输出功率调整涡轮机转速。
图6b表示除图6a之外，下半部显示出涡轮机转速以及电力产生系统 的效率将受到通过系统动态的任何马达控制作用的影响。为了最大化整个 系统的效率，可以控制涡轮机叶片的桨距，以便维持最优叶尖速度比 (TSRopt)。
电力产生系统的总体机械方案设置
下文描述如何实现根据本发明的系统的实例。图7的电力产生系统(l)设置在已知的风力涡轮机塔架(62)的顶端。电力产生系统(1)设置在转动轴承 (63)上，以便于电力产生系统(1)可以在塔架(62)的最高处旋转，其带有主齿 轮(64)和可由合适的涡轮机方向控制器控制的转向器(65)。
在转动轴承(63)上永久性附着一个底座(66)。底座(66)承载风力涡轮机 厂的运行部分，其中包括在涡轮机轴(69)上带有涡轮机叶片(68)的风力涡轮 机轮毂(hub)(67)，涡轮机轴(69)装在轴承(70)上并且连接到液压排量泵(6)， 涡轮机轴(69)具有设置在轴承(70)和液压排量泵(6)之间的制动盘(73)。
液压固定排量泵(6)通过供给管(75)和回返管(76)连接到可变排量液压 马达(S)。参见图7，由泵(33)从储液器(77)提供静液压系统所需的替代损失 的外泄流体的液压流体。电力产生系统(l)的操作由图7示意性表示的3个 控制电路控制控制电路(15)，其可以包含所述涡轮机叶片桨距控制子系统 (15b)，并且可以包含用于马达的所述马达排量控制子系统(15a)。速度控制 函数的选择取决于发电机(9)到"刚性"电网或到局部功率消耗系统的更进 一步的连接。桨距控制子系统(15b)可以提供控制信号，从而控制从静液压 排量泵(6)通过涡轮机轴(69)的液压流体的压力。
外壳或舱体(32)覆盖除风力涡轮机轮毂(67)及其涡轮机叶片(68)之外的
电力产生系统(l)的元件。
图8示意性表示带有液压元件的风力发电系统(l)的元件和控制系统的 元件。
泵(6)和马达(8)设置为闭路静液压系统(7)，其可由泵(33)通过从储液器 流出的液体推动。该电路包含用于控制压力的元件和冷却用于泵(6)和马达 (8)的流体的元件。涡轮机轮毂(67)包含用于安装叶片(68)的结构，其角度( ) 由致动器调整，所述致动器由其中需要调节角度的桨距控制子系统(15b)控 制。如同任何需要操作制动器(73)的流体一样，用于这个目的的流体可由从 泵(6)中获得。
为了间接地控制涡轮机(2)的转速(")和/或直接控制马达(8)的转速(" g)，马达排量控制子系统(15a)用来向马达排量致动器(78)提供控制信号(16)， 从而根据需要改变马达排量(d)来控制马达排量。
从增压泵(33)输出的压力由减压阀(42)控制，并且从通过过滤器(41)的 储液器流出。这种加压流体通过任何一个单向阀(37)流入静液压回路(7)的低压端。从减压阀(42)流出的流体通过泵(6)和马达(8)的机壳，用于冷却这些 部件。通过放泄阀(39)和减压阀(40)还可以从高压回路中取出流体，这种流 体被加入到流入泵(6)机壳的冷却流中。从马达(8)的机壳流出的冷却流通过 冷却器(44)和过滤器(45)，然后返回到储液器(77)。在静液压系统压力超过 预定值的情况下，任何一个减压阀(38)都会打开，从而让流体流向静液压系 统的低压端。
图8更进一步表示用于在需要时制动和阻止涡轮机泵的回路。在泵(6) 的输出和输入之间设置了包含阻流阀(choke valve)(31 a)和断流阀(shut-off valve)(31b)的线路。三通阀(31c)设置在泵(6)的主输出线路处，泵(6)设置为 将从泵流出的流体重定向到马达中，从而穿过阻流阀和断流阀，然后返回 到泵中。这样当被启用时对泵制动，并且在速度减小时断流阀可以最终关 闭以停止泵。
涡轮轮毂(67)包括用于叶片(68)的安装结构，其角度受到桨距控制致动 器(79)的控制，桨距控制致动器(79)由来自桨距控制子系统(15b)的控制信号 (20)控制。用于这个目的的流体和操作制动器(73)所需的任何流体由从泵(6) 供应。贮能器(34)包含由气体压力维持的大量流体，贮能器连接到这个回路， 以便在静液压回路中缺少压力的情况下可以进行桨距控制。制动器(73)由弹 簧(36)维持，当操作阀(35)时，由系统释放压力。单向阀(43)被打开，以便 当压力低于静液压回路(7)中的压力时，对贮能器(accumulator)(34)进行补 充。
为了改善速度控制的动态性能及其稳定性，已知的补偿技术可以用于 马达排量控制子系统(15a)。这些技术包括液压反馈和使用PID(proportional， integral and derivative,比例积分和微分)控制电路，控制电路将允许系统增 益增大，从而将改善阻尼和稳态精度。
在诸如发电机"脱离"电网之类的从而在马达轴上没有反抗扭矩的情 况下，必须防止涡轮机空载转速。可以在回路中并入快速作用阀，以便泵 流体绕过马达时仍维持液压。
在电力产生系统(l)的主要目的在于向根据本发明第一优选实施例的 "刚性"电网(14)提供能量，并且由于效用网络(utility network)中的主要故 障或者由于计划维修操作而无意地失去与"刚性"电网(14)的连接的情况下，电力产生系统(1)的运行可以通过改变控制系统(15)的模式，自动地或人工地 切换到本发明第二优选实施例，然后继续为否则可能停电的局部电网发电。
在相反的情况下，电力产生系统(l)当前的功能是向根据本发明第二优 选实施例的局部功率消耗系统(13)提供能量，并且重新建立与"刚性"电网 (14)的连接，电力产生系统(1)的运行可以通过改变控制系统(15)的模式，自 动地或人工地切换到本发明第一优选实施例，切换到为"刚性"电网(M) 发电。
泵排量控制
静液压泵(6)的排量可以是固定的也可以是可变的。对于可变排量泵而 言，排量可以设置成可选的，比如，随风/水的速度而变化，或者维持恒定 的输送压力。这样可以实现固定排量泵不具有的优点。这些优点包括全 面提高静液压传动装置效率，通过创建恒定静液压压力改善控制特性，并 且无需绕过高压即可对高压峰值进行控制，因此避免产生不必要的热量。
在图9中，显示多机组风力发电厂。在四个塔架(46、 47、 48、 49)的每 个塔架上设置风力涡轮机(50)和液压泵(51)。从各个泵(51)出来的双液压线 路(42)连接到驱动发电机(54)的共同可变排量液压马达(53)。在这个实施例 中，用于各个涡轮机的控制系统连接到用于液压马达(53)的共同控制回路。 单向阀(55)可以设置成各个泵的输出，以便防止回流到涡轮机，使流体流动 减弱或压力不足。
如上所述的传动系统可以适用于集成了一个或多个马达的类似目的， 尤其用于大量功率转换机组。
本说明书以使用交流发电机为基础。然而，如有需要，也可以采用直 流发电机。
本说明书通常将涡轮机(2)限定为由流体(3)驱动的涡轮机，其中所述流 体是风，S卩，流动的空气。可选地，流体可以是流动中的水(例如河流、潮 流或海流)。类似于图9所示，表示本发明的特定实施例，带有的多个风力 涡轮机机组驱动位于地面上的单个液压马达和发电机组件。可选地， 一个 或多个海浪驱动的静液压泵可以在静液压回路中连接到一个或多个与发电 机相连的静液压马达。
尽管严格来说应当称为"容积排量容量(d)"，即，所述静液压马达(8)的轴每转过一个弧度的吞吐量容积，但在本说明书中采用的词语为所述静
液压马达(8)的"容积排量(d)"。
零件列表
1:电力产生系统
2:涡轮机，例如风力涡轮机、水力涡轮机
3-移动流体，例如风或水流
6:由涡轮机(2)驱动的静液压泵
7:闭环静液压传动系统
8:排量马达驱动发电机(IO)
9:发电机
10:产生的交流电
fg:产生的交流电频率
fdes:期望频率，外部(刚性)电网的测得频率fmeas或者用于可变局部用 电的所需频率freq
f1()cal:局部功率消耗系统(13)的固定所需频率
llm:用于测量流体(3)的速度(V)的液体流速表 IIS:表示流体(3)的速度(V)的速度信号 V:流体(3)的速度
12m:用于测量涡轮机(2)的转速0)的转速表 12s:表示涡轮机(2)的转速(co)的转速信号 0):涡轮机(2)的转速
13:局部功率消耗系统(可变功率消耗)
14:电网(刚性)
15:控制系统
15a:马达排量控制子系统
15b:桨距控制子系统
15e:励磁控制
16:来自控制系统15的控制信号，用于调整马达8的容积排量(d) tsrset:涡轮机(2)的设定叶尖速度比d:静液压马达(8)上的容积排量控制致动器(17)，用于接收所述控制信 号(16)，从而连续调整所述静液压马达(8)的容积排量(d) 18m:用于测量发电机(9)的转速("g)的转速表 18s:表示发电机(9)的转速("g)的信号 "g:发电机(9)和排量马达(8)的转速 19m:用于测量涡轮机叶片(68)的角度("p)的桨距表 19s:表示涡轮机叶片(68)的角度( )的信号 涡轮机叶片(68)的角度 20:叶片角度(O)g)的控制信号 31a:阻流阀 31b:断流阀 32:舱体
33:液压油泵，用于替代静液压系统(7)的闭环中因外泄损失的流体 34:包含在气体压力下维持的大量流体的贮能器 35:阀
36:用于制动涡轮机(2)的弹簧，当操作阀(35)时，由系统压力释放弹簧 37:单向阀，用于将从泵(33)流出的加压流体流入到静液压回路的低压
上山
顺
38:减压阀 39:放泄阀 40:减压阀
41:过滤器，用于在流体到达泵(33)之前过滤流体 42:减压阀，用于控制来自泵(33)的输出压力
43:当贮能器压力低于静液压回路中的压力时，打开单向阀，以便对
贮能器进行补充
44:冷却器 45:过滤器
46-49:风力涡轮机塔架
50:风力涡轮机 51:液压泵52:双液压线路
53:液压马达
54:发电机
55:单向阀
62:塔架
63:底座
64:主齿轮
65:转向器
66:底座
67:风力涡轮机
68:风力涡轮机叶片
69:涡轮机轴
70:轴承
73:制动器
75:静液压传动系统(7)的闭环供给管 76:静液压传动系统(7)的闭环回返管
77:储液器
78:马达排量致动器
79:桨距控制致动器
权利要求
1、一种涡轮机驱动的电力产生系统(1)，包括涡轮机(2)，其由流速(v)随时间变化而变化的流体(3)驱动，所述涡轮机(2)连接到静液压排量泵(6)，所述静液压排量泵(6)进一步连接到作为静液压传动系统(7)一部分的静液压排量马达(8)，所述马达(8)驱动发电机(9)，所述发电机(9)以接近给定期望频率(fdes)的频率(fg)供应交流电(10)；其特征在于，闭环控制系统(15，15a)采用一个或多个速度测量值作为输入，以连续计算作用在所述静液压马达上的容积排量控制致动器(17)的控制信号(16)，所述静液压马达连续调整所述静液压马达(8)的容积排量(d)。
2、 根据权利要求1所述的电力产生系统(l)，所述闭环控制系统(15)进 一步从流速表(llm)连续接收表示所述流体(3)的速度(v)的速度信号(11)，从涡轮机转速传感器(12m)连续接收表示所述涡轮机(2)的转速测量值 (co)的涡轮机转速信号(12s)，根据所述风速和涡轮机转速信号(ll， 12s)，计算所述静液压马达上的 容积排量控制致动器(17)的控制信号(16)，以便连续调整所述静液压马达(8) 的容积排量(d)。
3、 根据权利要求2所述的系统，能够维持设定的涡轮机叶尖速度比 (tsiW)，从而能够在所述流速(v)波动期间提升所述电力产生系统(l)的功率效 率。
4、 根据权利要求1所述的系统，所述发电机(9)连接到电网(14)，所述给定的期望频率(fdes)是影响或支配所述发电机(9)的所述频率(fg)的所述电网(14)的频率(fgrid),以便控制所述发电机(9)以所述电网(14)的频率运行。
5、 根据权利要求1所述的系统，所述发电机(9)连接到局部功率消耗系统(13)，所述局部功率消耗系统(13)的频率受到以频率(fg)供应交流电(10)的所述发电机(9)的影响，所述给定的期望频率(fdes)是所述局部功率消耗系统(B)的固定所需频率(fi。d)。
6、 根据权利要求1所述的系统，所述发电机(9)是同步发电机。
7、 根据权利要求1所述的系统，所述发电机(9)是异步发电机。
8、 根据权利要求1所述的系统，进一步包括-马达转速传感器(18m),其提供表示所述马达(8)的马达转速(cOg)的 马达转速信号(18s)，所述马达转速信号(18s)被输入到所述控制系统 (15)中。
9、 根据权利要求1所述的系统，进一步包括-涡轮机桨距角传感器(19m)，其提供表示所述涡轮机叶片桨距角("p) 的涡轮机叶片桨距信号(19s)，所述涡轮机叶片桨距信号(19s)被输入 到所述控制系统(15)中，-所述控制系统(15)进一步计算涡轮机叶片桨距角控制信号(20)，以便控制所述桨距角(S)。
10、 根据权利要求1所述的涡轮机驱动的电力产生系统(l)，所述静液 压传动系统(7)是闭环静液压传动系统(7)。
11、 根据权利要求6所述的涡轮机驱动的电力产生系统(l)，除所述同 步发电机(9)之外，还包括励磁控制(15e)，用于进一步地稳定输出电压频率 并且提供无功功率(Xc)。
12、 根据权利要求1所述的涡轮机驱动的电力产生系统(l)，包括带有 阻流阀(31a)和断流阀(31b)的液压线路，所述阻流阀(31a)和所述断流阀(31b) 设置在所述泵(6)的输出和输入之间，在所述泵(6)的主输出线路上设置有三通阀(31c)，用于将来自所述泵的流重定向到所述马达，以流过所述阻流阀 和所述断流阀并返回到所述泵。
13、 一种用于控制涡轮机驱动的电力产生系统(l)的方法， -所述涡轮机(2)由流体(3)驱动，所述流体(3)的流速(v)随时间变化而 变化，-所述涡轮机(2)驱动静液压排量泵(6)，所述静液压排量泵(6)进一步 连接到作为静液压传动系统(7)—部分的静液压排量马达(8)，-所述马达(8)驱动发电机(9)，所述发电机(9)以接近给定期望频率(fdes)的频率(fg)供应交流电(10); 其特征在于，为闭环控制系统(15，15a)提供一个或多个速度测量值作为输入，以便连 续计算作用在所述静液压马达上的容积排量控制致动器(17)的控制信号 (16)，从而连续调整所述静液压马达(8)的容积排量(d)。
14、根据权利要求13所述的用于控制涡轮机驱动的电力产生系统(l) 的方法，所述闭环控制系统(15)从流速表(llm)连续接收表示所述流体(3)的 速度(v)的速度信号(ll)，以及从涡轮机转速传感器(12m)连续接收表示所述 涡轮机(2)的转速测量值((o)的涡轮机转速信号(12s)，并且根据所述风速和涡 轮机转速信号(ll， 12s)，计算所述静液压马达上的容积排量控制致动器(17) 的控制信号(16)，以便连续调整所述静液压马达(8)的容积排量(d)。
全文摘要
一种涡轮机驱动的电力产生系统(1)，所述涡轮机(2)由流速(v)随时间变化而变化的流体(3)驱动，所述涡轮机(2)连接到静液压排量泵(6)，所述静液压排量泵(6)进一步连接到作为闭环静液压传动系统(7)一部分的静液压排量马达(8)，所述马达(8)驱动发电机(9)，所述发电机(9)以接近给定期望频率(fdes)的频率(fg)供应交流电(10)，其特征在于，闭环系统控制所述静液压马达(8)的容积排量(13)，包括流速表(11m)，产生表示所述流体(3)的速度(v)的速度信号(11s)，以及转速表(12m)，用于提供表示所述涡轮机(2)的转速测量值(ω)的转速信号(12s)，马达排量控制系统(15)，用于连续接收所述速度信号(11s)和所述转速信号(12s)并设置成计算控制信号(16)，在所述静液压马达上的容积排量控制致动器(17)，设置成接收所述控制信号(16)，以连续调整所述静液压电动机(8)的容积排量(d)，以维持设定的涡轮机叶尖速度比(tsr_set)，从而能够在所述流速(v)波动期间提高电力产生系统(1)的功率效率。
文档编号F16HGK101300421SQ200680040609
公开日2008年11月5日 申请日期2006年10月31日 优先权日2005年10月31日
发明者O·G·达尔豪格, P·O·哈贝格, P·查普尔 申请人:查普驱动公司