专利名称：可再生能源类型的发电装置及其运行方法
技术领域：
本发明涉及一种可再生能源类型的发电装置和该可再生能源类型的发电装置的运行方法，其中发电装置经由液压传动装置将从可再生能源获得的转子的旋转能传送至发电机，所述液压传动装置为液压泵和液压马达的组合。
背景技术：
近些年来，从保护环境的观点看，使用可再生能源类型的发电装置将变得越来越普遍，其中可再生能源类型的发电装置例如为利用风力的风力涡轮发电机和利用潮流的潮流发电机。这些可再生能装置传统上使用变速箱形式的传动装置，将输入可再生能源的动能的能量抽取机构的较低的输入速度改变成较高的输出速度，以驱动发电装置，其中能量抽 取机构例如风或潮汐涡轮发电机的转子。例如，在普通的风力涡轮发电机中，转子的转速大致为几转至几十转每分，而发电装置的额定速度正常地为1500rpm或ISOOrpm，因此需要机械式变速箱。因此，机械式变速箱设置在转子和发电机之间。具体地，转子的转速通过变速箱增大至发电机的额定速度，并然后输入至发电机。这样的变速箱形式的传动装置对设计和建造都是一个挑战，因为其容易失效，并且维护和替换或维修成本较高。设计可再生能源类型的发电装置的另一个挑战是，在所有的情形下利用能量抽取机构抽取能量的最佳量。最有效的装置使之这样实现通过将叶片保持为固定的螺旋角，并在运行范围的大部分中与风速或水速成比例地变化叶片的旋转速度，以维持差不多固定的“叶尖速比”。成本有效的可再生能源类型的发电装置所需要尺度的变速箱为不能变化的固定比率，因此需要复杂的易于失效的电力转换装置以将电力供给至AC电网。近些年来，作为机械式传动装置的替代，配备有液压传动装置的可再生能源类型的发电装置正在获得更多的关注，其中该液压传动装置采用变量式的液压泵和液压马达的组合。在这样的发电装置中，即使在较大的尺度上，也可以实现静液压变比率传动，而且这样的静液压传动比变速箱更轻、更坚固、还比直流发电机驱动单元更轻。因此，降低了发电的总成本。例如，专利文献I描述了一种采用液压传动装置的风力涡轮发电机，其中液压传动装置由转子转动的液压泵、连接到发电机的液压马达和布置在液压泵和液压马达之间的工作油通道构成。在该风力涡轮发电机的液压传动装置中，液压泵包括多组活塞和缸、使活塞在缸中周期性地往复移动的凸轮以及随着活塞的往复移动打开和关闭的高压阀和低压阀。通过将活塞锁止在上死点，由缸和活塞包围的工作腔被禁用以改变液压泵的排量。此外，专利文献2中公开了一种用于调节风力涡轮发电机的转子的旋转的装置。该装置包括由转子驱动的旋转轴和由旋转轴带动的多级泵。每一级具有将该级与共同的流体吸入通路联接的吸入装置和将该级与共同的流体排出通路联接的排出装置。第一限制装置布置在从该级开始的共同的排出通路中，以改变该级的泵送状态。处于空转状态的缸的比率被改变以调整旋转轴的扭矩，从而将旋转轴的转速保持在一定的范围内，在该范围中旋转能有效地转换成风力能。引用列表专利文献专利文献1:US 2010/0040470A专利文献2: US 4496847B
发明内容
技术问题在如专利文献I和2公开的可再生能源类型的发电装置中，需要其有效地从可再生能源提取能量，并保持较高的发电效率。然而，这样的发电装置中使用的可再生能源通常·为诸如风力和潮流的自然能，并且发电可用的能量波动较大。因此，很难以最高效率提取能量。特别地，所述可再生能在较短时间周期中瞬时不稳定性较高，必须执行控制来响应能量的波动以有效地提取能量。专利文献2建议调整旋转轴的扭矩以将旋转轴的转速保持在一定的范围内，在该范围中风力能被有效地转化，但是其没有详细地公开如何调整扭矩。因此仍然没有建立一种运行控制技术，来获得旋转轴的期望扭矩以快速地响应可再生能的改变。鉴于以上问题，本发明的一个目的为提供一种可再生能源类型的发电装置以及运行这样的装置的方法，该装置获得了旋转轴的期望的扭矩以快速地响应可再生能的改变。技术方案本发明提供了一种用可再生能源发电的可再生能源类型的发电装置。与本发明相关的发电装置可以包括但不限于旋转轴，该旋转轴由可再生能源驱动；变量式(variabledisplacement)液压泵，该变量式液压泵由旋转轴驱动；液压马达，该液压马达由液压泵供给的增压油驱动；发电机，该发电机联接至液压马达；高压油路，液压泵的出口侧通过该高压油路与液压马达的入口侧流体连通；泵需求量确定单元，该泵需求量确定单元基于液压泵的目标扭矩和高压油路中的油压来确定液压泵的排量需求量Dp;和泵控制器，该泵控制器将液压泵的排量调整为确定的排量需求量Dp。在该可再生能源类型的发电装置中，泵需求量确定单元基于液压泵的目标扭矩和高压油路中的油压来确定液压泵的排量需求量Dp，并且泵控制器将液压泵的排量调整为确定的排量需求量Dp。因此，可以获得期望的扭矩，即最佳地从可再生能源有效地提取能量的最佳扭矩。具体地，液压泵的目标扭矩被改变以响应可再生能源的改变，从而快速地调节扭矩以跟随可再生能源的波动。上述高压油路中的油压用于泵控制器，以确定液压泵的排量需求量Dp。高压油路中的油压可以是液压油的压力的实际值或设定值(目标压力)。 上述可再生能源类型的发电装置还可以包括目标扭矩确定单元，其基于功率系数变成最大值的旋转轴的理想扭矩确定液压泵的目标扭矩。目标扭矩确定单元基于功率系数变成最大值的旋转轴的理想扭矩确定液压泵的目标扭矩。因此，在该可再生能源类型的发电装置中可以保持较高的发电效率。上述可再生能源类型的发电装置还可以包括测量旋转轴的转速的转速测量仪和理想扭矩确定单元，理想扭矩确定单元根据测量的旋转轴的转速确定旋转轴的理想扭矩。在该可再生能源类型的发电装置中，根据测量的旋转轴的转速来确定旋转轴的理想扭矩，从而提高了可再生能源类型的发电装置单独发电效率。旋转轴的转速能够用高精度的转速测量仪测量。因此，通过基于测量的旋转轴的转速来确定理想扭矩可以适当地控制液压泵。在该可再生能源类型的发电装置中，优选地设置多个转速测量仪，理想扭矩确定单元根据转速测量仪测量的旋转轴的转速的平均值来确定旋转轴的理想扭矩。以此方式，设置转速测量仪以提高理想扭矩的计算精度，并且还可以消除转速测量仪本身、外部因素等导致的噪声。或者，该可再生能源类型的发电装置还可以包括测量旋转轴的转速的转速测量仪和理想扭矩确定单元，该理想扭矩确定单元根据可再生能源的能量流的估算速度来确定旋转轴的理想扭矩，其中可再生能源的能量流的估算速度根据测量的旋转轴的转速来估算。 以此方式，基于可再生能源的能量流的估算速度获得了理想扭矩，其中可再生能源的能量流的估算速度根据测量的旋转轴的转速来估算。因此，可以提高该可再生能源类型的发电装置的发电效率。所述能量流的速度可以根据转速测量仪测量的转速的值来估算。因此，可以非常准确地估算出所述能量流的速度，并可以适当地控制液压泵。还可以不为发电装置构造用于测量能量流的速度的流速测量仪，从而降低了成本。在该可再生能源类型的发电装置中，优选地设置多个转速测量仪，能量流的估算速度根据转速测量仪测量的旋转轴的转速的平均值来估算。以此方式，设置了转速测量仪，并且能量流的估算速度根据转速测量仪测量的旋转轴的转速的平均值来估算，以根据能量流的速度来计算理想扭矩。因此，可以提高理想扭矩的计算精度，并且还可以消除转速测量仪本身、外部因素等导致的噪声。所述可再生能源类型的发电装置还可以包括测量可再生能源的能量流的速度的流速测量仪和理想扭矩确定单元，该理想扭矩确定单元根据测量的能量流的速度来确定旋转轴的理想扭矩。以此方式，根据流速测量仪测量的能量流的测量速度来确定理想扭矩。因此，可以提高该可再生能源类型的发电装置的发电效率。此外，还可以通过流速测量仪直接测量速度来获得高精度的能量流的速度。由此，可以适当地控制液压泵。在该可再生能源类型的发电装置中，优选地设置多个流速测量仪，理想扭矩确定单元根据流速测量仪测量的能量流的速度的平均值来确定旋转轴的理想扭矩。以此方式，设置了流速测量仪，并且根据流速测量仪测量的能量流的速度的平均值来确定旋转轴的理想扭矩。现在可以提高确定理想扭矩的精度，并且还可以消除转速测量仪本身、外部因素等导致的噪声。所述可再生能源类型的发电装置还可以包括目标扭矩校正单元，该目标扭矩校正单元根据可再生能源的能量流输入旋转轴的输入扭矩的估算值减去确定的目标扭矩获得的差值，对目标扭矩确定单元所确定的目标扭矩进行校正。该输入扭矩的估算值由旋转轴的加速扭矩和目标扭矩的当前值相加的和得到。以此方式，目标扭矩校正单元基于可再生能源的能量流输入旋转轴的输入扭矩的估算值减去确定的目标扭矩获得的所述差值，对目标扭矩确定单元所确定的目标扭矩进行校正。因此，在旋转轴加速或减速期间可以获得这样的目标扭矩，其缩短了实现旋转轴的期望转速的时间。结果，可以快速地控制液压泵以响应可再生能的改变。在该可再生能源类型的发电装置中，优选地目标扭矩校正单元通过从目标扭矩确定单元所确定的目标扭矩减去校正值Ttitt，对目标扭矩确定单元所确定的目标扭矩进行校正，其中校正值T 通过所述差值乘以增益G得到。如以上描述的，目标扭矩校正单元通过给所述差值乘以增益G获得校正值通过将增益G设定为适当的值，目标扭矩能够被校正为更加适当的值。具体地，通过增益G来调整目标扭矩的校正量，以调整跟踪可再生能的改变。在所述可再生能源类型的发电装置中，优选地目标扭矩确定单元通过给旋转轴的理想扭矩乘以比例因子M，来确定液压泵的目标扭矩。以此方式，目标扭矩确定单元通过给旋转轴的理想扭矩乘以比例因子M，来确定液压泵的目标扭矩。因此，可以通过适当地调整比例因子M来跟踪能量流的速度变化。 所述可再生能源类型的发电装置还可以包括环境温度传感器，该环境温度传感器测量发电装置的环境温度。优选地，基于测量到的环境温度对旋转轴的理想扭矩进行校正。通常，在所述可再生能源类型的发电装置中，可再生能源的能量密度随着温度波动。因此，可以进一步提高发电装置的环境温度的测量精度和基于测量的环境温度校正理想扭矩的精度。在所述可再生能源类型的发电装置中，优选地，泵需求量确定单元通过将液压泵的目标扭矩除以高压油路中的油压来确定液压泵的排量需求量Dp。根据液压泵的排量和高压油路中的油压的乘积可以获得液压泵输入旋转轴的扭矩。因此，通过用目标扭矩除以高压油路中的油压，可以容易地获得由液压泵的排量获得的目标扭矩。以此方式，液压泵的排量需求量Dp被获得，以将旋转轴的实际扭矩调整为更加接近目标扭矩。所述可再生能源类型的发电装置还可以包括泵需求量校正单元，该泵需求量校正单元对液压泵的排量需求量Dp进行校正，以使高压油路中的油压落入规定的范围内。以此方式，通过泵需求量校正单元，高压油路中的油压被保持在规定的范围内。现在可以对液压泵的排量需求量Dp进行校正，以确保稳定运行。所述可再生能源类型的发电装置还可以包括测量高压油路中油温的油温传感器和泵需求量校正单元，该泵需求量校正单元基于测量的高压油路中的油温对液压泵的排量需求量Dp进行校正。以此方式，泵需求量校正单元基于油温传感器测量的高压油路中的油温，对液压泵的排量需求量Dp进行校正。因此，现在可以在考虑油的热膨胀的情况下如期望的一样控制液压泵。在所述可再生能源类型的发电装置中，优选地，发电装置为风力涡轮发电机，其通过作为可再生能源的风发电。尽管风力能在风力涡轮发电机中基本上是波动的，然而通过采用所述可再生能源类型的发电装置，可以快速地获得旋转轴的期望扭矩以响应风力能的波动。本发明还提供了一种可再生能源类型的发电装置的运行方法，所述发电装置包括旋转轴，该旋转轴由可再生能源驱动；变量式液压泵，该变量式液压泵由旋转轴驱动；液压马达，该液压马达由液压泵供给的增压油驱动；发电机，该发电机联接至液压马达；高压油路，液压泵的出口侧通过该高压油路与液压马达的入口侧流体连通；和低压油路，液压泵的入口侧通过该低压油路与液压马达的出口侧流体连通。本发明的方法可以包括但不限于以下步骤基于液压泵的目标扭矩和高压油路中的油压确定液压泵的排量需求量Dp ;和将液压泵的排量调整为所述排量需求量Dp。在所述可再生能源类型的发电装置的运行方法中，基于液压泵的目标扭矩和高压油路中的油压来确定液压泵的排量需求量Dp，并将液压泵的排量调整为排量需求量Dp。因此，可以获得期望的扭矩，该扭矩为从可再生能源有效地提取能量的最佳扭矩。具体地，通过响应可再生能的波动来改变液压泵的目标扭矩，可以快速地调整扭矩以跟随可再生能的波动。有益效果根据本发明，基于液压泵的目标扭矩和高压油路中的油压来确定液压泵的排量需求量Dp，并将液压泵的排量调整为所述排量需求量Dp。因此，可以获得期望的扭矩，该扭矩 为从可再生能源有效地提取能量的最佳扭矩。具体地，通过响应可再生能的波动来改变液压泵的目标扭矩，可以快速地调整扭矩以跟随可再生能的波动。
图I为风力涡轮发电机的示例结构的示意图。图2为风力涡轮发电机的发电机和液压传动装置的结构的示意图。图3为示出了储存在控制单元的存储单元中的Cp最大值曲线的图表。图4为示出了储存在控制单元的存储单元中的Cp最大值曲线的图表。图5为示出了通过控制单元控制液压泵的过程的流程图。图6为控制单元的信号流的示意图。图7为液压泵的详细构造的示意图。图8为液压马达的详细构造的示意图。
具体实施例方式现在将参考附图详细描述本发明的优选实施例。不过，其意图为，这里提及的尺寸、材料、形状、其相对位置等应理解为仅是示意性的，而不用来限制本发明的范围，除非特别地说明。图I为风力涡轮发电机的示例性结构的示意图。图3为俯仰驱动机构(pitchdriving mechanism)的结构的不意图。如图I所示，风力涡轮发电机I包括通过风旋转的转子2，用于增大转子2的转速的液压传动装置10、用于产生电力的发电机20、机舱22、用于支撑机舱22的塔架24、用于控制风力涡轮发电机I的液压传动装置10的控制单元40(图2中示出)和各种传感器，其中传感器包括压力测量仪31和转速测量仪32。转子2构造成使得旋转轴8连接至带有叶片4的轮毂6。具体地，三个叶片4从轮毂6径向延伸出，并且每个叶片4安装在连接到旋转轴8的轮毂6上。由此，作用在叶片4上的风能旋转整个转子2，转子2的旋转经由旋转轴8输入液压传动装置10。由此，作用在叶片上的风力旋转整个转子2，转子的旋转经由旋转轴8输入液压传动装置10。如图2所示，液压传动装置10包括通过旋转轴8旋转的变量式的液压泵12、连接到发电机20的变量式的液压马达14、和布置在液压泵12和液压马达14之间的高压油路16和低压油路18。高压油路16将液压泵12的出口侧连接到液压马达14的入口侧。低压油路18将液压泵12的入口侧连接到液压马达14的出口侧。从液压泵排出的工作油(低压油)经由高压油路流入液压马达中。液压马达14中工作过的工作油经由低压油路18流入液压泵12中，然后其压力通过液压泵12被升高，最后该工作油流入液压马达14中，以驱动液压马达14。图2示出了一个示例性的实施例,其中液压传动装置10仅包括一个液压马达14。不过，也可以设置多个液压马达14，并且将每个液压马达14连接至液压泵12。这里描述的液压泵和液压马达的详细结构仅作为示例。图7为液压泵的详细结 构，图8为液压马达的详细结构。如图7所示，液压泵12包括多个油腔83、凸轮84、高压阀86和低压阀88，其中油腔83中的每个由缸80和活塞82形成，凸轮84具有与活塞82接合的凸轮轮廓，每个油腔83都设置有高压阀86和低压阀88。高压阀86布置在高压油路16和每个油腔83之间的高压通道87中，低压阀88布置在低压油路18和每个油腔83之间的低压通道89中。液压泵12中，凸轮84与旋转轴8 一起旋转，活塞82根据凸轮曲线周期性地上下移动，以重复活塞82从下死点开始到达上死点的泵送循环和活塞从上死点开始到达下死点的吸入循环。如图8所示，液压马达14包括多个液压腔93、凸轮94、高压阀96和低压阀98，其中，液压腔93形成在缸90和活塞92之间，凸轮94具有与活塞92接合的凸轮轮廓，每个液压腔93设置有高压阀96和低压阀98。高压阀96布置在高压油路16和每个油腔93之间的高压通道97中。同时，低压阀98布置在低压油路18和每个油腔93之间的低压通道99中，其为常开类型的提升螺管阀。低压阀98也可以是常闭类型的。在所示的具有活塞循环曲线130的液压马达14中，活塞92周期性地上下移动，以重复活塞92从上死点开始到达下死点的致动循环(motor cycle)和活塞从下死点开始到达上死点的排出循环。液压泵和液压马达为上述的活塞式。不过，这不是限制性的，液压泵和液压马达可以是任意类型的变量式液压机构，例如叶片式。如图2所示，各种传感器设置成用于测量旋转轴8的转速的转速测量仪32和用于测量高压油路16中的压力的压力测量仪31。此外，各种传感器还可以包括安装在机舱22外部测量风速的风速仪33、测量风力涡轮发电机I的环境温度的温度传感器34和测量高压油路16中的油温的油温传感器35。这些传感器的测量结果传送至控制单元40以控制液压泵12。附图所示的该示例中，设置有一组各传感器。然而，这不是限制性的，也可以提供一组以上的各传感器。
此外，设置有用于高压油路16和低压油路18的防脉动蓄能器64。由此，高压油路16和低压油路18的压力波动(脉动)被抑制。而且，用于去除工作油杂质的油过滤器66和用于冷却工作油的油冷却器68布置在低压油路中。旁通油路60布置在高压油路16和低压油路18之间以旁通液压马达14，减压阀62布置在旁通油路60中以保持高压油路16中的液压压力不高于设定压力。由此，当高压油路16中的压力达到减压阀62的设定压力时，减压阀62自动地开启，以允许高压油经由旁路60流向低压油路18。另外，液压传动装置10具有油箱70、补给管路72、增压泵74、油过滤器76、返回管路78和低压减压阀79。在一些实施例中，液压马达14的回流的全部或部分通过一个或多个这些单元。油箱70储存有补给的工作油。补给管路72连接油箱70和低压油路18。增压泵74布置在补给管路72中，为低压油路18补充来自油箱70的补给的工作油。在这种情况·下，布置在补给管路72中的油过滤器76去除供给至低压油路18的工作油的杂质。即使当液压传动装置10中工作油泄露时，增压泵74为低压油路补充来自油箱70的工作油，并由此能够保持液压传动装置10中流通的工作油的量。返回管路78安装在油箱70和低压油路18之间。低压减压阀79布置在返回管路78中，并且低压油路18中的压力被保持在规定的压力附近。这使得一旦低压油路18中的压力到达低压减压阀79的规定压力，尽管增压泵74供给工作油至低压油路18，低压减压阀79仍能够自动打开以经由返回管路88释放工作油至油箱70。这样，能够充分地保持液压传动装置10中流通的工作油的量。发电机20与电网50同步，使得发电机20产生的电力供给至电网50。如图2所示，发电机20包括电磁同步发电机，其由连接到液压马达14的输出轴15的转子20A和连接至电网50的另一个转子20B构成。激励器52连接至发电机20的转子20A，使得能够通过改变在转子20A中流动的场流来调节发电机20的转子20B中产生的电力的功率因子。由此，可以向电网50供给调整为期望的功率因子的较好质量的电力。图I所示的机舱22旋转地支撑转子2的轮毂6，并容纳各种装置，例如液压传动装置10和发电机20。另外，机舱22可以旋转地支撑在塔架24上，并根据风向由偏转马达(未示出)转动。塔架24形成为从基座26向上延伸的柱状。例如，塔架22可以由一个柱状构件构成，或者由沿竖直方向连接以形成柱状的多个单元构成。如果塔架24由多个单元构成，那么机舱22安装在最顶侧的单元上。参考图2说明控制单元40的结构。控制单元40可以构造为分布式控制系统，其配置成，控制单元40和各种控制装置41-47可以布置在不同的位置，机舱的内部或外部。构成控制单元40的控制装置41-47和控制单元40中的至少一个功能元件可以并入一个处理单元中。控制单元40包括理想扭矩确定单元41、目标扭矩校正单元43、目标扭矩确定单元42、泵需求量确定单元、泵控制器46和存储单元47。目标扭矩确定单元42基于旋转轴的理想扭矩确定液压泵的目标扭矩，其中在旋转轴的理想扭矩处，功率系数Cp变成最大值。此外，优选地目标扭矩确定单元42将旋转轴8的理想扭矩乘以比例因子M来确定液压泵12的目标扭矩。理想扭矩确定单元41根据测量到的旋转轴8的转速来确定旋转轴8的理想扭矩。理想扭矩为这样的一个扭矩，在该扭矩风力能能够被有效地转换成旋转轴8的转动能，即具有高的风力能抽取效率的扭矩。以下详细描述理想扭矩确定单元41的示例性的结构。理想扭矩确定单元41基于转速测量仪32测量的旋转轴8的测量的转速，确定功率系数Cp变为最大时的扭矩为理想扭矩。其还可以根据转速测量仪32测量的旋转轴8的转速的平均值来确定旋转轴8的理想扭矩。或者，理想扭矩确定单元41还可以基于根据转速测量仪32测量的旋转轴8的转速估算的风速来确定旋转轴8的理想扭矩。其还可以根据从转速测量仪32测量的旋转轴8的转速的平均值估算的风速来确定旋转轴8的理想扭矩。还可以直接通过风速仪33获得 风速。当设置有多于一个的风速仪33时，可以使用风速的平均值。理想扭矩确定单元41可以基于环境温度传感器34测量的风力涡轮发电机I的测量的环境温度来校正旋转轴8的理想扭矩。风力涡轮发电机I的环境温度为影响旋转轴8的扭矩的多个因素之一。技术上来说，风力能由风流量(质量流量)和风速确定。随着涡轮发电机I的环境温度的改变，空气密度改变。这改变了空气的质量。因此，基于风力涡轮发电机I的环境温度来校正理想扭矩，以提高理想扭矩的精度。目标扭矩校正单元43对目标扭矩确定单元42确定的目标扭矩进行校正。具体地，根据气动扭矩的估算值减去目标扭矩确定单元42所确定的目标扭矩获得的差值对目标扭矩确定单元42所确定的目标扭矩进行校正。该输入扭矩的估算值由旋转轴8的加速扭矩和目标扭矩的当前值相加得到。气动扭矩为可再生能源的能量流输入旋转轴8的输入扭矩。目标扭矩校正单元43可以基于环境温度传感器34测量的风力涡轮发电机I的环境温度来确定气动扭矩。旋转轴8的加速扭矩以及风力涡轮发电机I的环境温度为影响旋转轴8的扭矩的因素中的一个因素。随着环境温度的改变，空气密度改变，导致空气质量改变。这影响了旋转轴8的扭矩。除以上的目标扭矩校正单元43的结构外，目标扭矩校正单元43通过从目标扭矩确定单元42所确定的目标扭矩减去校正值T1^来对目标扭矩确定单元42所确定的目标扭矩进行校正，其中所述校正值Ttitt由气动扭矩和目标扭矩之间的差值乘以增益G得到。泵需求量确定单元44基于液压泵12的目标扭矩和高压油路16中的油压来确定液压泵12的排量需求量Dp。泵需求量校正单元45对液压泵12的排量需求量Dp进行校正，以使高压油路16中的油压落入规定的范围内。或者，泵需求量校正单元45基于油温传感器35测量的高压油路16中的测量油温，对液压泵12的排量需求量Dp进行校正。泵控制器36控制液压泵12，这里具体地将液压泵12的排量调整为确定的排量需
求量Dp。除上述控制单元外，还可以设置马达控制器(未示出)。马达控制器基于从液压泵12的排量Dp获得的液压泵12的排出量Qp，确定液压马达14的排量需求量Dm，以保持发电机的转速不变。
稍后将描述液压泵12和液压马达14的控制。存储单元47储存用于控制风力涡轮发电机I的目标压力设定曲线和Cp最大值曲线。图3和图4为示出了存储单元37中储存的Cp最大值曲线图。Cp最大值曲线通过连接功率系数Cp变为最大值的点形成。图3示出Cp最大值曲线100，风速V在X轴上，旋转轴8的转速％在y轴上。图4示出的Cp最大值曲线102，旋转轴8的转速I在X轴上，液压泵12的目标扭矩在I轴上。以下将参考图5的流程图描述关于控制单元40的运行的算法。首先，转速测量仪38测量旋转轴8的转速Wr (步骤SI)。理想扭矩确定单元41根据测量的转速I将功率系数Cp变为最大值时的扭矩确定为理想扭矩Ti (步骤52)。具体地，如果保持功率系数Cp为最大值的这样的运行状态下，从存储单元47取得Cp最大值曲线100 (参考图3)，根据Cp最大值曲线100获得对应于测量的转速I的风速V(见图3)。理 想扭矩确定单元41从存储单元47取得Cp最大值曲线102 (见图4)，并且获得对应于如上述估算的风速V的液压泵12的理想扭矩Tp图4示出的该示例中，在估算风速V为V2的情况下，获得液压泵12的理想扭矩Τ」。目标扭矩确定单元42通过将理想扭矩确定单元41确定的理想扭矩Ti乘以比例因子M，确定出调整后的理想扭矩MTi (步骤S3)。比例因子M —般地位于O. 9至I. O之间，并且在使用期间可以根据风况和叶片4随着时间的气动改变而变化。先决条件是，在M〈1的情况下，施加至旋转轴8的扭矩具有稍小于理想扭矩的值。旋转轴8的转速稍微地增大至相比理想扭矩的情况的对应量。因此，可以调整旋转轴8的转速以响应风速的快速改变。先决条件是，强风的风速不高于风力涡轮发电机I的允许的风速范围的上限。允许的风速范围为其中转子2能够正常地运转而不会使其超转的风速范围，并且通常设置得高于额定的风速范围的上限。根据上述的结构，风间歇(lull)期间理想扭矩稍微偏离最佳扭矩。然而，在强风期间由风力能转换的旋转能量远高于风间歇期间转换的能量。因此，风力涡轮发电机总体获得的电力非常多。采用以上的结构是非常有益的。目标扭矩校正单元43根据旋转轴8的转速W,的变化率确定旋转轴8的角加速度ar (步骤 S4) ο此外，目标扭矩校正单元43确定气动扭矩Ina (步骤S5)。气动扭矩T气动为当前风施加至旋转轴8的扭矩的实际量。气动扭矩Tna为由液压泵12施加至旋转轴8的扭矩加及之前的目标扭矩Td (前)加上净加速扭矩的和，其中净加速扭矩为转子2 (包括旋转轴8)和液压泵12的惯性矩J ■ + s与旋转轴8的角加速度的乘积。前目标扭矩Td (前)可以从液压泵12的选定的净排放率(displacement rate)和高压通路中的测量压力获得。之后，目标校正单元43从步骤S5中获得的气动扭矩和步骤S3中调整后的理想扭矩之间的差值获得扭矩超额Tes (步骤S6)。扭矩超额Tes预期将加速(如果为正)或减速(如果为负)。此外，扭矩校正单元43通过扭矩超额Tms乘以增益G来计算校正扭矩T前馈(步骤S7)。可以使用更复杂的前馈函数，例如使用超前或延迟控制器以更进一步地改善风速的跟踪。
接下来，目标扭矩计算单元42通过乘调整后的理想扭矩MTi和校正扭矩Tw来计算目标扭矩Td (步骤S8)。然后，泵需求量确定单元44根据公式I通过目标扭矩Td和高压油路中的油压Ps (高压油的压力)来确定液压泵的期望排量Dp (步骤S9)。(公式I) 排量需求量Dp=目标扭矩Td/高压油的压力Ps然后，泵控制器46调整液压泵12的期望排量Dp (步骤S10)。现在描述泵控制器46如何控制图7所示的液压泵12。泵控制器32改变禁用的油腔的数目来实现液压泵12的期望的排量需求量Dp，禁·用油腔保持为在液压泵12的活塞82在从下死点开始到达上死点然后返回下死点的循环期间，液压泵12的高压阀86关闭，而液压泵12的低压阀88保持打开。具体地，泵控制器32按照液压泵12的排量需求量Dp来设定禁用的腔的数目，根据其来控制液压泵12。此外，还可以在泵控制器32控制期间，通过在活塞循环期间改变高压阀(86，96)的打开时间来改变液压泵12和液压马达14的排量。参考图6说明控制单元40的信号流。图6对应于图5的算法流程图。首先，根据转速测量仪32测量的旋转轴8的转速I确定理想扭矩1\。在该步骤中，其中功率系数Cp为最大值的理想扭矩Ti根据图4的函数102由目标扭矩(理想扭矩Ti)和转速I确定。理想扭矩通过乘以理想扭矩比例因子M来调整，以得到调整后的理想扭矩MTitl理想扭矩比例因子M可以是O与I之间的任意数，典型地位于O. 9至I之间。由理想扭矩Ti稍微减小的调整后的理想扭矩MTi增大了转速，并且允许旋转轴8在强风期间更快地加速，由此相比假如没有根据理想函数由比例因子M调节泵扭矩的情况，可以捕获到更多的电力。比例因子M将致使转子更慢地减速，由此在风间歇期间偏离其最佳运行点运行。不过，跟踪强风获得的额外的电力大于间歇风期间次最佳运行期间的电力损失。目标扭矩Td为调整后的理想扭矩与扭矩反馈控制器201的输出之间的差值。扭矩反馈控制器201包括在目标扭矩校正单元43中。扭矩反馈控制器201根据当前的扭矩目标和加速扭矩的和计数估算的气动扭矩Tna。加速扭矩通过旋转轴8的角加速度乘以转子2的旋转惯性矩J得到。扭矩反馈控制器201的输出为估算的气动扭矩和调整后的理想扭矩之间的差值Tea，其然后乘以反馈增益G以获得反馈扭矩!^·反馈增益G可以是大于等于O的任意数，其中O值用来禁用扭矩反馈控制器201。扭矩反馈控制器201通过从调整后的理想扭矩减去校正扭矩来响应能量抽取的加速和减速。具体地，在加速的情况下，目标扭矩稍微减小，而在减速的情况下，通过将校正扭矩加至调整后的理想扭矩稍微增大目标扭矩。相比单独使用调整后的理想扭矩，这使得旋转轴8能够更快地响应输入能量的改变而加速和减速，因此可以从风捕获更大的总能量。接下来，通过目标扭矩Td除以高压油路16中测量到的油压来计算液压泵12的排量需求量Dp。排量需求量Dp可以通过压力限制器202来修正。压力限制器202可以为PID类型的控制器，其输出为控制器输出的泵需求量Dp。压力限制器202包括在泵需求量校正单元45中。压力限制器202用于通过修正泵需要的流体量的传送速率，来将液压泵12的压力保持在可接受的范围内，即小于风力涡轮发电机的安全运行的最大水平下。一些运行模式中，期望通过减压阀62耗散能量，例如为了防止风力涡轮发电机在极强的风期间超过其额定速度运行，在这些运行模式中可以禁用压力限制，或者压力限制可以在使用中变化。泵需求量校正单元45可以基于油温传感器35测量的高压油路16中的油温对液压泵12的排量需求量Dp进行校正。当确定液压泵12的排量需求量％时，可以设置调整器203以基于电力需求信号来调整目标扭矩Td。例如，电力需求信号从风力涡轮发电机所属的风力发电站的风力发电站控制单元输入。通过这种方式，基于电力需求信号对目标扭矩Td进行校正以获得期望的电力生产。在以上优选实施例中，泵需求量确定单元44基于液压泵12的目标扭矩Td和高压油路16中的油压Ps确定液压泵12的排量需求量Dp，并且泵控制器46将液压泵12的排量调整为所确定的排量需求量Dp。由此，其可以获得期望的扭矩，即最佳的用于从可再生能源有效地抽取能量的最佳扭矩。具体地，液压泵12的目标扭矩Td变化以响应可再生能源的波动，从而快速地调节扭矩以跟随可再生能源的波动。 理想扭矩确定单元41根据转速测量仪32测量的旋转轴8的转速确定旋转轴8的理想扭矩，以提高风力涡轮发电机I的发电效率。旋转轴8的转速能够用高精度的转速测量仪32测量。基于转速测量仪32测量的旋转轴8的实际转速确定理想扭矩以适当地控制液压泵。具体地，在以上的优选实施例中，理想扭矩从测量的风速估算的风速获得，由此可以非常准确地估算风速，并执行液压泵12的适当控制。可以不设置风速仪33以减少成本。或者，旋转轴8的理想扭矩Ti或风速可以根据转速测量仪32测量的旋转轴8的转速的平均值来确定。在这样的情况下，可以提高理想扭矩的计算精度，并且还可以消除转速测量仪本身、外部因素等导致的噪声。也可以基于风速仪33测量的风速来确定理想扭矩，以替代借助于转速测量仪32来确定理想扭矩。这使得风力涡轮发电机I能够提高发电效率。此外，能够直接通过风速仪33测量风速以获得高精度的风速。由此，可以适当地控制液压泵12。此外，旋转轴8的理想扭矩Ti可以根据风速仪33测量的风速的平均值来确定。这可以提高确定理想扭矩的精度，并且还可以消除转速测量仪本身、外部因素等导致的噪声。目标扭矩校正单元43根据可再生能源的能量流输入旋转轴8的输入扭矩的估算值减去确定的目标扭矩获得的差值，对目标扭矩确定单元所确定的目标扭矩进行校正。因此，在旋转轴8加速或减速期间可以获得这样的目标扭矩，其缩短了实现旋转轴8的期望转速的时间。结果，液压泵12能够被快速地控制以响应可再生能的改变。泵需求量确定单元44通过将液压泵12的目标扭矩除以高压油路16中的油压来确定液压泵12的排量需求量Dp。因此，可以将旋转轴8的实际扭矩调整得更加接近目标扭矩。此外，泵需求量校正单元45对液压泵12的排量需求量Dp进行校正，使得高压油路16中油压落入规定的范围内。因此，可以对液压泵12的排量需求量Dp进行校正，以确保风力涡轮发电机的安全运行。此外，泵需求量校正单元45基于油温传感器35测量的高压油路16中的测量油温，对液压泵12的排量需求量Dp进行校正。因此，可以在考虑油的热膨胀的情况下适当地控制液压泵12。尽管已经参考示例性的实施例描述了本发明，然而对本领域技术人员显而易见的是，可以做出的各种改变没有偏离本发明的范围。例如，以上的优选实施例使用的示例中，本发明应用于风力涡轮发电机。然而，本发明还可以应用于潮流发电机。这里提及的潮流发电机为安装在诸如海洋、河流、湖泊之类的地方利用潮能的发电机。除了转子2是由潮流转动而不是风转动外，潮流发电机具有与风力涡轮发电机I相同的基本结构。潮流发电机包括由潮流转动的转子2、用于增加转子2的转速的液压传动装置10、用于产生电力的发电机20和用于控制潮流发电机的每个单元的控制单元40。这里，潮流发电机的控制单元40设定其中功率系数变为最大值的液压泵12的目标扭矩，并然后基于目标扭矩和高压油路16中的工作油的压力确定液压泵的排量Dp，以控制液压泵12。结果，能够获得期望的扭矩，并提高发电效率。·在使用潮流发电机的情况中，可以基于速度测量仪测量的潮流速度而不是风速仪33测量的风速，根据Cp最大值曲线102 (见图4)获得液压泵12的目标扭矩。附图标记风力涡轮发电机转子4 叶片6 轮毂8旋转轴10液压传动装置12液压泵14液压马达16高压油路18低压油路20发电机22 机舱24 塔架26 基座31压力测量仪32转速测量仪33风速仪34环境温度传感器35油温传感器40控制单元41理想扭矩确定单元42目标扭矩确定单元43目标扭矩校正单元44泵需求量确定单元
45泵需求量校正单元46泵控制器47存储单元50 电网52激励器54电网状态判定单元60 旁路62减压阀 64抗脉动蓄能器66油过滤器68油冷却器70 油箱72补给管路74增压泵76油过滤器78返回管路79低压减压阀80 缸82 活塞82A活塞体82B活塞滚子83 油腔84 凸轮86高压阀87闻压通路88低压阀89低压通路90 缸92 活塞92A活塞体92B活塞滚子93 油腔94 凸轮96高压阀97闻压通路98低压阀99低压通路IOOCp最大曲线102(；最大曲线
104目标压力曲线110活塞循环曲线112HPV电压信号114高压阀位置116LPV电压信号118低压阀位置120压力曲线130活塞循环曲线
132HPV电压信号134高压阀位置136LPV电压信号138低压阀位置140压力曲线
权利要求
1.一种用可再生能源发电的可再生能源类型的发电装置，包括 旋转轴，该旋转轴由可再生能源驱动； 变量式液压泵，该变量式液压泵由旋转轴驱动； 液压马达，该液压马达由液压泵供给的增压油驱动； 发电机，该发电机联接至液压马达； 高压油路，液压泵的出口侧通过该高压油路与液压马达的入口侧流体连通； 泵需求量确定单元，该泵需求量确定单元基于液压泵的目标扭矩和高压油路中的油压来确定液压泵的排量需求量Dp ;和 泵控制器，该泵控制器将液压泵的排量调整为确定的排量需求量Dp。
2.根据权利要求I的可再生能源类型的发电装置，还包括 目标扭矩确定单元，该目标扭矩确定单元基于功率系数变成最大值的旋转轴的理想扭矩确定液压泵的目标扭矩。
3.根据权利要求2的可再生能源类型的发电装置，还包括 转速测量仪，该转速测量仪测量旋转轴的转速；和 理想扭矩确定单元，该理想扭矩确定单元根据测量到的旋转轴的转速来确定旋转轴的理想扭矩。
4.根据权利要求3的可再生能源类型的发电装置，其中设置有多个转速测量仪，并且其中理想扭矩确定单元根据转速测量仪测量的旋转轴的转速的平均值来确定旋转轴的理想扭矩。
5.根据权利要求2的可再生能源类型的发电装置，还包括 转速测量仪，该转速测量仪测量旋转轴的转速；和 理想扭矩确定单元，该理想扭矩确定单元根据可再生能源的能量流的估算速度来确定旋转轴的理想扭矩，其中可再生能源的能量流的估算速度根据测量的旋转轴的转速来估笪ο
6.根据权利要求5的可再生能源类型的发电装置， 其中，设置有多个转速测量仪，并且其中所述能量流的估算速度根据转速测量仪测量的旋转轴的转速的平均值来估算。
7.根据权利要求2的可再生能源类型的发电装置，还包括 流速测量仪，该流速测量仪测量可再生能源的能量流的速度；和 理想扭矩确定单元，该理想扭矩确定单元根据测量到的能量流的速度来确定旋转轴的理想扭矩。
8.根据权利要求7的可再生能源类型的发电装置， 其中，设置有多个流速测量仪，并且其中理想扭矩确定单元根据流速测量仪测量的能量流的速度的平均值来确定旋转轴的理想扭矩。
9.根据权利要求2的可再生能源类型的发电装置，还包括 目标扭矩校正单元，该目标扭矩校正单元根据可再生能源的能量流输入旋转轴的输入扭矩的估算值减去确定的目标扭矩获得的差值，对目标扭矩确定单元所确定的目标扭矩进行校正，所述输入扭矩的估算值由旋转轴的加速扭矩和目标扭矩的当前值相加得到。
10.根据权利要求9的可再生能源类型的发电装置，其中，目标扭矩校正单元通过从目标扭矩确定单元所确定的目标扭矩减去校正值T w 对目标扭矩确定单元所确定的目标扭矩进行校正，其中校正值Ttitt通过给所述差值乘以增益G得到。
11.根据权利要求2的可再生能源类型的发电装置， 其中，目标扭矩确定单元通过给旋转轴的理想扭矩乘以比例因子M，来确定液压泵的目标扭矩。
12.根据权利要求2的可再生能源类型的发电装置，还包括 环境温度传感器，该环境温度传感器测量发电装置的环境温度， 其中基于测量到的环境温度对旋转轴的理想扭矩进行校正。
13.根据权利要求I的可再生能源类型的发电装置， 其中，泵需求量确定单元通过使液压泵的目标扭矩除以高压油路中的油压，来确定液压泵的排量需求量Dp。
14.根据权利要求I的可再生能源类型的发电装置，还包括 泵需求量校正单元，该泵需求量校正单元对液压泵的排量需求量Dp进行校正，以使高压油路中的油压落入规定的范围内。
15.根据权利要求I的可再生能源类型的发电装置，还包括 油温传感器，该油温传感器测量高压油路中的油温；和 泵需求量校正单元，该泵需求量校正单元基于高压油路中的测量到的油温对液压泵的排量需求量Dp进行校正。
16.根据权利要求I的可再生能源类型的发电装置，其中所述发电装置为风力涡轮发电机，其通过作为可再生能源的风发电。
17.一种可再生能源类型的发电装置的运行方法，其中所述发电装置包括旋转轴，该旋转轴由可再生能源驱动；变量式液压泵，该变量式液压泵由旋转轴驱动；液压马达，该液压马达由液压泵供给的增压油驱动；发电机，该发电机联接至液压马达；高压油路，液压泵的出口侧通过该高压油路与液压马达的入口侧流体连通；和低压油路，液压泵的入口侧通过该低压油路与液压马达的出口侧流体连通，所述方法包括以下步骤 基于液压泵的目标扭矩和高压油路中的油压确定液压泵的排量需求量Dp ;和 将液压泵的排量调整为所述排量需求量Dp。
全文摘要
本发明意图提供一种可再生能源类型的发电装置以及运行该装置的方法，其中所述发电装置快速获得期望的扭矩以响应可再生能的变化。用可再生能源发电的该发电装置包括由可再生能驱动的旋转轴8，由旋转轴8驱动的变量式液压泵12，由液压泵12供给的增压油驱动的液压马达14、联接至液压马达14的发电机20，通过其将液压泵12的出口侧与液压马达14的入口侧流体连通的高压油路16，基于液压泵12的目标扭矩Td和高压油路16中的油压来确定液压泵的排量需求量Dp的泵需求量确定单元44，以及将液压泵12的排量调整为确定的排量需求量Dp的泵控制器46。
文档编号F03D11/02GK102884313SQ20118002317
公开日2013年1月16日 申请日期2011年5月30日 优先权日2010年5月28日
发明者一瀬秀和, 堤和久, 清水将之, N.考德威尔, D.杜姆诺夫, W.拉姆彭, S.莱尔德, V.帕帕拉 申请人:三菱重工业株式会社