发电系统和液压控制系统技术方案

一种液压控制系统HCS，用于控制发电系统的可变比传动装置。液压马达/泵单元140可操作地连接至叠加齿轮，且连接至液压电路，所述液压电路包括节流孔28和/或减压阀29，所述减压阀在预定的液压打开。所述液压电路在可变低速运行模式和扭矩限制高速模式之间切换。在所述扭矩限制高速运行模式中，所述液压马达/泵单元140由所述叠加齿轮驱动，并驱动液压流动通过所述节流阀28和/或减压阀29，以提供被动扭矩限制功能。在所述可变低速运行模式中，所述液压马达/泵单元140驱动所述叠加齿轮，且所述液压控制系统通过控制通过所述液压马达/泵单元140的液压流体流率来提供理想的转子101速度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】发电系统和液压控制系统
本专利技术涉及一种这样类型的发电系统：流体驱动涡轮机或转子驱动交流发电机。本专利技术更具体地关心一种这样的系统：在该系统中，由于流体驱动涡轮机速度的改变，涡轮机或转子的旋转扭矩可改变。这样的发电系统的一种示例是风力驱动涡轮机或风车。本专利技术还涉及一种液压控制系统，用于这样的发电系统的传动装置。
技术介绍
风力涡轮机中的可变转子速度因几种原因是可取的。对于给定的转子，最大气动效率的最佳转子速度是风速的函数。通常，该最佳转子速度随着风速增加而增加。因此，风力涡轮机中的可变转子速度对于最大限度地提高能量捕获是可取的。可变转子速度还使得能够：在较低的风速(对应于较低的转子速度)下发电，提高风力涡轮机可运行的风力条件的范围，并由此增加每年的运行时间量。由于涡轮机在较低的rpm下运行时转子的声级减小，因此在较低的速度下运行还具有噪声优势。最终，可变转子速度使得能够：根据扭矩在传动装置中被限制的位置以及如何限制，在涡轮机额定功率下将该传动装置上的扭矩限制并平滑到更大或更小的程度，因此，大体上减小齿轮箱和传动装置的扭矩任务。自从九十年代以来，大多数商用风力涡轮机采用一些机构使得风力涡轮机转子的变速成为可能。这样的机构可为电气或机械‘变速’系统。九十年代末之前的风力涡轮机通常使用传统的异步发电机，传统的异步发电机具有仅允许较小的转子速度变化的固定传动比齿轮箱。电气变速系统通常使得发电机速度能够显著变化，且因此，允许具有固定传动比的可变转子速度。电力电子整流器和逆变器通常是使得风力涡轮发电机(可为同步或异步设计，但不管是同步还是异步，均未像传统的同步发电机那样与电网同步)电连接至恒定频率的交流电网所必须的。由于实用大小的商用风力涡轮机等级的电力电子整流器和逆变器是非常昂贵的，因此这是高成本的方法。尽管电气系统可非常有效地控制转子-定子接合处的磁力矩，但由于在强风期间需要加速发电机转子的惯性，从而引发传动系统扭矩的异常波动，因此，具有电气变速系统的风力涡轮机会经受比具有机械系统的风力涡轮机更大的传动系统扭矩波动。过多的传动系统扭矩波动会破坏该风力涡轮机传动装置，且该破坏模式在风能工业中是一种持续的问题。机械变速系统使得能够使用直接连接电网的同步发电机，该直接连接电网的同步发电机在通过电网设置并与电网同步的恒定速度下运行。由于能够找到低成本的‘实用级’同步发电机，且不需要昂贵的电力电子整流器和逆变器，因此直接连接电网的同步发电机的使用具有与电气变速系统相比的成本优势。但是，直接连接电网的同步发电机必须运行在电网频率以及同步发电机的极数决定的恒定速度下。因此，对于固定传动比，风力涡轮机转子速度必须是恒定的，或者必须采用可变传动比以使得可变转子速度成为可能，以最大化能量捕获。风力涡轮机中的各转子经受湍流引起的扭矩波动。由于连接电网的同步发电机不具有吸收这样的扭矩波动的柔度，因此这意味着恒定转子速度对风力涡轮机来说不是一种实际的选择，且必须通过(由机械变速系统提供的)一些其他形式的柔度来平滑这些波动，以防止对风力涡轮传动装置的破坏。机械变速系统可管理风力涡轮机或类似的发电源(例如，潮汐流发电机)中湍流引起的扭矩波动。使具有恒定速度的同步发电机的风力涡轮机中的可变转子速度成为可能的大多数尝试为WO81/01444中描述的专利技术的变形。在该文件中，利用一个或多个行星齿轮级获得可变传动比，该一个或多个行星齿轮级将风力涡轮机转子和发电机之间的主机械功率传输路径连接至第二个平行的旁路功率传输路径。该旁路的功率传输路径可为具有液压机或电机的液压式的或电气式的，液压机或电机中的一个或二者可为变速的，且二者均可为可变功率的。两个液压机或电机通过传输功率的方式互联，如果适用，该互联可为液压或电路的闭环。在较低的转子速度下，旁路功率从可变比传动装置的发电机侧传输到转子侧，以提高传动比。在较高的转子速度下，旁路功率从可变比传动装置的转子侧传输到发电机侧，以降低传动比。这种类型的可变比传动装置显著增加了风力涡轮机传动系统的复杂度和成本。对于上述具有可变比传动装置的典型的商用风力涡轮机，根据变速范围和传动类型，使得在高达额定风速的所有风速下的可变转子速度模式成为可能所需要的最大旁路功率可为额定风力涡轮机功率的20-50％。图1显示了转子效率对叶尖速度比(TSR)的曲线图，叶尖速度比为转子叶片的尖端的切向速度与风的实际速度的比。典型的转子的该效率-TSR曲线的最高端相对较宽且平滑，意味着：尽管旁路功率系统的成本增加了其活跃的更宽的速度和功率范围，但随着TSR移动至接近‘最佳TSR’，能量捕获中的增量收益减小到忽略不计的点，其中，‘最佳TSR’为给出最大转子效率的地方(图1中的最大值)。因此，根据所使用的特定的旁路功率系统的成本，成本优势也减小了尝试将TSR维持在最佳以及确定实际限制的更宽的速度和功率范围。上述类型的可变比传动装置还可通过WO2004/109157和WO2008/149109中描述的主动控制器的方式限制过多的传动系统扭矩波动。这些主动控制器以补偿的方式、理论上以涡轮机速度的瞬态改变一样的比率改变传动比，以维持恒定的发电机速度和扭矩，同时允许风力涡轮机转子加速并吸收瞬时过剩动能。由于主动控制器的响应时间，这样的限制过多的传动系统扭矩波动的方法不总是有效的。授予杰弗里M.亨德森的美国专利5140170描述了一种风力涡轮机传动装置，其中，使用具有被动液压扭矩限制功能的可变比传动装置以及允许风力涡轮机转子速度的较小变化的主动叶片桨距控制系统，基本上消除了有害的传动系统扭矩波动。该专利中描述的系统中，驱动连接电网的同步发电机于恒定的速度，且风力涡轮机转子速度接近恒定，直至由于瞬时气动扭矩波动，超过设计额定转子扭矩水平。当超过该设计额定转子扭矩时，由于被动液压滑动，传动比迅速降低，瞬时过剩能量随着风力涡轮转子加速存储为动能，并由液压系统作为热量消耗。在可用的气动转子功率足够运行于设计额定转子扭矩水平或在该水平之上时，US5140170中的主动叶片桨距防止转子在高风速时超速。该扭矩限制系统简单且划算，但是，可实现的较窄范围的可变转子速度(通常达到最小转子速度以上5％的转子速度变化)使得该扭矩限制系统在额定功率水平下，仅能通过恢复风速的瞬时波动期间存储的动能，而不能增加能量捕获。这样的系统通常配置成使得能够在一定的风速下获得最佳TSR，并因此获得峰值气动转子效率。在较低的风速下，转子速度比最佳TSR时理想的转子速度更快，且在较高的风速下，转子速度比最佳TSR时理想的转子速度更慢。在较低的风速下比最佳转子速度更快还意味着：在微风时，风力涡轮机将具有相对较高的切入风速以及相对较高的涡轮机声级。在已经参照多个专利说明书、其他外部文件或其他信息源的此说明书中，这一般是出于提供用于讨论本专利技术的特征的背景的目的。除非特别声明，否则，参照这样的外部文件或这样的信息源不可以任何权限解释为：允许这样的文件或这样的信息源为本领域的现有技术或形成部分公知常识。本专利技术的至少优选的实施例的一个目的是提供简单且划算的扭矩控制系统，限制可变传动比以提供较低转子速度下的可变转子速度，使得具有连接电网的同步发电机的风力涡轮机以持续改变的转子速度运行，且由此减小切入本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种液压控制系统，用于控制发电系统的可变比传动装置，所述发电系统包括：转子或涡轮机以及发电机，所述转子或涡轮机适于由流体驱动于可变速度，所述发电机适于驱动于恒定或可变速度，所述传动装置将所述转子或涡轮机连接至所述发电机，所述液压控制系统包括：液压马达/泵单元，适于可操作地连接至叠加齿轮；所述液压马达/泵单元连接至液压电路，所述液压电路包括节流孔和/或减压阀，所述节流孔和/或减压阀配置成在预定的液压下打开，所述液压电路配置成在可变低速运行模式和扭矩限制高速运行模式之间切换，其中，在所述扭矩限制高速运行模式中，所述液压马达/泵单元适于由所述叠加齿轮驱动，并且运行作泵以用于驱动液压流体通过所述节流孔和/或减压阀，以提供被动扭矩限制功能，且其中，在所述可变低速运行模式中，所述液压马达/泵单元适于作为马达被驱动，以驱动所述叠加齿轮，且所述液压控制系统配置成通过控制通过所述液压马达/泵单元的液压流体流率来提供理想的转子速度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.12.20 US 61/577,9411.一种液压控制系统，用于控制发电系统的可变比传动装置，所述发电系统包括：转子或涡轮机以及发电机，所述转子或涡轮机适于由流体驱动于可变速度，所述发电机适于驱动于恒定或可变速度，所述传动装置将所述转子或涡轮机连接至所述发电机，所述液压控制系统包括：液压马达/泵单元，适于可操作地连接至叠加齿轮；所述液压马达/泵单元连接至液压电路，所述液压电路包括节流孔和/或减压阀，所述节流孔和/或减压阀配置成在预定的液压下打开，所述液压电路配置成在可变低速运行模式和扭矩限制高速运行模式之间切换，其中，在所述扭矩限制高速运行模式中，所述液压马达/泵单元适于由所述叠加齿轮驱动，并且运行作泵以用于驱动液压流体通过所述节流孔和/或减压阀，以提供被动扭矩限制功能，且其中，在所述可变低速运行模式中，所述液压马达/泵单元适于作为马达被驱动，以驱动所述叠加齿轮，且所述液压控制系统配置成通过控制通过所述液压马达/泵单元的液压流体流率来提供理想的转子速度。2.如权利要求1所述的液压控制系统，其中，所述液压马达/泵单元为正排量型。3.如权利要求1所述的液压控制系统，其中，所述液压电路配置成响应于测量的所述液压电路中的液压，或者响应于测量的所述传动装置上的扭矩，在所述可变低速运行模式和所述扭矩限制高速运行模式之间切换。4.如权利要求1所述的液压控制系统，其中，在所述可变低速运行模式中，响应于测量的所述液压电路中的液压，或者响应于测量的所述传动装置上的扭矩，控制通过所述液压马达/泵单元的所述液压流体流率。5.如权利要求1所述的液压控制系统，进一步包括：可变排量供应泵，其中，在所述可变低速运行模式中，所述可变排量供应泵配置成供应流体，以驱动所述液压马达/泵单元作为马达。6.如权利要求5所述的液压控制系统，其中，所述可变排量供应泵为电气驱动的。7.如权利要求5所述的液压控制系统，其中，所述可变排量供应泵配置成由所述传动装置直接驱动。8.如权利要求1所述的液压控制系统，进一步包括：压力测量设备，该压力测量设备设置成测量所述液压电路的高压区域中的压...

【专利技术属性】
技术研发人员：杰弗里·摩根·亨德松，彼得·约翰·斯科特，马修·詹姆斯·西尔韦斯特，理查德·詹姆斯·特鲁德吉安，
申请(专利权)人：文德浮洛科技有限公司，
类型：发明
国别省市：新西兰;NZ