專利名稱：用于渦輪機的傳動線路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳動線路，其從例如風(fēng)輪機或水輪機的渦輪機接收功率并傳送至一個發(fā)電機，并且具有控制轉(zhuǎn)速、減弱動力沖擊(power impactreduction)和短期存儲能量的功能特性。
背景技術(shù)：
使用例如風(fēng)力或者水力的自然資源來驅(qū)動發(fā)電機的渦輪機，對用于功率傳送的傳動線路提出了特別的要求。通常在傳動線路的輸入軸處可供使用的輸入功率隨時間強烈地波動。此外，還必須考慮在將流體介質(zhì)的動能轉(zhuǎn)換成功率接收機(如風(fēng)力馬達或者水力透平)的動能時機械的能量轉(zhuǎn)換的特性和動力學(xué)的特殊問題。因此，在用于渦輪機的傳動線路的輸入軸上存在系統(tǒng)固有的用于功率轉(zhuǎn)換的特征，該功率轉(zhuǎn)換對于當前介質(zhì)(例如空氣和水)的一定流速根據(jù)用于功率輸入的高速運行轉(zhuǎn)速系數(shù)(Schnelllaufzahl)分配有一最佳的轉(zhuǎn)速/扭矩比，而該轉(zhuǎn)速/扭矩比又取決于功率接收機的幾何形狀和結(jié)構(gòu)。
如借助于傳動線路驅(qū)動一個將電能饋入連接電網(wǎng)的發(fā)電機，則需要注意，該電網(wǎng)頻率最主要是具有一個恒定的值。僅僅在很小的程度上存在電網(wǎng)頻率的波動，因為該大小直接由電網(wǎng)本身決定。
上述對于傳動線路的要求尤其存在于風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中。在此，由風(fēng)輪機獲取一種變化的輸入功率，此外，風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子還必須具有一個特定的、依賴于風(fēng)速的轉(zhuǎn)速，以便能夠從空氣流中提取最佳的機械能量。因此，下面結(jié)合一個風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的例子說明在一個具有動力沖擊減小和短期能量存儲性能且其轉(zhuǎn)速被控制的傳動線路中存在的問題。
如果首先關(guān)注在發(fā)電機方面對風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的傳動線路的要求，則為用于將發(fā)電機耦合到電網(wǎng)上的第一技術(shù)方案在于，轉(zhuǎn)速不變地構(gòu)造整個的傳動線路以及進而也構(gòu)造風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子。在使用作為電機的異步發(fā)電機時這種轉(zhuǎn)速不變的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備由于由原理限定的轉(zhuǎn)差率可以按簡單的方式方法連接到一聯(lián)合電網(wǎng)上。在此，在傳動線路上的轉(zhuǎn)速常數(shù)通過傳動裝置傳遞到風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子上，使得風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子在不同的風(fēng)速下不以其功率最佳值運行。轉(zhuǎn)速不變的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的特別不利之處在于，它們特別是在典型風(fēng)力狀況下經(jīng)常出現(xiàn)部分負載時只能按照降低的效率運行。
如果一般地和在部分負載區(qū)域中特殊地使風(fēng)力發(fā)電設(shè)備轉(zhuǎn)速可變地運行，則存在構(gòu)成具有可變的或者恒定的轉(zhuǎn)速的傳動線路的可能性。在此，在這兩種情況下輸出功率由于隨時間變化的力矩同樣也隨時間變化。
第一種情況導(dǎo)致在風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中使用變頻器，該變頻器按照所要求的頻率激勵發(fā)電機或者形成對現(xiàn)有電網(wǎng)頻率差值的補償，從而實現(xiàn)一種轉(zhuǎn)速可變的發(fā)電機。不過，這種措施偏離了這里表示的技術(shù)問題并且尤其包含了一定的困難，例如調(diào)整和控制電路的復(fù)雜性，如在該變頻器中風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子的拋物線形特征不好描述、通過該變頻器定義的發(fā)電機特征曲線的坡度、在高環(huán)境負擔(dān)下極低的可靠性、利用高花費運行的電網(wǎng)供電質(zhì)量(如很低的諧波負載)以及產(chǎn)生無用功率等。
第二種措施，即在不連接變頻器的條件下具有恒定發(fā)電機轉(zhuǎn)速的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可變，相當于這里描述的、用于利用可變輸入轉(zhuǎn)速和恒定輸出轉(zhuǎn)速傳輸可變功率的問題。該問題的公知解決方案，特別是對于風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的解決方案，在于在傳動線路中加入一個用于分支機械功率的重疊式傳動裝置(Ueberlagerungsgetriebe)。即，在轉(zhuǎn)速可變的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中現(xiàn)已公知兩套以此為基礎(chǔ)的、用于保持發(fā)電機頻率恒定的措施。
在第一系統(tǒng)中將輸入功率通過該重疊式傳動裝置分配到一個大發(fā)電機以及一個小的伺服馬達上，其中，通常將輸入功率的30％傳遞到伺服馬達上。發(fā)電機與電網(wǎng)頻率不變地連接，而伺服馬達通過一個變頻器連接到電網(wǎng)上或者通過一個與發(fā)電機機械耦合的輔助發(fā)電機得到供電。為了穩(wěn)定發(fā)電機轉(zhuǎn)速將伺服馬達或者作為電動機或者作為具有不同頻率的發(fā)電機進行運行。在這樣的系統(tǒng)中存在與在頻率調(diào)節(jié)的發(fā)電機中同樣的問題。
在按照流體靜力學(xué)工作的第二系統(tǒng)中，采用液壓的馬達或者泵取代電的伺服馬達。這里也出現(xiàn)困難的調(diào)整特性的問題，特別是響應(yīng)緩慢和重要的死區(qū)時間以及強烈的非線性。此外，液壓的系統(tǒng)部件具有構(gòu)造成本高的缺點。
除了為耦連到一發(fā)電機上而對渦輪機的傳動線路提出的上述要求之外，尤其是對于風(fēng)力發(fā)電設(shè)備出現(xiàn)這樣的特殊性，即，轉(zhuǎn)子葉片不應(yīng)該超過一定的轉(zhuǎn)速，以便將作為干擾的噪聲形成減小到一個確定的水平上。因此根據(jù)風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子的直徑，有必要將其轉(zhuǎn)速限定在一個特定的最大區(qū)域中，或者根據(jù)風(fēng)力負載在一特定的轉(zhuǎn)速閾值之上預(yù)先給定一個盡可能不超過一規(guī)定的最大值的轉(zhuǎn)速曲線，不過，該最大值可以根據(jù)所在位置(如在海岸上或者不在海岸上)進行改變。為了滿足該預(yù)定要求可以使用發(fā)電機的一個變頻器，該變頻器通過其在發(fā)電機上的頻率記憶所要求的轉(zhuǎn)速并由此限制風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。不過，這要求具有所有缺點的上述解決方案。
通過使用變頻器使得可以在風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子的一個基本上保持恒定的轉(zhuǎn)速下，通過改變由傳動線路傳遞的扭矩也可以將一個變化的、依賴于可供使用的空氣流的動能傳遞到發(fā)電機上。不過缺點是，由于所使用的變頻器技術(shù)迄今為止僅僅實現(xiàn)了沿一條預(yù)定額定曲線的剛性的轉(zhuǎn)速控制，因此特別是不能對短期風(fēng)流的波動作出反應(yīng)。因此，通過陣風(fēng)引起的負載沖突不能通過短時的轉(zhuǎn)速變化得到補償，并因此直接作用在發(fā)電機和機械結(jié)構(gòu)上。這點尤其是對負載累積和由此相關(guān)的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的使用壽命而言是不利的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供一種允許轉(zhuǎn)速控制的、用于渦輪機、特別是風(fēng)輪機和水輪機的傳動線路。在此，一方面用于驅(qū)動發(fā)電機的傳動線路的轉(zhuǎn)速應(yīng)該通過有關(guān)電網(wǎng)保持恒定，另一方面將輸入軸上的轉(zhuǎn)速限制在一個規(guī)定的、取決于輸入力矩的額定變化曲線上或者限制在一個恒定值上。特別是在傳動線路輸入端轉(zhuǎn)速受限制的、滿負載的運行狀態(tài)下，傳動線路突出點應(yīng)該表現(xiàn)在，在反應(yīng)中有足夠的柔性以及在過載情況下有短期存儲能量的能力，利用該能力可以減緩并利用在傳動線路輸入處的短期功率波動。
為了解決上述技術(shù)問題，發(fā)明者首先認識到，必須從一功率分支傳動裝置與一液力伺服變換器的組合中構(gòu)造一個符合要求的傳動線路。
功率分支傳動裝置的輸入軸至少間接地與一渦輪機的功率接收機連接，該功率接收機例如對于風(fēng)力發(fā)電設(shè)備是風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子，而對于水輪機相應(yīng)是水力透平。在該功率接收機和功率分支傳動裝置的輸入端之間可能的中間器件例如可以采用變速機構(gòu)，也可以是剛性的耦合器。
在例如設(shè)計為具有可變的變速比的行星環(huán)繞傳動裝置的功率分支傳動裝置中，構(gòu)造了兩個功率分支。在第一個功率分支中通過風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子利用機械功率對傳動線路的輸出軸進行驅(qū)動，其中，該輸出軸至少間接地與發(fā)電機耦合。在此要求，用于發(fā)電機驅(qū)動的輸出軸按一個恒定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動。為了實現(xiàn)這一點，使一個具有泵輪的液力變換器至少間接地由傳動線路的輸出軸驅(qū)動，其中，在輸出軸和泵輪之間存在著直接的耦合。其前提是，借助于在功率分支傳動裝置中的變速為該輸出軸提供一個與輸入軸的轉(zhuǎn)速相比明顯更高的轉(zhuǎn)速。例如，發(fā)電機的典型轉(zhuǎn)速是1500轉(zhuǎn)/min。利用這種在輸出軸上的高轉(zhuǎn)速又可以實現(xiàn)有效地運行液力伺服變換器。
在啟動風(fēng)力發(fā)電設(shè)備時，傳動線路的輸入軸和輸出軸首先加速，直到與該輸出軸連接的發(fā)電機達到其額定轉(zhuǎn)速并且實現(xiàn)與該發(fā)動機所耦合的電網(wǎng)的同步化。在然后的正常運行中，發(fā)電機保持按電網(wǎng)頻率運行，而傳動線路的輸出軸則由此表現(xiàn)為達到預(yù)先確定的額定轉(zhuǎn)速。
根據(jù)液力伺服變換器的反應(yīng)器件(典型的是具有導(dǎo)向葉片的導(dǎo)向葉輪)的位置，發(fā)生泵的專門的功率輸入并由此進行有關(guān)的向液力伺服變換器的渦輪的功率傳輸。其結(jié)果是，由于系統(tǒng)固有的、從空氣流到風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子的動能的能量變換的特性和伺服變換器的系統(tǒng)特性，可以這樣調(diào)整在功率分支傳動裝置內(nèi)的變速比以及液力伺服變換器的反應(yīng)器件，使得借助于伺服變換器的系統(tǒng)內(nèi)在的調(diào)整效果并結(jié)合重疊式傳動裝置，一般以及尤其在風(fēng)力透平的部分負載區(qū)域可以實現(xiàn)，在輸入軸上的風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子有最佳輸入轉(zhuǎn)速，而在傳動線路的輸出軸上呈現(xiàn)為恒定的發(fā)電機轉(zhuǎn)速。同時，風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子和伺服變換器作為渦輪機具有相同的轉(zhuǎn)速/功率和轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩特性，并且由于它們一致的系統(tǒng)性能要求有相同的調(diào)節(jié)行為方式。
為了在傳動線路的輸入軸上實現(xiàn)轉(zhuǎn)速限制，在另一個步驟中借助于反應(yīng)器件這樣進行變換器調(diào)整，使得在液力伺服變換器上形成一更改的轉(zhuǎn)速-扭矩比，從而在功率分支傳動裝置中也實現(xiàn)一個新的變速比，這又導(dǎo)致，在按照本發(fā)明的傳動線路的輸入軸上以及由此對于風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子形成一定的轉(zhuǎn)速-扭矩比。按照本發(fā)明的上述方法，通過有針對性地轉(zhuǎn)移拋物線形的特性曲線并進而相宜地對于所述傳動線路中的液力伺服變換器進行“再調(diào)(Dejustage)”，對于風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子形成這樣一個過大的反轉(zhuǎn)矩，使得該風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子盡管不能取得空氣流的最佳功率，但是可以取得一定的選定轉(zhuǎn)速。
利用該方法可以實現(xiàn)，將風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速保持在低于一個有關(guān)噪聲形成的臨界閾值轉(zhuǎn)速區(qū)域。也可以選擇在超過風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子的某一轉(zhuǎn)速時調(diào)整到一定的轉(zhuǎn)速極限曲線上，該曲線僅僅取決于空氣流作用在風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子上的力矩。這種在風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子上表現(xiàn)出的轉(zhuǎn)速變化曲線例如可以選擇為明顯陡峭的、近似為常數(shù)；但仍然還可以隨著風(fēng)力的不斷增大允許轉(zhuǎn)速有一定的提高，這樣有助于提高按照本發(fā)明的傳動線路的系統(tǒng)固有的柔性。
所述具有功率分支傳動裝置以及(帶有在輸出軸上的分支點和使功率回流到功率分支傳動裝置上的)液力伺服變換器的傳動線路，通過各機械傳動裝置部件的相互調(diào)諧被設(shè)計成，能反映所述風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子的近似為一拋物線形變化曲線的最佳功率輸入特性。對于如此調(diào)節(jié)適配后的傳動線路來說，在液力伺服變換器的反應(yīng)器件基本上保持不變的調(diào)整位置時可實現(xiàn)一變化的功率輸入，并導(dǎo)引所述風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子沿該最佳轉(zhuǎn)速進行功率輸入以及實現(xiàn)一恒定的發(fā)電機轉(zhuǎn)速。這種導(dǎo)致所述傳動線路輸出轉(zhuǎn)速的自動調(diào)節(jié)僅僅取決于設(shè)計的效應(yīng)，其成因可以這樣解釋，即，所述讓功率回流到功率分支傳動裝置上的液力伺服變換器同樣具有一個拋物線形的特性。如果現(xiàn)在通過調(diào)整所述反應(yīng)器件對液力伺服變換器進行再調(diào)，則傳動線路的傳輸特性就轉(zhuǎn)移到一條新的轉(zhuǎn)速-扭矩特征曲線上，然后該特征曲線重又與空氣流速度相關(guān)地跑完并同樣具有一拋物線形的特性。
為了將風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子調(diào)整到一定的轉(zhuǎn)速、例如一個高于一固定的轉(zhuǎn)速閾值的恒定轉(zhuǎn)速，必須通過液力伺服變換器的反應(yīng)器件選擇一定的調(diào)節(jié)，從而選擇一確定的新工作點。這種措施給出了這樣的優(yōu)點，即，每個選定的工作點處于一條近似拋物線形的特征場曲線上，從而對于短期的例如通過陣風(fēng)引起的功率值波動，所述傳動線路的上述自動調(diào)節(jié)特性曲線可分別圍繞所選擇的工作點得出。這導(dǎo)致一方面減弱所述陣風(fēng)對電機和整個傳動線路的機械結(jié)構(gòu)的沖擊。另一方面，可以通過陣風(fēng)在一定程度上對傳動線路的輸入轉(zhuǎn)速進行加速，由此對于風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子和傳動線路的加速實現(xiàn)這樣一種功率輸入，即，該功率輸入可導(dǎo)致降低在傳動線路中的瞬間提速，并減小發(fā)電機中所生成電能的短時波動范圍，其中，該傳動線路就其輸入轉(zhuǎn)速而言在陣風(fēng)過后由于其自動調(diào)節(jié)特性再次返回到所選擇的工作點，并將當前存在的附加動能從風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子和傳動線路繼續(xù)傳送給發(fā)電機。


下面對照附圖對本發(fā)明的方法作進一步的描述。圖中分別具體表示了圖1是一個在功率輸出側(cè)具有一伺服轉(zhuǎn)換器的、按照本發(fā)明的分流功率的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的示意圖；圖2示意表示在一風(fēng)力發(fā)電設(shè)備最佳點上的有效功率曲線；圖3表示所述機械-液力的傳動線路的各分支的功率通量和轉(zhuǎn)速與風(fēng)力透平轉(zhuǎn)速的關(guān)系；圖4表示所述機械-液力的傳動線路的反應(yīng)器件的功率通量和調(diào)節(jié)設(shè)置與風(fēng)力透平轉(zhuǎn)速的關(guān)系；圖5示出了在風(fēng)力透平的一定的額定轉(zhuǎn)速高于一定的轉(zhuǎn)速閾值時對一工作點所作調(diào)整；圖6示出了陣風(fēng)在轉(zhuǎn)速不變和轉(zhuǎn)速可變的運行中對一個其風(fēng)力透平轉(zhuǎn)速受到所述重疊式傳動裝置和伺服變換器控制的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的影響；圖7a至7d分別以對一個具有變頻器和恒定傳動比的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的現(xiàn)有技術(shù)解決方案與一個利用在輸出側(cè)的一伺服變換器實施功率分流的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的技術(shù)解決方案相互比較的方式示出風(fēng)力轉(zhuǎn)矩在它們各自的傳動線路中造成的影響；圖8表示對一風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的一傳動線路的調(diào)整要求。
具體實施例方式
風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的轉(zhuǎn)子功率pR與風(fēng)速vW具有如下的近似關(guān)系pR=kcp(vW,ωR,β)vW3]]>其中，k綜合地表示不同的常數(shù)，如葉片幾何形狀以及空氣密度。此外，cP表示功率系數(shù)，其又如所示的那樣取決于風(fēng)速vW、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωR和轉(zhuǎn)子葉片的角度設(shè)置、亦即所謂的螺旋角(Pitchwinkel)β。該功率系數(shù)的特征在于一個總的最大值，該最大值隨著風(fēng)速vW的增加向一個更大的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωR移動。
圖2表示一風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子在不同風(fēng)速情況下的有效功率示意圖。示出的是一個曲線族(一些實線曲線)，該曲線族典型地示出了對于18m/s、16m/s、14m/s、12m/s、10m/s和8m/s的風(fēng)速，70m直徑的風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子在恒定的轉(zhuǎn)子葉片位置下從空氣流中獲取的功率。其特征是隨著風(fēng)速的提高所述最佳轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速趨向更高的值。各自的功率最大值分別處于一條也稱為拋物線的曲線上。在下面將沿該最佳功率輸入曲線進行的轉(zhuǎn)速控制稱為對本發(fā)明的傳動線路輸入軸的功率優(yōu)化的轉(zhuǎn)速控制。由此，可以使一轉(zhuǎn)速可變的裝置根據(jù)可供使用的風(fēng)速分別在最佳的功率系數(shù)上運行。除了在部分負載時轉(zhuǎn)速可變地運行外，通常將風(fēng)力發(fā)電設(shè)備設(shè)計為用于與一個額定轉(zhuǎn)速關(guān)聯(lián)的一定的額定功率，該額定轉(zhuǎn)速分別在滿負載時達到并得以保持。
此外，從圖2中可以根據(jù)用虛線表示的曲線族看到風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子的扭矩。圖中示出的這些扭矩變化曲線分別與取決于風(fēng)速的各功率特性曲線相對應(yīng)，也就是說，對于每個功率優(yōu)化的轉(zhuǎn)速有一個所屬的扭矩值，不過，該扭矩值不是相應(yīng)風(fēng)速下的最大扭矩值，而是另一個值。為此請參見圖2中按粗體繪出的轉(zhuǎn)速-功率輸入曲線。利用由風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子獲得的扭矩并通過本發(fā)明的傳動線路對發(fā)電機進行驅(qū)動。從圖2中示出的對于一臺同步發(fā)電機的扭矩/轉(zhuǎn)速比可以看出，對于一個50Hz的電網(wǎng)頻率，對于所傳輸?shù)牟煌ぞ卦趥鲃泳€路的輸出軸上預(yù)先給定并保持一個恒定的轉(zhuǎn)速(在本實施例中為1500轉(zhuǎn)/min)。如果采用一臺異步發(fā)電機取代同步發(fā)電機，則情形也基本上是一致的，因為在所述線性區(qū)域中可按一如此陡峭的扭矩/轉(zhuǎn)速比來運行，以致所述傳動線路的輸出軸的轉(zhuǎn)速基本上具有一個恒定的值。
圖1示出了本發(fā)明傳動線路1的一種可行的構(gòu)造方式，該傳動線路的輸入軸2與一風(fēng)輪機的轉(zhuǎn)子3至少間接地連接。在圖示情況下，一具有恒定變速比的傳動裝置4設(shè)置在該風(fēng)輪機的轉(zhuǎn)子3和所述輸入軸2之間。在圖示實施方式中，采用一個行星齒輪傳動裝置作為所述傳動線路1的功率分支傳動裝置5，其中，所述輸入軸2與所述行星齒輪支座6連接。在所述功率分支傳動裝置5中存在兩個功率支路，第一功率支路7將功率通過太陽輪9引導(dǎo)至傳動線路的輸出軸10。該輸出軸10至少間接地驅(qū)動發(fā)電機11并與液力伺服變換器12有效連接。為此，所述輸出軸10至少間接與所述液力伺服變換器12的泵輪13連接。作為反應(yīng)器件15在液力伺服變換器12中使用了一個具有調(diào)節(jié)葉片的導(dǎo)向葉輪，利用該導(dǎo)向葉輪可以將功率通量(能流)調(diào)節(jié)移送到渦輪14上。通過該渦輪14再進行一功率回流，該功率回流經(jīng)由一個第二剛性行星齒輪傳動組16進行傳送，該行星齒輪傳動組16本身作用在所述功率分支傳動裝置5的外輪17上并進而影響傳動比。這些由用于功率回流的功率分支傳動裝置的第二功率分支18示出。
本發(fā)明的傳動線路在結(jié)構(gòu)上這樣構(gòu)成，即，通過選擇所述功率分支傳動裝置中的機械傳動比以及通過對變換器的尺寸設(shè)計，模仿所述風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子3的拋物線形的最佳功率輸入特性曲線。對此的出發(fā)點是，對于每個風(fēng)速可以給出一個用于從空氣流動中獲取最大功率的理想的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。為此，參看前面對于圖2的說明。作為第二個條件是同時預(yù)先規(guī)定所述傳動線路對于發(fā)電機有一恒定的輸出轉(zhuǎn)速。在本實施形式中，該轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)/min。功率分支傳動裝置的傳動部件(大致為外輪和太陽輪)所需的環(huán)繞速度，可以在考慮上述規(guī)定的情況下針對在部分負載區(qū)域中的每個風(fēng)速來確定。為此需要注意的是，所述傳動線路必須模仿在所述液力伺服變換器12的反應(yīng)器件15基本上保持一恒定不變的位置時的所述拋物線形的功率輸入特性。
圖3表示在傳動線路上形成的各種轉(zhuǎn)速以及在各分支中傳輸?shù)母鞣N功率。具體來說，曲線A表示輸出軸10的轉(zhuǎn)速，曲線B表示液力伺服變換器12的渦輪14的轉(zhuǎn)速，曲線C表示輸入軸2的轉(zhuǎn)速，以及曲線D表示功率分支傳動裝置5的外輪17上的轉(zhuǎn)速。對于功率通量(能流)，曲線E表示風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子所獲取的功率，曲線F是傳送到太陽輪9上的功率，曲線G是由傳動線路傳送的功率，以及曲線H給出經(jīng)由第二功率分支18從液力伺服變換器12流回到功率分支傳動裝置5的功率。
圖4再次示出了對于該實施方式中的功率通量(能流)以及液力伺服變換器的反應(yīng)器件(在該示例中是導(dǎo)向葉輪)的調(diào)節(jié)設(shè)置。功率通量曲線E，F(xiàn)，G和H與圖3中的各曲線對應(yīng)。從中可以看出，在沿可以被所述傳動線路的傳動特性所模仿的拋物線形特性曲線最佳地輸入功率時，在整個圖中示出的部分負載區(qū)域上可以按照一基本上保持不變的導(dǎo)向葉輪位置進行工作。在下面將該調(diào)節(jié)設(shè)置稱為液力伺服變換器的校正后的調(diào)節(jié)設(shè)定。也就是說，為了在最佳的風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化的同時使用于傳送給發(fā)電機的所述傳動線路的輸出轉(zhuǎn)速保持恒定，不必對所述反應(yīng)器件進行調(diào)整。這里需要指出，表示功率輸入特性的拋物線的陡度可以通過對功率分支傳動裝置的各部件的變速比的配置以及通過對變換器的尺寸設(shè)計來進行調(diào)節(jié)設(shè)置。本發(fā)明的傳動線路的這種特性在下面被稱為自動調(diào)節(jié)。
圖5表示這樣的情況，為了使風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子有一個高于一定轉(zhuǎn)速閾值區(qū)域的一定的額定轉(zhuǎn)速并且使其保持在一個尤其高于該轉(zhuǎn)速閾值的恒定轉(zhuǎn)速上，通過對所述液力伺服變換器進行再調(diào)而偏離最佳功率輸入拋物線。圖5中示出的曲線族表示了不同的導(dǎo)向葉輪位置(H＝0.25-1.0)。在圖示情況下是將所述液力伺服變換器調(diào)整為導(dǎo)向葉輪位置H＝0.25。
從圖中可看出，低于閾值轉(zhuǎn)速(在本實施方式中為15.5轉(zhuǎn)/min)的轉(zhuǎn)速遵循理想的功率輸入拋物線。這對應(yīng)于前面示出的為了從風(fēng)流中獲取最佳功率而對風(fēng)力透平進行轉(zhuǎn)速控制的情況，在這種情況下，同時保持了為發(fā)電機所需的在所述傳動線路的輸出軸上的一恒定轉(zhuǎn)速。
當高于閾值轉(zhuǎn)速(在本實施例中為15.5轉(zhuǎn)/min)時，通過調(diào)整所述液力伺服變換器的反應(yīng)器件對所述傳動線路這樣進行設(shè)置，使得由風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子和傳動線路構(gòu)成的整個系統(tǒng)在一個新的工作點上達到一新的功率輸入拋物線左右。在此，所述傳動線路的輸出轉(zhuǎn)速以及進而發(fā)電機的轉(zhuǎn)速繼續(xù)保持恒定。
從圖5中看出，通過對于所述液力伺服變換器的再調(diào)可選擇不同的工作點。這提供了調(diào)節(jié)設(shè)置所述風(fēng)力透平轉(zhuǎn)速的可能性，在最簡單的情況下就是限定其轉(zhuǎn)速，不過仍然也還可以為實現(xiàn)風(fēng)力透平所期望的轉(zhuǎn)速，沿一條取決于所述風(fēng)力透平所獲取扭矩的功率輸入特性曲線調(diào)節(jié)設(shè)置工作點。由此可以尤其使傳動線路的柔性與用于風(fēng)力發(fā)電設(shè)備滿負載運行的極限相適應(yīng)。
圍繞通過對所述變換器再調(diào)所設(shè)定的每個工作點又得出所述拋物線形的隨風(fēng)速變化的功率輸入特性曲線。圖5示出了這種情形。這里需要注意的是，對一定工作點的調(diào)節(jié)設(shè)定可能要緩慢(即在數(shù)分鐘內(nèi))地進行并取決于平均風(fēng)速。圍繞該工作點所可能發(fā)生的波動是一些如由波動風(fēng)流、特別是陣風(fēng)的風(fēng)力變化特性所形成的短期效應(yīng)，它們可通過所述傳動線路的系統(tǒng)特性分別由一自動調(diào)節(jié)來平衡。這種波動范圍應(yīng)該小于在該工作點上所期望轉(zhuǎn)速的±30％，優(yōu)選不超過±10％以及特別優(yōu)選不超過±5％。
按照本發(fā)明的方法，在風(fēng)力透平的轉(zhuǎn)速高于其閾值時，通過對一個平時與所述功率接收機的特性曲線相適配的、具有一功率分支傳動裝置和一液力伺服變換器的機械-液力傳動線路進行再調(diào)，可成功地使得在部分負載和其它運行點之間過渡期間切斷所述風(fēng)力透平和為限制噪音而限定轉(zhuǎn)速與所述傳動線路的一高度的柔性及自動調(diào)節(jié)特性相結(jié)合起來。特別是后者，如在圖6中示出的那樣，在出現(xiàn)陣風(fēng)時相對于一通過變頻控制的發(fā)電機在所述傳動線路的輸出側(cè)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩來實施切斷的系統(tǒng)來說具有優(yōu)點。
具體來說，在圖6中通過以相對風(fēng)速隨時間變化的曲線示出了所出現(xiàn)的一陣風(fēng)。作為對該陣風(fēng)的反應(yīng)，將一個具有一按照本發(fā)明方法控制的傳動線路的系統(tǒng)與一個設(shè)計為轉(zhuǎn)速完全不變的系統(tǒng)進行了比較。設(shè)計為轉(zhuǎn)速不變的系統(tǒng)必須將由陣風(fēng)所釋放出的附加動量截獲到風(fēng)力透平上(參見圖中曲線I所示出的扭矩曲線)；按照本發(fā)明的系統(tǒng)則僅僅是偏離所述拋物線形的功率輸入特性曲線上的工作點而形成一定的轉(zhuǎn)速提升(參見曲線IV)作為該陣風(fēng)造成的結(jié)果，并且還通過風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子和傳動裝置的慣性矩附帶地吸收功率，因此在所述傳動線路中顯著地減少了因陣風(fēng)帶來的附加轉(zhuǎn)矩(參見曲線II)，這明顯減少了對于所述傳動線路的過載情況的設(shè)計。因此，本發(fā)明的傳動線路有減弱動力沖擊的特點。在陣風(fēng)之后，基于所述自動調(diào)節(jié)效應(yīng)，所述風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速又再次與所調(diào)節(jié)設(shè)定的工作點相適應(yīng)，同時所述附加在風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子和傳動線路中的動能被進一步傳遞給發(fā)電機。與之相比，所述轉(zhuǎn)速不變的系統(tǒng)在陣風(fēng)期間不能獲取額外的功率。由此可以明顯看出，按照本發(fā)明的系統(tǒng)能明顯更加柔性地反應(yīng)，這通過降低過載程度特別有利于延長風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的使用壽命。這一效應(yīng)歸功于所述機械-液力的傳動線路的短時能量存儲。
從圖7a所示的典型的風(fēng)力變化特性曲線出發(fā)，可以將一個現(xiàn)有技術(shù)中的電子調(diào)節(jié)系統(tǒng)II與按照本發(fā)明的傳動線路I進行比較。圖7b示出了轉(zhuǎn)子速度的變化曲線并表明按照本發(fā)明的傳動線路I具有更小的轉(zhuǎn)速振幅。此外，從圖7c中看出，與所述電子調(diào)節(jié)系統(tǒng)相反，按照本發(fā)明的傳動線路可以使發(fā)電機轉(zhuǎn)速基本上保持恒定。此外，圖7d示出了利用本發(fā)明的傳動線路I可將力沖擊(如陣風(fēng)帶來的一陣沖擊力)轉(zhuǎn)化為有效功率并由此形成明顯平滑的扭矩變化曲線。
圖8綜合示出對于一風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的一傳動線路所提出的不同調(diào)節(jié)要求(拋物線的、限制噪聲的和減弱動力沖擊地短期存儲能量)。為了在高于一定的閾值轉(zhuǎn)速時限制所述風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子的噪聲，舍棄對風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子進行功率優(yōu)化的轉(zhuǎn)速控制，而導(dǎo)引所述傳動線路的輸入軸的轉(zhuǎn)速沿一個更陡的變化曲線行進。按照本發(fā)明的傳動線路的一個重要優(yōu)點是，在所述轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速額定特性曲線的每個工作點上都能發(fā)揮所述傳動線路的自動調(diào)節(jié)特性，并由此可實現(xiàn)短期能量存儲和減弱動力沖擊(亦即功率波動)。
權(quán)利要求
1.一種用于控制一傳動線路的方法，該傳動線路的輸入軸至少間接由一風(fēng)輪機或水輪機或者其它渦輪機的一功率接收機驅(qū)動，而其輸出軸至少間接驅(qū)動一臺發(fā)電機，其中，所述輸出軸以一個高于輸入軸轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動；1.1所述發(fā)電機與一具有基本上恒定的電網(wǎng)頻率的電網(wǎng)連接；1.2所述傳動線路包括一功率分支傳動裝置和一個液力伺服變換器；1.3該功率分支傳動裝置包括兩個功率分支；1.4該液力伺服變換器包括一個泵輪、一個渦輪和一個可調(diào)節(jié)的反應(yīng)器件；1.5通過該傳動線路的輸入軸至少間接向所述功率分支傳動裝置輸送功率；1.6該功率分支傳動裝置的一個第一功率分支至少間接將功率傳送到該傳動線路的輸出軸上；1.7所述液力伺服變換器的泵輪至少間接地與所述傳動線路的輸出軸連接；1.8所述液力伺服變換器的渦輪至少間接地與所述功率分支傳動裝置的一個第二功率分支連接，并產(chǎn)生向該功率分支傳動裝置的一功率回流；1.9由所述功率分支傳動裝置和液力伺服變換器構(gòu)成的組合在調(diào)節(jié)中具有和在功率優(yōu)化地控制轉(zhuǎn)速情況下的功率接收機相同的特性；1.10當該傳動線路的輸入軸的轉(zhuǎn)速超過一定的閾值時，則這樣調(diào)整所述液力伺服變換器的反應(yīng)器件，使得該傳動線路的輸入軸具有一中間轉(zhuǎn)速，該轉(zhuǎn)速是一個該傳動線路輸入軸所獲得轉(zhuǎn)矩的函數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制傳動線路的方法，其特征在于，這樣選擇關(guān)于所述傳動線路的輸入軸的轉(zhuǎn)速的閾值區(qū)域，使得所述風(fēng)輪機的轉(zhuǎn)子不超過一規(guī)定的噪聲水平。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的控制傳動線路的方法，其特征在于，所述傳動線路的輸入軸的轉(zhuǎn)速在所述閾值區(qū)域之上時基本上是恒定的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的控制傳動線路的方法，其特征在于，所述傳動線路的輸出軸基本上按照一個恒定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的控制傳動線路的方法，其特征在于，所述風(fēng)力透平和由該風(fēng)力透平驅(qū)動的傳動線路在功率輸入方面基本上具有相同的隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的控制傳動線路的方法，其特征在于，所述閾值區(qū)域可定義為不同大小。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的控制傳動線路的方法，其特征在于，通過確定所述閾值區(qū)域來定義所述系統(tǒng)不同的柔性和短期能量存儲。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的控制傳動線路的方法，其特征在于，在每個工作點上對于所述風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子存在一拋物線型的特性變化曲線。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于控制一傳動線路的方法，該傳動線路的輸入軸至少間接由一風(fēng)輪機或水輪機或其它渦輪機的一功率接收機驅(qū)動，而其輸出軸至少間接驅(qū)動一臺發(fā)電機，其中，傳動線路包括一功率分支傳動裝置和一液力伺服變換器；該液力伺服變換器包括一泵輪、一渦輪和一可調(diào)節(jié)的反應(yīng)器件；該功率分支傳動裝置的第一功率分支至少間接將功率傳送到該傳動線路的輸出軸；液力伺服變換器的泵輪至少間接地與傳動線路的輸出軸連接；液力伺服變換器的渦輪至少間接地與功率分支傳動裝置的第二功率分支連接，并產(chǎn)生向該功率分支傳動裝置的一功率回流；由功率分支傳動裝置和液力伺服變換器構(gòu)成的組合在調(diào)節(jié)中具有和在功率優(yōu)化地控制轉(zhuǎn)速情況下的功率接收機相同的特性；當該傳動線路的輸入軸的轉(zhuǎn)速超過一定的閾值時，則調(diào)整液力伺服變換器的反應(yīng)器件，使得該傳動線路的輸入軸具有一中間轉(zhuǎn)速，該轉(zhuǎn)速是一個該傳動線路輸入軸所獲得轉(zhuǎn)矩的函數(shù)。
文檔編號F03D11/02GK1624321SQ20041009740
公開日2005年6月8日 申請日期2004年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月5日
發(fā)明者安德烈亞斯·巴斯特克 申請人:沃伊思特博兩合公司