專利名稱：可再生能源型的發(fā)電裝置及其操作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種可再生能源型的發(fā)電裝置以及一種可再生能源型的發(fā)電裝置的操作方法，該發(fā)電裝置經(jīng)由液壓傳動裝置將旋轉軸的轉動能傳輸?shù)桨l(fā)電機并且將電力供應到電網(wǎng)。該可再生能源型的發(fā)電裝置從諸如風、潮流、洋流、河流的可再生能源產(chǎn)生電力，并且該可再生能源型的發(fā)電裝置例如包含風力發(fā)電機、潮流發(fā)電機、洋流發(fā)電機、河流發(fā)電機坐寸O背景技術
近年來，從保護環(huán)境的角度來講，使用諸如利用風力的風力發(fā)電機的可再生能源型的發(fā)電裝置以及諸如利用潮汐的潮流發(fā)電機的可再生能源型渦輪發(fā)電機日益普遍。在可再生能源型的發(fā)電裝置中，風、潮流、洋流或河流的運動能被轉換成轉子(旋轉軸)的轉動能，并且該轉子的轉動能由發(fā)電機轉換成電功率。
在該類型的可再生能源型的發(fā)電裝置中，發(fā)電機通常被連接到電網(wǎng)。在風力渦輪發(fā)電機的情況下，在發(fā)電機與電網(wǎng)之間的連接根據(jù)發(fā)電機的類型被分類，并且到電網(wǎng)的連接例如如圖12A至圖12C中所示。
在圖12A中所示的類型中，鼠籠型感應發(fā)電機510經(jīng)由增速齒輪500被連接到轉子2。鼠籠型感應發(fā)電機510經(jīng)由軟起動器被直接連接到電網(wǎng)50。根據(jù)該類型，電子裝置是簡單且低成本的。然而，電網(wǎng)50的頻率是固定的，并且因此，轉子2的轉速也是固定的。 因此，風能中的改變被直接反映在輸出功率的變化中。此外，已知的是，功率系數(shù)Cp最大時的轉子的轉速根據(jù)風速變化。從提高發(fā)電效率的角度來講，無論風速如何，使轉子2的轉速固定不是優(yōu)選的。
鑒于此點，通過采用在如圖12B和圖12C中所示的方法能夠可變速操作的風力發(fā)電機被提出。
在圖12B中所示的類型的風力發(fā)電機中，次級繞線轉子感應發(fā)電機520經(jīng)由增速齒輪500被連接到轉子。次級繞線轉子感應發(fā)電機520具有被直接連接到電網(wǎng)50的定子繞組和經(jīng)由AC-DC-AC轉換器530被連接到電網(wǎng)50的轉子繞組。AC-DC-AC轉換器530由發(fā)電機側逆變器532、DC總線534和電網(wǎng)側逆變器536形成。發(fā)電機側逆變器532通過控制到轉子繞組的電流以調節(jié)發(fā)電機扭矩來實現(xiàn)可變速操作。同時，電網(wǎng)側逆變器536將從次級繞線轉子感應發(fā)電機的轉子繞組接收的電功率轉換成符合電網(wǎng)的頻率的AC功率。
在圖12C中所示的類型的風力發(fā)電機中，同步發(fā)電機540被連接到轉子2。同步發(fā)電機540經(jīng)由AC-DC-AC鏈接550被連接到電網(wǎng)。AC-DC-AC鏈接550由轉換器552、DC總線554和逆變器556形成。AC-DC-AC鏈接550通過調節(jié)同步發(fā)電機540的扭矩來實現(xiàn)可變速操作，并且AC-DC-AC鏈接550還將在同步發(fā)電機540中所產(chǎn)生的電功率轉換成符合電網(wǎng) 50的頻率的AC功率。
近年來，使用包含液壓泵和液壓馬達的液壓傳動裝置的可再生能源型的發(fā)電裝置正引起更多的關注。
例如，專利文獻I公開了一種使用液壓傳動裝置的風力發(fā)電機，該液壓傳動裝置包含通過轉子旋轉的液壓泵和被連接到發(fā)電機的液壓馬達。在該風力發(fā)電機的液壓傳動裝置中，液壓泵和液壓馬達經(jīng)由高壓存儲器和低壓存儲器而連接。通過這樣，轉子的轉動能經(jīng)由液壓傳動裝置被傳輸?shù)桨l(fā)電機。此外，液壓泵由多組活塞和汽缸、以及凸輪構成，該凸輪使活塞在汽缸中定期地往復運動。
雖然不直接涉及可再生能源型的發(fā)電裝置的可變速度操作技術或電網(wǎng)連接技術， 但是當電網(wǎng)電壓由于雷擊和諸如鐵塔的墜落的傳動裝置故障下降時，存在風力發(fā)電機的操作技術(參見專利文獻2至9)。
雖然不直接涉及可再生能源型的發(fā)電裝置的可變速度操作技術或電網(wǎng)連接技術， 但是存在借助于高初始響應勵磁系統(tǒng)和電力系統(tǒng)穩(wěn)定器來抑制當電網(wǎng)電壓下降時的發(fā)電機搖擺的已知技術(參見非專利文獻I)。發(fā)電機的“搖擺”意味著被連接到電網(wǎng)的同步發(fā)電機的內相位角的振蕩。
高初始響應勵磁系統(tǒng)是如下勵磁系統(tǒng)當在電網(wǎng)處發(fā)生諸如短路故障和接地故障的主要干擾時，該勵磁系統(tǒng)迅速地檢測發(fā)電機端子的電壓降，立即增加勵磁電流，升高發(fā)電機的內部感應電壓以增加同步功率以抑制發(fā)電機的第一波形搖擺。此外，電力系統(tǒng)穩(wěn)定器是如下裝置該裝置通過控制勵磁機以增加阻尼扭矩來抑制發(fā)電機搖擺，以便提高穩(wěn)定狀態(tài)的穩(wěn)定性，通過使用高初始響應勵磁系統(tǒng)來降低該穩(wěn)定性。
[引用列表]
專利文獻
PTLlUS2010/0032959
PTL2CN101964533A
PTL3US2011/0025059
PTL4W02010/085988
PTL5KR10-0947075B
PTL6W02009/078072
PTL7CN101383580A
PTL8US7709972
PTL9JP2007-239599A
非專利文獻
NPLl :矢部宏、西村昭_會，于1986年7月20日出版，第106卷，第7期，第643 - 645頁發(fā)明內容
技術問題
如上所述，在現(xiàn)有可再生能源型的發(fā)電裝置中，圖12B和圖12C中所示的系統(tǒng)作為用以實現(xiàn)可變速操作和電網(wǎng)連接兩者的技術被建立。另一方面，最近吸引關注的諸如在專利文獻I中所公開的可再生能源型的發(fā)電裝置中，用以實現(xiàn)可變速操作和電網(wǎng)連接兩者的技術很難被建立。
在圖12B和圖12C中所示的系統(tǒng)中，高成本的頻率轉換電路(530、550)必須被設置以實現(xiàn)可變速操作和電網(wǎng)連接。這對成本降低造成障礙。
鑒于以上問題，本發(fā)明的目的是提供一種可再生能源型的發(fā)電裝置以及該可再生能源型的發(fā)電裝置的操作方法，該發(fā)電裝置可以在無頻率轉換電路的情況下實現(xiàn)可變速操作和電網(wǎng)連接兩者并且該發(fā)電裝置使用液壓傳動裝置。
本發(fā)明提供了一種使用可再生能源產(chǎn)生電力的可再生能源型的發(fā)電裝置，該發(fā)電裝置可以包含但不限于
葉片；
旋轉軸，該旋轉軸通過經(jīng)由葉片接收到的可再生能源而旋轉；
液壓傳動裝置，該液壓傳動裝置包含由旋轉軸驅動的液壓泵和由從該液壓泵供給的加壓油驅動的液壓馬達；
同步發(fā)電機，該同步發(fā)電機由該液壓馬達驅動以產(chǎn)生電力并且在無中間頻率轉換電路的情況下被聯(lián)接到電網(wǎng)，產(chǎn)生的電力被供應至該電網(wǎng)；
傳動裝置控制器，該傳動裝置控制器在正常操作模式下控制該液壓傳動裝置以調節(jié)該液壓泵和該液壓馬達中的每個的移位，使得該旋轉軸以相對于該可再生能源的流速是可變的轉速旋轉，同時基于該電網(wǎng)在該發(fā)電裝置的正常操作期間的頻率，將該同步發(fā)電機的轉速保持在同步速度。
“可再生能源”指示例如在可再生能源的發(fā)電裝置是風力發(fā)電機的情況下的風。在該情況下，“可再生能源的流速”是風速。
在該可再生能源型的發(fā)電裝置中，將在無頻率轉換電路的情況下被連接到電網(wǎng)的同步發(fā)電機用作發(fā)電機。因此，現(xiàn)在能夠在不依賴于頻率轉換電路的情況下借助于傳動裝置控制器在正常操作下實現(xiàn)可變速操作和電網(wǎng)連接兩者。具體地，該傳動裝置控制器調節(jié)液壓泵和液壓馬達中的每個的移位，使得旋轉軸以相對于可再生能源的流速是可變的轉速旋轉，同時基于電網(wǎng)的頻率將同步發(fā)電機的轉速保持在同步速度，以實現(xiàn)可變速操作和電網(wǎng)連接兩者。
在以上可再生能源型的發(fā)電裝置中，該傳動裝置控制器可以包含但不限于
目標扭矩確定單元，該目標扭矩確定單元在正常操作模式下基于根據(jù)該可再生能源的流速的旋轉軸的最佳扭矩來確定該液壓泵的目標扭矩；
泵需量確定單元，該泵需量確定單元在正常操作模式下從該液壓泵的目標扭矩來確定該液壓泵的移位的需量Dp ；以及
泵控制單元，該泵控制單元調節(jié)該液壓泵在該需量Dp下的移位。
通過這樣，液壓泵的目標扭矩根據(jù)例如風速的可再生能源的流速基于最佳扭矩被確定，并且液壓泵的移位在從目標扭矩確定的移位的需量Dp下被調節(jié)。通過這樣，旋轉軸的轉速相對于可再生能源的流速可以是可變的。換句話說，借助于傳動裝置控制器，能夠實現(xiàn)可再生能源型的發(fā)電裝置的可變速操作。
在以上可再生能源型的發(fā)電裝置中，該傳動裝置控制器可以包含但不限于
馬達目標功率確定單元，該馬達目標功率確定單元基于該液壓泵的目標輸出功率 POffERp來確定該液壓馬達的目標輸出功率POWERm ；
馬達需量確定單元，該馬達需量確定單元在該正常操作模式下基于該確定的目標輸出功率POWERm來確定該液壓馬達的移位的需量Dm，使得該同步發(fā)電機在該同步速度下旋轉；以及
馬達控制單元，該馬達制單元調節(jié)該液壓馬達在該需量Dm下的移位。
通過這樣，液壓馬達的移位被調節(jié)到基于確定的目標輸出功率POWERm確定的液壓馬達的移位的需量DM，使得同步發(fā)電機在同步速度下旋轉，并且因此，同步發(fā)電機的轉速可被維持在同步速度。換句話說，同步發(fā)電機可以借助于傳動裝置控制器被連接到電網(wǎng)。
為此，在風力發(fā)電機I中，傳動裝置控制器40基于電網(wǎng)50的頻率(例如，50Hz或 60Hz )來控制液壓傳動裝置10以將同步發(fā)電機20的轉速保持在同步速度。稍后詳細地描述傳動裝置控制器40的特定控制過程。
以上可再生能源型的發(fā)電裝置可以還包含
端子電壓檢測器，該端子電壓檢測器檢測該同步發(fā)電機的端子電壓；
勵磁機，該勵磁機對該同步發(fā)電機的勵磁繞組供應勵磁電流；以及
勵磁機控制器，該勵磁機控制器基于由該端子電壓檢測器檢測到的端子電壓與用于該端子電壓的命令值之間的差來控制該勵磁機。
通過調節(jié)將從勵磁機被供應至同步發(fā)電機的勵磁繞組的勵磁電流，同步發(fā)電機的端子電壓可以根據(jù)同步發(fā)電機的端子電壓的命令值被維持。此外，用以維持端子電壓的該控制可以借助于自動電壓調整器(AVR)來執(zhí)行。
在以上可再生能源型的發(fā)電裝置中，勵磁機控制器可以控制勵磁機，使得在同步發(fā)電機的端子電壓由于在電網(wǎng)處或從同步發(fā)電機到電網(wǎng)的傳輸線處的故障事件而下降之后，勵磁電流立即被增加。
當故障甚至在傳輸線或電網(wǎng)處發(fā)生時，發(fā)電機的端子電壓突然下降，瞬間降低發(fā)電機的電輸出功率(有功功率)。因此，來自液壓馬達的機械輸入功率相對于發(fā)電機的電輸出功率變得過多，致使同步發(fā)電機的旋轉器加速。這可以導致同步發(fā)電機的失步。因此，通過在同步發(fā)電機的端子電壓由于在傳輸線或電網(wǎng)處的故障事件而下降之后立即增加勵磁電流，發(fā)電機內部的感應電壓增加，致使發(fā)電機的電輸出功率增力口。因此，同步發(fā)電機20的同步功率增加，抑制同步發(fā)電機在發(fā)生故障事件之后的第一波形搖擺。結果，提高了瞬態(tài)能力。以該方式，防止了同步發(fā)電機的失步。
此外，用以提高瞬態(tài)穩(wěn)定性的對勵磁機的以上控制可以優(yōu)選地由超速勵磁系統(tǒng)執(zhí)行，該超速勵磁系統(tǒng)是具有極快響應速度的勵磁系統(tǒng)，諸如晶閘管勵磁系統(tǒng)。
在端子電壓由于故障事件的發(fā)生而下降之后立即增加勵磁電流的情況下，在由勵磁機增加勵磁電流之后，勵磁機控制器可以控制勵磁機，使得當同步發(fā)電機的內相位角增加時勵磁電流被增加，并且當同步發(fā)電機的內相位角減小時勵磁電流被減小。
通過在端子電壓由于故障事件而下降之后立即增加勵磁電流，同步發(fā)電機的第一波形搖擺如上所述被抑制，因此提高了瞬態(tài)穩(wěn)定性。然而，提高的響應性可以削弱在第一波形搖擺之后的穩(wěn)定狀態(tài)的穩(wěn)定性。因此，當增加內相位角時勵磁電流增加，并且當減小內相位角時勵磁電流減小，以迅速地抑制同步發(fā)電機的搖擺以提高穩(wěn)定狀態(tài)的穩(wěn)定性。
用以提高穩(wěn)定狀態(tài)的穩(wěn)定性的對勵磁機的以上控制優(yōu)選地借助于電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)來實現(xiàn)。
此外，當同步發(fā)電機的端子電壓由于在傳輸線或電網(wǎng)處的故障事件而下降時，傳動裝置控制器可以在故障事件響應模式下控制液壓傳動裝置以調節(jié)液壓馬達的移位，使得當同步發(fā)電機的端子電壓由于在從同步發(fā)電機到電網(wǎng)的傳輸線處或在電網(wǎng)處的故障事件而下降時，同步發(fā)電機的負載扭矩與由液壓馬達輸入到同步發(fā)電機的扭矩之間的差減小。
當故障事件發(fā)生時，發(fā)電機的端子電壓和同步發(fā)電機的電輸出功率隨故障事件的發(fā)生幾乎同時下降。因此，需要對故障事件的極其迅的速響應以防止同步發(fā)電機的失步。從該方面，在正常操作模式下控制液壓馬達不足以響應于發(fā)電機的扭矩的驟然變化調節(jié)液壓馬達的扭矩。這致使發(fā)電機的扭矩與液壓馬達的扭矩之間的不平衡，致使同步發(fā)電機的內相位角顯著改變。因此，在故障事件響應模式下，液壓馬達的移位被調節(jié)以減小發(fā)電機的扭矩與液壓馬達的扭矩之間的差。這允許液壓馬達的扭矩遵循發(fā)電機的扭矩的驟然變化，從而抑制同步發(fā)電機的內相位角的變化。結果，由于故障事件引起的同步發(fā)電機的搖擺能夠迅速地被抑制。
在響應于在故障事件響應模式下發(fā)電機的扭矩的變化調節(jié)液壓馬達的扭矩的情況下，傳動裝置控制器可以包含
馬達需量確定單元，該馬達需量確定單元在故障事件響應模式下基于由同步發(fā)電機產(chǎn)生的電力來確定液壓馬達的移位的需量Dm ;以及
馬達控制單元，該馬達控制單元調節(jié)液壓馬達在該需量Dm下的移位。
以該方式，通過基于由同步發(fā)電機產(chǎn)生的電力來調節(jié)液壓馬達在需量Dm下的移位，能夠響應于在故障事件之后由同步發(fā)電機產(chǎn)生的電力的變化改變液壓馬達的移位，并且能夠減小發(fā)電機的扭矩與液壓馬達的扭矩之間的差。結果，同步發(fā)電機由于故障事件的搖擺能夠迅速地被抑制。
在基于在故障事件響應模式下由同步發(fā)電機產(chǎn)生的電力所確定的需量Dm下調節(jié)液壓馬達的移位的情況下，以上可再生能源型的發(fā)電裝置可以還包含槳距驅動機構，該槳距驅動機構調節(jié)葉片的槳距角，并且槳距驅動機構可以在電網(wǎng)或傳輸線處的故障事件期間朝順槳位置改變葉片的槳距角。
在故障事件期間，同步發(fā)電機的端子電壓與在正常操作中的端子電壓相比下降， 并且因此，同步發(fā)電機的電輸出功率(由同步發(fā)電機產(chǎn)生的電力)與在正常操作中的電輸出功率相比是小的。因此，通過在基于由同步發(fā)電機產(chǎn)生的電力所確定的需量Dm下調節(jié)液壓馬達的移位，液壓馬達的輸出功率下降，致使液壓泵的輸出功率過多。通過借助于槳距驅動機構朝順槳位置改變葉片的槳距角，響應于液壓馬達的輸出功率的下降，液壓泵的輸出功率可以被限制，同時抑制液壓泵的加速度。
在故障事件期間朝順槳位置改變葉片的槳距角的情況下，在從故障事件恢復開始之后，槳距驅動機構朝精調位置改變葉片的槳距角，并且馬達需量確定單元增加液壓馬達的移位的需量Dm以增加由同步發(fā)電機所產(chǎn)生的電力。
通過這樣，在從故障事件恢復開始之后，能夠通過增加液壓馬達的移位來產(chǎn)生更多電力。
故障事件可以是例如電網(wǎng)的電壓下降到電網(wǎng)規(guī)范中規(guī)定的電壓或更低的狀況。
在以上可再生能源類型的發(fā)電裝置中，勵磁機控制器可以包含晶閘管，該晶閘管將勵磁機的定子磁場勵磁，并且該勵磁機可以是AC勵磁機，該AC勵磁機設有由晶閘管勵磁的定子磁場和隨同步發(fā)電機的軸旋轉的轉子電樞，該DC勵磁電流從該轉子電樞經(jīng)由旋轉整流器被供應至同步發(fā)電機的勵磁繞組。
以該方式，來自AC勵磁機的旋轉電樞的AC由旋轉整流器整流并且被供應至同步發(fā)電機的勵磁繞組。通過這樣，能夠實現(xiàn)無電刷結構，因此消除對電刷維護的需要(對電刷的定期更換)。因為風力發(fā)電機常常被安裝在諸如山區(qū)和海上的偏遠地區(qū)，所以事實是，不存在對電刷維護(對電刷的定期更換)的需要顯著有助于減小運行成本。
以上可再生能源型的發(fā)電裝置可以還包含輔助勵磁機，該輔助勵磁機包含與同步發(fā)電機一起被附接到公共軸的永磁發(fā)電機，并且勵磁機控制器的晶閘管可以使用該輔助勵磁機作為電源并且使勵磁機的定子磁場勵磁。
以該方式，附接到同步發(fā)電機的公共軸的PMG被用作勵磁機控制器的晶閘管的電源，以使同步發(fā)電機甚至在連接到電網(wǎng)之前在無外部電源的情況下勵磁。這對風力發(fā)電機是極其有利的，這通常在從外部電源獲得電力上具有困難。
此外，發(fā)電裝置可以是從作為可再生能源的風產(chǎn)生電力的風力發(fā)電機。
本發(fā)明提供了一種可再生能源型的發(fā)電裝置的操作方法，該發(fā)電裝置可以包含 旋轉軸，該旋轉軸通過經(jīng)由葉片接收到的可再生能源而旋轉；液壓傳動裝置，該液壓傳動裝置包含由旋轉軸驅動的液壓泵和由從該液壓泵供給的加壓油驅動的液壓馬達；以及同步發(fā)電機，該同步發(fā)電機由該液壓馬達驅動以產(chǎn)生電力并且在無中間頻率轉換電路的情況下被聯(lián)接到電網(wǎng)，產(chǎn)生的電力被供應至該電網(wǎng)，并且該操作方法可以包含但不限于如下步驟
在正常操作模式下控制該液壓傳動裝置以調節(jié)該液壓泵和該液壓馬達中的每個的移位，使得該旋轉軸以相對于該可再生能源的流速是可變的轉速旋轉，同時基于該電網(wǎng)在該發(fā)電裝置的正常操作期間的頻率，將該同步發(fā)電機的轉速保持在同步速度。
根據(jù)該可再生能源型的發(fā)電裝置的操作方法，調節(jié)該液壓泵和該液壓馬達中的每個的移位，使得該旋轉軸以相對于該可再生能源的流速是可變的轉速旋轉，同時基于該電網(wǎng)在該發(fā)電裝置的正常操作期間的頻率，將該同步發(fā)電機的轉速保持在同步速度。結果，能夠實現(xiàn)可變速操作和電網(wǎng)連接兩者。
可再生能源型的發(fā)電裝置的以上操作方法可以還包含如下步驟
在同步發(fā)電機的端子電壓由于在電網(wǎng)處或從同步發(fā)電機到電網(wǎng)的傳輸線處的故障事件而下降之后，立即增加被供應至同步發(fā)電機的勵磁繞組的勵磁電流。
當故障甚至在傳輸線或電網(wǎng)處發(fā)生時，發(fā)電機的端子電壓突然下降，瞬間降低發(fā)電機的電輸出功率(有功功率)。因此，來自液壓馬達的機械輸入功率相對于發(fā)電機的電輸出功率變得過多，致使同步發(fā)電機的旋轉器加速。這可以導致同步發(fā)電機的失步。因此，通過在同步發(fā)電機的端子電壓由于在傳輸線或電網(wǎng)處的故障事件而下降之后立即增加勵磁電流，發(fā)電機內部的感應電壓增加，致使發(fā)電機的電輸出功率增力口。因此，同步發(fā)電機20的同步功率增加，抑制同步發(fā)電機在發(fā)生故障事件之后的第一波形搖擺。結果，提高了瞬態(tài)能力。以該方式，防止了同步發(fā)電機的失步。
以上可再生能源型的發(fā)電裝置的操作方法可以還包含如下步驟
在故障事件響應模式下控制液壓傳動裝置以調節(jié)液壓馬達的移位，使得當同步發(fā)電機的端子電壓由于在從同步發(fā)電機到電網(wǎng)的傳輸線處或在電網(wǎng)處的故障事件而下降時， 同步發(fā)電機的負載扭矩與由液壓馬達輸入到同步發(fā)電機的扭矩之間的差減小。
當故障事件發(fā)生時，發(fā)電機的端子電壓和同步發(fā)電機的電輸出功率隨故障事件的發(fā)生幾乎同時下降。因此，需要對故障事件的極其迅的速響應以防止同步發(fā)電機的失步。從該方面，在正常操作模式下控制液壓馬達不足以響應于發(fā)電機的扭矩的驟然變化調節(jié)液壓馬達的扭矩。這致使發(fā)電機的扭矩與液壓馬達的扭矩之間的不平衡，致使同步發(fā)電機的內相位角顯著改變。因此，在故障事件響應模式下，液壓馬達的移位被調節(jié)以減小發(fā)電機的扭矩與液壓馬達的扭矩之間的差。這允許液壓馬達的扭矩遵循發(fā)電機的扭矩的驟然變化，從而抑制同步發(fā)電機的內相位角的變化。結果，由于故障事件引起的同步發(fā)電機的搖擺可以迅速地被抑制。
本發(fā)明的技術效果
根據(jù)本發(fā)明，調節(jié)液壓泵和液壓馬達中的每個的移位，使得旋轉軸以相對于可再生能源的流速是可變的轉速旋轉，同時基于電網(wǎng)的頻率，將同步發(fā)電機的轉速保持在同步速度。結果，能夠在不使用頻率轉換電路的情況下實現(xiàn)可變速操作和電網(wǎng)連接兩者。


[圖I]
圖I是示出風力發(fā)電機的示例結構的示意圖。
[圖2]
圖2示出風力發(fā)電機的液壓傳動裝置和傳動裝置控制器的結構。
[圖3]
圖3示出液壓泵的特定示例結構。
[圖4]
圖4示出液壓馬達的特定示例結構。
[圖5]
圖5示出從同步發(fā)電機到電網(wǎng)的傳輸線的示例結構。
[圖6]
圖6示出在傳動裝置控制器中的確定液壓泵的移位的信號流。
[圖7]
圖7是示出最大Cp曲線的圖形，其中轉子的轉速I在橫軸上并且轉子扭矩T在縱軸上。
[圖8]
圖8示出在傳動裝置控制器中的確定液壓馬達的移位的信號流。
[圖9]
圖9是示出在發(fā)生短路故障之前和之后的有功功率匕與內相位角A的關系的圖形。
[圖 10]
圖10是示出當在電網(wǎng)或傳輸線處存在故障事件時每個參數(shù)隨時間變化的示例的圖形。
[圖 11]
圖11是示出當在電網(wǎng)或傳輸線處存在故障事件時每個參數(shù)隨時間變化的另一示例的圖形。
[圖 12A]
圖12A示出傳統(tǒng)風力發(fā)電機的示例。
[圖12B]
圖12B示出傳統(tǒng)風力發(fā)電機的示例。
[圖12C]
圖12C示出傳統(tǒng)風力發(fā)電機的示例。
具體實施方式
現(xiàn)在將結合附圖詳細地描述本發(fā)明的實施例。然而，希望的是，除非特別地規(guī)定， 尺寸、材料、形狀、其相對位置等將被解釋為僅是例證性的而不限制本發(fā)明的范圍。
雖然在下文中已經(jīng)參照示例性實施例描述了本發(fā)明，但對本領域的技術人員來說顯而易見的是，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可以做出各種修改。
在下列實施例中，風力發(fā)電機作為可再生能源型的發(fā)電裝置的示例被描述。然而， 本發(fā)明并不限于該示例并且可以被應用于諸如潮流發(fā)電機、洋流發(fā)電機和河流發(fā)電機的各種類型的可再生能源型的發(fā)電裝置。
(風力發(fā)電機的結構)
圖I是示出風力發(fā)電機的示例結構的示意圖。圖2示出風力發(fā)電機的液壓傳動裝置和傳動裝置控制器的結構。圖3示出液壓泵的特定示例結構。圖4示出液壓馬達的特定示例結構。
如圖I中所圖示，風力渦輪發(fā)電機I主要包含轉子2，該轉子2通過風旋轉；液壓傳動裝置10，該液壓傳動裝置10用于增加轉子2的轉速；同步發(fā)電機20，該同步發(fā)電機20 被連接到電網(wǎng)；傳動裝置控制器40，該傳動裝置控制器40用于控制液壓傳動裝置10(參見圖2);以及各種傳感器，該各種傳感器包含壓力傳感器31和轉速傳感器32和36。
液壓傳動裝置10和同步發(fā)電機20可以被收容在機艙22或支撐機艙22的塔架24 中。圖I示出具有豎立地安裝在地上的塔架24的陸地風力發(fā)電機。然而，這不是限制性的， 并且風力發(fā)電機I可以被安裝在包含海上的任何地方。
轉子2被構造成使得旋轉軸8被連接到具有葉片4的輪轂6。具體地，三個葉片4 從輪轂6徑向延伸，并且葉片4中的每個葉片被安裝在輪轂6上，該輪轂6被連接到旋轉軸 8。這允許作用在葉片4上的風能使整個轉子2轉動，并且轉子2的旋轉經(jīng)由旋轉軸8被輸入到液壓傳動裝置10。用于調節(jié)葉片4的槳距角的致動器(槳距驅動機構)5被附接到葉片 4，如圖2中所示。
如圖2中所圖示，液壓傳動裝置10包含可變移位液壓泵12，該可變移位液壓泵 12由旋轉軸8驅動；可變移位液壓馬達14，該可變移位液壓馬達14的輸出軸15被連接到同步發(fā)電機20 ;以及，高壓油管線16和低壓油管線18，該高壓油管線16和該低壓油管線18 被布置在液壓泵12與液壓馬達14之間。
高壓油管線16將液壓泵12的出口連接到液壓馬達14的入口。低壓油管線18將液壓泵12的入口連接到液壓馬達14的出口。從液壓泵12排出的操作油(低壓油)經(jīng)由高壓油管線16流入到液壓馬達14中。已經(jīng)在液壓馬達14中工作的操作油經(jīng)由低壓油管線 18流入到液壓泵12中，然后操作油的壓力由液壓泵12升高，并且最后，該操作油流入到液壓馬達14中以驅動液壓馬達14。
圖2圖示出液壓傳動裝置10包括僅一個液壓馬達14的示例性實施例。然而，在一些實施例中，也能夠提供多個液壓馬達14并且將液壓馬達14中的每個液壓馬達連接到液壓泵12。
如下所述，在一實施例中，液壓泵12和液壓馬達14可以具有分別在圖3和圖4中所示的特定結構。
如圖3中所示，液壓泵12可以包含多個工作室83，該多個工作室83中的每個工作室由氣缸80和活塞82形成；環(huán)凸輪84，該環(huán)凸輪84具有與活塞82接合的凸輪輪廓；以及高壓閥86和低壓閥88，為工作室83中的每個工作室設置該高壓閥86和該低壓閥88。高壓閥86被布置在高壓油管線16與工作室83中的每個工作室之間的高壓通路87中。低壓閥88被布置在低壓油管線18與工作室83中的每個工作室之間的低壓通路89中。
在液壓泵12的操作中，環(huán)凸輪84隨旋轉軸8旋轉，并且活塞82根據(jù)凸輪輪廓循環(huán)地向上和向下移動以重復活塞82的從下止點開始并且到達上止點的泵循環(huán)以及活塞的從上止點開始并且到達下止點的吸入循環(huán)。因此，每個工作室83具有由活塞82和氣缸80 的內表面限定的循環(huán)地變化的容積。
通過打開和關閉聞壓閥86和低壓閥88,液壓栗12可以從致動狀態(tài)和空閑狀態(tài)中選擇每個工作室83的操作模式。當為工作室83選擇了致動狀態(tài)時，在吸入循環(huán)期間關閉高壓閥86并且打開低壓閥88，使得操作油流入到該工作室83中，而在泵循環(huán)期間打開高壓閥86并且關閉低壓閥88，使得加壓油從該工作室83移位到高壓油管線16。與此相反，當為工作室83選擇了空閑狀態(tài)時，在吸入循環(huán)和泵循環(huán)兩者期間保持高壓閥86關閉并且保持低壓閥88打開，使得操作油在工作室83與低壓油管線18之間來回流動，即，不存在加壓油到高壓油管線16的移位。相應地，液壓泵12的凈移位可以通過改變在致動狀態(tài)下的工作室83的數(shù)目相對于工作室83的總數(shù)的比率來調節(jié)。對液壓泵12的凈移位的控制由稍后詳細地描述的傳動裝置控制器40來執(zhí)行。
如圖4中所圖不,液壓馬達14可以包含多個液壓室93,該多個液壓室93被形成在汽缸90和活塞92之間；偏心凸輪94，該偏心凸輪94具有與活塞92接合的凸輪輪廓；以及高壓閥96和低壓閥98，為液壓室93中的每個液壓室設置該高壓閥96和該低壓閥98。高壓閥96被布置在高壓油管線16和油室93中的每個油室之間的高壓通路97中，而低壓閥 98被布置在低壓油管線18與油室93中的每個油室之間的低壓通路99中。
在液壓馬達14的操作中，活塞92定期地向上向下移動以重復活塞92的從上止點開始并且到達下止點的馬達循環(huán)以及活塞的從下止點開始并且到達上止點的排出循環(huán)。在液壓馬達14的操作中，由活塞92和氣缸90的內表面限定的每個工作室93的容積循環(huán)地變化。
通過打開和關閉聞壓閥96和低壓閥98,液壓馬達14可以從致動狀態(tài)和空閑狀態(tài)中選擇每個工作室93的操作模式。當為工作室93選擇了致動狀態(tài)時，在馬達循環(huán)期間打開高壓閥96并且關閉低壓閥98，使得操作油從高壓油管線16流入到該工作室93中，而在排出循環(huán)期間關閉高壓閥96并且打開低壓閥98，使得加壓油從該工作室93移位到低壓油管線18。與此相反，當為工作室93選擇空閑狀態(tài)時，在馬達循環(huán)和泵循環(huán)兩者期間保持高壓閥96關閉并且保持低壓閥98打開，使得操作油在工作室93與低壓油管線18之間來回流動，即，不存在加壓油從高壓油管線16到工作室93的供給。如同液壓泵12，液壓馬達14可以通過改變在致動狀態(tài)下的工作室93的數(shù)目相對于工作室93的總數(shù)的比率來調節(jié)該液壓馬達14的凈移位。對液壓馬達14的凈移位的控制由稍后詳細地描述的傳動裝置控制器 40來執(zhí)行。
圖2示出連接到高壓油管線16的蓄能器64。電磁閥66可以被設置在蓄能器64 與高壓油管線16之間。通過打開和關閉電磁閥66，蓄能器64與高壓油管線16流體連通或從高壓油管線16斷開。例如，當在高壓油管線16中的操作油過多時，可以打開電磁閥66 以吸收在蓄能器64中的操作油然后關閉電磁閥66以存儲在蓄能器64中的過多的操作油。 在該情況下，存儲在蓄能器64中的操作油可以通過重新打開電磁閥66被排出到高壓油管線16。替代地，可以不設置電磁閥66。
可以使用壓力傳感器68來測量蓄能器64中的壓力。
旁路管線60被布置在高壓油管線16和低壓油管線18之間以旁路液壓馬達14，并且卸壓閥62被布置在旁路管線60中以維持高壓油管線16的液壓壓力不大于規(guī)定的壓力。 通過這樣，當高壓油管線16中的壓力達到卸壓閥62的規(guī)定的壓力時，卸壓閥62自動地打開以允許高壓油經(jīng)由旁路管線60逸出至低壓油管線18。
此外，液壓傳動裝置10具有油箱70、補給管線72、升壓泵74、油濾器76、回流管線 78和低壓卸壓閥79。
油箱70存儲補給操作油。補給管線72將油箱70連接到低壓油管線18。升壓泵 74被布置在補給管線72中以用來自油箱70的補充操作油來補充低壓油管線18。
回流管線78被安裝在油箱70和低壓油管線18之間。低壓卸壓閥79被布置在回流管線78中，并且在低壓油管線18中的壓力被維持在規(guī)定的壓力或以下。通過這樣，甚至用升壓泵74對低壓油管線18供應補給操作油，一旦低壓油管線18中的壓力達到低壓卸壓閥79的規(guī)定的壓力，低壓卸壓閥79就可以自動地打開以經(jīng)由回流管線78將操作油釋放到油箱70。
如圖2中所圖示，風力發(fā)電機I具有包含壓力傳感器31和轉速傳感器32和34的各種傳感器。轉速傳感器32和34分別測量旋轉軸8的轉速和液壓馬達14的輸出軸15的轉速。壓力傳感器31測量高壓油管線16中的壓力。也可以提供安裝在機艙22的外側用于測量風速的風速計33以及用于測量風力發(fā)電機I的環(huán)境溫度的溫度傳感器34。該傳感器的測量結果可以被發(fā)送至傳動裝置控制器40并且被用于控制液壓泵12和液壓馬達14。
同步發(fā)電機20被聯(lián)接到液壓馬達14的輸出軸15。同步發(fā)電機20在沒有諸如圖 12B和圖12C的頻率轉換電路530和550的頻率轉換電路的情況下被連接到電網(wǎng)。為此，在風力發(fā)電機I中，傳動裝置控制器40基于電網(wǎng)50的頻率(例如，50Hz或60Hz)來控制液壓傳動裝置10以將同步發(fā)電機20的轉速保持在同步速度。稍后詳細地描述傳動裝置控制器 40的特定控制過程。
圖5示出從同步發(fā)電機20到電網(wǎng)50的傳輸線的示例結構。如在該附圖中所示， 同步發(fā)電機20經(jīng)由升壓變壓器51被連接到總線52?？偩€52經(jīng)由傳輸線54被連接到電網(wǎng) 50。傳輸線54包含變電站55以及電路56A和56B。電路56A和56B中的每個電路設有斷路器57、58。當在電網(wǎng)50和傳輸線54處不存在故障時，兩個斷路器57和58均被關閉，并且由同步發(fā)電機產(chǎn)生的電力借助傳輸線54在描畫的箭頭的方向上被傳輸?shù)诫娋W(wǎng)50。
此外，同步發(fā)電機20包含勵磁繞組21，該勵磁繞組21隨液壓馬達14和輸出軸15旋轉；以及固定電樞(未示出)，升壓變壓器51被連接到該固定電樞。DC勵磁電流從勵磁機100被供應至勵磁繞組21。
勵磁機控制器110被設置用以控制被供應至勵磁繞組21的勵磁電流的大小。端子電壓檢測器59 (電壓互感器)被設置用以檢測同步發(fā)電機20的端子電壓?；谕桨l(fā)電機20的檢測到的端子電壓，勵磁機控制器110可以控制勵磁機100，使得端子電壓變成設定值(命令值)。
作為勵磁機100的特定結構，勵磁機100可以是如圖5中所圖示的AC勵磁機。具體地，勵磁機100可以是由旋轉電樞(未示出)和勵磁繞組(定子)102形成的AC發(fā)電機。
在該情況下，勵磁機100是直接連接到液壓馬達14的輸出軸15的AC勵磁機，并且從勵磁機100的旋轉電樞輸出的AC通過整流器(旋轉整流器)103被轉換成DC然后作為勵磁電流被供應至同步發(fā)電機20的勵磁繞組21。勵磁繞組21、勵磁機100的電樞以及整流器103隨液壓馬達14的輸出軸15旋轉。以該方式，來自AC勵磁機100的旋轉電樞的AC 由整流器(旋轉整流器)103整流并且被供應至是旋轉器的勵磁繞組21。通過這樣，不再需要提供電刷，從而消除對電刷維護的需要(對電刷的定期更換)。因為風力發(fā)電機常常被安裝在諸如山區(qū)和海上的偏遠地區(qū)，所以事實是，不存在對電刷維護(對電刷的定期更換)的需要顯著有助于減小運行成本。
在圖5中所示的示例中，勵磁機控制器110改變被供應至勵磁機的勵磁繞組102 的勵磁電流的大小，以調節(jié)到同步發(fā)電機20的勵磁繞組21的勵磁電流的大小。
在該情況下，勵磁機控制器110可以由電壓設定器112、比較電路113、自動電壓調整器(AVR) 114和晶閘管116形成，如圖5中所示。電壓設定器112將端子電壓的設定值輸出到比較電路113。在比較電路113中，將由端子電壓檢測器59檢測到的同步發(fā)電機20 的端子電壓的檢測值與從電壓設定器112輸入的設定值相比較并且上述值的差被輸出到 AVR114。在AVR114中，基于從比較電路113輸出的差，門信號被供應至晶閘管116。晶閘管 116被設置在勵磁機100的勵磁繞組102與輔助勵磁機之間，該輔助勵磁機由直接連接到液壓馬達14的輸出軸15的永磁發(fā)電機(PMG) 106形成。晶閘管116使用PMG (輔助勵磁機) 作為電源并且使勵磁機100的勵磁繞組(定子磁場)102勵磁。
以該方式，被直接連接到液壓馬達14的輸出軸15并且被附接到同步發(fā)電機20的公共軸的PMG被用作晶閘管116的電源，以使同步發(fā)電機甚至在連接到電網(wǎng)50之前在無外部電源的情況下勵磁。這對風力渦輪發(fā)電機是極其有利的，這通常在從外部電源獲得電力上具有困難。
從提高同步發(fā)電機20的穩(wěn)定狀態(tài)的穩(wěn)定性的角度來講，勵磁機控制器110可以設有電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)，如圖5所示。PSS118可以基于在同步發(fā)電機20中產(chǎn)生的有功功率Pe校正比較電路113的比較結果。此外，PSSl 18主要用于抑制在稍后描述的故障事件響應模式下的發(fā)電機搖擺。此外，有功功率Pe可以根據(jù)從同步發(fā)電機20的固定電樞輸出的檢測到的電流值和電壓值來計算。
(在正常操作模式下的風力發(fā)電機的操作控制)
在正常操作中，當在電網(wǎng)50或傳輸線54處不存在諸如短路、斷開或接地(傳輸線接觸地面)的故障事件時，以上結構的風力發(fā)電機I在下述正常操作模式下控制液壓傳動裝置10。
如圖2中所示，傳動裝置控制器40包含最佳扭矩確定單元41、目標扭矩確定單元 42、泵需量確定單元43、泵控制單元44、泵目標功率確定單元45、馬達目標功率確定單元 46、馬達需量確定單元47、馬達控制單元48和存儲單元49。
在正常操作模式下，傳動裝置控制器40控制液壓傳動裝置10，使得旋轉軸8以相對于風速是可變的轉速旋轉，同時基于電網(wǎng)50的頻率，將同步發(fā)電機20的轉速保持在同步速度。通過這樣，同步發(fā)電機20可以在無中間頻率轉換電路的情況下被聯(lián)接到電網(wǎng)50，并且風力發(fā)電機I的發(fā)電效率可以通過使轉子2以與風速對應的轉速旋轉而提高。
在下文中，解釋傳動裝置控制器40的每個單元在正常操作模式下的操作。傳動裝置控制器40的功能被廣泛地劃分成對液壓泵12的控制和對液壓馬達14的控制。首先描述液壓泵12的用以調節(jié)其移位的控制，接著描述液壓馬達14用以調節(jié)其移位的控制。
圖6示出通過傳動裝置控制器40確定液壓泵12的移位的信號流。如該附圖中所示，最佳扭矩確定單元41接收由轉速傳感器32檢測到的旋轉軸8的轉速%并且根據(jù)該轉速W,確定液壓泵12的最佳扭矩Ti。例如，最佳扭矩確定單元41從存儲單元49 (參見圖 2)讀出事先被設置的Wr-Ti函數(shù)(轉速W,和最佳扭矩Ti的函數(shù))，并且從Wr-Ti函數(shù)獲得對應于轉速W,的最佳扭矩Ti。
現(xiàn)在解釋存儲在存儲單元49中的Wr-Ti函數(shù)的示例。
圖7是示出最大Cp曲線的圖形，其中轉子的轉速Wr在橫軸上并且轉子扭矩T在縱軸上。最大Cp曲線300是通過連接功率系數(shù)Cp變成最大的坐標(Wr、T)而繪制的曲線。 最大Cp曲線300是借助坐標Z1至Z5而繪制的，在Z1至Z5處，冪函數(shù)Cp相對于各種風速 (例如，風速Vtl至V5)變成最大。
存儲在存儲單元49中的Wr-Ti函數(shù)可以是函數(shù)310，該函數(shù)310由在操作點a和操作點b之間的最大Cp曲線300限定以及由在操作點b和操作點c之間的直線限定，如由圖7中的粗線所指示。函數(shù)310是如下直線在該直線上，轉子的轉速在額定轉速WratedT 是恒定的。對應于操作點a的風速Vtl是切入風速并且對應于操作點c的風速V4是達到額定功率的風速(額定風速)。為了根據(jù)函數(shù)310確定最佳扭矩Ti，根據(jù)函數(shù)310獲得與由轉速傳感器32檢測到的旋轉軸8的轉速%對應的轉子扭矩。
通過使用函數(shù)310，在切入風速Vtl與風速V3之間的風速區(qū)域中，可以根據(jù)在最初轉速Wtl與額定轉速Wratra!之間的區(qū)域中的風速調節(jié)液壓泵12的轉速WJ轉子轉速)，風力發(fā)電機可以在功率系數(shù)Cp是最大的狀況下被操作。具體地，在最初轉速Wtl與額定轉速Wrated之間的可變速度范圍內，風力發(fā)電機可以在最大效率下操作。此外，在風速V3與額定風速V4 之間的風速區(qū)域中，液壓泵12的轉速I被保持在額定轉速Wratra!下。在額定風速V4與切出風速之間的高風速區(qū)域，葉片4的槳距角由致動器(槳距驅動機構)調整以維持額定功率。
所獲得的液壓泵12的最佳扭矩Ti因此由扭矩目標確定單元42修改以確定液壓泵12的扭矩目標Td。
目標扭矩確定單元42通過乘以比例因子M來調節(jié)最佳扭矩Ti以產(chǎn)生已調節(jié)的最佳扭矩MTitl比例因子M可以是O和I之間的任何數(shù)值，并且通常在0.9與I之間。乘以比例因子M促使液壓泵12的實際扭矩與最佳扭矩Ti相比略微降低，因此允許轉子2在陣風期間更迅速地加速。相應地，與如果泵扭矩不與最佳扭矩Ti成比例的情況相比，能夠捕獲更多電力。比例因子M將致使轉子2更緩慢地減速，因此在風平息期間操作離開其最佳操作點，然而由于跟蹤陣風可獲得的附加電力比由于在風平息期間的次佳操作的電力損失更大。
由目標扭矩確定單元42獲得的扭矩目標Td可以是已調節(jié)的最佳扭矩MTi與扭矩反饋控制器201的輸出功率之間的差。扭矩反饋控制器201計算估計的空氣動力學扭矩， Taero,該空氣動力學扭矩是電流扭矩目標和加速扭矩的和，該加速扭矩通過轉子2的角加速度\乘以轉子2的轉動慣量J的力矩來獲得。扭矩反饋控制器201的輸出是估計空氣動力學扭矩與已調節(jié)的最佳扭矩之間的差，該差然后乘以反饋增益G以獲得反饋扭矩TfMdbadt。反饋增益G可以是大于或等于零的任何數(shù)值，且零值作用以禁用扭矩反饋控制器201。
扭矩反饋控制器201如下地響應于轉子2的加速和減速通過在加速的情況下從已調節(jié)的最佳扭矩MTi減去扭矩以稍微減小扭矩目標Td，并且在減速的情況下對已調節(jié)的最佳扭矩增加扭矩以稍微增加扭矩目標Td。這使得轉子2與單獨的已調節(jié)的最佳扭矩控制相比響應于輸入風能中的變化更快地加速和減速，因此允許從風捕獲更大的總能。
由扭矩目標確定單元42獲得的扭矩目標Td被發(fā)送至泵需量確定單元43并且被用于計算液壓泵12的移位的需量DP。泵需量確定單元43通過用目標扭矩Td除以在高壓油管線16中的測量油壓Ps來計算液壓泵12移位的需量DP。需量Dp可以由壓力限制器202修改，該壓力限制器202可能是PID型控制器，其輸出是移位的需量DP。壓力限制器202通過修改流量轉移的泵需量速率而起到將液壓泵12的壓力保持在可接受的范圍內的作用，可接受的范圍即在風力發(fā)電機的安全操作的最高水平以下。壓力限制在如下一些操作模式下可以被禁用期望借助卸壓閥62使能量耗散例如以防止風力發(fā)電機在極端陣風期間超過其額定速度地操作，或該壓力限制在使用中可以被改變。泵需量確定單元43可以基于高壓油管線16中的油溫校正液壓泵12的移位的需量DP。
此外，泵需量確定單元43可以使用調節(jié)器203以響應于來自諸如風電場和調度中心的場控制器的外部命令中心的功率需量信號來校正液壓泵12的扭矩目標Td。通過這樣， 能夠產(chǎn)生滿足來自外部命令中心的需量的電力。
已經(jīng)被以以上方式計算的液壓泵12的移位的需量Dp然后被發(fā)送至泵控制單元 44，并且液壓泵12的移位由泵控制單元44調節(jié)到需量DP。例如，泵控制單元44控制高壓閥86和低壓閥88的打開和關閉以改變在致動狀態(tài)下的工作室83與工作室的總數(shù)的比率， 從而將液壓泵12的移位調節(jié)到移位的需量DP。
圖8示出由傳動裝置控制器40確定液壓馬達14的移位的信號流。
如該附圖中所示，泵目標功率確定單元45通過用由目標扭矩確定單元42獲得的液壓泵12的目標扭矩Td乘以由轉速傳感器32獲得的旋轉軸8的轉速％來計算液壓泵12 的目標輸出功率的基值POWERtlt5在泵目標功率確定單元45中，調節(jié)器212響應于來自諸如風電場和調度中心的場控制器的外部命令中心210的功率需量信號Sd計算校正的輸出功率POWER。。然后，校正的輸出功率POWER。被增加到事先獲得的目標輸出功率的基值POWERtl, 以計算液壓泵12的目標輸出功率P0WERP。
馬達目標輸出確定單元46通過使用一階低通濾波器處理液壓泵12的目標輸出功率POWERp來計算液壓馬達14的目標輸出功率POWERm,該一階低通濾波器的傳遞函數(shù)是H (s)=l/ (Ts+1)。
然后，馬達需量確定單元47通過用液壓馬達14的目標輸出功率POWERm除以由油壓力傳感器31測量的測量油壓Ps以及由轉速傳感器36測量的液壓馬達14的已測量轉速 Wm來計算液壓馬達14的名義需量Dn。
以以上方式計算的液壓馬達14的名義需量Dn通過用每單位時間從液壓泵12到液壓馬達14的能量除以高壓油管線16的壓力Ps的轉速Wm和液壓馬達14的轉速Wm而獲得。因此，當液壓馬達14的轉速Wm太低時，名義需量Dn是高的，從而升高液壓馬達14的轉速Wm。相反，當液壓馬達14的轉速Wm太高時，名義需量Dn是小的，從而降低液壓馬達14的轉速Wm。因此，能夠將液壓馬達14的轉速Wm維持在恒定速率(S卩，在同步發(fā)電機20的同步速度)。
在馬達需量確定單元47中，校正的需量Db根據(jù)目標輸出功率POWERm來計算然后被增加到名義需量Dn以獲得液壓馬達14的移位的需量Dm。校正的需量Db可以例如由壓力反饋控制器220通過用高壓油管線16的目標壓力Pd與由壓力傳感器31測量的測量油壓 Ps之間的差乘以可變增益Kp來計算。
高壓油管線16的目標壓力Pd可以通過將液壓馬達的電流目標輸出功率POWERm輸入到函數(shù)230來計算，該函數(shù)30指示事先設定的目標馬達輸出功率與高壓油管線16的目標壓力之間的關系。函數(shù)230至少部分地由如下曲線限定高壓油管線16的目標壓力根據(jù)馬達目標輸出功率的增加單調遞增。因此，與在液壓馬達的目標輸出功率是高的(即，液壓泵12的排出率是高的)情況相比，在目標馬達輸出功率是小的卿，液壓泵的排出率是低的) 的情況下，高壓管線的目標壓力Pd被設置為較低。通過這樣，當目標馬達輸出功率是小的時，能夠減小相對于液壓泵12的操作油的排出率的內泄漏量，從而抑制影響對液壓傳動裝置10的控制的操作油的內泄漏。
可變增益Kp使用函數(shù)232根據(jù)高壓油管線16的當前壓力Ps (由壓力傳感器檢測到的壓力)、高壓油管線16的在允許的范圍內的最大壓力Pmax和最小壓力Pmin來確定。例如， 當當前壓力Ps在允許的范圍之外(即，Ps〈Pmin或Ps>Pmax)時，可變增益Kp被設定在最大增益 Kfflax處，并且當當前壓力Ps在允許的范圍內(即，Pfflin小于或等于Ps小于或等于Pmax)時，隨著當前壓力Ps變得更接近最小壓力Pniin或最大壓力Pniax，可變增益Kp可以朝最大增益Kniax 增加。通過這樣，當壓力Ps偏離允許的范圍時，或當壓力Ps不再在允許的范圍內時，通過增加可變增益Kp (或將可變增益設定在最大增益處)，用該可變增益Kp乘以壓力Ps與目標壓力Pd之間的差，高壓油管線的壓力Ps迅速被調節(jié)至在允許的范圍內并且也更接近目標壓力
在正常操作模式下，同步發(fā)電機20的端子電壓由控制勵磁機的勵磁機控制器100 維持。例如，如圖5中所示，在比較電路114中，由端子電壓檢測器59測量的同步發(fā)電機20 的測量端子電壓與從電壓設定器112輸入的設定值之間的差可以被獲得，并且基于該獲得的差，晶閘管116的門信號被從AVR114供應。通過這樣，供應至同步發(fā)電機20的勵磁繞組 21的勵磁電流的大小被調節(jié)，并且因此，同步發(fā)電機20的端子電壓被維持(在從電壓設定器112輸入的設定值)。
從電壓設定器112輸入的發(fā)電機的設定值(命令值)是例如符合電網(wǎng)50的電壓。
如上所述，傳動裝置控制器40在正常操作模式下控制液壓傳動裝置10，使得旋轉軸8以相對于風速是可變的轉速旋轉，同時基于電網(wǎng)50的頻率，將同步發(fā)電機20的轉速保持在同步速度。
具體地，傳動裝置控制器40借助于最佳扭矩確定單元41計算旋轉軸的最佳扭矩 Ti，然后基于該最佳扭矩Ti借助于目標扭矩確定單元42確定液壓泵12的目標扭矩Td。此外，傳動裝置控制器40借助于泵需量確定單元43根據(jù)目標扭矩Td計算液壓泵12的移位的需量DP，然后借助于泵控制單元44將液壓泵12的移位調節(jié)至移位的需量DP。以該方式， 轉子2以根據(jù)風速(S卩，可變速操作)的轉速旋轉，從而提高發(fā)電效率。
此外，液壓傳動裝置控制器40借助于馬達目標功率確定單元46基于液壓泵12的目標輸出功率POWERp計算液壓馬達14的目標輸出功率P0WERm。液壓傳動裝置控制器40借助于馬達需量確定單元47計算液壓馬達14的移位的需量DM，使得同步發(fā)電機20以與電網(wǎng) 50的頻率對應的同步速度旋轉，然后借助于馬達控制單元48將液壓馬達14的移位調節(jié)至需量Dm。通過這樣，同步發(fā)電機20被維持在同步轉速，并且同步發(fā)電機可以在無中間頻率電路的情況下被連接到電網(wǎng)50。
(在故障事件響應模式下的風力發(fā)電機的操作控制)
當在電網(wǎng)50或傳輸線54處存在諸如短路、斷開或接地(傳輸線接觸地面)的故障事件時，可以發(fā)送至電網(wǎng)50側的電力是有限的，從而使同步發(fā)電機20的電輸出功率(有功功率)瞬間降低。結果，來自液壓馬達14的機械輸入相對于同步發(fā)電機的電輸出功率變得過多，致使同步發(fā)電機20的內相位角突然減小。這可以導致同步發(fā)電機20的失步。
以上現(xiàn)象在故障事件發(fā)生之后在短時間(例如，幾毫秒至幾秒)內立即發(fā)生。因此， 與裝備有用作緩沖器(參見圖12B和圖12C)的頻率轉換電路530、550的傳統(tǒng)風力發(fā)電機不同，有必要使本實施例的風力發(fā)電機I在發(fā)生故障事件之后立即響應，因為該故障事件會直接影響同步發(fā)電機20。
通過上述正常操作模式難以充分地響應于故障事件，在上述正常操作模式下，控制參數(shù)在能量傳輸路徑(轉子2>液壓泵12>液壓馬達14>同步發(fā)電機20)中被從上游側到下游側確定。在正常操作模式下，響應于液壓馬達14以及同步發(fā)電機20的當前轉速的增加，液壓馬達14的移位隨同步發(fā)電機20減小。然而，這不足以有效地防止同步發(fā)電機20 的失步。
在本實施例中，當故障事件在電網(wǎng)50和傳輸線54處發(fā)生時，風力發(fā)電機I在不同于以上正常操作模式的故障事件響應模式下操作。
在該故障事件響應模式下，不同于控制參數(shù)在能量傳輸路徑中從上游到下游被計算的正常操作，控制參數(shù)在能量傳輸路徑中從下游至上游被計算。具體地，在故障事件響應模式中，將被供應至同步發(fā)電機20的勵磁繞組的勵磁電流在故障事件發(fā)生之后立即被控制，并且響應于同步發(fā)電機20的電輸出功率(電力)中的變化立即調節(jié)液壓馬達14的移位的需量DM，并且如果必要，槳距和液壓泵12也被控制。
響應于同步發(fā)電機20的端子電壓和來自同步發(fā)電機20的電力的驟降，低電壓檢測信號被輸出。響應于低電壓檢測信號，風力發(fā)電機I的操作可以被從正常操作模式切換到故障響應模式。
下面解釋當在電路56B的斷路器58和58之間發(fā)生的短路(斷開和接地)時由勵磁機控制器Iio和傳動裝置控制器40控制的特定示例。
圖9是示出在發(fā)生短路故障之前和之后的有功功率匕與內相位角A的關系的圖形。
當在電路56B的斷路器58和58之間發(fā)生短路時，幾乎在與短路故障發(fā)生的同時， 同步發(fā)電機20的端子電壓突然下降，并且從同步發(fā)電機20輸出的有功功率Pe也驟然下降 (參見圖9，狀態(tài)I至狀態(tài)2)。然后，斷路器58和58斷開，并且電路56B被切斷以排除電路 56B中的短路故障。因此，從同步發(fā)電機20輸出的電功率恢復(從狀態(tài)2到狀態(tài)3)。然而， 電功率僅經(jīng)由剩余電路56A被傳輸，并且因此，電功率不恢復到在發(fā)生短路故障之前的最初水平(狀態(tài)I)。
在發(fā)生短路故障之前，同步發(fā)電機20在狀態(tài)I的Pe-A曲線上的點I處操作，并且內相位角A是點I是來自液壓馬達14的機械輸入Pm (近似與圖8的目標輸出功率 POWERm相同)與狀態(tài)I的Pe-A曲線的交叉點。如果內相位角A稍微偏離Atl,同步功率dP/ dA起到將內相位角A校正至Atl的作用。因此，內相位角A在Atl處保持穩(wěn)定。
然而，一旦短路故障發(fā)生，Pe-A曲線即刻從狀態(tài)I切換到狀態(tài)2。緊接發(fā)生短路故障之后，內相位角A借助同步發(fā)電機20的旋轉器的慣性保持在慫。因此，在發(fā)生短路故障之后，同步發(fā)電機20的操作點即刻從操作點I轉換到操作點m。同時，來自液壓馬達14的機械輸入Pm相對于同步發(fā)電機20的電輸出功率Pe變成過多，致使同步發(fā)電機20的旋轉器加速并且同步發(fā)電機20的操作點從操作點m轉換至操作點η。因此，內相位角A從Atl朝 A1增加。
一旦內相位角A達到A1，斷路器58和58斷開以消除短路故障。通過這樣，同步發(fā)電機的Pe-A從狀態(tài)2上升到狀態(tài)3。同時，在消除短路故障之后不久，內相位角A由于同步發(fā)電機20的旋轉器的慣性仍舊保持在仏。因此，通過消除短路故障后，同步發(fā)電機20的操作點即刻從操作點η轉換到操作點O。這致使同步發(fā)電機的電輸出功率匕超過來自液壓馬達14的機械輸入Pm，并且因此，同步發(fā)電機20的旋轉器開始減速。因此，在內相位角A達到Α2之后，內相位角A減小，并且其后，該內相位角重復增加和下降并且振蕩。然而，同步發(fā)電機20的阻尼力最后使內相位角衰減并且使內相位角穩(wěn)定。
為內相位角A的轉折點的操作點P是如下操作點在該操作點處，被示出為在來自液壓馬達14的輸入Pm與狀態(tài)2的Pe-A曲線之間形成的區(qū)域SI的加速能與被示出為在狀態(tài)3的Pe-A曲線與液壓馬達的輸出功率Pm之間形成的區(qū)域S2的減速能一致。
在該實施例中，緊接故障事件的發(fā)生，勵磁機控制器110控制勵磁機100以增加供應至同步發(fā)電機20的勵磁繞組21的勵磁電流。這指示圖9中的狀態(tài)2或狀態(tài)3的Pe-A曲線的向上轉換。關于內相位角A的改變，Pe-A曲線的向上轉換減小加速能(區(qū)域SI)并且增加減速能(區(qū)域S2)。因此，能夠確保與在早期的加速能(區(qū)域SI)平衡的減速能(區(qū)域S2) 以及內相位角A的轉折點，并且使操作點P朝最初的操作點I移動。因此，在故障事件之后同步發(fā)電機20的第一波形搖擺(A2-Atl)可以被抑制，從而提高瞬態(tài)穩(wěn)定性。
控制勵磁機100以提高瞬態(tài)穩(wěn)定性可以優(yōu)選地借助于如圖5中所示的晶閘管116 和AVR114由晶閘管類型的超速勵磁來執(zhí)行。
用以通過超速勵磁控制來提高同步發(fā)電機的瞬態(tài)穩(wěn)定性的技術在使用蒸汽渦輪和燃氣渦輪的發(fā)電設施中被建立。然而，將該技術應用于可再生能源型的發(fā)電裝置是未知的。這是因為，在傳統(tǒng)可再生能源型的發(fā)電裝置中，發(fā)電機經(jīng)由用作緩沖器的頻率轉換電路被連接至電網(wǎng)，并且發(fā)電機的瞬態(tài)穩(wěn)定性不是太大的問題。
通過在發(fā)電機的端子電壓由于故障事件的發(fā)生而下降之后立即磁化同步發(fā)電機CN 102985686 A書明說17/22 頁
20，如上所述，同步發(fā)電機20的第一波形搖擺被抑制，從而提高瞬態(tài)穩(wěn)定性。然而，優(yōu)良的響應性可以導致在第一波形搖擺之后狀態(tài)穩(wěn)定性的下降。
鑒于此點，勵磁機控制器110控制勵磁機100，使得當同步發(fā)電機20的內相位角A 增加時，勵磁繞組21的勵磁電流增加，而當同步發(fā)電機20的內相位角A減小時，勵磁繞組 21的勵磁電流減小。在該情況下，借助于圖5中所示的PSS118基于由電功率傳感器119檢測到的同步發(fā)電機20的電輸出功率Pe,當同步發(fā)電機20的內相位角A增加時能夠使勵磁電流增加，并且當同步發(fā)電機20的內相位角A減小時能夠使勵磁電流減小。
在使用蒸汽渦輪的發(fā)電設施中，調速器控制單元控制渦輪輸出以維持發(fā)電機的恒定轉速。然而，調速器控制單元通過打開和關閉蒸汽渦輪中的蒸汽調整閥或截斷閥使進入蒸汽渦輪的蒸汽的流量增加或減小以調節(jié)渦輪輸出。因此，花費至少幾秒來開始操作。因此，在使用蒸汽渦輪和燃氣渦輪的發(fā)電設施中，故障事件由超速勵磁控制和PSS單獨地操縱。
相反，在本實施例的風力發(fā)電機I中，液壓馬達14的輸出功率可以在離發(fā)生故障事件幾秒內被控制。具體地，在圖4中圖示的液壓馬達的情況下，假如輸出軸15以高速(例如，155或1800rpm)旋轉，并且多個液壓室93被設置在輸出軸15的周向方向上。能夠在幾毫秒到幾十毫秒內通過調節(jié)移位來控制馬達輸出功率。
鑒于該點，在故障事件響應模式下，傳動裝置控制器40可以通過調節(jié)液壓馬達的移位來調整液壓馬達14的輸出功率，以減小從液壓馬達14輸入到同步發(fā)電機20的扭矩與同步發(fā)電機20的負載扭矩之間的差。具體地，通過將液壓馬達14的機械輸出功率Pm上下移動至圖9中的同步發(fā)電機20，能夠自由地調節(jié)機械輸入Pm與同步發(fā)電機20的電輸入Pe (電力)之間的差，從而有助于使內相位角A穩(wěn)定。結果，由于故障事件引起的同步發(fā)電機20 的發(fā)電機搖擺能夠立即被抑制。
具體地，在故障事件響應模式下，馬達需量確定單元47基于由同步發(fā)電機20產(chǎn)生的電功率計算液壓馬達14的移位的需量DM，并且馬達控制單元48將液壓馬達14的移位調節(jié)到移位的需量Dm。
以該方式，通過將液壓馬達14的移位調節(jié)至基于由同步發(fā)電機20產(chǎn)生的電功率所計算的移位的需量DM，能夠響應于在故障事件發(fā)生之后由同步發(fā)電機20產(chǎn)生的電功率的變化改變液壓馬達14的移位。因此，能夠響應于同步發(fā)電機的負載扭矩的重大變化調節(jié)液壓馬達14的扭矩，從而迅速地抑制由于故障事件引起的同步發(fā)電機20的搖擺。
當故障事件發(fā)生時，同步發(fā)電機的端子電壓與正常操作相比是低的，并且因此，可以從同步發(fā)電機20輸出至電網(wǎng)50的電功率與正常操作相比是低的。當將液壓馬達14的移位調節(jié)至基于同步發(fā)電機的電力計算的移位的需量Dm時，這致使液壓馬達14的輸出功率下降并且致使液壓泵12的輸出功率過分增加。
因此，從液壓泵12排出的高壓油的剩余部分可以被積聚在蓄能器64中。具體地， 利用在蓄能器64與高壓油管線16之間的電磁閥，緊接故障事件的發(fā)生之后，電磁閥66被打開以允許蓄能器64與高壓油管線16連通以在蓄能器64中積聚高壓油的剩余部分。相反，在蓄能器64直接被連接到高壓管線16而無電磁閥66的情況下，緊接故障事件的發(fā)生之后，高壓油的剩余部分被自然地積聚在蓄能器64中，并且因此，不需要特殊的過程。
一旦蓄能器64被高壓油填滿，高壓油管線16的壓力Ps增加至卸壓閥62的設定21壓力，并且之后，卸壓閥62打開以經(jīng)由旁路管線60將剩余的高壓油釋放至低壓油管線18。
此外，為了使液壓泵12的輸出功率與液壓馬達14的輸出功率在故障事件響應模式下平衡，致動器5可以朝順槳位置改變葉片4的槳距角。通過這樣，在防止液壓泵12過分加速(液壓泵12的轉速變得過分高)的同時，能夠響應于液壓馬達14的輸出功率的下降在一定程度上限制液壓泵12的輸出功率。
此外，當液壓泵12的輸出功率與液壓馬達14的輸出功率在限制液壓泵12的輸出功率之后仍舊不平衡時，高壓油的剩余部分可以被積聚在蓄能器中，并且高壓油的剩余部分可以經(jīng)由旁路管線60被釋放到低壓油管線18。
在通過接通斷路器58從電路2的短路故障恢復之后，致動器(槳距驅動機構)5可以使葉片4的槳距角朝精調位置恢復，并且馬達需量確定單元47可以增加液壓馬達14的移位的需量Dm以增加由同步發(fā)電機20所產(chǎn)生的電功率。
通過這樣，在從故障事件恢復之后，能夠通過增加液壓馬達14的移位來增加發(fā)電量。
如上所述，在故障事件響應模式下，將被供應至同步發(fā)電機20的勵磁繞組21的勵磁電流緊接故障事件發(fā)生之后被控制，并且響應于在同步發(fā)機20中產(chǎn)生功率的變化，液壓馬達14的移位的需量Dm也被調節(jié)，并且此外，如果必要，槳距和液壓泵12被控制。
具體地，緊接同步發(fā)電機的端子電壓由于故障事件而下降之后，勵磁機控制器110 控制勵磁機100以增加被供應至勵磁繞組21的勵磁電流的大小。通過這樣，同步發(fā)電機20 的同步功率增加，在發(fā)生故障事件之后抑制同步發(fā)電機20的第一波形搖擺。結果，提高了瞬態(tài)能力。
此外，在由勵磁機100增加被供應至勵磁繞組21的勵磁電流之后，勵磁機控制器 110可以控制勵磁機100，使得當同步發(fā)電機20的內相位角A增加時，勵磁電流增加，并且使得當同步發(fā)電機20的內相位角A減小時，勵磁電流減小。通過這樣，穩(wěn)定狀態(tài)的穩(wěn)定性被提高，并且現(xiàn)在能夠迅速地抑制同步發(fā)電機20的搖擺。
此外，在故障事件響應模式下，當同步發(fā)電機20的端子電壓由于故障事件而下降時，傳動裝置控制器40調節(jié)液壓馬達14的移位以減小從液壓馬達14輸入到同步發(fā)電機20 的扭矩與同步發(fā)電機20的負載扭矩之間的差。例如，在故障事件響應模式下，傳動裝置控制器40可以基于由同步發(fā)電機20產(chǎn)生的功率借助于馬達需量確定單元47來計算液壓馬達14的移位的需量DM，并且借助于馬達控制單元48將液壓馬達14的移位調節(jié)到移位的需量Dm。
通過這樣，能夠響應于發(fā)電機扭矩的突然變化調節(jié)液壓馬達的扭矩，并且因此，由于故障事件引起的同步發(fā)電機20的搖擺能夠迅速地被抑制。
現(xiàn)在描述在故障事件響應模式下使用控制的少許特定例子。圖10和圖11是示出當在電網(wǎng)50或傳輸線54處存在故障事件時每個參數(shù)隨時間變化的圖形。
在圖10的示例中，在故障事件發(fā)生之前，同步發(fā)電機20的端子電壓Vt和額定端子電壓Vrated是穩(wěn)定的。然而，故障事件在時間h發(fā)生，并且端子電壓Vt即刻下降。通過這樣，低電壓檢測信號被輸出。響應于低電壓檢測信號，風力發(fā)電機I的操作從正常操作模式被切換到故障響應模式。
在該示例中，當端子電壓Vt是額定端子電壓的90%或以下時，低電壓檢測信號被輸出。
響應于端子電壓Vt的驟然下降，在比較電路113的輸出值與由端子電壓檢測器59 測量的測量值之間的差，即，端子電壓的命令值突然變高。因此，由勵磁機控制器110(具體地，AVR114和晶閘管116)控制的勵磁機100增加將被供應至同步發(fā)電機20的勵磁繞組21 的勵磁電流(勵磁機電流)。通過這樣，同步發(fā)電機20的內相位角A的驟然增加被抑制，并且同步發(fā)電機20的瞬態(tài)穩(wěn)定性增強。此外，雖然未在該附圖中示出，但是在勵磁機100在 AVR114和晶閘管116的控制下使勵磁電流增加之后，勵磁電流由PSS118調節(jié)，并且穩(wěn)定狀態(tài)的穩(wěn)定性被增強。
在故障事件在Ttl時發(fā)生之后，液壓馬達14的移位Dm基于由同步發(fā)電機20產(chǎn)生的功率Pe被調節(jié)以下降。然而，同步發(fā)電機20的電功率Pe已經(jīng)通過增加被供應至勵磁繞組 21的勵磁電流而增加，并且因此，不必顯著減小液壓馬達14的移位Dm。通過這樣，來自液壓馬達14的機械輸入功率Pm下降，機械輸入Pm與同步發(fā)電機20的電輸出功率Pe (產(chǎn)生的功率)之間的差變小，并且由于故障事件引起的內相位的增加被抑制。結果，由于故障事件引起的同步發(fā)電機的搖擺能夠迅速地被抑制。
此外，當故障事件在時間Ttl時發(fā)生時，致動器(槳距驅動機構)5開始對葉片4的槳距控制，并且槳距角朝順槳位置過渡。然而，借助致動器5的槳距控制可以僅以例如近似 3deg/s至6deg/s的速度改變槳距角。與在勵磁機控制器110和液壓馬達14中的其它控制相比，這傾向于導致響應于故障事件的延遲。通過將葉片4的槳距角朝順槳位置改變，能夠根據(jù)液壓馬達14的輸出功率的下降在一定程度上限制液壓泵12的輸出功率，同時防止液壓泵12的過度加速。
此外，甚至在限制液壓泵12的輸出功率之后，液壓泵的輸出功率相對于液壓馬達 14的輸出功率仍舊保持過多。這致使高壓油管線16的壓力Ps上升，并且高壓油的剩余部分被積聚在蓄能器64中。結果，積聚在蓄能器64中的高壓油的量從時間h開始突然增加。
接著，在時間h時，故障事件被解決，并且端子電壓Vt開始恢復，并且在時間t2時， 端子電壓Vt達到額定端子電壓Vrated的90%。最后，在時間t3時，端子電壓Vt達到額定端子電壓Vrated的94%。例如，時間比時間t0晚O. 14秒，并且時間t3比時間t0晚O. 5秒。
響應于端子電壓Vt由于從故障事件的恢復而恢復，比較電路113的輸出值，S卩，在端子電壓的命令值與由端子電壓檢測器59檢測的測量端子電壓之間的差變小。因此，在勵磁機控制器110 (即AVR114和晶閘管116)的控制下，勵磁機100使將被供應至同步發(fā)電機 20的勵磁繞組21的勵磁電流(勵磁機電流)減小。
此外，當故障事件被解決時，端子電壓Vt(在t2時)達到額定端子電壓Vrated的90%， 低電壓檢測信號的輸出停止，并且風力發(fā)電機I的操作從故障事件響應模式被切換到正常操作模式。
因此，液壓馬達14的移位Dm在時間t2時開始增加，此時，端子電壓Vt在從故障事件恢復之后達到額定端子電壓的90%。這允許在從故障事件恢復之后由風力發(fā)電機I產(chǎn)生的功率的增加量。
此外，在時間t2過去之后，葉片4的槳距角由致動器(槳距驅動機構)5逐漸朝精調位置移動。響應于該情況，液壓泵的移位Dp逐漸增加。同時，通過改變葉片4的槳距角并且使液壓泵12的移位Dp慢于增加液壓馬達14的移位Dm的速度，積聚在蓄能器4中的高壓油被釋放，并且高壓管線16的壓力Ps下降。
圖11中所示的示例與圖10中所示的示例的不同之處在于，端子電壓Vt突然下到近似零。主要解釋該不同如何影響在故障事件響應模式下的控制。不進一步解釋控制的與圖10的示例共同的部分。
在圖11的示例中，時間h比時間h晚O. 15秒，時間t2比時間h晚O. 7秒，并且時間t3比時間h晚I. 5秒。
如圖11中所示，在故障事件發(fā)生之前，端子電壓Vt在額定端子電壓VratedT是穩(wěn)定的，并且一旦故障事件在時間h時發(fā)生，端子電壓Vt突然下降至近似零。通過這樣，低電壓檢測信號被輸出。風力發(fā)電機I的操作從正常操作模式被切換到故障響應模式。
響應于端子電壓Vt的驟然下降，比較電路113的輸出值、端子電壓的命令值，即， 比較電路113的輸出值與由端子電壓檢測器59測量的測量值之間的差突然變大。因此，由勵磁機控制器110 (具體地，AVR114和晶閘管116)控制的勵磁機100增加將被供應至同步發(fā)電機20的勵磁繞組21的勵磁電流(勵磁機電流)。與圖I的示例不同，端子電壓Vt在時間h時下降至近似零，并且同步發(fā)電機20的電輸出功率Pe變成近似零。因此，增加將被供應至勵磁繞組21的勵磁電流對抑制同步發(fā)電機20的搖擺沒有太多影響。
在故障事件在h時發(fā)生之后，液壓馬達14的移位Dm基于由同步發(fā)電機20產(chǎn)生的功率匕被調節(jié)然后減小。同時，同步發(fā)電機的電輸出功率甚至在增加將被供應至勵磁繞組 21的勵磁電流之后近似為零，并且因此，在嘗試平衡來自液壓馬達14的機械輸出功率Pm與同步發(fā)電機20的電輸出功率Pe的過程中，液壓馬達14的移位Dm減小至近似零。通過這樣，機械輸入功率Pm與同步發(fā)電機20的電輸出功率(電力)之間的差減小,從而防止由故障事件引起的內相位角A增加。結果，由于故障事件引起的同步發(fā)電機20的發(fā)電機搖擺能夠被抑制。
在圖10的示例中，端子電壓Vt在h與h之間不為近似零。因此，通過主要由勵磁機控制器Iio (具體地，AVR114、晶閘管116和PSS118)控制勵磁電流，能夠抑制同步發(fā)電機20的搖擺。因此，沒有必要將液壓馬達14的移位Dm減小至近似零。
相反，在圖11的示列中，端子電壓在h與h之間為近似零。因此，由勵磁機控制器110 (具體地，AVR114、晶閘管116和和PSS118)控制勵磁電流對抑制同步發(fā)電機的搖擺沒有太多影響。因此，液壓馬達14的移位Dm借助于勵磁機控制器110 (具體地，AVRlHJs 閘管116和PSS118)被急劇減小以抑制同步發(fā)電機20的搖擺。
以該方式，取決于故障事件的類型，可以以不同的方式控制同步發(fā)電機的搖擺。
雖然已經(jīng)在上文中參照示例性實施例描述了本發(fā)明，但是對本領域的技術人員來說顯而易見的是，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可以做出各種改變。
附圖標記
I風力發(fā)電機
2轉子
4葉片
6輪轂
8旋轉軸
10液壓傳動裝置
12液壓泵
14液壓馬達
15輸出軸
16高壓油管線
18低壓油管線
20同步發(fā)電機
21勵磁繞組
22機艙
24塔架
31壓力傳感器
32轉速傳感器
33風速計
34溫度傳感器
36轉速傳感器
40傳動裝置控制器
41最佳扭矩確定單元
42目標扭矩確定單元
43泵需量確定單元
44泵控制單元
45泵目標功率確定單元
46馬達目標功率確定單元
47馬達需量確定單元
48馬達控制單元
49存儲單元
50電網(wǎng)
51升壓變壓器
52總線
54傳輸線
55變電站
56A電路
56B電路
57、58斷路器
59端子電壓檢測器
60旁路管線
62卸壓閥
64蓄能器
66電磁閥
68壓力傳感器
70油箱
72補給管線
74升壓泵
76油濾器
78回流管線
79低壓卸壓閥
100勵磁機(AC勵磁機)
102勵磁繞組
103旋轉整流器
106PMG
110勵磁機控制器
112電壓設定器
113比較電路
114AVR
116晶閘管
118PSS
201扭矩反饋控制器
202壓力限制器
203調節(jié)器
210外部命令中心
212調節(jié)器
220壓力反饋控制器
300最大Cp曲線
31Offr-Ti 函數(shù)
500增速齒輪
510鼠籠型感應發(fā)電機
520次級繞線轉子感應發(fā)電機
530AC-DC-AC轉換器(頻率轉換電路)
540同步發(fā)電機
550AC-DC-AC鏈接(頻率轉換電路)
權利要求
1.一種使用可再生能源發(fā)電的可再生能源型的發(fā)電裝置，所述發(fā)電裝置包括 葉片； 旋轉軸，所述旋轉軸通過經(jīng)由所述葉片接收到的所述可再生能源而旋轉； 液壓傳動裝置，所述液壓傳動裝置包括由所述旋轉軸驅動的液壓泵和由從所述液壓泵供給的加壓油驅動的液壓馬達； 同步發(fā)電機，所述同步發(fā)電機由所述液壓馬達驅動以產(chǎn)生電力并且在無中間頻率轉換電路的情況下被聯(lián)接到電網(wǎng)，產(chǎn)生的電力被供應至所述電網(wǎng)； 傳動裝置控制器，所述傳動裝置控制器在正常操作模式下控制所述液壓傳動裝置以調節(jié)所述液壓泵和所述液壓馬達中的每個的移位，使得所述旋轉軸以相對于所述可再生能源的流速是可變的轉速旋轉，同時基于所述電網(wǎng)在所述發(fā)電裝置的正常操作期間的頻率，將所述同步發(fā)電機的轉速保持在同步速度。
2.根據(jù)權利要求I所述的可再生能源型的發(fā)電裝置，其中所述傳動裝置控制器包括 目標扭矩確定單元，所述目標扭矩確定單元在所述正常操作模式下基于根據(jù)所述可再生能源的流速的所述旋轉軸的最佳扭矩來確定所述液壓泵的目標扭矩； 泵需量確定單元，所述泵需量確定單元在所述正常操作模式下從所述液壓泵的所述目標扭矩來確定所述液壓泵的移位的需量Dp ;以及 泵控制單元，所述泵控制單元調節(jié)所述液壓泵在所述需量Dp下的移位。
3.根據(jù)權利要求I所述的可再生能源型的發(fā)電裝置，其中所述傳動裝置控制器包括 馬達目標功率確定單元，所述馬達目標功率確定單元基于所述液壓泵的目標輸出功率POffERp來確定所述液壓馬達的目標輸出功率POWERm ； 馬達需量確定單元，所述馬達需量確定單元在所述正常操作模式下基于確定的目標輸出功率POWERm來確定所述液壓馬達的移位的需量Dm，使得所述同步發(fā)電機在所述同步速度下旋轉；以及 馬達控制單元，所述馬達制單元調節(jié)所述液壓馬達在所述需量Dm下的移位。
4.根據(jù)權利要求I所述的可再生能源型的發(fā)電裝置，還包括 端子電壓檢測器，所述端子電壓檢測器檢測所述同步發(fā)電機的端子電壓； 勵磁機，所述勵磁機對所述同步發(fā)電機的勵磁繞組供應勵磁電流；以及勵磁機控制器，所述勵磁機控制器基于由所述端子電壓檢測器檢測到的端子電壓與用于所述端子電壓的命令值之間的差來控制所述勵磁機。
5.根據(jù)權利要求4所述的可再生能源型的發(fā)電裝置，其中所述勵磁機控制器控制所述勵磁機，使得在所述同步發(fā)電機的所述端子電壓由于在所述電網(wǎng)處或從所述同步發(fā)電機到所述電網(wǎng)的傳輸線處的故障事件而下降之后，所述勵磁電流立即被增加。
6.根據(jù)權利要求5所述的可再生能源型的發(fā)電裝置，其中在由所述勵磁機增加所述勵磁電流之后，所述勵磁機控制器控制所述勵磁機，使得當所述同步發(fā)電機的內相位角增加時所述勵磁電流增加，并且當所述同步發(fā)電機的內相位角減小時所述勵磁電流減小。
7.根據(jù)權利要求3所述的可再生能源型的發(fā)電裝置，其中所述傳動裝置控制器在故障事件響應模式下控制所述液壓傳動裝置以調節(jié)所述液壓馬達的移位，使得當所述同步發(fā)電機的端子電壓由于在從所述電網(wǎng)到所述同步發(fā)電機的傳輸線處或在所述電網(wǎng)處的故障事件而下降時，所述同步發(fā)電機的負載扭矩與由所述液壓馬達輸入到所述同步發(fā)電機的扭矩之間的差減小。
8.根據(jù)權利要求7所述的可再生能源型的發(fā)電裝置，其中所述傳動裝置控制器包括 馬達需量確定單元，所述馬達需量確定單元在所述故障事件響應模式下基于由所述同步 發(fā)電機產(chǎn)生的電力來確定所述液壓馬達的移位的需量Dm;以及 馬達控制單元，所述馬達控制單元調節(jié)所述液壓馬達在所述需量Dm下的移位。
9.根據(jù)權利要求8所述的可再生能源型的發(fā)電裝置，還包括 槳距驅動機構，所述槳距驅動機構調節(jié)所述葉片的槳距角， 其中所述槳距驅動機構在所述電網(wǎng)或所述傳輸線處的所述故障事件期間朝順槳位置改變所述葉片的所述槳距角。
10.根據(jù)權利要求9所述的可再生能源型的發(fā)電裝置，其中在從所述故障事件恢復開始之后，所述槳距驅動機構朝精調位置改變所述葉片的所述槳距角，并且所述馬達需量確定單元增加所述液壓馬達的移位的需量Dm以增加由所述同步發(fā)電機所產(chǎn)生的電力。
11.根據(jù)權利要求5所述的可再生能源型的發(fā)電裝置，其中所述故障事件是所述電網(wǎng)的電壓下降到電網(wǎng)規(guī)范中規(guī)定的電壓或更低的狀況。
12.根據(jù)權利要求4所述的可再生能源型的發(fā)電裝置， 其中所述勵磁機控制器包含晶閘管，所述晶閘管使所述勵磁機的定子磁場勵磁， 其中所述勵磁機是AC勵磁機，所述AC勵磁機包括由所述晶閘管勵磁的所述定子磁場以及隨所述同步發(fā)電機的軸旋轉的轉子電樞，DC勵磁電流從所述轉子電樞經(jīng)由旋轉整流器被供應至所述同步發(fā)電機的所述勵磁繞組。
13.根據(jù)權利要求12所述的可再生能源型的發(fā)電裝置，還包括 輔助勵磁機，所述輔助勵磁機包含永磁發(fā)電機，所述永磁發(fā)電機與所述同步發(fā)電機一起被附接到公共軸， 其中所述勵磁機控制器的所述晶閘管使用所述輔助勵磁機作為電源并且使所述勵磁機的所述定子磁場勵磁。
14.根據(jù)權利要求I所述的可再生能源型的發(fā)電裝置，其中所述發(fā)電裝置是從作為所述可再生能源的風產(chǎn)生電力的風力發(fā)電機。
15.一種可再生能源型的發(fā)電裝置的操作方法，所述可再生能源型的發(fā)電裝置包括旋轉軸，所述旋轉軸通過經(jīng)由葉片接收到的可再生能源而旋轉；液壓傳動裝置，所述液壓傳動裝置包括由所述旋轉軸驅動的液壓泵和由從所述液壓泵供給的加壓油驅動的液壓馬達；以及同步發(fā)電機，所述同步發(fā)電機由所述液壓馬達驅動以產(chǎn)生電力并且在無中間頻率轉換電路的情況下被聯(lián)接到電網(wǎng)，產(chǎn)生的電力被供應至所述電網(wǎng)，所述操作方法包括如下步驟 在正常操作模式下控制所述液壓傳動裝置以調節(jié)所述液壓泵和所述液壓馬達中的每個的移位，使得所述旋轉軸以相對于所述可再生能源的流速是可變的轉速旋轉，同時基于所述電網(wǎng)在所述發(fā)電裝置的正常操作期間的頻率，將所述同步發(fā)電機的轉速保持在同步速度。
16.根據(jù)權利要求15所述的可再生能源型的發(fā)電裝置的操作方法，還包括如下步驟 在所述同步發(fā)電機的端子電壓由于在所述電網(wǎng)處或從所述同步發(fā)電機到所述電網(wǎng)的傳輸線處的故障事件而下降之后，立即增加被供應至所述同步發(fā)電機的勵磁繞組的勵磁電流。
17.根據(jù)權利要求15所述的可再生能源型的發(fā)電裝置的操作方法，還包括如下步驟在故障事件響應模式下控制所述液壓傳動裝置以調節(jié)所述液壓馬達的移位，使得當所述同步發(fā)電機的端子電壓由于在從所述同步發(fā)電機到所述電網(wǎng)的傳輸線處或在所述電網(wǎng)處的故障事件而下降時，所述同步發(fā)電機的負載扭矩與由所述液壓馬達輸入到所述同步發(fā)電機的扭矩之間的差減小。
全文摘要
旨在提供一種可再生能源型的發(fā)電裝置以及一種該發(fā)電裝置的操作方法，該發(fā)電裝置可以在無頻率轉換電路的情況下實現(xiàn)可變速操作和電網(wǎng)連接兩者并且該發(fā)電裝置使用液壓傳動裝置。在該可再生能源型的發(fā)電裝置(1)中，經(jīng)由葉片(4)所接收的可再生能源經(jīng)由旋轉軸(8)和液壓傳動裝置(10)被傳輸?shù)酵桨l(fā)電機(20)。同步發(fā)電機(20)由液壓傳動裝置(10)的液壓馬達(14)驅動以產(chǎn)生電力。同步發(fā)電機(20)在無頻率轉換電路的情況下被連接到電網(wǎng)，并且由同步發(fā)電機(20)產(chǎn)生的電力被供應至電網(wǎng)(50)。發(fā)電裝置(1)還設有控制液壓傳動裝置(10)的傳動裝置控制器(40)。傳動裝置控制器(40)在正常操作模式下控制液壓傳動裝置(10)以調節(jié)液壓泵(12)和液壓馬達(14)中的每個的移位，使得旋轉軸(8)以相對于該可再生能源的流速是可變的轉速旋轉，同時基于電網(wǎng)(50)在發(fā)電裝置的正常操作期間的頻率，將同步發(fā)電機(20)的轉速保持在同步速度。
文檔編號F03D7/02GK102985686SQ201180034059
公開日2013年3月20日 申請日期2011年11月30日 優(yōu)先權日2010年11月30日
發(fā)明者橋本淳, 若狹強志, 弗朗西斯科·巴爾迪尼, 尼爾·考德威爾, 杰米·泰勒, 丹尼爾·杜姆挪夫 申請人:三菱重工業(yè)株式會社