[发明专利]涡轮机速度稳定控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及用于涡轮机发电系统的控制环涡轮机旋转速度控制系统以及用于控制涡轮机旋转速度的方法。

在实施例中，本发明涉及涡轮机发电系统的涡轮机速度的控制和稳定。需要闭环速度控制以精确地设定涡轮机速度并且还用于防止速度振荡，否则该速度振荡在一些风力状况下出现。该系统的动态性能和稳定性很大程度上取决于闭环液压静力传动系统的内部泄漏水平，该动态性能和稳定性的效果通过涡轮机速度和扭矩的操作点来修整。本发明更具体地涉及一种用于防止涡轮机速度变化的系统和方法，所述涡轮机速度变化由闭环液压静力传动系统中的内部泄漏所致的涡轮机速度变化引起，所述闭环液压静力传动系统用于将能量从涡轮机传递至发电机。

背景技术

在常规风力涡轮机发电系统中，来自于风力的能量被机械地(直接地或通过旋转增速齿轮机构)传递到发电机。发电机必须以额定速度旋转，以能够将电力传输到连接到发电系统的电网或网络。如果在低风速状况期间涡轮机未向系统供应合适水平的机械扭矩，那么其将未能传输能量，且相反发电机起作用为电动机并且电网将通过机械齿轮机构驱动发电机和涡轮机。在另一方面，如果风力太大，那么风力涡轮机转子的角速度可能针对发电机来说太大而不能正确地操作或者机械装置可由于强风力而遭到破坏。

美国专利US-A-6,911,743描述了一种风力涡轮机发电系统，其包括用于将风能传递给发电机的主齿轮驱动传动装置。具有可变排量的液压传动装置系统与齿轮驱动系统并行地运行。齿轮驱动传动装置和液压传动泵都由推进器通过分流齿轮驱动。在发电机侧，液压马达改变互连机械传动装置和发电机轴的行星齿轮的传动比。为了获得在波动风速下发电机的恒定旋转速度，风速被测量并且用作控制器的输入，该控制器能够根据被测量风速改变可变排量液压马达/泵的排量。

在数篇文献中已经提出使用液压静力传动系统，所述液压静力传动系统包括用于将能量从涡轮机传递到发电机的液压泵和液压马达。通过采用具有可变排量的液压泵和/或马达，可能快速地改变液压系统的传动比，以在变化风力状况下保持期望发电机速度。

在US-A-4,503,673(Schachles，1979)中，涡轮机泵所产生的液压压力被感测并且与基准值比较，所述基准值随着风速而变化。如果压力低于设定值，那么马达排量增加，因而增加涡轮机速度直到实际压力等于设定压力为止。因此，当风速增加时，涡轮机速度也按照基准值随风速变化的方式增加，以便产生恒定叶尖速比(TSR)。

与在US-A-4,503,673中所描述的使用压力测量值来控制发电机速度的系统相比，测量涡轮机旋转速度以及使用其作为根据本发明的控制系统的输入具有一些益处。这些益处包括：

-最大效率操作点的改进精度。这是由于在给定风速下针对涡轮机速度变化的液压压力的低变化率，涡轮机速度变化会导致其操作中的不确定性。还可能的是，图形关系是向上凹曲的，这会加剧该问题。使用涡轮机速度控制，可更精确地限定产生最大涡轮机效率的速度。

-由于上述原因以及还由于在系统中液压压力升高的方式，可能的是，在提供对于压力控制系统的可接受动态响应中存在问题。在该情况下并且为了避免不稳定性，系统控制器增益值会必须设定在一定水平，该水平会进一步牺牲其稳态精度。

日本专利申请JP11287178描述了一种风力涡轮机发电系统，其包括在闭环液压静力系统中的液压泵和液压马达，以驱动发电机。发电机/液压马达组件的旋转速度被测量并且用作控制器的输入，该控制器能够改变可变排量液压马达的排量，以保持发电机速度且因此输出频率在波动风速下是稳定的。作为测量发电机旋转速度的替代方法，JP11287178还描述了一种系统，其中在液压传动系统的高压侧中的油压被测量并且用作控制器的输入，该控制器能够改变可变排量液压马达的排量，以保持发电机速度且因此输出频率在波动风速下是稳定的。

液压静力传动系统允许在定位部件方面比机械传动装置更为灵活。

将发电机再定位成远离风力涡轮机发电系统的塔顶部会将显著量的重量从塔顶部移除。替代地，发电机可设置在地面上或者在塔底部。液压静力马达和发电机在地面高度上的这种配置将进一步便于管理和维护这些部件，因为它们在地面高度容易被接近。