CN101815862A - 对由流体流进行发电的改进 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于发电设备5的可旋转驱动机构。该驱动机构提供发电机20和为比如风力或水力涡轮机的涡轮机10之间的连接。在使用中，涡轮机10以可变速度旋转，可旋转驱动机构为发电机20产生固定速度输出。驱动机构包括具有两个输出轴的差速变速箱16：一个输出轴经由轴26驱动发电机20，另一输出轴经由传动装置18驱动电机30。在使用中，由电机30提供的可变反作用转矩可以用来控制输出轴26处的转矩和速度。在变速箱16的反作用点处测量来自涡轮机10的输入转矩，该测量结果用来改变由电机30提供的反作用转矩。在使用中，操作电机30以使得变速箱18的惯量和电机30的惯量被抵消，以便提供反作用转矩的几乎即时改变，从而更加有效地控制输出轴26的速度。

Description

对由流体流进行发电的改进
技术领域
本发明涉及对由流体流驱动的可旋转涡轮机所进行的发电的控制，所述可旋转涡轮机例如是风力或水力涡轮机。
背景技术
在通常已知由风力动能或水力动能驱动的涡轮机等进行发电时，已证实在输入中出现波动时提供合理恒定的输出的问题是难以克服的。具体地，在必须向电网系统供给交流电输出的情况下，因为对于诸如同步发电机的许多交流发电机而言输出频率与其从动转矩或速度成比例地变化，所以改变施加给发电机的转矩会产生一些问题。控制发电机的从动速度而没有效率损失是困难的，例如在风力涡轮机中，涡轮叶片节距控制可以用来有效地在大风期间溢出风能，以便保持施加给发电机的转矩合理恒定。常规上，能够调整功率输出，然后在需要时产生交流电，因此输入频率不是那么重要。机械可变速传动是另一种可选的操作方法，但是这些技术会导致损耗。
公开文献US 2007/0007769示出了一种通过经由液力联轴节选择性地调节引入传动系统的反作用转矩而机械地调节发电机速度的方法。该文献使用行星齿轮结构，用于引入反作用转矩以及用于在满载条件下可变地调节输出轴的速度。然而，因为采用全功率额定液力联轴节来提供可变速比，在高速时调节输出速度会使能量损失，所以这个系统并不高效。
WO96/30669示出了行星可变速比变速箱，其用来控制用于风力涡轮机发电机的输出。该变速箱采用能够被激励为向前运转或反向运转的步进马达。
EP 0120654示出了速度控制变速箱，其使用液力机器或电机作为马达或发电机来控制差速可变速比变速箱的反作用分支(reactionleg)。然而，当使用小电机时，为了节省成本和减小重量，需要具有减速变速箱来增大电机的转矩。这又具有增大电机的有效惯量的效果，在可变速比变速箱中需要快速改变反作用转矩时该惯量会产生一些问题。
同步发电机将会与电网的交变电流同相，并且在一定程度上被电网拉入或推入同相。然而，为了避免效率低下，更好的是通过改变发电机的输入转矩来将发电机正确地保持为同相。
发明内容
本发明的实施例解决上述问题。
根据本发明的第一方面，提供一种用于驱动发电机的可旋转驱动机构，该机构由可变的转速输入提供用于驱动发电机的基本恒定的转速输出，该机构包括可变速度输入端、用于从所述可变速度输入端接收功率的齿轮差速变速器，所述差速变速器具有两个功率分配路径，所述功率分配路径中的第一路径与用于驱动发电机的输出端旋转连接，所述功率分配路径中的第二路径与能够操作来在所述第二路径中提供可变反作用转矩的电机旋转连接，所述可旋转驱动机构包括转矩监测器以及控制器，所述转矩监测器用于监测所述输入端处的动态转矩，所述控制器用于响应所监测的转矩的变化通过使所述电机作为马达或发电机工作而改变所述第二路径中的反作用转矩，从而使得所述输出端具有基本上恒定的转速，其特征在于，所述监测器监测所述输入端处的动态转矩，所述控制器操作所述电机以抵消所述电机和/或所述第二路径的至少一部分惯量。
在一个实施例中，所述输出端包括轴和增速变速箱，所述增速变速箱用于增大传递至所述齿轮变速器的转速。
优选地，所述动态转矩监测器监测所述增速变速箱的基本固定的反作用转矩。
有利地，所述差速变速器包括行星齿轮结构，所述行星齿轮结构具有由所述输入端驱动的行星齿轮架、形成所述第一功率路径的一部分的太阳轮以及形成所述第二功率路径的一部分的齿圈。
在一个实施例中，当输入速度低于预定值时，所述电机能作为马达工作并且在所述第二路径中提供可变反作用转矩，使得驱动态转矩经由所述第二功率路径供给至所述齿轮差速变速器，由此将所述第一功率路径的转速基本上维持为预定速度。
优选地，当输入速度在所述预定值之上时，所述电机作为发电机工作，并提供另一可变反作用转矩，并且经由所述第二功率路径接收来自所述齿轮变速器的功率，由此将所述第一功率路径的转速基本上维持为所述预定速度。
有利地，所述第二功率路径包括用于改变所述第二功率路径的转速的另一传动装置。
在一个实施例中，所述第一功率路径或所述第二功率路径包括用于在所述转子的旋转受到抑制但是所述发电机仍然运动时使相应的路径分离或制动的离合器或制动器。
优选地，所述电机是切换磁阻电机(SRM)。
更优选地，所述SRM的角位置被部分地用来控制反作用转矩。
根据本发明的第二方面，提供一种控制发电机驱动机构的转速的方法，所述方法提供由可变速度的输入产生的用于发电机的基本恒定的转速，所述方法采用的机构由可变的转矩输入提供用于驱动发电机的基本恒定的转速输出，所述机构包括可变速度输入端、用于从所述可变速度输入端接收功率的齿轮差速变速器，所述差速变速器具有两个功率分配路径，所述功率分配路径中的第一路径与用于驱动发电机的输出端旋转连接，所述功率分配路径中的第二路径与能够操作来在所述第二路径中提供可变反作用转矩的电机旋转连接，所述方法包括以任意合适顺序执行的以下步骤：
a)监测所述输入端的动态转矩；
b)响应所监测的动态输入转矩，通过使所述电机作为马达或发电机工作而控制所述第二路径中的反作用转矩，从而使得所述输出端具有基本上恒定的转速；所述方法的特征在于以下步骤：
c)操作所述电机以基本上抵消所述第二路径和/或所述电机中的惯量的影响。
优选地，所监测的动态输入转矩是所述齿轮差速变速器的反作用转矩。
有利地，所述方法包括以下进一步的步骤：
d)除了步骤a)之外，还测量输入速度和发电机负载；以及
e)响应所述输入速度和发电机负载以及响应所监测的输入转矩，通过使所述电机作为马达或发电机工作而控制所述第二路径中的反作用转矩。
更有利地，所述方法包括以下进一步的步骤：
f)在第一预定输入速度范围内使所述电机作为马达工作；以及
g)在第二预定输入速度范围内使所述电机作为发电机工作，其中所述第二预定输入速度范围高于所述第一预定输入速度范围。
根据第三方面，本发明提供一种用于驱动发电机的可旋转驱动机构，所述可旋转驱动机构由可变的转速输入提供用于驱动发电机的基本恒定的转速输出，所述可旋转驱动机构包括可变速度输入端、用于从所述可变速度输入端接收功率的齿轮差速变速器，所述差速变速器具有两个功率分配路径，所述功率分配路径中的第一路径与用于驱动发电机的输出端旋转连接，所述功率分配路径中的第二路径与能够操作来在所述第二路径中提供可变反作用转矩的电机旋转连接，所述可旋转驱动机构包括转矩监测器以及控制器，所述转矩监测器用于监测所述输入端处的动态转矩，所述控制器用于响应所监测的转矩的变化通过使所述电机作为马达或发电机工作而改变所述第二路径中的反作用转矩，从而使得所述输出端具有基本上恒定的转速，其特征在于，通过测量所述齿轮差速变速器的固定反作用转矩来监测动态输入转矩。
本发明延及一种风力或水力涡轮机，具有上述可旋转驱动机构，或者具有能够根据上述方法工作的驱动机构。
根据另一方面，本发明提供一种风力或水力涡轮机，包括可变速的风力或水力可驱动转子、发电机以及在所述转子和所述发电机之间提供旋转连接的差速变速箱，所述发电机能够经由所述变速箱由可变速转子以基本上恒定的速度驱动，所述变速箱提供反作用抵抗转子转矩的可变转矩，从而允许基本上恒定的发电机速度并且允许所述转子的速度随着风速或水速的增大或减小而增大或减小，其特征在于，测量在所述变速箱的反作用点处由所述转子施加到所述变速箱的动态输入转矩，以便提供反作用抵抗所述转子的所述可变转矩。18.根据权利要求17所述的风力或水力涡轮机，其中，所述可变反作用转矩能够由与所述变速箱具有另一旋转连接的另一发电机提供，所述另一发电机能够作为另一发电机或马达工作，并且还能够操作来基本上抵消其自身惯量和/或所述另一旋转连接的惯量。
优选地，另一发电机为切换磁阻电机。
附图说明
以下将参考附图通过例子说明本发明的一个实施例，其中：
图1示出用于由流体流发电的系统的示意图；
图2示出用于图1的发电系统的传动系统的示意图；
图3为功率输出和马达/发电机速度对转子速度的曲线图；以及
图4为该系统的控制方法的流程图。
具体实施方式
参考图1，示出了发电设备5，该发电设备5包括支撑在轴12上的风力涡轮机转子10。图中示出了主轴承14，但是为了简明起见，未示出轴承14的壳体。轴12用作供给行星增速变速箱16的输入轴，该行星增速变速箱16将转速增加约20倍。来自变速箱16的功率用来驱动发电机20，如图2所示。
发电机20以同步的方式运转，因而发电机的输出频率取决于其被驱动的速度。因此，变速箱16和发电机20之间具有包括马达/发电机30的速度控制机构18，该速度控制机构18将在下面更加详细地说明。
图2示意性地示出了图1中所示的发电设备5的内部。输入轴12驱动行星变速箱16。行星变速箱驱动小齿轮17，接着小齿轮17驱动正齿轮19。正齿轮19连接至速度控制机构18。这个机构具有输入端22，该输入端22将功率供给至行星差速变速器24的行星架。行星差速变速器具有由输入端22驱动的行星架、与电机30操作性地连接的太阳轮25以及与发电机20操作性地连接的齿圈23。由转子提供的功率可以采取两个路径：全部功率或部分功率可以经由齿圈23、经由输出轴26直接流向发电机20，或者一些功率可以经由太阳轮25以及齿轮副28和32传递至电机30。电机30为切换磁阻电机，该切换磁阻电机可以作为马达或发电机工作。
在工作中，行星变速器24将功率从输入端22沿阻力最小的路径传递，因此马达/发电机30为了在发电机20处发电要提供一定的反作用转矩。反作用转矩的量可以利用马达/发电机30显著地改变。应当注意到，齿轮副28和32将会使电机30的速度减速，从而对功率较低的电机30提供较大的反作用转矩。从而，可以使用较小的电机30在太阳轮25处产生较高的反作用转矩。然而，减速传动装置具有较高的惯性，这将会在需要改变反作用转矩以例如克服阵风或风力暂停导致的输入转矩的突然改变时影响反作用转矩。
使用中，在低风速条件下开始时，转子的转速将大于大约14rpm。马达/发电机可以用作马达来产生反作用转矩，使得行星机构24的太阳轮25的速度产生净的正增长，从而输入端22的全部功率可以供给至发电机。如果马达/发电机30提供这样的转矩，那么这将增大齿圈23的速度，使得在这种情况下发电机以期望的1512rpm速度转动。
当风速增大时，因为输入端22现在转动的较快，所以马达的速度可以减小。在大约17.3rpm(在这个例子中)的转子速度处，输入速度与发电机输入速度相配，因此尽管在太阳轮25处将会需要一定的反作用转矩，但马达/发电机产生的反作用转矩使得马达的速度为零。
在此低风速工作区域中，即使马达/发电机30需要电力进行工作，功率也是全部由设备5产生。
当风速增大到使得转子以大于大约17.3rpm速度转动时，为了保持输出轴26以正确的速度转动，功率必须从输出轴26传递出去而供给到马达/发电机30中。因此，马达/发电机30必须提供滑动的反作用转矩。这可以通过将马达/发电机30用作发电机来实现。在此情况下，可以通过改变马达/发电机30上的负载来改变转矩的大小，该负载可以变化以维持轴26的速度。
当转子速度超过大约20rpm时，离合器42可以分离，以允许转子自由旋转。或者可以采用制动器。在低于大约14rpm时整个机器不工作。
图3示出了A-涡轮机功率(转子的转矩×速度)、B-发电机功率(全部功率输出)、C-SR驱动(马达/发电机30的功率消耗/产生)以及D-SR rpm(马达/发电机30维持轴26的正确输出速度所需的速度)。
可以看到，发电机功率在转子速度的中间范围上基本上恒定，仅仅需要设备产生的总功率的一小部分来进行转矩控制。
实际上，风力很少是恒定的，因此变速器将会响应由风速改变导致的输入转矩变化而不断地改变其操作。图4示出了当风速发生变化时控制马达/发电机30产生的反作用转矩的方法。在步骤100中监测输入速度，比如可以测量转子的速度。在步骤110中根据下游控制来设定或测量发电机负载。在步骤120中，可以根据输入速度和发电机负载输入轴控制马达/发电机30产生的反作用转矩。反作用转矩的改变使得出现阵风时涡轮机加速，以将多余的风能有效地转换为涡轮机的旋转能，以及在风力出现暂停时通过从涡轮机抽取更多的能量来进行减速。
当考虑系统元件的传动和输入端速度的改变时，因为机器的惯量相当大，所以风力导致的动态效果是重要的。因此，通过在步骤130中进一步调节反作用转矩来增强上一段所述的控制方法。在该步骤中，测量输入的动态转矩负载。这是通过测量在增速变速箱16中的大体固定的反作用点上施加的力而实现的。调节马达/发电机30产生的反作用转矩以考虑这种动态输入转矩的改变。例如，在突然出现阵风时，输入的动态转矩将会突然增大。例如可以通过将马达/发电机设定为用作发电机并且让太阳轮打滑来从发电机20取走速度，可以几乎立即设定取决于输入转矩和发电机负载的理论反作用转矩。然而实际上，因为齿轮副28和32的惯量以及马达/发电机30的惯量，所设定的反作用转矩中的任何改变都将要在一段时间后才产生影响，并且在该例子中，将在一段时间后才出现足够的滑动。为了有助于上述过程以及防止发电机20的速度过快，可以沿着太阳轮25滑动的方向立刻向马达/发电机30提供功率，因此基本上抵消了上述惯量的影响。
因为使用了切换磁阻电机(SRM)，所以几乎立刻进行设定由马达/发电机提供的反作用转矩的过程。
通过改变机器的适当线圈中的电流，每转进行360次对由SRM提供的转矩的调节，而有效地控制转矩。
在工作中，测量涡轮机的速度，测量对变速箱的输入转矩的反作用，由此可以确定涡轮机的功率。这使得可以在发电机上施加正确的负载。得到涡轮机的功率使得SRM反作用转矩能够被合适地调节，从而发电机可以以正确的速度工作。通过测量变速箱中反作用点处的动态输入转矩并且利用SRM几乎立即实现反作用转矩的改变，来有效地维持正确的发电机速度。监测SRM的角位置，并且可以正确地切换SRM的线圈中的电流，从而能够产生正确的反作用转矩。
以上仅仅描述了一个实施例，但是各种改变、修改、变型等对于本领域技术人员而言将会是清楚的。具体地，可以改变齿轮的布置以提供等效的作用。所述的机器为风力涡轮机，但是相同的原理也可以应用于流体流驱动的机器，比如潮汐涡轮机。

Claims (19)

1.一种用于驱动发电机的可旋转驱动机构，所述可旋转驱动机构由可变的转速输入提供用于驱动发电机的基本恒定的转速输出，所述可旋转驱动机构包括可变速度输入端、用于从所述可变速度输入端接收功率的齿轮差速变速器，所述差速变速器具有两个功率分配路径，所述功率分配路径中的第一路径与用于驱动发电机的输出端旋转连接，所述功率分配路径中的第二路径与能够操作来在所述第二路径中提供可变反作用转矩的电机旋转连接，所述可旋转驱动机构包括转矩监测器以及控制器，所述转矩监测器用于监测所述输入端处的动态转矩，所述控制器用于响应所监测的转矩的变化通过使所述电机作为马达或发电机工作而改变所述第二路径中的反作用转矩，从而使得所述输出端具有基本上恒定的转速，其特征在于，所述监测器监测所述输入端处的动态转矩，所述控制器操作所述电机以抵消所述电机和/或所述第二路径的至少一部分惯量。
2.根据权利要求1所述的可旋转驱动机构，其中，所述输入端包括轴和增速变速箱，所述增速变速箱用于增大传递至所述齿轮变速器的转速。
3.根据权利要求2所述的可旋转驱动机构，其中，所述动态转矩监测器监测所述增速变速箱的基本固定的反作用转矩。
4.根据前述权利要求中任一项所述的可旋转驱动机构，其中，所述差速变速器包括行星齿轮结构，所述行星齿轮结构具有由所述输入端驱动的行星齿轮架、形成所述第一功率路径的一部分的太阳轮以及形成所述第二功率路径的一部分的齿圈。
5.根据前述权利要求中任一项所述的可旋转驱动机构，其中，当输入速度低于预定值时，所述电机能作为马达工作并且在所述第二路径中提供可变反作用转矩，使得驱动转矩经由所述第二功率路径供给至所述齿轮变速器，由此将所述第一功率路径的转速基本上维持为预定速度。
6.根据前述权利要求中任一项所述的可旋转驱动机构，其中，当输入速度在所述预定值之上时，所述电机作为发电机工作，并提供另一可变反作用转矩，并且经由所述第二功率路径接收来自所述齿轮变速器的功率，由此将所述第一功率路径的转速基本上维持为所述预定速度。
7.根据前述权利要求中任一项所述的可旋转驱动机构，其中，所述第二功率路径包括用于改变所述第二功率路径的转速的另一传动装置。
8.根据前述权利要求中任一项所述的可旋转驱动机构，其中，所述第一功率路径或所述第二功率路径包括用于在所述转子的旋转受到抑制但是所述发电机仍然运动时使相应的路径分离或制动的离合器或制动器。
9.根据前述权利要求中任一项所述的可旋转驱动机构，其中，所述电机为切换磁阻电机(SRM)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的可旋转驱动机构，其中，所述SRM的角位置被部分地用来控制所述反作用转矩。
11.一种控制发电机驱动机构的转速的方法，所述方法提供由可变速度的输入产生的用于发电机的基本恒定的转速，所述方法采用的机构由可变的转矩输入提供用于驱动发电机的基本恒定的转速输出，所述机构包括可变速度输入端、用于从所述可变速度输入端接收功率的齿轮差速变速器，所述差速变速器具有两个功率分配路径，所述功率分配路径中的第一路径与用于驱动发电机的输出端旋转连接，所述功率分配路径中的第二路径与能够操作来在所述第二路径中提供可变反作用转矩的电机旋转连接，所述方法包括以任意合适顺序执行的以下步骤：
a)监测所述输入端的动态转矩；
b)响应所监测的动态输入转矩，通过使所述电机作为马达或发电机工作而控制所述第二路径中的反作用转矩，从而使得所述输出端具有基本上恒定的转速；所述方法的特征在于以下步骤：
c)操作所述电机以基本上抵消所述第二路径和/或所述电机中的惯量的影响。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所监测的动态输入转矩是所述齿轮差速变速器的反作用转矩。
13.根据权利要求11或12所述的方法，包括以下进一步的步骤：
d)除了步骤a)之外，还测量输入速度和发电机负载；以及
e)响应所述输入速度和发电机负载以及响应所监测的输入转矩，通过使所述电机作为马达或发电机工作而控制所述第二路径中的反作用转矩。
14.根据权利要求13所述的方法，包括以下进一步的步骤：
f)在第一预定输入速度范围内使所述电机作为马达工作；以及
g)在第二预定输入速度范围内使所述电机作为发电机工作，其中所述第二预定输入速度范围高于所述第一预定输入速度范围。
15.一种用于驱动发电机的可旋转驱动机构，所述可旋转驱动机构由可变的转速输入提供用于驱动发电机的基本恒定的转速输出，所述可旋转驱动机构包括可变速度输入端、用于从所述可变速度输入端接收功率的齿轮差速变速器，所述差速变速器具有两个功率分配路径，所述功率分配路径中的第一路径与用于驱动发电机的输出端旋转连接，所述功率分配路径中的第二路径与能够操作来在所述第二路径中提供可变反作用转矩的电机旋转连接，所述可旋转驱动机构包括转矩监测器以及控制器，所述转矩监测器用于监测所述输入端处的动态转矩，所述控制器用于响应所监测的转矩的变化通过使所述电机作为马达或发电机工作而改变所述第二路径中的反作用转矩，从而使得所述输出端具有基本上恒定的转速，其特征在于，通过测量所述齿轮差速变速器的固定反作用转矩来监测动态输入转矩。
16.一种风力或水力涡轮机，具有根据权利要求1至10或15中任一项所述的可旋转驱动机构，或者具有能够根据权利要求11至14的方法工作的驱动机构。
17.一种风力或水力涡轮机，包括可变速的风力或水力可驱动转子、发电机以及在所述转子和所述发电机之间提供旋转连接的差速变速箱，所述发电机能够经由所述变速箱由可变速转子以基本上恒定的速度驱动，所述变速箱提供反作用抵抗转子转矩的可变转矩，从而允许基本上恒定的发电机速度并且允许所述转子的速度随着风速或水速的增大或减小而增大或减小，其特征在于，测量在所述变速箱的反作用点处由所述转子施加到所述变速箱的动态输入转矩，以便提供反作用抵抗所述转子的所述可变转矩。
18.根据权利要求17所述的风力或水力涡轮机，其中，所述可变反作用转矩能够由与所述变速箱具有另一旋转连接的另一发电机提供，所述另一发电机能够作为另一发电机或马达工作，并且还能够操作来基本上抵消其自身惯量和/或所述另一旋转连接的惯量。
19.根据权利要求18所述的风力或水力涡轮机，其中，所述另一发电机为切换磁阻电机。
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