CN103038504A - 可再生能源型的发电设备及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

旨在提供一种可再生能源型的发电设备，其中，同步发电机能够在没有频率转换电路的情况下连接到电网，并且能够提高在低负载操作期间的效率并且能够避免由于发电机的故障而错过发电的时机。可再生能源型的发电设备（1）可以包括：旋转轴（8），通过经由叶片（4）接收到的可再生能源来进行旋转；液压泵（12），通过旋转轴（8）来驱动以产生增压油；液压马达（14k），通过所述增压油来驱动；以及同步发电机（20k），在没有频率转换电路介入的情况下连接到电网（50）并且分别耦合到液压马达（14k）。液压马达（14k）的排量通过马达控制单元（48）来独立地调节。同步器（120）将每个液压马达（14k）的排量的命令值供应给马达控制单元（48），使得在同步发电机（20k）连接到电网之前，每个同步发电机（20k）的端子电压的频率和相位与电网（50）同步。

Description

可再生能源型的发电设备及其操作方法
技术领域
本发明涉及一种可再生能源型的发电设备以及可再生能源型的发电设备的操作方法，该可再生能源型的发电设备通过经由液压传动装置来将旋转轴的旋转能量传送到发电机来发电并且将该电力供应给电网。该可再生能源型的发电设备从诸如风、潮汐流、洋流以及河流等的可再生能源发电，并且该可再生能源型的发电设备例如包括风力涡轮发电机、潮汐发电机、洋流发电机、河流发电机等。
背景技术
近年来，从保护环境的角度看，越来越流行使用诸如利用风力的风力涡轮发电机的可再生能源型的发电设备以及诸如利用潮汐的潮汐流发电机的可再生能源型涡轮发电机。在可再生能源型的发电设备中，风、潮汐流、洋流或河流的运动能量被转换成转子的旋转能量，并且通过发电机将转子的旋转能量转换成电能。
在这种类型的可再生能源型的发电设备中，发电机通常连接到电网。关于风力涡轮发电机，存在不同类型的发电机和将发电机连接到电网的不同方式。使用图13A和图13B中所示的连接的风力涡轮发电机是公知的。
在图13A中所示出的类型的风力涡轮发电机中，二次绕线式感应发电机520经由增速齿轮500连接到转子。二次绕线式感应发电机520具有直接连接到电网50的定子绕组、以及经由AC-DC-AC转换器530连接到电网50的转子绕组。AC-DC-AC转换器530由发电机侧逆变器532、DC母线534以及电网侧逆变器536形成。发电机侧逆变器532通过控制转子绕组的电流以调节发电机转矩来实现变速操作。同时，电网侧逆变器536将从二次绕线式感应发电机的转子绕组接收到的电力转换成符合电网频率的AC电力。在图13B中所示出的类型的风力涡轮发电机中，同步发电机540连接到转子2。同步发电机540经由AC-DC-AC链路550连接到电网。AC-DC-AC链路550由转换器552、DC母线554以及逆变器556形成。AC-DC-AC链路550通过调节同步发电机540的转矩来实现变速操作，并且还将在同步发电机540中产生的电力转换成符合电网50的频率的AC电力。
在专利文献1中公开了类似于图13B中所示出的类型的风力涡轮发电机。在专利文献1中所公开的风力涡轮发电机中，经由增速齿轮连接到转子的同步发电机通过无源整流器和逆变器连接到电网。
专利文献1还提出了将多个同步发电机连接到增速齿轮，并且经由无源整流器和逆变器将同步发电机中的每一个连接到电网。
近年来，使用包括液压泵和液压马达的液压传动装置的可再生能源型的发电设备正吸引更多的关注。
例如，专利文献1公开了一种使用包括通过转子旋转的液压泵和连接到发电机的液压马达的液压传动装置的风力涡轮发电机。在该风力涡轮发电机的液压传动装置中，液压泵和液压马达经由高压油箱和低压油箱连接。通过这样，转子的旋转能量经由液压传动装置被传送到发电机。另外，液压泵由多个组的活塞和缸以及凸轮构成，该凸轮使缸中的活塞周期性地往复运动。
[引文列表]
[专利文献]
[专利文献1]EP 2273107
[专利文献2]US 2010/0032959 A
发明内容
[技术问题]
如上所述，图13A和图13B中所示出的连接方法和专利文献1的连接方法是用于将可再生能源型的发电设备的发电机连接到电网的公知技术。然而，在所有的上述连接方法中需要昂贵的频率转换电路。
频率转换电路是图13A的AC-DC-AC转换器530、图13B的AC-DC-AC链路550以及专利文献1的无源整流器和逆变器的组合。
本发明的申请人正在考虑采用一种在具有由如专利文献2中所描述的液压泵和液压马达形成的液压传动装置的可再生能源型的发电设备中在没有频率转换电路的情况下将同步发电机连接到电网的新系统。
然而，为了在没有频率转换电路的情况下将同步发电机连接到电网，在将同步发电机连接到电网之前，有必要使同步发电机的端子电压的频率和相位与电网进行同步。只要滑差（同步速度与发电机的转速之间的差与同步速度的比率）在规定的范围内，感应发电机就能够连接到电网。与感应发电机不同，同步发电机能够在发电机侧与电网侧之间的电压的瞬时值中存在差异时连接到电网，这造成电网侧的电压频率波动。因此，有必要在将同步发电机连接到电网之前使电压和频率二者匹配。
在专利文献1和专利文献2中，没有描述在同步发电机的端子电压的频率和相位是什么状态下，当在没有频率转换电路的情况下可再生能源型的发电设备的同步发电机连接到电网时同步发电机与电网同步。
在仅提供了一个同步发电机的情况下，难以以低负载实现高效率的发电机的特性可能变成对于提高在低负载操作期间的可再生能源型的发电设备的效率的障碍，并且还可能迫使可再生能源型的发电设备在发电机的故障期间停止操作。
在这方面，专利文献1提出了一种具有经由无源整流器和逆变器连接到电网的多个同步发电机的风力涡轮发电机。然而，没有关于当将同步发电机中的每一个连接到电网时执行何种类型的控制的具体描述。具体地，在专利文献1中没有公开或者提到在没有频率转换电路的情况下将每个同步发电机连接到电网的方法。另外，在专利文献1的风力涡轮发电机中，增速齿轮本身是沉重的并且在结构上是复杂的，并且需要齿轮以若干次将增速齿轮的输出抽出给每个同步发电机的旋转轴，这导致重量和成本的增加。
考虑到上述问题，本发明的目的在于提供一种可再生能源型的发电设备，其中，同步发电机能够在没有频率转换电路的情况下连接到电网，并且能够提高在低负载操作期间的效率，并且能够避免由于发电机的故障而导致错过发电的时机。
[对问题的解决方案]
作为本发明的一个方面，一种从可再生能源发电的可再生能源型的发电设备可以包括但不限于：
叶片；
旋转轴，该旋转轴通过经由叶片接收的可再生能源而进行旋转；
液压泵，所述液压泵通过旋转轴来驱动并且产生增压油；
多个液压马达，所述多个液压马达通过增压油来驱动；
多个同步发电机，所述多个同步发电机在没有频率转换电路介入的情况下连接到电网，并且分别耦合到多个液压马达；
马达控制器，所述马达控制器独立地调节多个液压马达中的每一个的排量；以及
同步器，所述同步器将液压马达中的每一个的排量的命令值供应给马达控制器，使得在同步发电机连接到电网之前，同步发电机中的每一个的端子电压的频率和相位与电网同步。
在该可再生能源型的发电设备中，同步器将液压马达中的每一个的排量的命令值供应到马达控制器，使得在同步发电机连接到电网之前，同步发电机中的每一个的端子电压的频率和相位与电网同步。因此，在同步发电机中的每一个与电网之间没有频率转换电路的情况下，能够通过同步器来创建使同步发电机连接到电网的条件。
另外，彼此独立地调节多个液压马达的排量，并且因此，能够任意地选择要用于操作的多组同步发电机和液压马达中的一组。因此，还能够根据需求来仅使用多组同步发电机和液压马达中的特定组。例如，为了在低负载操作期间在总体上提高风力涡轮发电机的效率，可以使用更少组的同步发电机和液压马达，或者当在一个或多个组的同步发电机和液压马达中存在故障时，其余的未损坏的组的同步发电机和液压马达可以用于继续发电，而不错过发电的时机。
在上述可再生能源型的发电设备中，在同步发电机中的每一个连接到电网之后，马达控制器可以基于液压马达中的每一个的目标输出值来控制液压马达中的每一个的排量，以便于将增压油维持在目标压力。
当同步发电机连接到电网时，在同步发电机与电网之间产生作用为匹配同步发电机的端子电压的频率和相位的有效横流。因此，在同步发电机连接到电网之后，不需要用于明确地使同步发电机的端子电压的频率和相位与电网同步的这样的控制。如上所述，在同步发电机连接到电网之后，基于液压马达中的每一个的目标输出值来调节液压马达中的每一个的排量以便于将增压油维持在目标压力。因此，能够以稳定的方式来操作可再生能源型的发电设备。
在同时使两个或更多个同步发电机同步的情况下，改变用于使一个同步发电机同步的液压马达的排量变成干扰，使得难以使剩余的同步发电机同步。
鉴于此，在上述的可再生能源型的发电设备中，
同步发电机和液压马达的组的数目是N，其中，N是不小于2的整数，
该N个同步发电机可以响应于可再生能源的流速的增加而顺序地连接到电网，并且
在同步发电机中的每一个连接到电网之前，马达控制器可以基于来自同步器的命令值来调节液压马达中的每一个的排量。
在本文中，可再生能源的流速在可再生能源型的发电设备为风力涡轮发电机的情况下是风速，而在可再生能源型的发电设备是潮汐发电机、洋流发电机、河流发电机等的情况下是水的流速等。
如上所述，该N个同步发电机响应于可再生能源的流速的增加而顺序地连接到电网，并且在同步发电机中的每一个连接到电网之前调节液压马达中的每一个的排量。通过这样，能够容易地针对同步发电机中的每一个来创建同步状态。同步状态是其中端子电压的频率和相位与电网同步的状态。
在N个同步发电机响应于可再生能源的流速的增加而顺序地连接到电网的情况下，
在N个同步发电机的第i个同步发电机连接到电网之后，马达控制器可以增加耦合到第i个同步发电机的第i个液压马达的排量，直到第i个同步发电机的输出达到设定值为止，该设定值低于第i个同步发电机的额定功率并且大于第i个同步发电机的最小负载，其中，i是从1至（N-1）的整数中的任何整数；并且然后
在N个同步发电机的第（i+1）个同步发电机连接到电网之前，马达控制器可以基于来自同步器的命令值来调节耦合到第（i+1）个同步发电机的第（i+1）个液压马达的排量。
以该方式，在第i个同步发电机连接到电网之后，第i个同步发电机的功率增加到大于最小负载的设定值。在第i个同步发电机的功率达到设定值之后，准备将第（i+1）个同步发电机到电网的连接以减少在低负载操作期间所使用的发电机的数目。通过此，能够在低负载操作期间在总体上提高风力涡轮发电机的效率。另外，通过将设定值设定为低于同步发电机的额定功率，确保与额定功率与设定值之间的差相对应的第i个同步发电机的功率的增加裕量，并且通过（按第i个同步发电机的增加裕量）控制第i个液压马达14i的排量能够吸收在第（i+1）个同步发电机的同步期间造成的增压油的不稳定能量。因此，第（i+1）个液压马达能够专用于使第（i+1）个同步发电机进行同步，并且这有助于第（i+1）个同步发电机的同步。
另外，上述的设定值可以不小于第i个同步发电机的额定功率的50%，并且小于其的100%。
根据本发明人的知识，在普通的同步发电机中，在低于额定功率的50%的低负载情况之下效率下降变得明显。因此，通过将设定值设定为不小于同步发电机的额定功率的50%，能够在低负载操作期间总体上有效地提高可再生能源型的发电设备的效率。另外，通过将设定值设定为小于发电机的额定功率，由于在上文所提到的原因，有助于第（i+1）个同步发电机的同步。
可替代地，马达控制器可以在N个同步发电机的第i个同步发电机连接到电网之后，彼此独立地调节第一个至第i个液压马达的排量以将第一个至第i个同步发电机的输出维持在最小负载，其中，i是从1至（N-1）的整数中的任何整数，以及
在N个同步发电机的第（i+1）个同步发电机连接到电网之前，马达控制器可以基于来自同步器的命令值来调节耦合到第（i+1）个同步发电机的第（i+1）个液压马达的排量。
通过这样，除了风速接近风力涡轮发电机开始发电处在的接通风速的极端低负载操作区域之外，风力涡轮发电机使用所有的N组液压马达和同步发电机来开始它的操作。因此，除了接近接通风速的极端低负载操作区域之外，每个组的液压马达和同步发电机被同样地处理，并且因此，能够实现简单的操作控制。另外，减少了液压马达和同步发电机的组之间的不平衡使用。
在N个同步发电机响应于可再生能源的流速的增加而顺序地连接到电网的情况下，上述的可再生能源型的发电设备可以进一步包括：
节距控制器，所述节距控制器调节叶片的节距角；以及
泵控制器，所述泵控制器调节液压泵的排量，并且
在N个同步发电机的第一个同步发电机连接到电网之前，马达控制器可以以下述状态基于来自同步器的命令值来调节耦合到第一个同步发电机的第一液压马达的排量：通过节距控制器来调节叶片的节距角以将旋转轴的转速维持在目标转速并且可以通过泵控制器来调节液压泵的排量以将增压油维持在目标压力。
在该可再生能源型的发电设备中，通过叶片接收到的可再生能源的量每时每刻改变，并且因此，旋转轴的转速和供应给液压马达的增压油的压力也每时每刻改变。当使第一个同步发电机同步时这能够造成干扰。因此，如上所述，旋转轴的转速被通过由节距控制器调节叶片的节距角而维持在目标转速，并且增压油被通过由泵控制器调节液压泵的排量而维持在目标压力，从而稳定了旋转轴的转速和增压油的压力。这有助于第一个同步发电机的同步。
另外，在N个同步发电机响应于可再生能源的流速的增加而顺序地连接到电网的情况下，
将同步发电机连接到电网的次序可以基于同步发电机和液压马达的组中的每个组的累积操作时间、以及切换在同步发电机中的每一个与电网之间的连接状态的每个断路器的打开和关闭频率中的至少一个来确定。
通过这样，所述多组同步发电机和液压马达的使用被均衡，并且因此，能够避免同步发电机和液压马达的特定组的极端恶化，并且能够总体上提高风力涡轮发电机的可靠性。
此外，在N个同步发电机响应于可再生能源的流速的增加而顺序地连接到电网的情况下，上述的可再生能源型的发电设备可以进一步包括：
泵控制器，所述泵控制器调节液压泵的排量，并且
在N个同步发电机的第i个同步发电机连接到电网之后，泵控制器可以调节液压泵的排量，并且马达控制器调节耦合到第i个同步发电机的第i个液压马达的排量，以便逐渐增加第i个同步发电机的输出，其中，i是从1至（N-1）的整数中的任何整数。
以这种方式，在第i个同步发电机连接到电网之后，第i个同步发电机的功率的输出逐渐增加。因此，能够在不用损失旋转轴的转速和供应给液压马达的增压油的压力的稳定性的情况下增加第i个同步发电机的功率。
另外，在N个同步发电机响应于可再生能源的流速的增加而顺序地连接到电网的情况下，在N个同步发电机中的M个的故障期间，该可再生能源型的发电设备可以产生不高于Prated x(N-M)/N的功率，其中，M是1至（N-1）中的整数，并且Prated是该可再生能源型的发电设备的额定功率。
通过这样，即使当同步发电机中的一个或多个坏掉时，风力涡轮发电机也能够继续部分负载操作，从而避免错过发电的机会。
在上述的可再生能源型的发电设备中，当可再生能源的流速下降到低于可再生能源型的发电设备开始发电所处在的切入速度时，已经连接到电网的所有同步发电机可以被断开连接以便停止该可再生能源型的发电设备的发电。
另外，当所有同步发电机被从电网断开连接时，同步发电机中的至少一个可以产生待供应给可再生能源型的发电设备的辅助装置的功率。
在上述的可再生能源型的发电设备中，
液压马达中的每一个可以包括：
多个工作腔，每一个被缸和活塞包围；
多个高压阀，所述多个高压阀用于将增压油供应给工作腔中的每一个；
多个低压阀，所述多个低压阀用于将增压油从工作腔中的每一个排出；以及
壳体，工作腔、高压阀以及低压阀被布置在所述壳体中，
该可再生能源型的发电设备可以进一步包括起动阀，其被设置在壳体外用于液压马达中的每一个，并且
当起动液压马达中的每一个时，马达控制器可以通过控制起动阀和低压阀的打开和关闭来调节其中增压油被供应和排出的工作腔的数目，以将液压马达加速到目标阀切换转速，并且液压控制器可以通过控制高压阀和低压阀的打开和关闭来调节其中增压油被供应和排出的工作腔的数目，以进一步将液压马达加速超过目标阀切换转速。
作为具有工作腔、高压阀以及低压阀的液压马达，通常使用的是被设计成使用工作腔中的每一个之间的压力差来打开和关闭或者帮助打开和关闭连接液压泵和液压马达的油管的紧凑式高压阀。当存在在液压马达的旋转轴中产生的足够惯性时，这种类型的高压阀能够仅仅通过由活塞的往复运动产生的上述压力差来打开和关闭。如上所述，起动阀被与高压阀分开地设置在壳体外部，并且起动阀和低压阀被使用直到液压马达被加速到目标阀切换转速为止，并且当液压马达被进一步加速超过目标阀切换转速时，使用被容纳在壳体中的高压阀和低压阀。通过这样，能够稳固地起动液压马达。
上述的可再生能源型的发电设备可以是风力涡轮发电机，其从形式为可再生能源的风力发电。
作为本发明的另一方面，一种操作可再生能源型的发电设备的方法，所述可再生能源型的发电设备可以包括：旋转轴，所述旋转轴通过经由叶片接收的可再生能源旋转；液压泵，所述液压泵通过旋转轴驱动并且产生增压油；多个液压马达，所述多个液压马达通过增压油驱动；以及多个同步发电机，所述多个同步发电机分别被耦合到所述多个液压马达，所述方法包括但不限于以下步骤：
基于来自同步器的命令值独立地调节所述多个液压马达的排量，使得同步发电机中的每一个的端子电压的频率和相位与电网同步；以及
在对排量进行调节的步骤之后，在没有频率转换电路介于的情况下将所述多个同步发电机连接到电网。
根据操作可再生能源型的发电设备的上述方法，液压马达的排量被基于来自同步器的命令值调节，使得在同步发电机连接到电网之前，同步发电机中的每一个的端子电压的频率和相位与电网同步。因此，在同步发电机中的每一个与电网之间没有频率转换电路的情况下，能够借助于同步器为同步发电机连接到电网创造条件。
另外，多个液压马达的排量被彼此独立地调节，并且因此，能够任意地选择待用于操作的所述多组同步发电机和液压马达中的组。因此，还能够取决于需求仅仅使用所述多组同步发电机和液压马达中的一些组。例如，为了在低负载操作期间总体上提高风力涡轮发电机的效率，可以使用更少成组的同步发电机和液压马达，或者当在同步发电机和液压电动中的一个或多个组存在故障时，剩余未损坏的成组的同步发电机和液压马达可以被用来继续发电，而不错过发电的机会。
[发明的有益效果]
根据本发明，通过基于来自同步器的命令值调节液压马达中的每一个的排量，能够在不使用频率转换电路的情况下为同步发电机连接到电网创造条件。另外，多个液压马达的排量被彼此独立地调节，并且因此，能够任意地选择待用于操作的多组同步发电机和液压马达中的特定组。因此，还能够取决于需求仅仅使用所述多组同步发电机和液压马达中的特定组。
附图说明
图1示出了风力涡轮发电机的总体结构的示例。
图2示出了风力涡轮发电机的液压传动装置和传动装置控制器的结构。
图3示出了液压传动装置的结构。
图4示出了液压泵的具体结构的示例。
图5示出了液压泵的具体结构的示例。
图6示出了在同步发电机周围的结构的示例。
图7是在将同步发电机连接到电网之前和之后的每个参数的时间变化的图。
图8是用于说明将两个同步发电机连接到电网的过程的示例的图。
图9是用于说明将两个同步发电机连接到电网的过程的另一示例的图。
图10示出了在传动装置控制器中确定液压泵的排量的信号流。
图11是示出了在水平轴上的转子转速Wr和垂直轴上的转子转矩T的情况下的最大Cp曲线的图。
图12示出了在传动装置控制器中确定液压马达的排量的信号流。
图13A示出了常规风力涡轮发电机的示例。
图13B示出了常规风力涡轮发电机的示例。
具体实施方式
现将参考附图来对本发明的实施例进行详细的描述。然而，期望除非特别指定，否则尺寸、材料、形状、它的相对位置等应该被解释为仅说明性的并且不限制本发明的范围。
虽然在下文参考示例性实施例对本发明进行了描述，但是对本领域的技术人员而言显而易见的是，在不背离本发明的范围的情况下可以进行各种改变。
在以下实施例中，风力涡轮发电机作为可再生能源型的发电设备的示例来进行描述。然而，本发明不限于该示例，并且能够适用于各种类型的可再生能源型的发电设备，诸如潮汐发电机、洋流发电机以及河流发电机。
（风力涡轮发电机的结构）
图1是示出风力涡轮发电机的示例结构的示例的示意图。图2示出了风力涡轮发电机的液压传动装置和传动装置控制器的结构。图3示出了液压传动装置的结构。图4示出了液压泵的具体结构的示例。图5示出了液压马达的具体结构的示例。
如图1中所图示的，风力涡轮发电机1主要包括：通过风力旋转的转子2；用于增加转子2的转速的液压传动装置10；连接到电网的同步发电机20；用于控制液压传动装置10的传动装置控制器40（见图2）；以及各种传感器，包括压力传感器31及转速传感器32和36。
液压传动装置10和同步发电机20可以被容纳在机舱22或支承该机舱22的塔架24中。图1示出了具有垂直安装在地面上的塔架24的陆上风力涡轮发电机。然而，这不是限制性的，并且风力涡轮发电机1可以被安装在包括海上的任何位置。
转子2被配置为使得旋转轴8连接到具有叶片4的轮毂6。具体地，三个叶片4从6轮毂放射状地伸展，并且叶片4中的每一个都被安装在连接到旋转轴8的轮毂6上。这允许作用于叶片4的风力能够旋转整个转子2，并且转子2的旋转经由旋转轴8被输入到液压传动装置10。致动器5附连到叶片4（见图2）。致动器5在节距控制单元7的控制下进行操作以改变叶片4的节距角。
如图2和图3中所图示的，液压传动装置10包括：由旋转轴8驱动的可变排量液压泵12；可变排量液压马达14k，其输出轴15连接到同步发电机20k（k是在1至N范围内的任何整数）；以及布置在液压泵12与液压马达14k之间的高压油路16和低压油路18。在风力涡轮发电机1中，设置了液压马达14k和同步发电机20k的N个组（N是不小于2的整数）。
高压油路16将液压泵12的出口连接到每个液压马达14k的入口。低压油路18将液压泵12的入口连接到每个液压马达14k的出口。N个液压马达14k彼此并联地连接到高压油16和低压油路18，如图3中所示。在液压泵12中产生的增压油（高压油）经由高压油路16流到液压马达14k中。在液压马达14k中工作的增压油（低压油）经由低压油路18流动到液压泵12中，并且然后其压力通过液压泵12来提升并且最后增压油流动到液压马达14k中。
如在下文所描述的，液压泵12和液压马达14k可以具有图4和图5中所示出的特定结构。
如图4中所示出的，液压泵12可以包括：多个工作腔83，其中的每一个都由缸80和活塞82来形成；具有凸轮轮廓的环形凸轮84，该凸轮轮廓与活塞82啮合；以及对于工作腔83中的每一个而设置的高压阀86和低压阀88。高压阀86被布置在高压油路16与工作腔83中的每一个之间的高压连通通路87中。低压阀88被布置在低压油路18与工作腔83中的每一个之间的低压连通通路89中。
在液压泵12的操作中，环形凸轮84以旋转轴8旋转，并且活塞82根据凸轮轮廓上下循环往复地移动，以重复始于下死点并且达到上死点的活塞82的泵循环以及始于上死点并且达到下死点的活塞的吸入循环。因此，每个工作腔83具有周期性地变化的由活塞82和缸80的内表面限定的容量。
液压泵12能够通过打开和关闭高压阀86与低压阀88来从工作状态和空转态中选择每个工作腔83的操作模式。当针对工作腔83选择了工作状态时，在吸入循环期间高压阀86被关闭并且低压阀88被打开使得操作油流到工作腔83中，而在泵循环期间高压阀86被打开并且低压阀88被关闭使得增压油从工作腔83置换到高压油路16。与此相反，当针对工作腔83选择了空转状态时，在吸入和泵循环二者期间，高压阀86保持关闭并且低压阀88保持打开，使得操作油在工作腔83与低压油路18之间来回流动，即不存在增压油到高压油路16的置换。因此，能够通过改变工作状态下的工作腔83的数目相对于工作腔83的总数的比率来调节液压泵12的净排量。由传动装置控制器40来执行液压泵12的净排量的控制。稍后对传动装置控制器40进行详细的描述。
如图5中所示，液压马达14k可以包括：在缸90与活塞92之间形成的多个液压腔93；具有凸轮轮廓的环形凸轮94，该凸轮轮廓与活塞92啮合；以及对于工作腔83中的每一个而设置的高压阀96和低压阀98。高压阀96被布置在高压油路16与油腔93中的每一个之间的高压连通通路97中，而低压阀98被布置在低压油路18与油腔93中的每一个之间的低压连通通路99中。
在液压马达14k的操作中，活塞92周期性地上下移动以重复始于上死点并且达到下死点的活塞92的马达循环以及始于下死点并且达到上死点的排出循环。在液压马达14k的操作中，由活塞92和缸90的内表面所限定的每个工作腔93的容量循环往复地变化。
液压泵14k能够通过打开和关闭高压阀96与低压阀98来从工作状态和空转状态选择每个工作腔93的操作模式。当对于工作腔93选择了工作状态时，在马达循环期间高压阀96被打开并且低压阀98被关闭，使得操作油从高压油路16流动到工作腔93中，而在排出循环期间高压阀96被关闭并且低压阀98被打开，使得增压油从工作腔93置换到低压油路18。与此相反，当对于工作腔93选择了空转状态时，在马达和泵循环二者期间高压阀96保持关闭并且低压阀98保持打开，使得操作油在工作腔93与低压油路18之间来回流动，即不存在增压油从高压油路16到工作腔93的馈送。与液压泵12一样，液压马达14k能够通过改变工作状态下的工作腔93的数目相对于工作腔93的总数的比率来调节其净排量。液压马达14k的净排量的控制由稍后详细描述的传动装置控制器40来执行。
另外，工作腔93、偏心凸轮94、高压阀96以及低压阀98被容纳在壳体91中。在壳体91外，起动阀17被设置在高压油路16与工作腔93之间的流动通路上。起动阀17与低压阀98一起使用，使得液压马达14能够在液压马达14k的起动期间加速到设定的转速。可以对于工作腔93中的每一个或者针对工作腔93中的一些设置起动阀17。
图2示出了连接到高压油路16的蓄压器64。蓄压器64能够吸收由通过液压马达12产生的能量与在所有的液压马达14k中消耗的能量之间的差所造成的高压油路16中的操作油的压力波动。因此，压力Ps通过蓄压器64来稳定，并且使得易于在同步发电机20k与电网的同步期间控制液压马达14k。
另外，电磁阀66可以被设置在蓄压器64与高压油路16之间。通过电磁阀66的打开和关闭，蓄压器64变成与高压油路16流体连通或者变成与高压油路16断开连接。在设置了电磁阀66的情况下，可以通过在使同步发电机20k同步时打开电磁阀借助于蓄压器64来稳定高压油路16中的压力Ps。
旁通路60被布置在高压油路16与低压油路18之间以绕过所有的液压马达14k，并且安全阀62被布置在旁通路60中以使高压油路16的液压不超过规定压力。通过这样，安全阀62在高压油路16中的压力达到安全阀62的规定压力时自动地打开，以使得高压油经由旁通路60逸出到低压油路18。
另外，液压传动装置10具有油罐70、补充线路72、升压泵74、滤油器76、回流路78以及低压安全阀79。
油罐70储存了补充操作油。补充线路72将油罐70连接到低压油路18。升压泵74被布置在补充线路72中，以便利用来自油罐70的补充操作油来补充低压油路18。
回流管78被安装在油罐70与低压油路18之间。低压安全阀79被布置在回流管78中，并且低压油路18中的压力被保持在规定压力或以下。通过这样，即使利用升压泵74将辅助操作油提供给低压油路18，一旦低压油路18中的压力达到低压安全阀79的规定压力，低压安全阀79就能够自动地打开以经由回流管78将操作油释放到油罐70。
如图2中所图示的，风力涡轮发电机1具有各种传感器，包括压力传感器31及转速传感器32和34。转速传感器32和34分别测量旋转轴8的转速和液压马达14k的输出轴15的转速。压力传感器31测量高压油路16中的压力。还能够提供用于测量风速的安装在机舱22外部的风速计33和用于测量风力涡轮发电机1的环境温度的温度传感器34。这样的传感器的测量结果可以被发送到传动装置控制器40，并且用于控制液压泵12和液压马达14。
同步发电机20k耦合到液压马达14k的输出轴15。同步发电机20k在没有诸如图13A和图13B的频率转换电路530和550的频率转换电路的情况下连接到电网50。
一般而言，风力涡轮发电机具有显著的功率波动。因此，将许多风力涡轮发电机连接到电网可以导致电网的频率波动。然而，通过以可速度操作风力涡轮发电机，电力被平滑化，从而减轻了对电网的影响。因此，在风力涡轮发电机1中，液压传动装置10由传动装置控制器40来控制（正常控制模式）以实现风力涡轮发电机1的可变速度操作。稍后对传动装置控制器40的正常控制模块进行详细的描述。
图6示出了在同步发电机20k周围的结构的示例。另外，如图6中所示出的，同步发电机20k包括：励磁绕组21，其利用液压马达14k和输出轴15来旋转；以及固定电枢（未示出），其经由断路器122连接到电网。从励磁器100向励磁绕组21供应DC励磁电流。
励磁器控制器110被设置为控制供应给励磁绕组21的励磁电流的幅度。端子电压检测器59（变压器）被设置为检测同步发电机20的端子电压。基于同步发电机20的所检测到的端子电压，励磁器控制器110可以控制励磁器100使得端子电压变成设定值。
作为励磁器100的特定结构，励磁器100可以是如图6中所图示的AC励磁器。具体地，励磁器100可以是由旋转电枢（未示出）和励磁绕组（定子）102形成的AC发电机。
在这样的情况下，励磁器100是直接连接到液压马达14k的输出轴15的AC励磁器，并且从励磁器100的旋转电枢输出的AC通过整流器（旋转整流器）103来转换成DC，并且然后作为励磁电流供应给同步发电机20k的励磁绕组21。励磁绕组21、励磁器100的电枢以及整流器103利用液压马达14k的输出轴15来旋转。以该方式，来自AC励磁器100的旋转电枢的AC由整流器（旋转整流器）103进行整流并且供应给作为转子的励磁绕组21。通过这样，不再需要提供电刷，从而消除了对于电刷维护（电刷的周期性替换）的需要。因为风力涡轮发电机通常被安装在遥远区域中诸如在山里和海上，所以不存在对于电刷维护（电刷的周期性替换）的需要的事实大大地有助于减少其操作成本。
在图6中所示出的示例中，励磁器控制器110改变供应给励磁器的励磁绕组102的励磁电流的幅值，以便于调节到同步发电机20k的励磁绕组21的励磁电流的幅值。
在这样的情况下，励磁器控制器110可以由比较电路113、自动电压调节器（AVR）114以及闸流晶体管116形成，如图6中所示。在比较电路113中，将由端子电压检测器59检测到的同步发电机20k的端子电压的检测值与从同步器120输入的设定值作比较，并且将该值的差输出到AVR114。在AVR114中，基于从比较电路113输出的差，门信号被供应给闸流晶体管116。闸流晶体管116被设置在励磁器100的励磁绕组102与辅助励磁器之间，该辅助励磁器由直接连接到液压马达14k的输出轴15的永磁发电机（PMG）106形成。闸流晶体管116将PMG（辅助励磁器）用作电源并且激励励磁器100的励磁绕组（定子磁场）102。
以该方式，直接连接到液压马达14k的输出轴15并且附连到同步发电机20k的通用轴的PMG106用作闸流晶体管116的电源，以便于即使在将同步发电机20k连接到电网50之前也在没有外部电源的情况下激励同步发电机106。这对于通常难以从外部电源获得电力的风力涡轮发电机来说是极其有利的。
（在将同步发电机连接到电网之前和之后的控制）
在风力涡轮发电机1中，同步器120用于将每个同步发电机20k连接到电网50。
同步器120接收由端子电压检测器124检测到的同步发电机20k的检测到的端子电压和由电网电压检测器126检测的电网50的所检测的电压。同步发电机20k的检测到的端子电压和电网50的检测到的电压在同步器120中使用以使每个同步发电机20k同步。当将同步发电机20k连接到电网50时，同步器120将液压马达14k的排量的命令值供应给马达控制单元48，使得在由端子电压检测器124检测到的同步发电机20k的检测到的端子电压与由电网电压检测器126检测到的电网50的检测到的电压之间的频率和端子电压的差在规定的范围内。根据来自同步器120的命令值，马达控制单元48调节液压马达14k的排量，从而使同步发电机20k的端子电压的频率和相位与电网50同步。然后，根据来自同步器120的信号来关闭断路器122，并且将同步发电机20k连接到电网50。
在将同步发电机20k连接到电网50之前，励磁器控制器110执行控制，使得从同步器120输入的设定值输入的规定值（电网50的电压）与同步发电机20k的端子电压之间的差在规定的范围内。更具体地，基于从比较电路113输出的差，AVR114将门信号供应给闸流晶体管116。通过这样，调节供应给同步发电机20k的励磁绕组21的励磁电流的幅度。
图7是在将同步发电机20k连接到电网之前和之后的每个参数的时间变化的图。
在时间T0之前，停止液压马达14k和同步发电机20k。
液压马达14k在时间T0处开始其起动。在t=T0到T1的范围内，起动阀17和低压阀98在马达控制单元48的控制之下基于由转速计36测量的转速进行打开和关闭，以重复地将增压油供应和排出到工作腔93。通过重复将增压油供应和排出到工作腔93，液压马达14k的转速被增加到设定转速w0。一旦液压马达14k的转速在时间t=T1处达到w0，就转换到使用高压阀96和低压阀98的对液压马达14k的加速。接下来，在t=T1至T2的范围内，高压阀96和低压阀98在马达控制单元48的控制之下基于由转速计36测量的转速进行打开和关闭，以重复地将增压油供应和排出到工作腔93。通过重复将增压油供应和排出到工作腔93，液压马达14k的转速被增加到设定转速w1，该设定转速w1达不到额定转速w额定。在该处理中，为了快速地将液压马达14k的转速提升到转速w1，所有的工作腔93都置于工作状态下以使液压马达14k的排量最大化。
随后，在时间T2处，液压马达14k的控制开始，以便于使同步发电机20k的端子电压的频率与电网50同步。更具体地，根据来自同步器120的信号，马达控制单元48调节液压马达14k的排量（在工作状态下的工作腔93的数目）以使得液压马达14k的转速更接近于额定转速wrated。额定转速wrated在本文中指的是同步发电机20k的端子电压的频率与电网50同步所处于的液压马达14k的转速。在开始该控制之前，起动同步发电机20k的励磁系统。
在时间T3处，液压马达14k的控制被切换成使同步发电机20k的端子电压的相位与电网50同步。更具体地，根据来自同步器120的信号，马达控制单元48调节液压马达14k的排量（在工作状态下的工作腔93的数目），使得在同步发电机侧20k与电网侧50之间的相位差在规定范围内。一旦在同步发电机侧20k与电网侧50之间的相位差在时间T4处落入规定的范围内并且然后满足其它条件，就根据来自同步器120的信号来关闭断路器以将同步发电机20k连接到电网50。在上文提到的其它条件是同步发电机20k的端子电压和电网的电压之间的差在规定的范围内。通过由励磁器控制器110来控制在励磁绕组21中流动的励磁电流来满足该其它条件。
随后，液压马达14k的转矩被逐渐增加以提升同步发电机20k的功率。
在同时使两个或更多个同步发电机20k同步的情况下，改变用于使一个同步发电机同步的液压马达的排量变成干扰，使得难以使剩余的同步发电机同步。
鉴于此，在实施例中，N个同步发电机20k响应于风度的增加而顺序地连接到电网50，以便于在不同的时刻将同步发电机20k连接到电网50。通过这样，能够容易地针对同步发电机20k中的每一个创建同步状态。同步状态是其中端子电压的频率和相位与电网50同步的状态。
在下文中，第i个同步的发电机20i是要连接到电网的同步发电机20k中的第i个。
在以顺序方式将同步发电机20i连接到电网50的情况下，可以基于同步发电机20i和液压马达14i的每个组的累积操作时间、切换在每个同步发电机20i与电网50之间的连接状态的每个断路器122的打开和关闭频率等来确定将每个同步发电机20i连接到电网50的顺序。
通过这样，同步发电机20i和液压马达14i的多个组的使用被均衡，并且因此，能够避免同步发电机20i和液压马达14i的特定组的极端恶化，并且能够整体上提高风力涡轮发电机1的可靠性。
例如，在第i个同步发电机20i连接到电网50之后（i是从1至（N-1）的整数中的任何一个），可以将第i个同步发电机20i的功率增加到设定值X，并且然后可以使第（i+1）个同步发电机20i+1进行同步。更具体地，在第i个同步发电机20i连接到电网50之后，马达控制单元48可以通过增加液压马达14i的转矩来将同步发电机20i的功率增高到设定值X，并且然后，基于来自同步器120的命令值调节液压马达14i+1的排量。另外，设定值X大于同步发电机20i的最小负载并且小于同步发电机20i的额定功率。例如，设定值X可以不小于同步发电机20i的额定功率的50%并且小于同步发电机20i的额定功率的100%。
以该方式，在第i个同步发电机20i连接到电网之后，第i个同步发电机的功率增加到大于最小负载的设定值X。一旦第i个同步发电机20i的功率达到设定值X，就准备将第（i+1）个同步发电机20i+1连接到电网50以减少在低负载操作期间所使用的发电机的数目。通过这样，能够在低负载操作期间在整体上提高风力涡轮发电机1的效率。另外，通过将设定值X设定为低于同步发电机20i的额定功率，确保与额定功率与设定值X之间的差相对应的第i个同步发电机20i的功率的增加裕量。在第（i+1）个同步发电机20i+1的同步期间所造成的增压油的过度能量能够由第i个液压马达14i的排量的增加来吸收。因此，第（i+1）个液压马达14i+1能够专用于使第（i+1）个同步发电机20i+1进行同步，并且这有助于第（i+1）个同步发电机20i+1的同步。
图8是用于说明将两个同步发电机20k连接到电网50的上述过程的示例的图。
首先，当由风速计33测量的风速在t=t0处超过接通风速并且建立了起动条件时，致动器5在节距控制器7的控制之下朝着精细定位的方向改变叶片4的节距角，以增加输入到液压泵12的空气动力能量。在该处理中，通过泵控制单元44来将液压泵12的排量减少到零。通过这样，旋转轴8以与施加到液压泵12的空气动力转矩相对应的角加速度来加速。
一旦旋转轴8的转速在t=t1处达到设定值，泵控制单元44就增加液压泵12的排量以开始将高压油供应给高压油路16，并且增加由压力传感器31测量的高压油的压力Ps。设定值是例如在额定转速的40%至60%的范围内的转速。一旦高压油的压力Ps达到设定值，就通过节距控制装置7调节叶片的节距角来将旋转轴8的转速维持在目标转速，并且同样地，通过泵控制单元44调节液压泵12的排量来将高压油的压力Ps维持在目标压力。旋转轴8的转速和高压油的压力Ps稳定了，第一液压马达141被起动，并且然后，液压马达141的转速朝着额定转速w额定的提升。此外，当对液压马达141进行加速时，如上所述，可以使用起动阀17和低压阀98来调节液压马达141的排量直到达到规定的转速w0为止，并且在达到了规定的转速w0之后使用高压阀96和低压阀98。一旦达到了液压马达141的规定转速，第一同步发电机201就被起动。然后，根据来自同步器120的命令值，马达控制单元48调节液压马达141的排量，使得同步发电机侧201的与电网侧50之间的频率差和相位差落入规定的范围内。另外，根据来自同步器120的控制信号，励磁器控制器110调节在励磁绕组21中流动的励磁电流，使得同步发电机201与电网侧50之间的电压差落入规定的范围内。以该方式，当同步发电机201与电网侧50之间的相位差和电压差在规定的范围内时，同步器120供应用于关闭断路器122的信号，并且同步发电机201在时间t2处连接到电网50。
在将同步发电机201连接到电网之后，叶片4的节距控制、液压泵12以及液压马达141的控制被切换为稍后详细描述的正常控制模式。更具体地，节距控制装置7将叶片4的节距角固定在接近精细位置处。另外，如稍后参考图10详细描述的，泵控制单元44调节液压泵12的排量，使得液压泵12的转矩变成与旋转轴8的转速相对应的值。另外，如稍后参考图12详细描述的，马达控制单元48调节液压马达141的排量，使得高压油的压力Ps被维持在目标压力处。逐渐增加液压泵12和液压马达141的排量，以逐渐增加同步发电机201的功率。
当同步发电机201的功率通过增加液压马达141的排量而达到设定值X时，第二个液压马达142被起动，并且第二个液压马达142的转速朝额定转速wrated提升。当对液压马达142进行加速时，用与液压马达141相同的方式，可以通过使用起动阀17和低压阀98来调节液压马达142的排量直到达到了规定的转速w0为止，并且在达到了规定的转速w0之后使用高压阀96和低压阀98。一旦达到了液压马达142的规定转速，第二同步发电机202就被起动。然后，根据来自同步器120的命令值，马达控制单元48调节液压马达142的排量，使得同步发电机侧202的与电网侧50之间的频率差和相位差落入规定的范围内。另外，根据来自同步器120的控制信号，励磁器控制器110调节在励磁绕组21中流动的励磁电流，使得同步发电机202与电网侧50之间的电压差落入规定的范围内。以该方式，当同步发电机201与电网侧50之间的频率差、相位差以及电压差在规定的范围内的时候，同步器120供应了用于关闭断路器122的信号，并且同步发电机202在时间t4处连接到电网50。
在将同步发电机202连接到电网50之后，液压马达142的控制被切换为正常控制。更具体地，如稍后详细描述的，马达控制单元48调节液压马达142的排量，使得高压油的压力Ps被维持在目标压力。而且，通过增加同步发电机201和202二者的功率，同步发电机201和202的功率在时间t5处达到额定功率。更具体地，在时间t5处，整体上实现了风力涡轮发电机1的额定功率。
当风速变得不大于额定风速时，逐渐减少液压马达141和142的排量，以降低同步发电机201和202的功率。一旦同步发电机201和202的功率达到最小负载，同步发电机201和202就从电网断开连接。在该处理中，同步发电机20中的一个可以被断开连接而另一个同步发电机20被维持在额定功率。可以基于同步发电机20i和液压马达14i的每个组的累积操作时间、每个断路器122的打开和关闭频率等来确定连接同步发电机201和202的顺序。
在图8中所示出的示例中，同步发电机202的功率被降低到最小负载而同步发电机201的功率被维持在额定功率，并且断路器122在时间t6处打开以使同步发电机202与电网50断开连接。当风速进一步下降时，通过逐渐减少液压马达141的排量来逐渐减少同步发电机201的功率。一旦同步发电机201的功率达到最小负载，断路器122就在时间t7处打开以使同步发电机201与电网50断开连接。
替代地，在第i个同步发电机20i连接到电网50之后（i是从1至（N-1）的整数中的任何一个），可以使第（i+1）个同步发电机20i+1进行同步，同时第一个到第i个同步发电机201至20i的功率被维持在最小负载。更具体地，在第i个同步发电机20i连接到电网50之后，虽然同步发电机201至20i的功率通过调节i个液压马达141至14i来维持而维持在最小负载，但是马达控制单元48可以基于来自同步器120的命令值来调节液压马达14i+1的排量，以便于使同步发电机20i+1进行同步。
通过这样，除了风速接近风力涡轮发电机1开始发电所处在的接通风速的极端低负载操作区域之外，风力涡轮发电机1使用液压马达14和同步发电机20的所有N个组来开始其操作。因此，除了接近接通风速的极端低负载操作区域之外，液压马达14和同步发电机20的每个组都同样地进行处理，并且因此，能够实现简单的操作控制。另外，减少了所述多组的液压马达14和同步发电机20之间的不平衡使用。
图9是用于说明将两个同步发电机20k连接到电网50的上述过程的另一示例的图。
将第一个同步发电机201连接到电网50的处理（t=t10到t12）与图8中的t=t0到t2的处理相同，并且因此没有进一步说明。
在第一个同步发电机201连接到电网50并且然后液压泵12和液压马达141的排量稳定之后，在同步发电机201的功率被维持在最小负载的状态下，第二个液压马达142被起动，并且液压马达142的转速朝额定转速wrated增加。当对液压马达142进行加速时，如上所述，可以使用起动阀17和低压阀98来调节液压马达142的排量直到达到规定的转速w0为止，并且在达到了规定转速之后使用高压阀96和低压阀98来调节。一旦达到了液压马达142的规定转速，第二同步发电机202就被起动。然后，根据来自同步器120的命令值，马达控制单元48调节液压马达142的排量，使得同步发电机侧202与电网侧50之间的的频率差和相位差落入规定的范围内。另外，根据来自同步器120的控制信号，励磁器控制器110调节在励磁绕组21中流动的励磁电流，使得同步发电机202与电网侧50之间的电压差落入规定的范围内。以该方式，当同步发电机201与电网侧50之间的频率差、相位差以及电压差在规定的范围内的时候，同步器120供应用于关闭断路器122的信号，并且同步发电机202在时间t13处连接到电网50。
随后，通过以相同的负载增加同步发电机201和202二者的功率，同步发电机201和202的功率在时间t14处达到额定功率。更具体地，在时间t14处，整体上实现了风力涡轮发电机1的额定功率。
当风速变得不大于额定风速时，逐渐减少液压马达141和142的排量以降低同步发电机201和202的功率。一旦同步发电机201和202的功率达到最小负载，同步发电机201和202就与电网50断开连接。在该过程中，可以以大约相同的速率并且同时朝着最小负载的方向减少同步发电机201和202的功率。
在图9所示出的示例中，以大约相同的速率逐渐减少液压马达141和142的排量，以减少同步发电机201和202的功率。然后，在时间t15处，其功率已经降低到最小负载的同步发电机201断开连接。随后，在时间t16处，其功率比同步发电机201更晚地降低到最小负载的同步发电机202断开连接。
在根据图8和图9中所描述的过程来顺序地连接同步发电机20i的情况下，当风速低于接通风速长于规定的时间段时，连接到电网50的所有的同步发电机20可以与电网50断开连接，以便于停止通过风力涡轮发电机1进行的发电。
在风力涡轮发电机1的额定功率被设定为Prated的情况下，在N个同步发电机20中的M个的故障期间，风力涡轮发电机1可以产生不高于Prated x(N-M)/N的功率，其中，M是1至（N-1）中的整数。通过这样，即使当同步发电机中的一个或多个损坏时，风力涡轮发电机1能够继续部分负载操作，因此避免错过发电的时机。
同步发电机20的故障可以通过诸如端子电压检测器59的监测单元来检测。当检测到同步发电机20的故障时，马达控制单元48将连接到坏掉的发电机20的液压马达14的排量调节到零，以停止液压马达14，并且剩余的同步发电机20可以在维持与电网50的连接的同时继续其操作。
即使在所有的同步发电机20与电网50断开连接情况下，至少一个同步发电机20可以用于发电以将该电力供应给风力涡轮发电机1的辅助机器。
（传动装置控制器的正常操作模式）
在除了在将同步发电机20k连接到电网50之前和之后的风力涡轮发电机1的操作期间，具有上述结构的风力涡轮发电机1在正常控制模式中控制液压传动装置10，在下文对所述正常控制模式进行描述。
如图2中所示出，传动装置控制器40包括最佳转矩确定单元41、目标转矩确定单元42、泵需求确定单元43、泵控制单元44、泵目标功率确定单元45、马达目标功率确定单元46、马达需求确定单元47、马达控制单元48以及存储器单元49。
在正常控制模式中，传动装置控制器40使用泵控制单元44来调节液压泵12的排量，使得液压泵12的转矩达到与旋转轴8的转速相对应的值，并且还使用马达控制单元48来调节液压马达14k的排量，以便于基于液压马达14k的目标输出功率POWERM来将高压油路的压力Ps维持在目标压力。这在不用使用频率转换电路的情况下使得可变速度操作能实现，其中，旋转轴8的转速可以相对于风速而变化，并且还促进了输出平滑化和发电效率。另外，高压油路的压力Ps通过调节液压马达14k的排量而维持在目标压力，并且因此，能够以稳定的方式控制风力涡轮发电机1的操作。
在下文中，对在正常控制模式中的传动装置控制器40的每个单元的操作进行了说明。传动装置控制器40的功能被广泛地划分成液压泵12的控制和液压马达14k的控制。首先，对用于调节其排量的液压泵12的控制进行描述。其次，对用于调节其排量的液压马达14k的控制进行描述。
图10示出了通过传动装置控制器40确定液压泵12的排量的信号流。如图所示，最佳转矩确定单元41接收由转速传感器32检测到的旋转轴8的转速Wr，并且根据转速Wr来确定液压泵12的最佳转矩Ti。例如，最佳转矩确定单元41从存储器单元49（见图2）中读出预先设置的Wr-Ti函数（转速Wr和最佳转矩Ti的函数），并且然后根据Wr-Ti函数来获得对应于转速Wr的最佳转矩Ti。
现对存储在存储器单元49中的Wr-Ti函数的示例进行说明。
图11是示出具有水平轴上的转子的转速Wr和垂直轴上的转子转矩T的最大Cp曲线的图。最大Cp曲线300是通过连接功率因素Cp变得最大所处在的坐标（Wr,T）而画出的曲线。最大Cp曲线300通过坐标Z1至Z5画出，在坐标Z1至Z5处功率函数Cp相对于各种风速（例如风速V0到V5）变得最大。
存储在存储器单元49中的Wr-Ti函数可以是函数310，该函数310由在操作点a与操作点b之间的最大Cp曲线300来定义，并且由如图11中的粗线所指示的操作点b与操作点c之间的直线定义。函数310是直线，在该直线处转子的转速在额定转速Wrated处是恒定的。对应于操作点a的风速V0是接通风速，而对应于操作点c的风速V4是达到额定功率所处在的风速（额定风速）。为了根据函数310确定最佳转矩Ti，可以根据函数310获得对应于由转速传感器32所检测的旋转轴8的转速Wr的转子转矩。
利用函数310，在接通风速V0与风速V3之间的风速区域，能够根据初始转速W0与额定转速Wrated之间的区域中的风速来调节液压泵12的转速Wr（转子转速），以便于在功率因素Cp是最大值这样的条件下操作风力涡轮发电机。更具体地，在初始转速W0与额定转速Wrated之间的可变速度范围中，风力涡轮发电机能够以最大效率进行操作。另外，在风速V3与额定风速V4之间的风速区域中，液压泵12的转速Wr被维持在额定转速Wrated。在额定风速与切断风速之间的高风速区域中，叶片4的节距角由致动器（节距驱动机构）5调节以维持额定功率。
然后，所获得的液压泵12的最佳转矩Ti由转矩目标确定单元42来校正以确定液压泵12的转矩目标Td，如图10中所示。
目标转矩确定单元42通过乘以比例因子M以给出调节的最佳转矩MTi来调节最佳转矩Ti。比例因子M能够是0与1之间的任何数，并且通常将在0.9与1之间。与最佳转矩Ti相比，比例因子M的乘法造成液压泵12的实际转矩的轻微减小，因此允许转子2在阵风期间更加快速地加速。因此，如果泵转矩不与最佳转矩Ti成比例则能够捕获更多的功率。比例因子M将使转子2更慢地加速，因此在间隙期间以其最佳操作点为动力来运作，然而由跟踪阵风引起可利用的附加功率比由于在间隙期间的次最佳操作而导致的功率损失更显著。
由目标转矩确定单元42获得的转矩目标Td可以是已调节的最佳转矩MTi与转矩反馈控制器201的输出力之间的差。转矩反馈控制器201计算估计的空气动力转矩Taero，其为当前转矩目标和加速转矩的和，该加速转矩从乘以转子2的转动惯量的矩J的转子2的角加速度ar来得到。转矩反馈控制器201的输出是所估计的空气动力转矩与已调节的最佳转矩之间的差Texcess，然后乘以反馈增益G以获得反馈转矩Tfeedback。反馈增益G能够是不小于零的任意数，其中零值用于禁用转矩反馈控制器201。
转矩反馈控制器201从已调节的最佳转矩MTi减去转矩以响应于转子2的加速来轻微地减小目标Td，并且响应于转子2的加速将转矩加到已调节的最佳转矩来轻微地增加转矩目标Td。与独自地调节的最佳转矩控制相比，这使得转子2能够更快地响应于输入风能中的改变加速和减速，因此允许从风力捕获更大的总能量。
由转矩目标确定单元42获得的转矩目标Td被供应给泵需求确定单元43，并且用于计算液压泵12的排量的需求DP。泵需求确定单元43通过使目标转矩Td除以高压油路16中的已测量的油压力Ps来计算液压泵12的排量的需求DP。需求Dp可以通过压力限制器202来校正。压力限制器202可以是PID型控制器，其输出值是控制器的需求DP。压力限制器202将高压油路16的压力维持在可接受的范围内。更具体地，通过对流体量子变换的泵需求的速率进行校正，高压油路16的压力被维持在允许风力涡轮发电机的安全操作的最大水平以下。可以在其中期望通过安全阀62散失能量例如以防止风力涡轮发电机在强阵风期间操作在额定速率以上的一些工作模式中禁用压力限值。替代地，可以根据预定用途来改变极限值。泵需求确定单元43可以基于高压油路16中的油温度对液压泵12的排量的需求DP进行校正。
另外，泵需求确定单元43可以使用调节器203来响应于来自诸如风力农场的农用控制器和调度中心的外部命令中心的电力需求信号对液压泵12的转矩目标Td进行校正。通过这样，能够产生足够的电力以满足来自外部命令中心的需求。
已经以上述方式计算的排量的需求DP然后被发送到泵控制单元44，并且液压泵12的排量由泵控制单元44调节为需求DP。例如，泵控制单元44控制高压阀86和低压阀88的打开和关闭以改变工作状态下的工作腔83与工作腔的总数的比例，从而将液压泵12的排量调节到排量的需求DP。
图12示出了在传动装置控制器40中确定液压马达14k的排量的信号流。
如图中所示出的，泵目标功率确定单元45通过使由目标转矩确定单元42获得的液压泵12的目标转矩Td乘以由转速传感器32获得的旋转轴8的转速Wr来计算液压泵12的目标输出功率的基准数POWER0。在泵目标功率确定单元45中，调节器212响应于来自诸如风力农场的农场控制器和调度中心的外部命令中心210的电力需求信号Sd来计算校正的输出功率POWERC。然后，已校正的输出功率POWERC被加到已经预先获得的目标输出功率的基准数POWER0，以便于计算液压泵12的目标输出功率POWERP。
马达目标输出确定单元46通过使用一阶低通滤波器处理液压泵12的目标输出功率POWERP来计算液压马达14k的目标输出功率POWERM，该一阶低通滤波器的传递函数是H(s)=1/(Ts+1)。
然后，马达需求确定单元47通过将液压马达14k的目标输出功率POWERM除以由油压力传感器31所测量的已测量的油压力Ps和由转速传感器36所测量的液压马达14k的已测量的转速Wm来计算液压马达14k的标称需求Dn。
在马达需求确定单元47中根据目标输出功率POWERM来计算，校正的需求Db，并且然后加到标称需求Dn以获得液压马达14的排量的需求DM。例如，可以由压力反馈控制器220通过将高压油路16的目标压力Pd与由压力传感器31所测量的已测量的油压力Ps之间的差乘以可变增益Kp来计算已校正的需求Db。
高压油路16的目标压力Pd可以通过将液压马达的当前目标输出功率POWERM输入到函数230来计算，函数230指示了预先设置的目标马达输出功率与高压油路16的目标压力之间的关系。函数230至少部分地由其中高压油路16的目标压力根据马达目标输出功率的增加单调地增加的曲线来定义。因此，高压油路的目标压力Pd在目标马达输出功率是小的情况下（即液压泵的排出速率是低的）比在其中液压马达的目标输出功率是高的（即液压泵12的排出速率是高的）情况下设置得更低。通过这样，当目标马达输出功率是小的时能够相对于液压泵12的排出速率减少操作油的内部泄漏的量，从而抑制影响液压传动装置10的控制的操作油的内部泄漏。
使用函数232根据高压油路16的当前压力Ps（由压力传感器检测到的压力）、在容许范围内的高压油路16的最大压力Pmax以及最小压力Pmin来确定可变增益Kp。例如，在当前压力Ps在容许范围外时（即Ps<Pmin或Ps>Pmax），可变增益Kp被设置在最大增益Kmax处，而在当前压力Ps在容许范围内时（即Ps不小于Pmi并且不大于Pmax），随着当前压力Ps变得更接近于最小压力Pmin或最大压力Pmax，可变增益Kp可以朝最大增益Kmax增加。通过这样，当压力Ps正在偏离容许范围时，或者当压力Ps不再在容许范围中时，通过增加压力Ps与目标压力Pd之间的差所乘以的可变增益Kp（或者将可变增益设置在最大Kmax处），高压油路的压力Ps被迅速地调节为在容许范围内并且还更接近于目标压力Pd。
另外，同步发电机20k的端子电压通过由励磁器控制器100控制励磁器100来维持。例如，如图6中所示出的，在比较电路113中，可以获得由端子电压检测器59所测量的同步发电机20k的已测量的端子电压与从同步器120输入的设定值之间的差，并且基于所获得的差，从AVR114供应了闸流晶体管116的门信号。通过这样，供应给同步发电机20k的励磁绕组21的励磁电流的幅度被调节了，并且因此，同步发电机20k的端子电压被维持在电网电压处。
如上所述，在实施例中，液压马达14k的排量的命令值从同步器120供应给马达控制单元48，使得在连接同步发电机20k中的每一个之前，同步发电机20k中的每一个的端子电压的频率和相位与电网50同步。因此，在同步发电机20k中的每一个与电网50之间没有频率转换电路的情况下，能够借助于同步器120来为同步发电机20k连接到电网50创造条件。
另外，液压马达14k的排量通过马达控制单元48来独立地调节，并且因此，能够任意地选择要用于操作的同步发电机20k和液压马达14k的多个组中的哪一组或哪些组。因此，能够根据需要仅使用同步发电机20k和液压马达14k的多个组中的一些。例如，为了在低负载操作期间整体上提高风力涡轮发电机的效率，可以使用同步发电机20k和液压马达14k的更少组，或者当在同步发电机20k和液压马达14k中的一个或多个组中存在故障时，同步发电机20k和液压马达14k的剩余的未损坏的组可以用于继续发电，而不错过发电的时机。
在风力涡轮发电机1中，液压传动装置10用作用于将来自转子2的力传送到发电机20k的传动，并且因此，旋转轴8与发电机轴（液压马达14k的输出轴15）分离。因此，易于将来自旋转轴8的力划分成多个部分并且将所划分的力输入到不止一个发电机20k，从而实现具有多个发电机20k的风力涡轮发电机1的简单结构。
另外，通过提供多个发电机20k，与具有一个发电机的风力涡轮发电机相比能够增强故障防护和发电机20k的发电的时机，并且还能够提高在低负载操作期间的效率。具体地，已知装配有图6的示例中所示出的励磁器100的同步发电机20k相对于永磁同步发电机在低负载操作期间具有较低的效率。因此，通过提供具有上述结构的多个同步发电机20k，能够实现提高在低负载操作期间的效率的显著效果。
虽然在下文参考示例性实施例对本发明进行了描述，但是对本领域的技术人员而言明显的是，在不背离本发明的范围的情况下可以进行各种改变。
[附图标记列表]
1    风力涡轮发电机
2    转子
4    叶片
5    致动器
6    轮毂
7    节距控制器
8    旋转轴
10   液压传动装置
12   液压泵
14   液压马达
15   输出轴
16   高压油路
18   低压油路
20   同步发电机
21   励磁绕组
22   机舱
24   塔架
31   压力传感器
32   转速传感器
33   风速计
34   温度传感器
36   转速传感器
40   传动装置控制器
41   最佳转矩确定单元
42   目标转矩确定单元
43   泵需求确定单元
44   泵控制单元
45   泵目标功率确定单元
46   马达目标功率确定单元
47   马达需求功率确定单元
48   马达控制单元
49   存储器单元
50   电网
59   端子电压检测器
60   旁通路
62   安全阀
64   蓄压器
66   电磁阀
70   油罐
72   补充线路
74   升压泵
76   滤油器
78   回流路
79   低压安全阀
100  励磁器（AC励磁器）
102  励磁绕组
103  旋转励磁器
106  PMG
110  励磁器控制器
113  比较电路
114  AVR
116  闸流晶体管
120  同步器
122  断路器
124  端子电压检测器
126  电网电压检测器
201  转矩反馈控制器
202  压力限制器
203  调节器
210  外部命令中心
212  调节器
220  压力反馈控制器
300  最大Cp曲线
310  Wr-Ti函数
500  增速齿轮
510  鼠笼式感应发电机
520  二次绕线式感应发电机
530  AC-DC-AC转换器（频率转换电路）
540  同步发电机
550  AC-DC-AC链路（频率转换电路）

Claims (15)

1.一种从可再生能源发电的可再生能源型的发电设备，所述设备包括：
叶片；
旋转轴，所述旋转轴通过经由所述叶片接收到的所述可再生能源来进行旋转；
液压泵，所述液压泵通过所述旋转轴来驱动并且产生增压油；
多个液压马达，所述多个液压马达通过所述增压油来驱动；
多个同步发电机，所述多个同步发电机在没有频率转换电路介入的情况下连接到电网，并且分别耦合到所述多个液压马达；
马达控制器，所述马达控制器独立地调节所述多个液压马达中的每一个的排量；以及
同步器，所述同步器将所述液压马达中的每一个的所述排量的命令值供应到所述马达控制器，使得在所述同步发电机连接到所述电网之前，所述同步发电机中的每一个的端子电压的频率和相位与所述电网同步。
2.根据权利要求1所述的可再生能源型的发电设备，
其中，在所述同步发电机中的每一个连接到所述电网之后，所述马达控制器基于所述液压马达中的每一个的目标输出值来控制所述液压马达中的每一个的所述排量，以便于将所述增压油维持在目标压力。
3.根据权利要求1所述的可再生能源型的发电设备，
其中，所述同步发电机和所述液压马达的组的数目是N，其中，N是不小于2的整数，
其中，所述N个同步发电机响应于所述可再生能源的流速的增加而顺序地连接到所述电网，以及
其中，在所述同步发电机中的每一个连接到所述电网之前，所述马达控制器基于来自所述同步器的所述命令值来调节所述液压马达中的每一个的排量。
4.根据权利要求3所述的可再生能源型的发电设备，
其中，所述马达控制器：
在所述N个同步发电机的第i个同步发电机连接到所述电网之后，增加耦合到所述第i个同步发电机的第i个液压马达的排量直到所述第i个同步发电机的输出达到设定值为止，所述设定值低于所述第i个同步发电机的额定功率并且高于所述第i个同步发电机的最小负载，其中，i是从1至（N-1）的整数中的任何整数；并且然后
在所述N个同步发电机的第（i+1）个同步发电机连接到所述电网之前，基于来自所述同步器的所述命令值来调节耦合到所述第（i+1）个同步发电机的第（i+1）个液压马达的排量。
5.根据权利要求3所述的可再生能源型的发电设备，
其中，所述设定值不小于所述第i个同步发电机的所述额定功率的50%并且小于所述第i个同步发电机的所述额定功率的100%。
6.根据权利要求3所述的可再生能源型的发电设备，
其中，所述马达控制器：
在所述N个同步发电机的第i个同步发电机连接到所述电网之后，彼此独立地调节第一至第i个液压马达的排量以将第一至第i个同步发电机的输出维持在最小负载，其中，i是从1至（N-1）的整数中的任何整数；以及
在所述N个同步发电机的第（i+1）个同步发电机连接到所述电网之前，基于来自所述同步器的所述命令值来调节耦合到所述第（i+1）个同步发电机的第（i+1）个液压马达的排量。
7.根据权利要求3所述的可再生能源型的发电设备，所述设备进一步包括：
节距控制器，所述节距控制器调节所述叶片的节距角；以及
泵控制器，所述泵控制器调节所述液压泵的排量，
其中，在所述N个同步发电机的第一个同步发电机连接到所述电网之前，所述马达控制器以下述状态基于来自所述同步器的所述命令值来调节耦合到所述第一个同步发电机的第一液压马达的所述排量：通过所述节距控制器来调节所述叶片的所述节距角以将所述旋转轴的所述转速维持在目标转速并且通过所述泵控制器来调节所述液压泵的所述排量以将所述增压油维持在目标压力。
8.根据权利要求3所述的可再生能源型的发电设备，
其中，基于所述同步发电机和所述液压马达的所述组中的每一组的累积操作时间以及切换在所述同步发电机中的每一个与所述电网之间的连接状态的每个断路器的打开和关闭频率中的至少一个来确定将所述同步发电机连接到所述电网的次序。
9.根据权利要求3所述的可再生能源型的发电设备，所述设备进一步包括：
泵控制器，所述泵控制器调节所述液压泵的排量，
在所述N个同步发电机的第i个同步发电机连接到所述电网之后，所述泵控制器调节所述液压泵的所述排量，并且所述马达控制器调节耦合到所述第i个同步发电机的第i个液压马达的所述排量，以便逐渐增加所述第i个同步发电机的输出，其中，i是从1至（N-1）的整数中的任何整数。
10.根据权利要求3所述的可再生能源型的发电设备，
其中，在所述N个同步发电机中的M个的故障期间，所述可再生能源型的发电设备产生不高于Prated x(N-M)/N的功率，其中，M是1至（N-1）中的整数，并且Prated是所述可再生能源型的发电设备的额定功率。
11.根据权利要求1所述的可再生能源型的发电设备，
其中，当所述可再生能源的流速下降到低于所述可再生能源型的发电设备开始发电所处在的切入速度时，所有已经连接到所述电网的所述同步发电机被断开连接以便停止所述可再生能源型的发电设备的发电。
12.根据权利要求1所述的可再生能源型的发电设备，
其中，当所有所述同步发电机被从所述电网断开连接时，所述同步发电机中的至少一个产生待供应给所述可再生能源型的发电设备的辅助装置的功率。
13.根据权利要求1所述的可再生能源型的发电设备，
其中，所述液压马达中的每一个包括：
多个工作腔，每一个工作腔被缸和活塞包围；
多个高压阀，所述多个高压阀用于将所述增压油供应给所述工作腔中的每一个；
多个低压阀，所述多个低压阀用于将所述增压油从所述工作腔中的每一个排出；以及
壳体，所述工作腔、所述高压阀以及所述低压阀被布置在所述壳体中，
其中，所述可再生能源型的发电设备进一步包括起动阀，所述起动阀被设置在所述壳体外用于所述液压马达中的每一个，并且
其中，当起动所述液压马达中的每一个时，所述马达控制器：通过控制所述起动阀和所述低压阀的打开和关闭来调节其中所述增压油被供应和排出的所述工作腔的数目，以将所述液压马达加速到目标阀切换转速；以及通过控制所述高压阀和所述低压阀的打开和关闭来调节其中所述增压油被供应和排出的所述工作腔的所述数目，以进一步将所述液压马达加速超过所述目标阀切换转速。
14.根据权利要求1所述的可再生能源型的发电设备，
其中，所述可再生能源型的发电设备是从形式为所述可再生能源的风力来发电的风力涡轮发电机。
15.一种操作可再生能源型的发电设备的方法，所述可再生能源型的发电设备包括：旋转轴，所述旋转轴通过经由叶片接收的可再生能源来进行旋转；液压泵，所述液压泵通过所述旋转轴驱动并且产生增压油；多个液压马达，所述多个液压马达通过所述增压油驱动；以及多个同步发电机，所述多个同步发电机分别耦合到所述多个液压马达，所述方法包括以下步骤：
基于来自同步器的命令值来独立地调节所述多个液压马达的排量，使得所述同步发电机中的每一个的端子电压的频率和相位与电网同步；以及
在对所述排量进行调节的步骤之后，在没有频率转换电路介入的情况下将所述多个同步发电机连接到所述电网。
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