CN113294291B - 通过使用液压系统来控制风力涡轮机的叶片桨距角的方法 - Google Patents

通过使用液压系统来控制风力涡轮机的叶片桨距角的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及通过使用液压系统来控制风力涡轮机的叶片桨距角的方法。该液压系统包括存储液压流体的储存器以及泵，如果蓄能器中的液压流体压力低于下限阈值且直到蓄能器中的液压流体压力超过上限阈值，该泵将液压流体从储存器供应到蓄能器。蓄能器存储由泵供应的加压液压流体并经由液压系统的输出阀将加压液压流体供应到变桨控制缸。变桨控制缸中的加压液压流体驱动活塞以改变叶片桨距角。该方法包括：确定加压液压流体从蓄能器到变桨控制缸的目标流出量；确定该目标流出量与液压流体从储存器到蓄能器的预定流入量之间的差；如果该目标流出量大于所述预定流入量，则通过泵将液压流体从储存器供应到蓄能器，而无论该液压流体压力是否低于下限阈值。

Description

通过使用液压系统来控制风力涡轮机的叶片桨距角的方法
技术领域
本发明涉及一种通过使用液压系统来控制风力涡轮机的至少一个叶片的桨距角的方法，并且涉及一种液压系统。
背景技术
在压力控制的液压系统中，一个或多个液压蓄能器中的液压流体的压力被维持在上限阈值和下限阈值之间，所述压力控制的液压系统例如风力涡轮机的变桨控制系统，其中叶片的变桨致动器被液压驱动。随着液压流体被消耗以用于变桨致动器的移动，蓄能器中的压力下降，直到达到下限阈值，此时使一个或多个泵向蓄能器提供液压流体的流入。维持该流入，直到达到上限阈值。
在由于高流率或变桨致动器的长行程距离而引起来自蓄能器的液压流体的大量消耗的状况下，尽管有油流入，但蓄能器中的液压流体压力仍可能继续下降，使得最终在功能受限的情况下触发安全模式。在风力涡轮机的变桨控制系统中，此问题可能导致风力涡轮机停机。
如果这些泵为可变排量类型，则可通过增加泵的排量来确保所需的流入。如果泵为固定排量类型，则可启动泵阵列中的其他泵。
通常，固定排量泵在启动时需要通过开中心阀或通过使用单独的阀来减轻其输出压力，该阀允许来自泵的输出流以最小的压力直接返回到储存器。
泵流量通常仅通过蓄能器压力的上限阈值和下限阈值来控制。
发明内容
可能需要一种通过使用液压系统来控制风力涡轮机的至少一个叶片的桨距角的方法，其中，在上面提到的状况下，在使风力涡轮机保持操作的同时，可降低触发安全模式的风险，使得可增加所产生的电量。该需要可通过根据独立权利要求所述的主题来满足。本发明如从属权利要求中所阐述地进一步得到改进。
根据本发明的第一方面，提供了一种通过使用液压系统来控制风力涡轮机的至少一个叶片的桨距角的方法。所述液压系统包括：至少一个储存器，其构造成存储例如油之类的液压流体；至少一个泵，其构造成将所述液压流体从所述储存器供应到至少一个蓄能器，这是在所述蓄能器中的液压流体压力下降到下限阈值以下的情况下，并且直到所述蓄能器中的所述液压流体压力超过上限阈值为止。所述蓄能器被构造成存储由所述泵供应的加压液压流体，并且经由所述液压系统的至少一个输出阀将所述加压液压流体供应到所述液压系统的至少一个变桨控制缸。所述变桨控制缸中的加压液压流体驱动至少一个活塞，以改变所述叶片的所述桨距角。
所述方法包括以下步骤：确定所述加压液压流体从所述蓄能器到所述变桨控制缸的目标流出量；确定所确定的所述加压液压流体从所述蓄能器到所述变桨控制缸的目标流出量与所述液压流体从所述储存器到所述蓄能器的预定流入量之间的差；并且如果所确定的目标流出量大于所述预定流入量，则通过所述泵将所述液压流体从所述储存器供应到所述蓄能器，而无论所述蓄能器中的所述液压流体压力是否下降到所述下限阈值以下。
通过本发明，降低了触发安全模式的风险，使得可继续风力涡轮机的操作。因此，可增加产生的电量。另外，蓄能器不需要扩大以满足最坏情况，以便在不触发安全模式的情况下供应所要求的液压流体压力，使得本发明可降低蓄能器的成本。
在一个实施例中，所述加压液压流体从所述蓄能器到所述变桨控制缸的所述目标流出量由所述至少一个叶片的目标变桨速度、所述至少一个活塞的目标速度以及存储在所述蓄能器中的所述加压液压流体的变化率中的至少一者来确定。所述至少一个叶片的目标变桨速度可以是叶片变桨的速度。
在一个实施例中，控制所述桨距角通过开环控制来实现。
在一个实施例中，所述泵是可变排量型的泵，其中，如果所确定的所述加压液压流体从所述蓄能器到所述变桨控制缸的目标流出量与所述液压流体从所述储存器到所述蓄能器的所述预定流入量之间的差增加，则所述泵的排量增加。
在一个实施例中，所述液压系统包括多个所述泵，每个泵是固定排量型的泵，其中，如果所确定的所述加压液压流体从所述至少一个蓄能器到所述至少一个变桨控制缸的目标流出量与所述液压流体从所述至少一个储存器到所述至少一个蓄能器的所述预定流入量之间的差增加，则将所述液压流体从所述至少一个储存器供应到所述至少一个蓄能器的所述泵的数量增加。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于控制风力涡轮机的至少一个叶片的桨距角的液压系统。所述液压系统包括：至少一个储存器，其构造成存储液压流体；以及至少一个泵，其构造成将所述液压流体从所述储存器供应到至少一个蓄能器，这是在所述蓄能器中的液压流体压力下降到下限阈值以下的情况下，并且直到所述蓄能器中的所述液压流体压力超过上限阈值为止。所述蓄能器被构造成存储由所述泵供应的加压液压流体，并且经由所述液压系统的至少一个输出阀将所述加压液压流体供应到所述液压系统的至少一个变桨控制缸。所述变桨控制缸中的加压液压流体驱动至少一个活塞，以改变所述叶片的所述桨距角。所述液压系统还包括控制装置，其被构造成确定所述加压液压流体从所述蓄能器到所述变桨控制缸的目标流出量，确定所确定的所述加压液压流体从所述蓄能器到所述变桨控制缸的目标流出量与所述液压流体从所述储存器到所述蓄能器的预定流入量之间的差，并且如果所确定的目标流出量大于所述预定流入量，则使所述泵将所述液压流体从所述储存器供应到所述蓄能器，而无论所述蓄能器中的所述液压流体压力是否下降到所述下限阈值以下。
在一个实施例中，所述控制装置通过所述至少一个叶片的目标变桨速度、所述至少一个活塞的目标速度以及存储在所述蓄能器中的所述加压液压流体的变化率中的至少一者来确定所述加压液压流体从所述蓄能器到所述变桨控制缸的所述目标流出量。
在一个实施例中，所述控制装置被构造成通过开环控制来控制所述桨距角。
在一个实施例中，所述泵是可变排量型的泵，其中，所述控制装置被构造成在所确定的所述加压液压流体从所述蓄能器到所述变桨控制缸的目标流出量与所述液压流体从所述储存器到所述蓄能器的所述预定流入量之间的差增加的情况下，增加所述泵的排量。
在一个实施例中，所述液压系统包括多个所述泵，其中，每个泵是固定排量型的泵。所述控制装置被构造成在所确定的所述加压液压流体从所述至少一个蓄能器到所述至少一个变桨控制缸的目标流出量与所述液压流体从所述至少一个储存器到所述至少一个蓄能器的所述预定流入量之间的差增加的情况下，增加将所述液压流体从所述至少一个储存器供应到所述至少一个蓄能器的所述泵的数量。
根据本发明的第三方面，提供了一种风力涡轮机，其包括塔架、安装在所述塔架处的机舱、可旋转地安装在所述机舱处的轮毂、安装在所述轮毂处的至少一个叶片以及所述液压系统。
上面提到的实施例包括至少一个叶片、一个储存器、一个泵、一个蓄能器、一个变桨控制缸、一个输出阀以及一个活塞。然而，对于本领域技术人员而言清楚的是，本发明也可通过如下方式来实施，即：实施多个叶片（特别是三个叶片）、多个储存器、多个泵（泵的阵列）、多个蓄能器、多个变桨控制缸、多个输出阀和/或多个活塞。
需要注意的是，已参考不同的主题描述了本发明的实施例。特别地，一些实施例已参考装置类型的权利要求来描述，而其他实施例已参考方法类型的权利要求来描述。然而，本领域技术人员将会从上文和下面的描述获悉，除非另有声明，否则除了属于一种类型的主题的特征的任何组合外，与不同主题相关的特征之间的任何组合、特别是装置类型权利要求的特征和方法类型权利要求的特征之间的任何组合也被认为利用本申请公开。
附图说明
本发明的上文所限定的方面以及另外的方面通过将在下文中描述的实施例的示例是显而易见的，并且参考这些实施例的示例来解释。将在下文中参考实施例的示例来更详细地描述本发明，但本发明并不限于这些实施例的示例。
图1示出了风力涡轮机及其不同元件；
图2示出了根据实施例的液压系统的主要部件的示意图；以及
图3示出了通过使用液压系统来控制风力涡轮机的叶片的桨距角的实施例的流程图。
具体实施方式
附图中的图例是示意性的。要注意的是，在不同的附图中，相似或相同的元件配有相同的附图标记。
图1示出了风力涡轮机1。风力涡轮机1包括机舱3和塔架2。机舱3被安装在塔架2的顶部处。机舱3被安装成借助于偏航轴承相对于塔架2可旋转。机舱3相对于塔架2的旋转轴线被称为偏航轴线。
风力涡轮机1还包括具有三个转子叶片6（图1中描绘了其中两个转子叶片6）的轮毂4。每个叶片6能够以所谓的桨距角（pitch angle）绕叶片6的纵向轴线旋转。叶片6的桨距角通过变桨控制来控制。
轮毂4被安装成借助于主轴承7相对于机舱3可旋转。轮毂4被安装成可绕转子旋转轴线8旋转。
此外，风力涡轮机1还包括发电机5。发电机5又包括将发电机5与轮毂4连接的转子10。轮毂4被直接连接到发电机5，因而风力涡轮机1被称为无传动装置的直驱式风力涡轮机。这样的发电机5被称为直驱式发电机5。作为替代方案，轮毂4也可经由齿轮箱连接到发电机5。这种类型的风力涡轮机1被称为齿轮传动式的风力涡轮机。本发明适于两种类型的风力涡轮机1。
发电机5被容纳在机舱3内。发电机5被布置并准备用于将来自轮毂4的旋转能转换成呈交流电形式的电能。
图2示出了根据实施例的液压系统20的主要部件的示意图。液压系统20包括：储存器21，其构造成存储例如油的液压流体；以及液压泵22，其构造成将液压流体从储存器21供应到液压蓄能器23。附图标记27标示输入阀，例如止回阀，其被布置在泵22与蓄能器23之间。附图标记28标示旁通阀。当旁通阀28打开并且泵22在输入阀27关闭的同时操作时，来自泵22的液压流体返回到储存器21。可使用多个泵22，它们可共用共同的旁通阀28。
蓄能器23被构造成存储由泵22供应的加压液压流体，并且经由液压系统20的输出阀25将加压液压流体供应到液压系统20的变桨控制缸24。变桨控制缸24中的加压液压流体驱动活塞26，以改变叶片6的桨距角。活塞26和叶片6之间的机械连杆是本领域技术人员从现有技术中公知的，并且不需要进一步详细描述。
液压系统20还包括控制装置30，其通信地连接到压力传感器31。压力传感器31检测蓄能器23中的液压流体压力。液压系统20还通信地连接到泵22、输出阀25和旁通阀28，其中，液压系统20被构造成将第一激活信号发送到泵22以用于激活泵22，将第二激活信号发送到输出阀25以用于打开输出阀25，并且将第三激活信号发送到旁通阀28以用于打开旁通阀28。例如，第一激活信号通常被发送到泵22，以便将液压流体从储存器21供应到液压蓄能器23。泵22可连续地操作。第二激活信号被发送到输出阀25，以便将其打开，使得变桨控制缸24被来自蓄能器23的加压液压流体驱动。第三激活信号未被发送到旁通阀28，以保持旁通阀28关闭，使得液压流体可从储存器21经由泵22和止回阀27供应到蓄能器23。如果第三激活信号被发送到旁通阀28，则其被打开，使得液压流体可从泵22返回到储存器21。
图3示出了通过使用液压系统20来控制风力涡轮机的叶片6的桨距角的实施例的流程图。以下控制步骤通常通过控制装置30执行。
在步骤S1中，确定加压液压流体从蓄能器23到变桨控制缸24的目标流出量。例如，加压液压流体从蓄能器23到变桨控制缸24的该目标流出量可通过叶片6的目标变桨速度、活塞26的目标速度以及存储在蓄能器23中的加压液压流体的变化率中的至少一者来确定。叶片6的目标变桨速度可以是叶片6变桨的速度。叶片6的目标变桨速度、活塞26的目标速度以及存储在蓄能器23中的加压液压流体的变化率表征了加压液压流体从蓄能器23到变桨控制缸24的目标（即，要求的）流出量。通过确定如上所述的加压液压流体从蓄能器23到变桨控制缸24的目标流出量，本实施例实施控制桨距角的开环控制（前馈控制）。由于本实施例未实施桨距角的闭环控制（反馈控制），因此没有直接检测实际流出量。通过实施该开环控制，控制方法非常快速和简单。
在步骤S2中，确定所确定的加压液压流体从蓄能器23到变桨控制缸24的目标流出量与液压流体从储存器21到蓄能器23的预定流入量之间的差。例如，液压流体从储存器21到蓄能器23的预定流入量可以是泵22的标称排量（100%）。可替代地，液压流体从储存器21到蓄能器23的预定流入量可被设置为泵22的标称排量的预定百分比（小于100%），或者液压流体从储存器21到蓄能器23的预定流入量可以是泵22的当前可用排量。
在步骤S3中，检查所确定的加压液压流体从蓄能器23到变桨控制缸24的目标流出量与液压流体从储存器21到蓄能器23的预定流入量之间的差是否大于零。在这种情况下，所确定的加压液压流体从蓄能器23到变桨控制缸24的目标流出量超过液压流体从储存器21到蓄能器23的预定流入量。
如果步骤S3中的结果是肯定的（是），则该方法前进到步骤S4，在该步骤S4处，液压流体仍通过泵22从储存器21供应到蓄能器23。如果步骤S3中的结果是否定的（否），则该方法前进到步骤S5，在该步骤S5处，检查蓄能器23中的液压流体压力是否降到下限阈值以下。
如果步骤S5中的结果是肯定的（是），则该方法前进到步骤S4，在该步骤S4处，液压流体仍通过泵22从储存器21供应到蓄能器23。如果步骤S5中的结果是否定的（否），则该方法前进到步骤S6，在该步骤S6处，检查蓄能器23中的液压流体压力是否超过上限阈值。
如果步骤S6中的结果是否定的（否），则该方法前进到步骤S4，在该步骤S4处，液压流体仍通过泵22从储存器21供应到蓄能器23。如果步骤S6中的结果是肯定的（是），则该方法前进到步骤S7，在该步骤S7处，液压流体从储存器21到蓄能器23的供应被停止。这通过打开旁通阀28来实现，使得来自泵22的液压流体直接返回到储存器21。可替代地，可仅停止泵22。
在步骤S4和S7之后，该方法跳回到步骤S1并且被迭代地重复。
在一个实施例中，泵22是可变排量型的泵22。如果所确定的加压液压流体从蓄能器23到变桨控制缸24的目标流出量与液压流体从储存器21到蓄能器23的预定流入量之间的差增加，则在步骤S4中增加泵22的排量。优选地，可通过可变排量泵22连续地增加（ramp）排量。
在另一个实施例中，液压系统20包括多个泵22，其中，每个泵22是固定排量型的泵。术语“固定排量”意味着泵22可具有固定的标称排量。如果所确定的加压液压流体从至少一个蓄能器23到至少一个变桨控制缸24的目标流出量与液压流体从至少一个储存器21到至少一个蓄能器23的预定流入量之间的差增加，则在步骤S4中，将液压流体从至少一个储存器21供应到至少一个蓄能器23的泵22的数量增加。可通过关闭分配给不同的泵22的相应旁通阀28，来增加将液压流体从至少一个储存器21供应到至少一个蓄能器23的泵22的数量。
可替代地，可以仅通过开启/关掉泵22来将液压流体从储存器21供应到至少一个蓄能器23。
所描绘的实施例仅包括一个叶片6、一个储存器21、一个泵22、一个蓄能器23、一个变桨控制缸24、一个输出阀25以及一个活塞26。然而，对于本领域技术人员而言清楚的是，本发明也可通过如下方式来实施，即：实施多个叶片6（特别是三个叶片6）、多个储存器21、多个泵22、多个蓄能器23、多个变桨控制缸24、多个输出阀25、多个旁通阀28和/或多个活塞26。
在实施例中，输出阀25和旁通阀28被描述为常闭阀，所述常闭阀在不施加激活信号时关闭。然而，本发明也可通过常开阀来实现，所述常开阀在不施加激活信号时打开。
应当注意的是，术语“包括”并不排除其他元件或步骤，并且措词“一”、“一个”或“一种”并不排除多个。此外，也可组合联系不同实施例描述的元件。还应当注意的是，权利要求中的附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。

Claims (11)

1.一种通过使用液压系统来控制风力涡轮机的至少一个叶片的桨距角的方法，所述液压系统包括：至少一个储存器，其构造成存储液压流体；以及至少一个泵，其构造成将所述液压流体从所述储存器供应到至少一个蓄能器，这是在所述蓄能器中的液压流体压力下降到下限阈值以下的情况下，并且直到所述蓄能器中的所述液压流体压力超过上限阈值为止，其中，所述蓄能器被构造成存储由所述泵供应的加压液压流体，并且经由所述液压系统的至少一个输出阀将所述加压液压流体供应到所述液压系统的至少一个变桨控制缸，所述变桨控制缸中的所述加压液压流体驱动至少一个活塞，以改变所述叶片的所述桨距角，所述方法包括：
确定所述加压液压流体从所述蓄能器到所述变桨控制缸的目标流出量；
确定所确定的所述加压液压流体从所述蓄能器到所述变桨控制缸的目标流出量与所述液压流体从所述储存器到所述蓄能器的预定流入量之间的差；以及
如果所确定的目标流出量大于所述预定流入量，则无论所述蓄能器中的所述液压流体压力是否下降到所述下限阈值以下，都通过所述泵将所述液压流体从所述储存器供应到所述蓄能器。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，
所述加压液压流体从所述蓄能器到所述变桨控制缸的所述目标流出量由所述至少一个叶片的目标变桨速度、所述至少一个活塞的目标速度以及存储在所述蓄能器中的所述加压液压流体的变化率中的至少一者来确定。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，
对所述桨距角的控制通过开环控制来实现。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，
所述泵是可变排量型的泵，其中，如果所确定的所述加压液压流体从所述蓄能器到所述变桨控制缸的目标流出量与所述液压流体从所述储存器到所述蓄能器的所述预定流入量之间的差增加，则所述泵的排量增加。
5.根据权利要求1所述的方法，所述液压系统包括多个所述泵，每个泵是固定排量型的泵，其中，如果所确定的所述加压液压流体从所述至少一个蓄能器到所述至少一个变桨控制缸的目标流出量与所述液压流体从所述至少一个储存器到所述至少一个蓄能器的所述预定流入量之间的差增加，则将所述液压流体从所述至少一个储存器供应到所述至少一个蓄能器的所述泵的数量增加。
6.一种用于控制风力涡轮机的至少一个叶片的桨距角的液压系统，所述液压系统包括：
至少一个储存器，其构造成存储液压流体；
至少一个泵，其构造成将所述液压流体从所述储存器供应到至少一个蓄能器，这是在所述蓄能器中的液压流体压力下降到下限阈值以下的情况下，并且直到所述蓄能器中的所述液压流体压力超过上限阈值为止；
所述蓄能器被构造成存储由所述泵供应的加压液压流体，并且经由所述液压系统的至少一个输出阀将所述加压液压流体供应到所述液压系统的至少一个变桨控制缸，其中，所述变桨控制缸中的所述加压液压流体驱动至少一个活塞，以改变所述叶片的所述桨距角；以及
控制装置，其构造成确定所述加压液压流体从所述蓄能器到所述变桨控制缸的目标流出量，确定所确定的所述加压液压流体从所述蓄能器到所述变桨控制缸的目标流出量与所述液压流体从所述储存器到所述蓄能器的预定流入量之间的差，并且如果所确定的目标流出量大于所述预定流入量，则使所述泵将所述液压流体从所述储存器供应到所述蓄能器，而无论所述蓄能器中的所述液压流体压力是否下降到所述下限阈值以下。
7.根据权利要求6所述的液压系统，其中，
所述控制装置通过所述至少一个叶片的目标变桨速度、所述至少一个活塞的目标速度以及存储在所述蓄能器中的所述加压液压流体的变化率中的至少一者来确定所述加压液压流体从所述蓄能器到所述变桨控制缸的所述目标流出量。
8.根据权利要求6所述的液压系统，其中，
所述控制装置被构造成通过开环控制来控制所述桨距角。
9.根据权利要求6所述的液压系统，其中，
所述泵是可变排量型的泵，其中，所述控制装置被构造成在所确定的所述加压液压流体从所述蓄能器到所述变桨控制缸的目标流出量与所述液压流体从所述储存器到所述蓄能器的所述预定流入量之间的差增加的情况下，增加所述泵的排量。
10.根据权利要求6所述的液压系统，所述液压系统包括多个所述泵，每个泵是固定排量型的泵，其中，所述控制装置被构造成在所确定的所述加压液压流体从所述至少一个蓄能器到所述至少一个变桨控制缸的目标流出量与所述液压流体从所述至少一个储存器到所述至少一个蓄能器的所述预定流入量之间的差增加的情况下，增加将所述液压流体从所述至少一个储存器供应到所述至少一个蓄能器的所述泵的数量。
11.一种风力涡轮机，包括塔架、安装在所述塔架处的机舱、可旋转地安装在所述机舱处的轮毂、安装在所述轮毂处的至少一个叶片以及根据权利要求6所述的液压系统。
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