CN202165218U - 一种风力发电机及其液压变桨控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种用于风力发电机的液压变桨控制系统，包括用于根据风力发电机的轮毂中心平均风速输出控制信号至所述液压缸(3)，并根据所述平均风速设定所述溢流阀(2)的调定压力的控制器(4)，其输出端连接有液压缸(3)、溢流阀(2)；所述溢流阀(2)连接于所述液压缸(3)的进油路和回油路之间，用于当系统压力大于其调定压力时发生溢流；所述液压缸(3)的一端与所述轮毂连接，另一端与所述叶片连接，用于根据所述控制器(4)发出的控制信号和所述叶片承受的实际载荷，执行所述叶片的变桨动作。该系统能克服风切变引起的载荷不均匀的问题。本实用新型还公开一种包括上述液压变桨控制系统的风力发电机，具有相同效果。

Description

一种风力发电机及其液压变桨控制系统

技术领域

本实用新型涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种用于风力发电机的液压变桨控制系统。此外，本实用新型还涉及一种包括上述液压变桨控制系统的风力发电机。

背景技术

风力发电是将风力发电机的叶片迎风扫掠面积内截获的风能转化成电能的过程。在风力发电过程中，风力发电机的叶片迎风面与风速的夹角直接影响到风力发电机对风能的吸收，当夹角达到某一定值时吸收率最高。为了使风轮在低风速时具有最佳吸收率，高风速时不吸收超过发电机能力的风能，就需要设置变桨系统。

现有的变桨系统主要包括三个变桨控制系统和一个控制器，变桨系统工作时，首先测得轮毂中心处的风速，控制器根据该风速和预设的控制算法得出控制命令，将控制命令输送至各个变桨控制系统，从而驱动三个叶片变桨至合适的角度。

风切变是风速在水平和垂直方向的突然变化，由于垂直风切变和水平风切变的影响，风力发电机的各个叶片上的风速并不均匀，导致各个叶片载荷不均匀，每个叶片的最佳桨距角并不一致。由于现有的变桨系统的每个叶片的桨距角相同，未考虑垂直风切变和水平风切变的影响，不能使每个叶片均达到最大吸收效率。随着风力发电机朝着大型化的方向发展，叶片尺寸的日益加大，风切变对叶片载荷的影响越来越大，成为一个不能忽略的、必须要解决的问题。独立变桨能很好解决这一问题，即采用三套不同的变桨控制系统，对三个叶片的桨距角进行单独控制，使三个叶片根据自身的风速变桨不同的角度，从而使每个叶片都达到最大的吸收效率。

然而，若在现有的变桨系统基础上进行改进，即设置三个控制器和与控制器对应的三套独立的变桨控制系统，分别测得每个叶片的风速后，根据控制算法得出每个叶片的控制命令，再分别控制每个叶片的变桨角度。由于每个叶片所处位置的风速难以估计，导致了变桨控制算法非常复杂，变桨响应速度难以达到实际的需求，且这种变桨控制系统的结构较复杂。

有鉴于此，亟待针对上述技术问题，设计一套全新的液压变桨控制系统，使其能根据每个叶片自身的风速实现独立变桨，有效解决风切变导致的叶片载荷不均匀问题，从而提高风力发电机的风能吸收率，并且具有结构简单、控制方便的优点。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题为提供一种用于风力发电机的液压变桨控制系统，其能够根据每个叶片自身的风速实现独立变桨，有效解决风切变导致的叶片载荷不均匀问题，提高风力发电机的风能吸收效率，并具有结构简单、控制方便的优点。本实用新型要解决的另一个技术问题为提供一种包括上述液压变桨控制系统的风力发电机。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种用于风力发电机的液压变桨控制系统，包括控制器、液压缸和溢流阀；所述控制器，其输出端连接所述液压缸、所述溢流阀，所述控制器用于根据所述风力发电机的轮毂中心平均风速输出控制信号至所述液压缸，并根据所述平均风速设定所述溢流阀的调定压力；所述溢流阀，连接于所述液压缸的进油路和回油路之间，用于当系统压力大于其调定压力时发生溢流；所述液压缸，其一端与所述轮毂连接，另一端与所述叶片连接，用于根据所述控制器发出的控制信号和所述叶片承受的实际载荷，执行所述叶片的变桨动作。

优选地，所述液压缸为带位移传感器的液压缸。

优选地，所述溢流阀为带电反馈的比例溢流阀。

优选地，所述溢流阀为电液伺服阀。

优选地，还包括比例方向阀，所述比例方向阀设于所述液压缸的进油路和回油路之间，且所述比例方向阀与所述控制器的输出端连接。

优选地，所述比例方向阀为带电反馈的比例方向阀。

优选地，所述液压变桨控制系统中储存油液的部件为蓄能器。

本实用新型提供一种用于风力发电机的液压变桨控制系统，其包括根据风力发电机的轮毂中心平均风速输出控制信号至液压缸，并根据平均风速设定溢流阀的调定压力的控制器，该控制器输出端连接液压缸、溢流阀；溢流阀连接于液压缸的进油路和回油路之间，用于当系统压力大于其调定压力时发生溢流；还包括根据控制器发出的控制信号和叶片承受的实际载荷，执行叶片的变桨动作的液压缸，该液压缸的一端与轮毂连接，另一端与叶片连接。

采用这种结构，系统启动后，首先变桨控制器根据检测到的风力发电机的轮毂中心平均风速和预设的算法得出控制命令，控制器将该控制命令输送给连接于其输出端的液压缸，液压缸根据该控制命令完成初始变桨动作，达到初始桨距角后，液压缸的活塞杆受力平衡；同时，控制器根据风力发电机的轮毂中心平均风速、结合预设的控制算法，得到平均叶片载荷，并根据此叶片载荷设定连接于其输出端的溢流阀的调定压力；在风力发电机的叶片转动过程中，由于垂直风切变和水平风切变的影响，当叶片实际载荷大于根据轮毂中心处平均风速所计算的平均叶片载荷，即系统压力大于溢流阀的调定压力时，溢流阀发生溢流，使系统压力降低到等于溢流阀的调定压力，维持系统压力恒定；与此同时，液压缸的活塞杆移动，当液压缸活塞杆重新平衡后，叶片桨距角实现了微调，叶片载荷降低。相反地，当叶片实际载荷小于溢流阀预设的调定压力，即系统压力小于溢流阀的调定压力时，溢流阀不动作，保持原有桨距角。

由此可见，上述液压变桨控制系统可以根据每个叶片自身的风速实现独立变桨，解决风切变导致的叶片载荷不均匀问题，从而提高风力发电机的风能吸收率，并且具有结构简单、控制容易的优点。

本实用新型还提供一种风力发电机，包括叶片；还包括如上所述的液压变桨控制系统，所述液压变桨控制系统设于所述叶片的轮毂上。

由于上述液压变桨控制系统具有上述技术效果，因此，包括该液压变桨控制系统的风力发电机也应当具有相同的技术效果，在此不再赘述。

附图说明

图1为本实用新型所提供用于风力发电机的液压变桨控制系统的一种具体实施方式的原理图。

其中，图1中的附图标记与部件名称之间的对应关系为：1比例方向阀；2溢流阀；3液压缸；4控制器；5蓄能器。

具体实施方式

本实用新型的核心为提供一种用于风力发电机的液压变桨控制系统，其能根据每个叶片自身的风速实现独立变桨，解决风切变导致的叶片载荷不均匀问题，提高风力发电机的风能吸收率，并且具有结构简单、控制容易的优点。本实用新型的另一个核心为提供一种包括上述液压变桨控制系统的风力发电机。

为了使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

请参考图1，图1为本实用新型所提供用于风力发电机的液压变桨控制系统的一种具体实施方式的原理图。

在一种具体实施方式中，如图1所示，本实用新型所提供的液压变桨控制系统包括控制器4、液压缸3和溢流阀2；控制器4的输出端连接液压缸3、溢流阀2，用于根据风力发电机的轮毂中心平均风速输出控制信号至液压缸3，并根据平均风速设定溢流阀2的调定压力；溢流阀2连接于液压缸3的进油路和回油路之间，用于当系统压力大于其调定压力时发生溢流；液压缸3的一端与轮毂连接，另一端与叶片连接，用于根据控制器4发出的控制信号和叶片承受的实际载荷，执行叶片的变桨动作。

采用这种结构，系统启动后，首先变桨控制器4根据检测到的风力发电机的轮毂中心平均风速和预设的算法得出控制命令，控制器4将该控制命令输送给连接于其输出端的液压缸3，液压缸3根据该控制命令完成初始变桨动作，达到初始桨距角后，液压缸3的活塞杆受力平衡；同时，控制器4根据风力发电机的轮毂中心平均风速、结合预设的控制算法，得到平均叶片载荷，并根据此叶片载荷设定连接于其输出端的溢流阀2的调定压力；在风力发电机的叶片转动过程中，由于垂直风切变和水平风切变的影响，当叶片实际载荷大于根据轮毂中心处平均风速所计算的平均叶片载荷，即系统压力大于溢流阀2的调定压力时，溢流阀2发生溢流，使系统压力降低到等于溢流阀2的调定压力，维持系统压力恒定；与此同时，液压缸3的活塞杆移动，当液压缸3活塞杆重新平衡后，叶片桨距角实现了微调，叶片载荷降低。相反地，当叶片实际载荷小于溢流阀2预设的调定压力，即系统压力小于溢流阀2的调定压力时，溢流阀2不动作，保持原有桨距角。

由此可见，上述液压变桨控制系统可以根据每个叶片自身的风速实现独立变桨，解决风切变导致的叶片载荷不均匀问题，从而提高风力发电机的风能吸收率，并且具有结构简单、控制容易的优点。

需要说明的是，上述具体实施方式并未限定液压缸3、溢流阀2的具体结构形式，也并未限定液压变桨控制系统的其他具体部件；事实上，凡是包括控制器4、液压缸3和溢流阀2，起到能够微调各个叶片的桨距角的液压变桨控制系统均应当属于本实用新型的保护范围。

还可以进一步设置上述液压变桨控制系统中各个部件的具体结构形式。

具体的方案中，上述液压缸3可以为带位移传感器的液压缸。采用这种结构形式的液压缸3，可以实时检测活塞杆伸长或缩短的长度，并将其值反馈给控制器4，便于控制器4精确掌握叶片的桨距角大小，以实现对叶片变桨的精确控制。当然，这里液压缸3可以为单杆液压缸3，也可以为双杆液压缸3，出于生产成本考虑，可以优先设定为单杆液压缸3，可以将缸筒端与轮毂连接，将活塞杆端与叶片连接；也可以将活塞杆端与轮毂连接，将缸筒端与轮毂连接。

关于上述溢流阀2的具体结构形式，其可以为带电反馈的比例溢流阀2。与上述带位移传感器的液压缸3类似，采用带电反馈的比例阀便于控制器4精确掌握叶片的桨距角大小，以实现对叶片变桨的精确控制。进一步地，上述溢流阀2还可以带电反馈的先导式比例溢流阀，当然，也可以是带电反馈的直动式比例溢流阀。

当然，上述溢流阀2并不限于采用比例溢流阀2，还可以为电液伺服阀。电液伺服阀具有信号传递快、线路连接方便，易于测量、比较和校正的优点，因此选用电液伺服阀具有控制灵活、精度高的效果。

还可以进一步设置上述液压变桨控制系统的具体结构形式。

在另一种具体实施方式中，上述液压变桨控制系统还可以包括比例方向阀1，该比例方向阀1设于液压缸3的进油路和回油路之间，且比例方向阀1与控制器4的输出端连接。采用这种结构形式，当需要改变液压缸3中的进油方向和回油方向时，只需控制器4向比例方向阀1输出控制信号，切换比例方向阀1的各个通路，即可实现液压缸3的油路循环方向。由此可见，在液压变桨控制系统中连入比例方向阀1，能够使得液压缸3的伸出和收缩动作更加灵活，便于对风力发电机叶片桨距角的灵活控制，增加液压变桨控制系统的工作灵活性和适应性。

具体的方案中，上述比例方向阀1可以具体为带电反馈的比例方向阀1。与上述带电反馈的比例溢流阀2作用相似，这样能够使控制器4随时掌握和控制比例方向阀1的动作情况，构成闭环的液压控制系统还可以及时纠偏，以增强液压变桨控制系统的控制准确性和及时性。当然，这里比例方向阀1可以为直动式比例方向阀，也可以为先导式比例方向阀。

在另一种具体实施方式中，上述液压变桨控制系统储存油液的部件可以为蓄能器5。采用蓄能器5能够在短时间内供应大量压力油液，能够补偿系统泄漏或充当应急能源，使系统在一段时间内维持系统压力，还可以减少液压冲击或压力脉动，增强液压变桨控制系统的工作稳定性。当然，上述液压变桨控制系统的储存油液并不限于蓄能器。

本实用新型还提供一种风力发电机，包括叶片，还包括如上所述的液压变桨控制系统，该液压变桨控制系统设于叶片的轮毂上。

由于上述液压变桨控制系统具有上述技术效果，包括该液压变桨控制系统的风力发电机也应当具有相同的技术效果，在此不再赘述。

以上对本实用新型所提供的一种风力发电机及其液压变桨控制系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于风力发电机的液压变桨控制系统，其特征在于，包括：

控制器(4)，其输出端连接液压缸(3)、溢流阀(2)，所述控制器(4)用于根据所述风力发电机的轮毂中心平均风速输出控制信号至所述液压缸(3)，并根据所述平均风速设定所述溢流阀(2)的调定压力；

所述溢流阀(2)，连接于所述液压缸(3)的进油路和回油路之间，用于当系统压力大于其调定压力时发生溢流；

所述液压缸(3)，其一端与所述轮毂连接，另一端与风力发电机的叶片连接，用于根据所述控制器(4)发出的控制信号和所述叶片承受的实际载荷，执行所述叶片的变桨动作。

2.根据权利要求1所述的风力发电机的液压变桨控制系统，其特征在于，所述液压缸(3)为带位移传感器的液压缸(3)。

3.根据权利要求1所述的风力发电机的液压变桨控制系统，其特征在于，所述溢流阀(2)为带电反馈的比例溢流阀(2)。

4.根据权利要求1所述的风力发电机的液压变桨控制系统，其特征在于，所述溢流阀(2)为电液伺服阀。

5.根据权利要求1-4任一项所述的风力发电机的液压变桨控制系统，其特征在于，还包括比例方向阀(1)，所述比例方向阀(1)设于所述液压缸(3)的进油路和回油路之间，且所述比例方向阀(1)与所述控制器(4)的输出端连接。

6.根据权利要求5所述的风力发电机的液压变桨控制系统，其特征在于，所述比例方向阀(1)为带电反馈的比例方向阀。

7.根据权利要求1所述的风力发电机的液压变桨控制系统，其特征在于，所述液压变桨控制系统中储存油液的部件为蓄能器(5)。

8.一种风力发电机，包括叶片；其特征在于，还包括如权利要求1-7任一项所述的液压变桨控制系统，所述液压变桨控制系统设于所述叶片的轮毂上。

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