專利名稱：風能轉(zhuǎn)換器的操作方法、風能轉(zhuǎn)換器用控制裝置以及風能轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種風能轉(zhuǎn)換器。
背景技術：
風能能夠由風能轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成各種有用的形式，例如電，該風能轉(zhuǎn)換器包括耦合 到發(fā)電機的轉(zhuǎn)子，例如低速螺旋槳。由于給定位置處的風速通常隨著天氣條件的變化而波 動，因此，常規(guī)的風能轉(zhuǎn)換器一般利用可變轉(zhuǎn)子速度進行操作，以便在不同的風速等級下獲 得轉(zhuǎn)子較高的氣動效率。在一些實施中，為了給電網(wǎng)供電，使用直接連接到輸電網(wǎng)的定速發(fā)電機，例如同步 發(fā)電機是很有利的。除了經(jīng)濟效益之外，在沒有昂貴的功率變流器的情況下，供給到網(wǎng)中的 電能的質(zhì)量通常更高。此外，定速發(fā)電機可以在中壓等級下操作，以致不需要額外的變壓 器。DE102005054539B3公開了一種風能轉(zhuǎn)換器的一個示例，其包括轉(zhuǎn)子和用于直接連接于 電網(wǎng)的發(fā)電機。在這個示例中，轉(zhuǎn)子和發(fā)電機由變比齒輪系統(tǒng)耦合，該變比齒輪系統(tǒng)包括控 制變比齒輪系統(tǒng)的傳動比的液壓部件。因此，風能轉(zhuǎn)換器根據(jù)風速在可變的轉(zhuǎn)子速度下進 行操作，同時定速驅(qū)動發(fā)電機。在上述示例中，雖然風能轉(zhuǎn)換器的氣動損失能夠通過根據(jù)風速的變化調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子速 度得以降低，但是大部分功率經(jīng)由變比齒輪系統(tǒng)的液壓部件從轉(zhuǎn)子傳輸?shù)桨l(fā)電機。由于液 壓部件通常會遭受因泄流引起的功率損失、摩擦損失等，因此，由于變比齒輪系統(tǒng)的液壓部 件中的功率損失導致降低了風能轉(zhuǎn)換器的總效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個總的方面涉及一種用于操作風能轉(zhuǎn)換器的方法，該風能轉(zhuǎn)換器具有 機械耦合在轉(zhuǎn)子和發(fā)電機之間的變比齒輪系統(tǒng)，其中該變比齒輪系統(tǒng)包括耦合到第一軸的 第一傳輸單元，例如液壓單元，和耦合到第二軸的第二傳輸單元，例如液壓單元。該方法包 括將變比齒輪調(diào)節(jié)到第一軸基本上不旋轉(zhuǎn)的第一傳動比。例如，第一軸根本不旋轉(zhuǎn)，或者以 與變比齒輪系統(tǒng)的傳動比在傳動比范圍內(nèi)變化時第一軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)速度范圍相比可忽略 的低旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)，此時假定發(fā)電機速度恒定。這種方法的實施方式可以包括下述特征中的一個或者多個。對風速進行確定。例如，表征當前風速的風速值由風的測量值直接確定或者由風 能轉(zhuǎn)換器的運行參數(shù)間接確定。此外，該方法還包括檢測風速是否在第一方向上已經(jīng)達到 第一閾值。例如，第一方向可以預定為與風速的上升相對應的方向，以便當風速已經(jīng)上升超 過，即變得已經(jīng)大于第一閾值時，就能檢測到風速已經(jīng)達到第一閾值。作為替代，第一方向 可以預定為與風速的下降相對應的方向，以便當風速已經(jīng)下降低于，即已經(jīng)變得小于第一 閾值時就能檢測到風速已經(jīng)達到第一閾值。在有些實施方式中，當確定風速在第一方向上已經(jīng)達到第一閾值時，將變比齒輪系統(tǒng)調(diào)節(jié)到第二軸基本上不旋轉(zhuǎn)的第二傳動比。在這種情況下，第二軸的旋轉(zhuǎn)速度等于零， 例如，或者其值為與變比齒輪系統(tǒng)的傳動比在變比齒輪的傳動比范圍內(nèi)變化時第二軸旋轉(zhuǎn) 的旋轉(zhuǎn)速度范圍相比為可忽略的低值，此時假定發(fā)電機速度恒定。使用上述方法，變比齒輪系統(tǒng)的傳動比從耦合到第一液壓單元的第一軸基本上不 旋轉(zhuǎn)的第一傳動比變化到耦合到第二液壓單元的第二軸基本上不旋轉(zhuǎn)的第二傳動比。這 樣，就可以避開第一軸和第二軸基本上都不旋轉(zhuǎn)的傳動比，從而減少液壓單元中的功率損 耗，對于耦合到液壓單元的軸的較高旋轉(zhuǎn)速度而言，該功率損耗通常較大。因此，該方法能 夠以這樣一種方式操作具有包括液壓部件的變比齒輪系統(tǒng)的風能轉(zhuǎn)換器，即，當轉(zhuǎn)子仍然 能夠根據(jù)變化的風況以不同的轉(zhuǎn)子速度運行時可以顯著降低液壓單元中的功率損耗，從而 顯著降低整個變比齒輪系統(tǒng)的功率損耗。該方法可以進一步包括以恒定的發(fā)電機速度驅(qū)動發(fā)電機。這使同步發(fā)電機能夠直 接連接到電網(wǎng)，而無需使用昂貴而且能量效率很低的功率轉(zhuǎn)換器。在有些實施方式中，當以 恒定的發(fā)電機速度驅(qū)動發(fā)電機時，第一傳動比和第二傳動比中的至少一個對應于轉(zhuǎn)子的最 小運行速度和額定最大速度中的一個。這樣，就可以利用風能轉(zhuǎn)換器的實際可能的轉(zhuǎn)子速 度的運行范圍的下限值和/或上限值，從而通過將轉(zhuǎn)子的實際能力使用到相應的極限值以 便在特別寬范圍的風速內(nèi)實現(xiàn)高效率。在有些實施方式中，該方法進一步包括當風速在第一方向上已經(jīng)達到第一閾值 時，將第一軸與第一液壓單元脫離。在這種情況下，由于耦合到第二液壓單元的第二軸基 本上不旋轉(zhuǎn)，因此基本上沒有功率在第一液壓單元和第二液壓單元之間液壓或機械傳輸。 通過將第一軸與第一液壓單元脫離，第一軸和第一液壓單元之間不能進行進一步的功率傳 輸，從而使第一液壓單元例如由于其本身的摩擦力而減速到零速度。這樣，第一液壓單元和 第二液壓單元都可以配置為在零速度下運行，從而進一步降低變比齒輪系統(tǒng)中的液壓損耗 并且獲得風能轉(zhuǎn)換器的特別高的效率。在有些實施方式中，該方法進一步包括當風速在第一方向上已經(jīng)達到第一閾值時 制動第一液壓單元。這樣能夠有利地提高風能轉(zhuǎn)換器在這種運行狀態(tài)下的運行穩(wěn)定性，并 且能夠進一步減輕第一液壓單元上的負載，用于提高液壓單元的有效期限。在有些實施方式中，當風速在第一方向上已經(jīng)達到第一閾值時，調(diào)節(jié)第一液壓單 元的轉(zhuǎn)角，以便基本上停止流經(jīng)第一液壓單元的湍流。這樣就有效地停止了第一液壓單元 和第二液壓單元之間的液壓功率流，以使第一液壓單元的制動也能夠間接制動第二液壓單 元，或者能夠抑制第二液壓單元，這取決于第二液壓單元的轉(zhuǎn)角的設置。這樣就能夠改善風 能轉(zhuǎn)換器在這種運行狀態(tài)下的運行穩(wěn)定性。在有些實施方式中，第一液壓單元和第二液壓單元由至少一個液壓導管連接。該 方法進一步包括當風速在第一方向上已經(jīng)達到第一閾值時，阻塞住至少一個液壓導管。這 同樣停止了第一液壓單元和第二液壓單元之間的液壓功率流，并且間接制動或抑制了第二 液壓單元，用于改善風能轉(zhuǎn)換器在這種運行狀態(tài)下的運行穩(wěn)定性。此外，第一液壓單元上的 液壓負載得到減輕，從而提高了液壓單元的有效期限。在有些實施方式中，至少一個液壓導管通過旁路互連，并且該方法進一步包括當 風速在第一方向上已經(jīng)達到第一閾值時調(diào)節(jié)該旁路。例如，最初可以關閉該旁路，然后當風 速在第一方向上已經(jīng)達到第一閾值時打開該旁路。這樣就能夠控制第二液壓單元的制動，同時降低第一液壓單元上的液壓負載，用于提高其有效期限。在有些實施方式中，該方法進一步包括檢測風速在與第一方向相反的方向上是否 達到第二閾值，假如是，則將變比齒輪系統(tǒng)調(diào)節(jié)到第一傳動比。這樣，對于提高和降低風速 的兩種情況來說，就可以避免除了第一傳動比和第二傳動比之外的傳動比，從而降低功率 損耗，用于獲得非常高的總效率。在有些實施方式中，當風速在與第一方向相反的方向上已經(jīng)達到第二閾值時，將 第二軸與第二液壓單元脫離，用于獲得與通過脫離第一液壓單元而獲得的益處類似的益 處。同樣，當風速在與第一方向相反的方向上已經(jīng)達到第二閾值時，制動第二液壓單元，用 于獲得與通過制動第一液壓單元而獲得的益處類似的益處。本發(fā)明的另外的通用方面提供 了一種用于提高具有第一有效組件和第二有效組件的風能轉(zhuǎn)換器的能量效率的系統(tǒng)和方 法。該系統(tǒng)包括用于獲取風況(例如，當?shù)仫L速)的測量值的傳感器系統(tǒng)?？刂破黢詈系?傳感器系統(tǒng)，用于根據(jù)所獲取的測量值確定是否滿足預定運行條件。根據(jù)所確定的結(jié)果，控 制器產(chǎn)生用于調(diào)整第一有效組件和第二有效組件中所選中的一個組件的配置的信號，以便 獲得風能轉(zhuǎn)換器的預定功率特性。該方面的實施方式可以包括下述特征中的一個或多個。使用所獲取的測量值，控制器確定是否滿足第一運行條件或第二運行條件，并且 根據(jù)該結(jié)果產(chǎn)生用于調(diào)整第一有效組件和第二有效組件中的相應一個組件的配置的信號。例如，當所獲取的測量值的大小在第一方向上已經(jīng)達到第一閾值時，控制器確定 滿足第一運行條件，并繼而產(chǎn)生用于調(diào)節(jié)第一有效組件的配置的信號。同樣，當所獲取的測 量值的大小在第二方向上已經(jīng)達到第二閾值時，控制器確定滿足第二運行條件，并繼而產(chǎn) 生用于調(diào)節(jié)第二有效組件的配置的信號。這里所描述的系統(tǒng)和方法提供了優(yōu)于已知的現(xiàn)有技術的重要優(yōu)點。通過在這樣一 種方式下操作變比齒輪系統(tǒng)，即傳輸單元，例如液壓單元中的至少一個是處于或者接近零 速度的，則能夠顯著地降低通過液壓單元的功率傳輸。上述優(yōu)點同樣有助于提高風能轉(zhuǎn)換 器的能量轉(zhuǎn)換效率，降低液壓單元的噪聲排放，并且通過提高液壓單元的有效期限而進一 步降低包括維護成本在內(nèi)的成本。其它特征和優(yōu)點顯示在附圖中，并且在隨后的說明書部分中進行詳細描述。


圖中圖1為根據(jù)本發(fā)明的實施方式的風能轉(zhuǎn)換器的示意圖，該風能轉(zhuǎn)換器具有包括耦 合到第一軸的第一液壓單元和耦合到第二軸的第二液壓單元的變比齒輪系統(tǒng)；圖2A為顯示用于圖1的風能轉(zhuǎn)換器的第一軸的旋轉(zhuǎn)速度、第二軸的旋轉(zhuǎn)速度及液 壓單元之間作為轉(zhuǎn)子速度的函數(shù)的所傳輸?shù)墓β手档氖疽鈭D；圖2B為顯示用于圖2A的風能轉(zhuǎn)換器的液壓單元中作為轉(zhuǎn)子速度的函數(shù)的液壓功 率損耗的示意圖；圖3為顯示用于根據(jù)實施方式所述的方法操作的風能轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)子速度與風速 的相關性的示意圖；和圖4為根據(jù)另一個實施方式的風能轉(zhuǎn)換器的示意圖。
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在所有圖中，相同的附圖標記表示相同或功能相當?shù)难b置。
具體實施例方式圖1為風能轉(zhuǎn)換器800的示意圖，其包括配置為用于提高風能轉(zhuǎn)換器800的能量 效率的控制裝置190。在詳細描述控制裝置190之前，下面的部分先討論風能轉(zhuǎn)換器800的 結(jié)構(gòu)和操作。如圖1所示，風能轉(zhuǎn)換器800包括轉(zhuǎn)子102 (例如，低速螺旋槳)，轉(zhuǎn)子102通過齒 輪系130、906、802驅(qū)動發(fā)電機104 (優(yōu)選為定速同步發(fā)電機)。齒輪系130、906、802包括定 比齒輪箱130和其傳動比是可由控制裝置190控制的變比齒輪系統(tǒng)906、802。在本說明書 中，變比齒輪系統(tǒng)906、802的傳動比與變比齒輪系統(tǒng)906、802的輸入端(軸126)和輸出端 (軸158)的旋轉(zhuǎn)速度之間的比率相對應，或聯(lián)合其所限定。轉(zhuǎn)子102通過轉(zhuǎn)子軸106連接到定比齒輪箱130。定比齒輪箱130配置為將功率 從低速高轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)子軸106傳輸?shù)礁咚俚娃D(zhuǎn)矩的互連軸126。僅僅是作為示例，定比齒輪 箱130顯示為包括第一周轉(zhuǎn)輪系110和第二周轉(zhuǎn)輪系120。來自轉(zhuǎn)子軸106的功率例如首 先傳輸?shù)降谝恢苻D(zhuǎn)輪系110的行星架112，然后經(jīng)由軸116傳輸?shù)降诙苻D(zhuǎn)輪系120的行星 架122。周轉(zhuǎn)輪系110和120都被配置為具有恒定的遞增比率，以使旋轉(zhuǎn)速度從定比齒輪箱 130的輸入端處的轉(zhuǎn)子軸106逐漸增加到定比齒輪箱130的輸出端處的互連軸126。在其 它實施方式中，定比齒輪箱130可以包括配置為以不同方式將功率從轉(zhuǎn)子軸106傳輸?shù)交?連軸126的附加的或更少的齒輪?；ミB軸126將定比齒輪箱130的轉(zhuǎn)矩輸出端連接到變比齒輪系統(tǒng)906、802的轉(zhuǎn)矩 輸入端。變比齒輪系統(tǒng)906、802起到帶有機械部件906和液壓部件802的疊加齒輪的作用。 機械部件906包括由互連軸126驅(qū)動的正齒輪140。正齒輪140與小齒輪142嚙合并且經(jīng) 由軸144將功率傳輸?shù)降谌苻D(zhuǎn)輪系150。軸144由擱置在剛性支架944上的軸承942可 旋轉(zhuǎn)地支持，該剛性支架944例如附連到風能轉(zhuǎn)換器800的殼體(未示出)，例如可旋轉(zhuǎn)地 放置在塔架上的吊艙。由軸144驅(qū)動的第三周轉(zhuǎn)輪系150具有三個基本部件承載一組行星齒輪932的 行星架940、內(nèi)齒輪928和中心齒輪934。行星架940接收軸144的輸入量，由此以與轉(zhuǎn)子 102的速度成比例的速度旋轉(zhuǎn)。第三周轉(zhuǎn)輪系150的內(nèi)齒輪928經(jīng)由變比齒輪系統(tǒng)906、802 的輸出軸158耦合到發(fā)電機104，并且以與發(fā)電機104相同的速度旋轉(zhuǎn)。第三周轉(zhuǎn)輪系150的中心齒輪934經(jīng)由正齒輪162和小齒輪166連接到第四周轉(zhuǎn) 輪系910的中心齒輪912。除了中心齒輪912以外，第四周轉(zhuǎn)輪系910包括將行星齒輪920 和內(nèi)齒輪918作為基本部件承載的行星架916。第四周轉(zhuǎn)輪系910的內(nèi)齒輪918連接到軸 144，由此經(jīng)由與另一個中心齒輪926嚙合的另一個小齒輪924同樣連接到第三周轉(zhuǎn)輪系 150的行星架940。這樣，內(nèi)齒輪918以與轉(zhuǎn)子102的速度成比例的速度旋轉(zhuǎn)。第四周轉(zhuǎn)輪系910的中心齒輪912進一步連接到第一軸168，該第一軸168耦合到 變比齒輪系統(tǒng)906、802的液壓部件802的第一液壓單元174。液壓部件802進一步包括第 二液壓單元172和液壓導管176、178，液壓導管176、178將第一液壓單元174和第二液壓單 元172互連起來，從而形成能夠通過循環(huán)的液壓流體在液壓單元174、172之間傳輸功率的 液壓回路174、176、172、178。第二液壓單元172耦合到第二軸165，該第二軸165經(jīng)由小齒輪922正齒輪914連接到第四周轉(zhuǎn)輪系910的行星架916。液壓單元174、172都具有各自 的防波板174a、172a,這些防波板174a、172a都有各自可控的轉(zhuǎn)角。例如，液壓單元174、172 為諸如軸向活塞泵的液壓電動機或泵。每個液壓單元在各自的第一軸168和第二軸165中 的一個軸的旋轉(zhuǎn)運動和流經(jīng)液壓回路174、176、172、178的湍流之間執(zhí)行轉(zhuǎn)換。第一液壓單元174的防波板174a的轉(zhuǎn)角的設置設定了在給定時間間隔期間流經(jīng) 液壓回路174、176、172、178的橫斷面(例如，液壓導管176、178之一的橫斷面)的液壓流 體的總量Q與在相同時間間隔期間第一軸168旋轉(zhuǎn)經(jīng)過的角距離Q1之間的關系。同樣， 第二液壓單元172的防波板172a的轉(zhuǎn)角的設置設定了流經(jīng)液壓回路174、176、172、178的 橫斷面的液壓流體的總量Q與在相應時間間隔期間第二軸165旋轉(zhuǎn)經(jīng)過的角距離θ 2之間 的關系。因此，變比齒輪系統(tǒng)906、802的液壓部件802起到在第一軸168和第二軸165之 間傳遞轉(zhuǎn)矩(并由此傳輸功率)的無級可變齒輪系統(tǒng)的作用。這些軸之間所傳輸?shù)墓β实?方向和總量能夠通過設置防波板174a、172a的轉(zhuǎn)角來控制。如圖1中所示的變比齒輪系統(tǒng)906、802起到疊加齒輪系統(tǒng)的作用，該疊加齒輪系 統(tǒng)將兩個附加轉(zhuǎn)矩路徑疊加在將定比齒輪箱130的輸出端連接到發(fā)電機104的輸入端的主 轉(zhuǎn)矩路徑上。主轉(zhuǎn)矩路徑包括互連軸126、正齒輪140、小齒輪142和第三周轉(zhuǎn)輪系150的 行星齒輪932與內(nèi)齒輪928。第一疊加轉(zhuǎn)矩路徑在軸144處從主轉(zhuǎn)矩路徑分支，并且在第三周轉(zhuǎn)輪系150的行 星齒輪932處與主轉(zhuǎn)矩路徑重新匯合前，通過正齒輪926、小齒輪924、第四周轉(zhuǎn)輪系910、小 齒輪166、第三周轉(zhuǎn)輪系150的正齒輪162和中心齒輪934。第二疊加轉(zhuǎn)矩路徑在第四周轉(zhuǎn)輪系910的行星齒輪920處從主轉(zhuǎn)矩路徑分支，并 且通過正齒輪914、小齒輪922、和耦合到第二液壓單元172的第二軸165，在第二液壓單元 172中第二軸165上的轉(zhuǎn)矩被轉(zhuǎn)換成流經(jīng)液壓導管176、178的湍流。在第一液壓單元174 將湍流重新轉(zhuǎn)換成第一軸168上的轉(zhuǎn)矩后，第二疊加轉(zhuǎn)矩路徑繼續(xù)通過第一軸168到達小 齒輪166，在小齒輪166處第二疊加轉(zhuǎn)矩路徑重新匯合到第一疊加轉(zhuǎn)矩路徑。在圖1的示例中，變比齒輪系統(tǒng)906、802起到除了主轉(zhuǎn)矩路徑之外具有至少兩個 疊加轉(zhuǎn)矩路徑的疊加齒輪系統(tǒng)的作用，其中這些疊加轉(zhuǎn)矩路徑之一包括具有液壓互連的至 少第一液壓單元和第二液壓單元的液壓回路。圖2A和2B具體顯示了該變比齒輪系統(tǒng)906、802的操作，假設發(fā)電機104由變比 齒輪系統(tǒng)906、802的輸出端以大致恒定的速度驅(qū)動。在圖2A中，水平軸表示風能轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)子102的旋轉(zhuǎn)速度200?；诎l(fā)電機速度 恒定的假設，轉(zhuǎn)子速度200與變比齒輪系統(tǒng)906、802的傳動比直接_根據(jù)定義成正比或反 比-相關，該傳動比是能夠經(jīng)由液壓單元172和174的設置，例如液壓單元的轉(zhuǎn)角的組合設 置控制的。在該圖中，顯示了作為轉(zhuǎn)子速度200的函數(shù)的三個變量，每個變量以任意單位沿 著共同的豎直軸202而行。這三個變量包括第一液壓單元174的旋轉(zhuǎn)速度214、第二液壓單 元172的旋轉(zhuǎn)速度212、和在這兩個液壓單元之間液壓傳輸?shù)目偣β?16。對于各個液壓單 元來說，它們各自的旋轉(zhuǎn)速度212、214顯示了其與轉(zhuǎn)子速度200的近似線性關系。第一液壓單元的旋轉(zhuǎn)速度214與水平軸200相交，即，在變比齒輪系統(tǒng)的上零點 208處改變其旋轉(zhuǎn)方向。同樣，第二液壓單元的旋轉(zhuǎn)速度212與水平軸200相交，即，在疊加齒輪系統(tǒng)的下零點206處改變其旋轉(zhuǎn)方向。在這里，已經(jīng)僅為了說明，任意選擇成第一液 壓單元和第二液壓單元分別與上零點208和下零點206對應。液壓單元之間所傳輸?shù)墓β?216在下零點206和上零點208處均改變方向，并且它顯示了局部最小值218，就其絕對值 而言，該局部最小值218位于下零點206和上零點208之間的大致中點。圖2B顯示了作為在與圖2A中所示的相同轉(zhuǎn)子速度200的范圍內(nèi)操作的圖1的變 比齒輪系統(tǒng)906、802用轉(zhuǎn)子速度的函數(shù)的液壓功率損耗205的總量?？梢钥闯觯簤汗β蕮p 耗205在下零點206和上零點208處分別顯示出局部最小值。由于液壓單元中的泄流等， 功率損耗在零點206、208處仍然大于零。圖3顯示了在改變風速的情況下操作上述類型的風能轉(zhuǎn)換器的方法。水平軸上方 代表假設其任意波動的風速300，實心曲線302、304表示根據(jù)風速300調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子200的旋轉(zhuǎn) 速度的方式。在這里，第一實心曲線304應用于風速300上升的情況，而第二實心曲線302 應用于風速300下降的情況。在這個示例中，當風速300低于第一閾值310時，轉(zhuǎn)子速度200 (如曲線302、304 所示)固定為與圖2A-2B中所示的下零點206對應的轉(zhuǎn)子速度下限值322。優(yōu)選地，轉(zhuǎn)子速 度下限值322也與風能轉(zhuǎn)換器能夠產(chǎn)生電力的最小運行速度相對應。當風速300大于第二 閾值311時，轉(zhuǎn)子速度200 (如曲線302、304所示)固定為與圖2A-2B所示的上零點208對 應的轉(zhuǎn)子速度上限值320。優(yōu)選地，轉(zhuǎn)子速度上限值320也與風能轉(zhuǎn)換器能夠產(chǎn)生電力的最 大運行速度相對應，例如轉(zhuǎn)子能夠安全運行的額定運行速度。如果風速300以高于第一閾值310的程度開始，然后降到低于該值，則調(diào)節(jié)變比齒 輪系統(tǒng)906、802的傳動比，使得轉(zhuǎn)子速度200下降到轉(zhuǎn)子速度下限值322，如第二實心曲線 302所示。如果風速300以高于第二閾值311的程度開始，然后上升到超過該值，則調(diào)節(jié)變 比齒輪系統(tǒng)的傳動比，使得轉(zhuǎn)子速度200上升到轉(zhuǎn)子速度上限值320，如第一實心曲線304 所示。在這個示例中，只有當風速300達到閾值310、311時才調(diào)節(jié)傳動比，這使轉(zhuǎn)子速度 200，例如，從轉(zhuǎn)子速度下限值322變到轉(zhuǎn)子速度上限值320，或者以相反的方向改變。注意， 轉(zhuǎn)子速度上限值320和轉(zhuǎn)子速度下限值322分別對應于如圖2A-2B中所示的變比齒輪系統(tǒng) 的零點206、208，并且變比齒輪系統(tǒng)只是瞬時傳遞對應于液壓損耗的局部最大值210的區(qū) 域的傳動比。因此，在給定的操作時間間隔內(nèi)，例如一天內(nèi)的平均液壓損耗低于例如由虛 線306所示的替代操作方法中的平均液壓損耗，在該替代操作方法中，在預定的風速間隔 314,316內(nèi)根據(jù)風速300連續(xù)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子速度200，以使轉(zhuǎn)子的氣動損耗最小。通過使用典型 的轉(zhuǎn)子和液壓單元，與例如由虛線306所示的操作方法相比，根據(jù)實心曲線302、304的方法 的液壓功率損耗的縮減量通常大于氣動功率損耗的增加量。閾值310、311共同包圍滯后區(qū)域308，該滯后區(qū)域308確保將在轉(zhuǎn)子速度上限值 320和轉(zhuǎn)子速度下限值322之間調(diào)整轉(zhuǎn)子速度(以及傳動比)的頻率保持為低值。在其它 實施方式中，第一閾值310和第二閾值311設置為相等?，F(xiàn)在回來參考圖1，為了例如根據(jù)前面參考圖3所描述的方法控制轉(zhuǎn)子102的速 度，風能轉(zhuǎn)換器800還包括用于控制第一液壓單元174和第二液壓單元172的防波板174a、 172a的轉(zhuǎn)角的控制裝置190?？刂蒲b置190包括獲取當?shù)仫L況的測量值的傳感系統(tǒng)902。 在有些示例中，傳感系統(tǒng)902可以包括風速確定器，其通過從風速計900接收到的測量信號連續(xù)確定當前風速。此外，控制裝置190包括閾值檢測器904，其監(jiān)控從風速確定器902獲 取的風速并檢測風速何時上升到大于和/或下降到低于預定閾值。在替代實施方式中，可 以預先設定不同的用于下降和上升風速的閾值。在有些其它示例中，傳感系統(tǒng)902可以額 外地或作為替代地測量表征風能轉(zhuǎn)換器800的操作狀態(tài)的參數(shù)，例如轉(zhuǎn)子速度η、功率P、和 液壓P。這些參數(shù)也可以由控制裝置190使用，用于調(diào)節(jié)變比齒輪系統(tǒng)906、802的傳動比。在這個示例中，控制裝置190包括連接到閾值檢測器904的第一控制單元192。當 風速已上升超過閾值時，第一控制單元192將變比齒輪系統(tǒng)906、802調(diào)節(jié)到第一軸168基 本上不旋轉(zhuǎn)的第一傳動比?？刂蒲b置190還包括同樣連接到閾值檢測器904的第二控制單 元194。當風速已下降到低于閾值時，第二控制單元194將變比齒輪系統(tǒng)906、802調(diào)節(jié)到第 二軸165基本上不旋轉(zhuǎn)的第二傳動比。圖4是根據(jù)另一個實施方式的風能轉(zhuǎn)換器800的示意圖。與圖1的風能轉(zhuǎn)換器相 比，在這個示例中，離合器400設置在第一液壓單元174和第一軸168之間，其-在離合器 400處于閉合的操作條件下-將第一液壓單元174連接到變比齒輪系統(tǒng)906、802的機械部 件906上。離合器400連接到第一控制單元192，第一控制單元192配置為當閾值檢測器 904已經(jīng)檢測到風速已經(jīng)下降到低于閾值時，將第一軸168與第一液壓單元174分開。風能轉(zhuǎn)換器800進一步包括用于制動第一液壓單元174的制動器404。制動器404 連接到第一控制單元192，第一控制單元192配置為制動第一液壓單元174以及使第一軸 168與第一液壓單元174分開。在替代實施方式中，離合器400和制動器404可以組合成雙 離合器的形式，該雙離合器可在第一液壓單元174耦合到第一軸168的第一離合位置和第 一液壓單元耦合到諸如變比齒輪系統(tǒng)906、802的外殼的剛性支架的第二離合位置之間切 換，從而有效地制動第一液壓單元174。設置安全制動器402，用于在液壓單元174、172中的任一個不起作用的情況下，例 如當液壓導管176、178中的一個斷裂的情況下，液壓流體流失時制動第一軸168。在替代實 施方式中，制動器404配置為在液壓單元174、172不起作用的情況下，由安全制動器致動器 (未示出)致動，以致不需要單獨的安全制動器402。在有些實施中，安全制動器402的致 動總是與液壓導管176和178之間的液壓旁路406的打開結(jié)合進行。風能轉(zhuǎn)換器800還包括面板408或閥，其用于例如，當引導液壓流體的液壓導管 176處于高壓下時，至少部分阻塞住液壓導管176、178中的一個。制動器404連接到第一控 制單元192，該第一控制單元192配置為關閉面板408和制動器404，該制動器404制動第 一液壓單元174和正與第一液壓單元174脫離的第一軸168。此外，風能轉(zhuǎn)換器800包括旁 路406，其在第二液壓單元與面板408相關的那側(cè)上互連至少一個液壓導管。旁路406連接 到第一控制單元192，該第一控制單元192配置為至少部分打開旁路406且關閉面板408。第一控制單元192可以進一步配置為調(diào)節(jié)旁路406，用于抑制轉(zhuǎn)矩的變化，以使變 比齒輪系統(tǒng)906、802的傳動比能夠在各自的零點附近的有限間隔內(nèi)，例如圖2Α-2Β中所示 的間隔220內(nèi)動態(tài)變化，該間隔包括上零點208并且其寬度與下零點206與上零點208之 間的距離相比較小。例如，在使得傳動比能夠在接近上零點208的狹窄的傳動比間隔220 中進行調(diào)節(jié)的同時，可以以這種方式以接近變比齒輪系統(tǒng)906、802的下零點206的大致固 定的速度操作轉(zhuǎn)子102，以便在接近其額定最大速度時通過抑制轉(zhuǎn)子處的轉(zhuǎn)矩變化來保護 轉(zhuǎn)子。
11
雖然已經(jīng)參考實施方式對本發(fā)明進行了描述，但是，本發(fā)明并不限于此，而是可以 以對本領域技術人員來說顯而易見的各種方式進行修改。特別地，可以使上述說明書中的第一液壓單元和第二液壓單元與下零點和上零 點，以及與諸如傳動比間隔、離合器、制動器、旁路等特征之間的相應聯(lián)系顛倒，或者以結(jié)合 兩個液壓單元的方式提供這些特征。上述通用技術可以用于多種具有由無級可變齒輪，特別是由流體靜壓回路控制的 變比齒輪系統(tǒng)的可變轉(zhuǎn)子速度/恒定發(fā)電機速度傳動，該流體靜壓回路包括由兩個耐壓管 路連接的兩個液壓單元。該通用技術也可以用于由流體靜壓回路控制的無級可變齒輪系統(tǒng) (例如，VOITH系統(tǒng))。其它的實施方式也在所附權利要求的范圍內(nèi)。
權利要求
一種用于操作風能轉(zhuǎn)換器的方法，所述風能轉(zhuǎn)換器具有機械耦合在轉(zhuǎn)子(102)和發(fā)電機(104)之間的變比齒輪系統(tǒng)(906、802)，所述變比齒輪系統(tǒng)(906、802)包括耦合到第一軸(168)的第一傳輸單元(174)和耦合到第二軸(165)的第二傳輸單元(172)，所述方法包括將所述變比齒輪系統(tǒng)(906、802)調(diào)節(jié)到所述第一軸(168)基本上不旋轉(zhuǎn)的第一傳動比；確定風速(300)或相關的參數(shù)(n、P、p)；檢測風速(300)或相關的參數(shù)(n、P、p)是否在第一方向上達到第一閾值(310)；當風速(300)在所述第一方向上已經(jīng)達到所述第一閾值(310)時，將所述變比齒輪系統(tǒng)(906、802)調(diào)節(jié)到所述第二軸(165)基本上不旋轉(zhuǎn)的第二傳動比。
2.如權利要求1所述的方法，其中，所述第一和第二傳輸單元(174、172)為第一和第二液壓單元。
3.如權利要求1或2所述的方法，進一步包括以恒定的發(fā)電機速度驅(qū)動所述發(fā)電機 (104)。
4.如權利要求2所述的方法，其中，所述第一傳動比和所述第二傳動比中的至少一個 對應于所述轉(zhuǎn)子(102)的最小運行速度和額定最大速度中的一個。
5.如權利要求2所述的方法，進一步包括當風速(300)或相關的參數(shù)(η、P、ρ)在所 述第一方向上已經(jīng)達到所述第一閾值(310)時，將所述第一軸(168)與所述第一液壓單元 (174)脫離。
6.如權利要求5所述的方法，進一步包括當風速(300)或相關的參數(shù)(η、Ρ、ρ)在所述 第一方向上已經(jīng)達到所述第一閾值(310)時，制動所述第一液壓單元(174)。
7.如權利要求6所述的方法，其中，將所述第一液壓單元(174)的轉(zhuǎn)角(174a)調(diào)節(jié)到 基本上停止流經(jīng)第一液壓單元(174)的湍流。
8.如權利要求5到7中的一項所述的方法，所述第一液壓單元(174)和所述第二液壓 單元(172)通過至少一個液壓導管(176、178)連接，所述方法進一步包括當風速(300)或 相關的參數(shù)(η、P、ρ)在所述第一方向上已經(jīng)達到所述第一閾值(310)時，阻塞住所述至少 一個液壓導管(176、178)。
9.如權利要求5到8中的一項所述的方法，所述至少一個液壓導管(176、178)通過旁 路(406)互連，所述方法進一步包括當風速(300)或相關的參數(shù)(η、P、ρ)在所述第一方向 上已經(jīng)達到所述第一閾值(310)時，調(diào)節(jié)所述旁路(406)。
10.如權利要求2所述的方法，進一步包括檢測風速(300)或相關的參數(shù)(η、Ρ、ρ)在與所述第一方向相反的方向上是否達到第二 閾值(311)；和當風速(300)或相關的參數(shù)(η、Ρ、ρ)在與所述第一方向相反的方向上已經(jīng)達到所述第 二閾值(311)時，將所述變比齒輪系統(tǒng)(906、802)調(diào)節(jié)到所述第一傳動比。
11.如權利要求10所述的方法，進一步包括當風速(300)或相關的參數(shù)(η、Ρ、ρ)在與 所述第一方向相反的方向上已經(jīng)達到所述第二閾值(311)時，將所述第二軸(165)與所述 第二液壓單元(172)脫離。
12.如權利要求11所述的方法，進一步包括當風速(300)或相關的參數(shù)(η、P、ρ)在與所述第一方向相反的方向上已經(jīng)達到所述第二閾值(311)時，制動所述第二液壓單元 (172)。
13.一種用于風能轉(zhuǎn)換器的控制裝置(190)，所述風能轉(zhuǎn)換器具有機械耦合在轉(zhuǎn)子 (102)和發(fā)電機(104)之間的變比齒輪系統(tǒng)(906、802)，所述變比齒輪系統(tǒng)(906、802)包括 耦合到第一軸(165)的第一傳輸單元(172)和耦合到第二軸(168)的第二傳輸單元(174)， 所述控制裝置(190)包括第一控制單元(192)，其設置為將所述變比齒輪系統(tǒng)(906、802)調(diào)節(jié)到所述第一軸 (168)基本上不旋轉(zhuǎn)的第一傳動比；風速確定器(902)，其設置為確定風速(300)或相關的參數(shù)(η、P、ρ)；閾值檢測器(904)，其設置為檢測風速(300)或相關的參數(shù)(η、P、ρ)是否在第一方向 上達到第一閾值(310)；和第二控制單元(194)，其設置為當風速(300)或相關的參數(shù)(η、P、ρ)在第二方向上達 到所述第一閾值(311)時，將所述變比齒輪系統(tǒng)(906、802)調(diào)節(jié)到第二軸(165)基本上不 旋轉(zhuǎn)的第二傳動比。
14.一種風能轉(zhuǎn)換器，包括轉(zhuǎn)子(102)；發(fā)電機(104)；機械耦合在所述轉(zhuǎn)子(102)和所述發(fā)電機(104)之間的變比齒輪系統(tǒng)(906、802)，所述 變比齒輪系統(tǒng)(906、802)包括耦合到第一軸(168)的第一傳輸單元(174)和耦合到第二軸 (165)的第二傳輸單元(172)；和如權利要求13所述的控制裝置(190)。
15.如權利要求14所述的風能轉(zhuǎn)換器，其中，所述發(fā)電機(104)為定速發(fā)電機，所述變 比齒輪系統(tǒng)(906、802)配置為所述第一傳動比和所述第二傳動比中的至少一個對應于所 述轉(zhuǎn)子(102)的最小運行速度和額定最大速度中的一個。
16.如權利要求14或15所述的風能轉(zhuǎn)換器，進一步包括當風速(300)或相關的參數(shù) (η、P、P)已經(jīng)在所述第一方向上達到所述第一閾值(310)時，將所述第一軸(168)與第一 傳輸單元(174)脫離的離合器(400)。
17.如權利要求16所述的風能轉(zhuǎn)換器，其中，所述離合器(400)為雙離合器，其包括配 置為將所述第一軸(168)耦合到所述第一傳輸單元(174)的第一離合位置，和配置為制動 所述第一傳輸單元(174)的第二離合位置。
18.如權利要求16所述的風能轉(zhuǎn)換器，進一步包括當風速(300)或相關的參數(shù)(η、P、 P)在所述第一方向上已經(jīng)達到所述第一閾值(310)時，制動所述第一傳輸單元(174)的制 動器(404)。
19.如權利要求18所述的風能轉(zhuǎn)換器，進一步包括安全制動激勵器，其設置為在所述 第一傳輸單元或所述第二傳輸單元不起作用的情況下致動所述制動器(402)同時致動所 述旁路(406)。
20.如權利要求16到19中的一項所述的風能轉(zhuǎn)換器，其中，所述第一和第二傳輸單元 (174、172)為第一和第二液壓單元。
21.如權利要求20所述的風能轉(zhuǎn)換器，進一步包括連接所述第一液壓單元(172)和第二液壓單元(174)的至少一個液壓導管(176、178)；和閥(408)，當風速(300)或相關的參數(shù)(η、P、ρ)在所述第一方向上已經(jīng)達到所述第一 閾值(310)時，所述閥(408)阻塞住所述至少一個液壓導管(176、178)。
22.如權利要求21所述的風能轉(zhuǎn)換器，進一步包括互連至少一個液壓導管(176、178) 的旁路(406)。
23.一種用于提高具有第一有效組件和第二有效組件的風能轉(zhuǎn)換器的能量效率的方 法，所述方法包括獲取風況的測量值；根據(jù)所獲取的測量值，確定是否滿足預定運行條件；和根據(jù)所確定的結(jié)果，調(diào)整所述第一有效組件和所述第二有效組件塊中所選中的一個組 件的配置，以便獲得所述風能轉(zhuǎn)換器的預定功率特性。
24.如權利要求21所述的方法，其中，確定是否滿足所述預定運行條件包括確定是否 滿足第一運行條件或第二運行條件。
25.如權利要求22所述的方法，其中，確定是否滿足所述第一運行條件包括確定所獲 取的測量值的大小是否在第一方向上已經(jīng)達到第一閾值。
26.如權利要求25所述的方法，其中，確定是否滿足所述第二運行條件包括確定所獲 取的測量值的大小是否在與所述第一方向相反的第二方向上達到第二閾值。
27.一種用于與具有第一有效組件和第二有效組件的風能轉(zhuǎn)換器一起使用的控制系 統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括用于獲取風況的測量值的傳感系統(tǒng)；和連接到所述傳感系統(tǒng)的控制器，所述控制器配置用于根據(jù)所獲取的測量值，確定是否滿足預定運行條件；和根據(jù)所確定的結(jié)果，產(chǎn)生用于調(diào)整所述第一有效組件和第二有效組件中所選中的一個 組件的配置的信號，以便獲得所述風能轉(zhuǎn)換器的預定功率特性。
全文摘要
本發(fā)明的某些通用方面提供一種用于操作風能轉(zhuǎn)換器的方法，該風能轉(zhuǎn)換器具有機械耦合在轉(zhuǎn)子(102)和發(fā)電機(104)之間的變比齒輪系統(tǒng)(906、172-178)，其中該變比齒輪系統(tǒng)(906、172-178)包括耦合到第一軸(168)的第一傳輸單元(174)和耦合到第二軸(165)的第二傳輸單元(172)。該方法包括將變比齒輪系統(tǒng)(906、172-178)調(diào)節(jié)到第一軸(168)基本上不旋轉(zhuǎn)的第一傳動比；確定風速(300)或相關的參數(shù)(n、P、p)；檢測風速(300)或相關的參數(shù)(n、P、p)是否在第一方向上已經(jīng)達到第一閾值(310)；以及當風速(300)或相關的參數(shù)(n、P、p)在第一方向上已經(jīng)達到第一閾值(310)時，將變比齒輪系統(tǒng)(906、172-178)調(diào)節(jié)到第二軸(165)基本上不旋轉(zhuǎn)的第二傳動比。在其它方面，本發(fā)明提供了一種用于具有變比齒輪系統(tǒng)的風能轉(zhuǎn)換器的控制裝置(190)，以及一種包括該控制裝置(190)的風能轉(zhuǎn)換器。
文檔編號F03D9/00GK101970871SQ200980000186
公開日2011年2月9日 申請日期2009年3月20日 優(yōu)先權日2009年3月20日
發(fā)明者彼得·魏克博爾德, 羅伯特·特拉特尼格, 馬丁·菲舍爾 申請人:美國超導威德泰克有限公司