CN1205762A - 风力涡轮机的偏转装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风力涡轮机的偏转装置,它可按所需方向调整风力涡轮机,使之面对风向,调节方式是使之绕涡轮机的偏转轴(14)转动,该偏转装置还可以防止吊舱绕偏转轴的周期振动以脉冲式的转矩传递给下面的塔结构。本发明的特征在于,至少设有一个液压马达(34),以使吊舱(12)绕偏转轴(14)旋转;设有一个可控节流阀(50),即并联阀,其设置在至液压马达(34)的并联油管(旁通油管)上;并且设有元件(30),其可以改变所述节流阀(50)的口径,改变的根据是吊舱相对于风向的位置。

Description

风力涡轮机的偏转装置

技术领域

本发明涉及一种风力涡轮机的偏转装置，它可以用来调整风力涡轮机，使之绕其偏转轴朝着所需的风向转动；同时，也能防止吊舱绕偏转轴转动时所产生的周期振动以脉冲式的转矩传递到塔结构上去。

发明背景

在传统技术中，风力发电站用液压马达使涡轮机吊舱偏转至所需的迎风角度。一旦吊舱到达所需方向后，它就被强有力的闸锁定。涡轮机一直被固定在该方向上，直到风向改变一定的最小角度，此时，闸被打开，涡轮机旋转到新的位置，并再次被锁定。这种系统具有很多缺点和局限性：涡轮机达不到最优的效率；闸上的应力太大，常常导致常闸的滑脱和损坏。这种风力涡轮机的另一个问题是：作用在转子上的力使吊舱内产生振动，这种振动在转子的整个扫描范围内大小不一。比如，高处的风速就大于靠近地面的风速。

这些缺点众所周知，人们已开发了许多装置来防止这些振动以脉冲式的转矩传递到发电站结构尤其是塔上去。例如，EP-A1-0110807描述了一种装置，它在至液压马达的旁通油管上设置了一个流量控制阀，用它使吊舱朝着风的方向偏转，同时，设置了液压蓄能器，以减少液压系统内由于吊舱绕偏转轴振动所产生的压力波动。提出本系统的发明人对这种装置作了试验，并且发现：为了使旁通阀产生预期的效果，它的节流口必须具有一个很大的直径，这从根本上需要在油泵中产生很大的液流，以使涡轮机偏转。因此，这种技术方案被认为是实际上不可行的。

还有一个问题是，吊舱波动产生的能量并没有传递给支塔，而是通过再次给液压蓄能器蓄能保留在了液压系统中。此外，液压蓄能器中储藏的能量还起到了不好的作用，这是因为，当吊舱旋转到尽头位置上时，液压蓄能器被完全充满，此时，压力施加的方向不变，而振动的方向是返回，这样不仅不会起到减少振动的作用，反而使振动加剧。因此，在很大程度上，不希望产生的振动能量并没有被消除。

发明概述

本发明的目的是：减少运行中产生的周期振动；防止振动产生的能量被传递到涡轮机的结构中去；同时，使涡轮机不断偏转，让它始终面对风向转动。该目的由一个涡轮机偏转装置来实现，以调节涡轮机，使其绕偏转轴旋转，从而使涡轮机始终面对风向；还可以防止吊舱绕偏转轴的周期振动以脉冲式转矩传递至塔结构上，其特征在于：吊舱是这样设置的，它能在至少一个液压马达的作用下绕偏转轴旋转；有一个可控的节流阀布置在液压马达的并联油管(旁通油管)上；所述节流阀的口径可以根据吊舱相对于风向所处的位置进行调节。

附图说明

下面对推荐的实施例进行说明，参考到的附图包括：

图1是带有局部剖的风力涡轮机吊舱的侧视图；

图2是偏转液压系统的回路图；

图3示出了吊舱绕偏转轴周期振动过程中的吊舱与风向的夹角的变化情况；

图4示出了根据图3的吊舱振动速度的变化情况；

图5是系统中的并联阀获得并处理控制信号的控制图；

图6示出了名义值信号，该信号为控制并联阀的输入信号；和

图7和图8示出了周期振动中液压系统中的压差变化，一个是具有固定节流孔的阀，另一个是根据本发明来控制的阀。

对推荐实施例的说明

在本发明中要安装的风力涡轮机如图1中的标号10所示。和传统的方式一样，该涡轮机包括一个吊舱12，该吊舱12绕着偏转轴14可转动地安装在塔16上。吊舱12包括涡轮机轴18，在该涡轮机轴18的一端安装有电机20。轴18的另一端与齿轮22相连，该齿轮22通过齿轮系把转动传递给发电机24。在吊舱上设有风速测量器26和风向传感器，风速传感器26用于测量风力，而风向传感器就是风旗28。这两个元件都通过导线与控制和调节装置30相连，该控制和调节装置包括微处理器。

吊舱12通过轴承32可转动地连接至塔16上。在所示的实施例中，在塔和吊舱之间设有两个液压马达34。在塔和吊舱之间还设有方向传感器36。该方向传感器通过导线与控制装置30相连。如图2所示，液压马达34并联地连接在两条液压油管38之间。油管38与比例控制阀40相连，也就是说，该控制阀的口径与所承受的电压成正比，并且，该控制阀一方面与液泵42相通，一方面与液压油箱44相通。在两根油管38之间设置着两个减压阀46，也就是说，它们与液压马达34并联，只不过方向相反。和液压马达34并联的还有一个比例控制调节阀50，它也就是本文中所提到的并联阀。补液管52通过溢流阀54使液泵42和并联管56相连。在补液管52的一端装有一个单向阀58。

每一根与液压马达34相连的液压管38上都装有一个压力传感器60，用来测量液压马达34两侧的液压。压力传感器60通过油管与调节装置30相连。温度传感器62与液压回路相连，它也通过油管连接到调节装置30上。此外，控制阀40和并联阀50也与调节装置30相连。

下面就三种不同的情况，对本发明进行更详细地说明，以说明其结构、工作原理及控制系统的控制标准。低风速时吊舱的转动

当涡轮机处于工作状态、液压系统处在压力状态时，控制系统处于工作状态，所有的传感器都在不断地进行监控。在一定的风速下，涡轮机并不旋转，这是因为装置在低风速时不产生任何电流。但涡轮机和吊舱要保持和风的方向一致，以便于当风速增强时，可以运转。吊舱上的风旗28表明风的方向，并将信号源源不断地发送给控制装置30。如果吊舱相对于风向没有处在正确的角度，控制装置30就打开控制阀40，并将增压后的液压油经油管38进入液压马达34，而该马达34使吊舱转动。方向传感器36检测吊舱的方向，当检测到的方向与风旗28显示的风向一致时，控制阀40节流，吊舱也停止转动，下面对并联阀50的工作原理做更详细地说明，但在以上偏转过程中它是关闭着的。风向不变风速增加时

当风速增大到一个预定的特定值时，风力涡轮机开始转动。当涡轮机的叶片由静止位置转到运转位置，和／或锁定涡轮机轴18的闸由停止位被松开时，涡轮机均会开始转动。当涡轮机转动时，在叶片和整个装置上都会产生变化的力。力的变化主要是由于不同高度上的风速不相同，通常高度越高风速越大，因此，在涡轮机转动过程中，其高处叶片所承受的载荷要大于其它叶片。这个变化造成了吊舱12绕其偏转轴14的周期振动。图3表示偏转角与时间的关系曲线，图4表示偏转角速度。绕偏转轴的转动使液压马达开始转动，根据方向的不同，在一个或另外一个油管中产生了压力，液压油开始流动。液压马达的流量和压力的变化与偏转速度同相位，也就是说，当速度最高时，压力差也最大。控制装置30不断地获得两条油管中关于压力值P₁与P₂的信息，并计算压力差，以做为两个油管的压力差。压力差被传入控制电路70，见图5，并作为实际的数据，下文中称为P_d。名义压力差也被输入控制电路，下文中称为P_dr。下面将介绍如何获得P_dr的值。

在P_dr与P_d的值被输入控制电路之前，先将它们取绝对值。在控制电路中将它们做比较，离开电路的控制误差为P_de。P_de首先要经过所谓的迟后滤波器72处理，迟后滤波器72是一种低通滤波器，它将低频放大，放大的倍数大于高频的放大倍数。从迟后滤波器72获得信号d_pg，将其送至并联阀50，信号d_pg与节流口相一致，也就是说，控制误差越大，并联阀开的越大。由于并联阀50通常反向工作，即控制误差越大，并联阀50开的越小，所以，从迟后滤波器72中得到的值就必须取倒数。这将在电路74中进行，电路74用一个校正因子来使信号d_pg取倒数。在电路74中获得的信号d_p，其大小决定了并联阀的口径，也就是用一定值的电压去控制阀的张开程度。当并联阀50打开时，油从高压油管中经过阀50流到低压油管中。正如所说的那样，压力不断地被测量，压差P_d也不断地与名义值P_dr相比较，调节误差P_de经过处理，不停地控制着并联阀的口径d_p。名义压差值的确定

如上所述，并联阀的控制是由比较实际压差与名义压差的值来完成的，阀打开和关闭直到控制误差减到最小。名义压差值是按下面的方法来获得的。风旗28不断显示风向，即吊舱偏转角的名义值，下文中称为THr。同时，方向传感器36显示吊舱偏转角的实际值，称为TH。这两种信号都进入控制电路76，它的输出信号是控制误差THe。当吊舱偏转角绕其名义值THr周期波动时，控制误差THe也不断改变它的符号。控制误差部分地进入一个电路，此电路中包括一个迟后滤波器78，以计算所需的平均压差P_dmr。控制误差THr作为信号接着进入另一个迟后滤波器82，以计算平均名义速度ω_rg，也就是该装置应该具有的偏转速度。从方向传感器36上接收到的信号被传入回路84中，以获得实际的转速ω。由于呈周期振动，这个信号的符号也会变化。

信号P_dm、ω_rg和ω是电路86的输入值，以计算实际的阻尼压力值P_drd。信号P_dmr离开了电路78，并经过了这样的处理：滤波器将信号低频部分放大，并过滤掉其高频部分。这意味着，万一风向发生变化、吊舱绕着偏转轴作周期转动时，通过比较THr和TH而获得的控制误差THe将被过滤掉，而P_dmr等于零。当P_dmr等于零时，将阻尼压力P_drd设置为稍低于液压系统所能承受的最大压力。转速T的信号是这样使用的，它的符号用来指出阻尼压力究竟应该是正还是负。当吊舱周期振动时，符号也呈周期变化。阻尼压力P_drd的输出信号将是一个对称于0轴、振幅恒定的矩形波。接着，信号经过电路88进行处理，电路88即为所知的零能量设定器，以下将对它进行更详细地说明。电路88的输出信号就是现在的名义压差值P_dr，接着，它以对称的矩形波的形式，如图6中第I部分波形所示，进入控制电路70，在此它将首先经历绝对值化的处理。由于此前该信号是对称的矩形波，将其经过绝对值转换之后，该信号具有一个恒定的正值。

如上所述，压差的实际值P_d进入控制电路70，并将它与恒定的名义值相比较。因此，控制误差信号P_de也随着振动而波动，而且压差越大，P_de的值越小。P_de被取倒数之后，该信号使并联阀d_p打开，所述信号与并联阀打开的口径在本质上成正比，打开的越大，压差也越大。这意味着，当吊舱处于振动的尽头位置上时，压差最低，并联阀张开到它所能张开的最大口径。当吊舱从尽头位置转回时，随着液压马达开始旋转，压差增大。这是由压力传感器60检测到的，计算后的压差进入控制电路，并和名义值相比较。

控制电路的输出信号将变小，这样，阀的张开口径也会随之变小。因此，控制电路控制着阀门，控制电路利用这种原理运行，即：使压差保持在一个相对恒定的数值上。当振动产生的能量传递到液压装置中时，由于压差的阻尼作用，当液压油流过旁通阀时，能量将以热能的形式被释放掉。阻尼力由各压差曲线间与X轴间所围的面积确定。如图7和8所示，如果具有固定节流口的并联阀与根据本发明控制的并联阀的相比较，根据本发明设计的节流口能获得更大的阻尼力。变风向的较强风

假如在运转过程中风向发生改变，吊舱也不得不转向迎着风的方向，这一方面是为了获得最优的运行，一方面也是为了避免作用于整个装置上的倾斜力。当方向发生改变时，风旗显示风向，THr已发生改变。这个变化被引入到控制误差THe中，THe作为一个低频信号变化量，它在迟后滤波器中被放大。这样，就得到了一个P_dmr值，如图6中下面的一条曲线所示，P_dmr被用来计算阻尼压力P_drd。为使吊舱能转动到所需方向上去，P_drd将被减去一个适当的值，并被赋予适当的符号。这样，P_drd就获得了一个看上去不对称的矩形波信号，也就是说，在X轴的一侧具有较低的振动幅值，如图6中第Ⅱ部分曲线所示。P_drd以名义值输入控制电路70，以控制并联阀并按与上述的方式相同的方式进行处理。在并联阀的调整过程中所发生的是，在一个方向上是全阻尼，而在另一方向，也就是吊舱所需转到的方向上，具有较小的阻尼。当吊舱绕偏转轴转动时，每一个振动周期吊舱均朝着所需方向偏转一个步长，这样就获得了连续的调整动作，同时，受到了系统的阻尼作用。因此，在运行过程中，周期振动被用来转动吊舱，纠正其沿风向的转动。于是，在运行过程中，就不用控制阀40来改变吊舱的方向了。

如上所述，信号P_drd进入所谓的零能量设定器88进行处理。信号P_dmr、P和P_drd也进入该电路。根据本发明的液压系统在运转时系统内的最高压力为350巴，这样有利于在液压马达34上获得大的转矩。这种高系统压力的不足之处是，液压油具有轻微的可压缩性，使其存在弹性效应。当周期振动到达尽头位置时，尽管压差应该为零与阻尼相抵消，可事实上此时还是存在着压差，这会导致弹性效应。当速度为零时，零能量设定器88给并联阀一个名义值，使它完全打开，这样，就能使液压油通过并使该处的压差降低。如果风向固定，压差最好为零，但是，如果由于风向的改变必须校正吊舱方向，这时，压力就降低至某一特定值。因此，如果来自P_dmr的信号的值不等于零，零能量设定器就会做调整。

通过并联阀50对液压油的节流会使液压油中产生大量的热，这是由在阀中周期振动所产生的能量转变成的。为了保持一个正常的运转温度，热的液压油必须不断被替换并冷却。这些由控制阀40来完成，它不断地提供新油，并移走热的液压油。控制阀40的上述调节动作一直在进行，即便是在涡轮机运转的时候也是如此。涡轮机中的流量由控制阀50直接补偿，而来自偏转阀的流量通常远远低于抑制周期振动时出现的流量。液压回路中的温度还不断地由温度传感器90监控，如图2所示。

根据本发明的阻尼和偏转系统有如下优点：一方面现有的液压系统和液压马达仍然可以使用；另一方面，通过并联阀的有效节流，可以获得一个比现有的系统更好的阻尼，同时，还能消除系统中的振动所产生的多余能量，而不再将其传递给结构或保存在系统内；此外，并联阀的节流，还能使吊舱在产生阻尼力的同时发生偏转。

必须注意到，本发明并不局限于上面的描述及附图所示的实施例，它还能在所附权利要求的范围内进行修改。

Claims (7)

1．一种风力涡轮机的偏转装置，用于调节涡轮机使之绕其偏转轴(14)旋转，从而使涡轮机始终面对风向处于所需的方向；还可以抵消吊舱绕偏转轴的周期振动，该周期振动以脉冲式转矩传递至塔结构上，其特征在于：至少有一个液压马达(34)用来使吊舱(12)绕偏转轴(14)旋转；有一个可控的节流阀(50)，也称为并联阀，设置在至液压马达(34)的并联油管或者说旁通油管上；还设有元件(30)，该元件(30)可使所述节流阀(50)的口径根据吊舱相对于风向所处的位置进行调节。

2．如权利要求1所述的装置，其特征在于：吊舱的周期振动在液压管(38)中产生压差，该液压管(38)与液压马达相连；设有部件(36，38)，其不断地测量吊舱所处位置的实际值(TH)和名义值(THr)；设有部件(76)，其不断地比较它们的差值(THe)，该差值包括所述压差应该具有的名义值(P_dr)；设有部件(60)，其不断测量所述压差的实际值(P_d)；并且设有部件(70)，其比较所述压差的实际值和名义值，其中，差值(P_de)构成了所述并联阀(50)的控制信号。

3．如权利要求2所述的装置，其特征在于：设有并联阀(50)，其控制方式是，使所述的名义压差值与实际压差值的所述的差最小。

4．如权利要求3所述的装置，其特征在于：设有部件(36)，其不断测量吊舱在周期振动过程中的速度(ω)；并且设有部件(30)，其调节所述压差的名义值(P_dr)的符号，使之与所述速度的符号相一致，也就是说，所述名义值周期性地在正值和负值之间变化。

5．如权利要求4所述的装置，其特征在于：设有部件(30)，其将所述压差的名义值(P_dr)设置为稍低于转动吊舱液压装置的最大工作载荷，条件是，吊舱位置的实际值与名义值之间的差对称变化，也就是，吊舱绕偏转轴周期振动，其振幅在该位置处的名义值的两侧大小相同。

6．如权利要求4所述的装置，其特征在于：设有部件(30)，其可以所述大小的差值改变所述压差的名义值(P_dr)，条件是，吊舱位置的实际值与名义值之间的差不对称变化，也就是，吊舱绕偏转轴周期振动，其振幅在同一位置处的名义值的一侧较大。

7．如权利要求6所述的装置，其特征在于：设有部件(30)，其可以将压差的名义值的正值减小一个相应的数量，此时，振幅差的符号为正，反之亦然。

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