技术领域
[0001] 本
发明属于
风力发电领域，涉及一种液体静压变桨系统及其控制方法，所述系统和方法用于
风力发
电机组的变桨控制。
背景技术
[0002]
能源是社会经济和人类生活的主要物质
基础，是社会发展的动力。然而，作为世界能源主要支柱的石油、
煤炭、
天然气等不可再生的能源的储量日趋减少。当前，很多国家都在大力发展风力发电，风力发电作为新能源，其规模已经逐步成熟。
[0003] 风力
发电机组是将
风能转换成
电能的设备。在
风力发电机组的变桨系统中，一般采用由可调速的
电动机通过
齿轮或
齿形带驱动
叶片的电动方案或者采用由比例
阀控制
液压缸直接作用于变桨
轴承的开式液压变桨系统。
[0004] 在大兆瓦长叶片的风力发电机组中，电动变桨受限于齿形带或齿轮的疲劳或极限强度，且响应
频率较低。另一方面，传统的阀控缸的开式液压变桨系统需要在
机舱集成较大的液压站并配套
过滤器和
旋转接头等易损耗部件，储能方式也仅限于
能量密度较低的
蓄能器。
发明内容
[0005] 为了克服
现有技术的不足，本发明提供一种新型的液体静压变桨系统及其控制方法。
[0006] 本发明提供一种液体静压变桨系统，所述液体静压变桨系统包括储能模
块、
驱动器、电机、
液压泵、阀块和执行机构。储能模块，连接到驱动器和阀块中的至少一个，以提供动力；驱动器连接到电机以
驱动电机并控制电机的操作；电机连接到
液压泵以驱动液压泵；阀块连接到驱动器、液压泵和执行机构，驱动器
控制阀块的打开或关闭，液压泵通过阀块输送液压油以驱动执行机构；执行机构连接到变桨盘以驱动变桨盘旋转。
[0007] 根据本发明的一个
实施例，储能模块包括电储能器或/和蓄能器，电储能器连接到驱动器以向驱动器供电，蓄能器连接到阀块，液压泵通过阀块选择性地向蓄能器输送液压油，以在蓄能器中储存能量。
[0008] 根据本发明的一个实施例，阀块包括至少一个换向阀，用于控制执行机构的运动方向；或/和，阀块包括用于使蓄能器与执行机构相连通和隔离的阀
门。
[0009] 根据本发明的一个实施例，当电储能器停止向驱动器供电时，驱动器向所述阀门发送指示掉电的
信号，所述阀门响应于接收到的所述信号而打开以使蓄能器与执行机构相连通，以利用蓄能器储存的能量驱动执行机构，进而驱动变桨盘执行顺桨。
[0010] 根据本发明的一个实施例，驱动器基于电机的输出
电流、液压泵的转速、执行机构的运动
位置来控制电机的转速和输入电流，以控制液压泵的流量和压力。
[0011] 根据本发明的一个实施例，执行机构包括一个或多个
液压马达；或者，执行机构包括一个或多个液压缸。
[0012] 根据本发明的一个实施例，液压泵是定量液压泵。
[0013] 本发明还提供一种液体静压变桨系统的控制方法，所述控制方法包括：利用液体静压变桨系统的储能模块向液体静压变桨系统提供动力；利用液体静压变桨系统的驱动器驱动液体静压变桨系统的电机并控制电机的操作；利用电机驱动液体静压变桨系统的液压泵，并且仅通过驱动器控制电机的操作来控制液压泵的流量和压力；利用液压泵驱动液体静压变桨系统的执行机构以驱动变桨盘旋转。
[0014] 根据本发明的一个实施例，利用液压泵驱动执行机构的步骤包括：利用液压泵通过液体静压变桨系统的阀块输送液压油以驱动执行机构，并且，所述控制方法还包括：利用驱动器控制所述阀块的打开或关闭，以控制执行机构的运动方向。
[0015] 根据本发明的一个实施例，控制电机的操作的步骤包括：驱动器基于电机的输出电流、液压泵的转速、执行机构的运动位置来控制电机的转速和输入电流，以控制液压泵的流量和压力。
[0016] 根据本发明的一个实施例，所述控制方法还包括：当储能模块中的电储能器停止向驱动器供电时，驱动器向阀块发送指示驱动器掉电的信号，所述阀块响应于接收到所述信号而使储能模块中的蓄能器与执行机构相连通，以利用蓄能器储存的能量驱动执行机构，进而驱动变桨盘执行顺桨。
[0017] 根据本发明的液体静压变桨系统及其控制方法具有以下优势：避免齿轮和齿形带等执行机构的强度对变桨系统的限制；通过闭式液压系统代替传统开式液压系统，提高了系统的集成度和可靠性；可以兼容电储能和液压储能，储能方式的选择更加灵活。
[0018] 将在接下来的描述中部分阐述本发明总体构思另外的方面和/或优点，还有一部分通过描述将是清楚的，或者可以经过本发明总体构思的实施而得知。
附图说明
[0019] 图1是根据本发明的实施例的液体静压变桨系统的结构示意图。
[0020] 图2是根据本发明的实施例的液体静压变桨系统的控制
框图。
[0021] 图3是根据本发明的实施例的将液压缸作为执行机构的示意图。
[0022] 图4是根据本发明的实施例的将液压缸作为执行机构的另一示意图。
[0023] 图5是根据本发明的实施例的将液压马达作为执行机构的示意图。
[0024] 图6是根据本发明的实施例的将液压马达作为执行机构的另一示意图。
[0025] 图7是根据本发明的另一实施例的液体静压变桨系统的结构示意图。
具体实施方式
[0026] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显并易于理解，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0027] 本发明提供一种液体静压变桨系统。图1是根据本发明的实施例的液体静压变桨系统1的结构示意图。参照图1，液体静压变桨系统1包括电储能器11、驱动器12、电机13、液压泵14、执行机构15、阀块16和蓄能器17。
[0028] 电储能器11连接到驱动器以向驱动器12供电，电储能器11可以是基于电容或者
电池技术的电储能器。驱动器12连接到电机13以驱动电机13并控制电机13的操作。电机13连接到液压泵14以驱动液压泵14。电机13可以是同步电机、异步电机、无刷直流电机、普通直流电机、步进电机或
开关磁阻电机。阀块16连接到驱动器12、液压泵14和执行机构15，驱动器12控制阀块16的打开和关闭，液压泵14通过阀块16输送液压油以驱动执行机构15。执行机构15连接到变桨盘(未示出)以驱动变桨盘旋转。执行机构15可以包括一个或多个液压马达。可选地，执行机构15可以包括一个或多个液压缸。蓄能器17连接到阀块16，液压泵14通过阀块16选择性地向蓄能器17输送液压油，以在蓄能器17中储存能量。蓄能器17可以是一个或多个蓄能器的组合。
[0029] 通过阀块16可以选择性地将执行机构15连接至液压泵14或者蓄能器17，以便灵活运用电储能器11中的电能和蓄能器17中的液压能。
[0030] 根据本发明的实施例，阀块16包括至少一个换向阀(未示出)，驱动器12控制所述至少一个换向阀的打开和关闭，以控制执行机构15的运动方向。阀块16还可包括用于使蓄能器17与执行机构15相连通和隔离的阀门(未示出)，驱动器12控制所述阀门的打开和关闭。当驱动器12使所述阀门打开时，蓄能器17与执行机构15相连通，以利用蓄能器17储存的能量驱动执行机构15；当驱动器12使所述阀门关闭时，蓄能器17与执行机构15相隔离。例如，当液体静压变桨系统1被正常供电时，在无需紧急顺浆的情况下，所述阀门闭合，以保持蓄能器17与执行机构15相隔离。当电储能器11停止向驱动器12供电时，驱动器12向所述阀门发送指示驱动器掉电的信号，所述阀门响应于接收到所述信号而打开以使蓄能器17与执行机构15相连通，利用蓄能器17储存的能量驱动执行机构15，进而驱动变桨盘(未示出)执行顺桨。例如，当系统电源被切断或者发生系统故障时，可以通过蓄能器17驱动执行机构15执行紧急顺浆，使得风力发电机组的叶片收回到安全位置，从而保证风力发电机组的运行安全。
[0031] 根据本发明的实施例，液体静压变桨系统1是电动静液作动器(EHA)系统，液压泵14可以是定量液压泵，例如，
叶片泵、齿轮泵、
柱塞泵或
螺杆泵。在液体静压变桨系统1中，驱动器12通过控制电机13的转速来实现液压泵14的变量输出，进而液压泵14驱动执行机构14以带动风力发电机组的变桨盘和叶片的旋转。即，本发明采用泵控策略实现风力发电机组的变桨控制。
[0032] 下面对液体静压变桨系统1的工作原理进行简要说明。执行机构15的运动速度取决于液压泵14输出液压油的流量，所述流量与液压泵14的转速存在以下关系：
[0033]
[0034] 其中，n为液压泵14的转速，Q为液压泵14输出液压油的流量，Vs为液压泵14的
排量，ηvol为体积效率。
[0035] 执行机构15的力矩与液压泵14的相关参数之间的关系如下：
[0036]
[0037] 其中，M为执行机构15的力矩，p为液压泵14的供油压强，Vs为液压泵14的排量，ηhm为传动效率，而且，力矩M和电机13的
电压在可控范围内近似于正比关系。
[0038] 虽然在此具体示出的液压泵14是定量液压泵，但是，根据实际需求，液压泵14也可以是变量液压泵，以利于实现更精确的控制。
[0039] 根据以上说明的数学关系，本发明还考虑到液体静压变桨系统1本身固有的非线性特性(例如，液体静压变桨系统1根据执行机构15的运动位置而调整增益补偿，液体静压变桨系统1固有频率发生变化，在执行机构15的运动方向切换时，液体静压变桨系统1会切换被控对象的相关控制参数)。据此，本发明设计出一种应用于液体静压变桨系统1的控制方法。
[0040] 下文将结合图2对控制方法进行说明。图2是根据本发明的实施例的液体静压变桨系统的控制框图。
[0041] 参照图2，根据本发明的实施例，液体静压变桨系统1是闭环
负反馈控制系统。驱动器12根据输入指令201控制电机13的操作。在图2示出的闭环负反馈控制系统中，驱动器12还基于电机的输出电流205、液压泵转速206、执行机构运动位置207来控制电机13的转速和输入电流。
[0042] 具体来讲，可以利用霍尔
传感器等测量器件测量电机13的输出电流，即电机的输出电流205，驱动器12将电机的输出电流205作为用于电机电流控制204的负反馈电流信号。
[0043] 可以利用
编码器、
超声波传感器等测量器件测量电机13的
输出轴转速，进而推算出液压泵转速206和执行机构运动位置207。驱动器12将液压泵转速206作为用于电机速度控制203的负反馈转速信号，并且，驱动器12将执行机构运动位置207作为用于自适应控制202的负反馈位置信号。在自适应控制202中，可以通过驱动器12实施自适应控制以对液体静压变桨系统1进行非线性补偿。此外，还可以利用
超声波传感器等测量器件直接测量执行机构15的转速和执行机构运动位置207，根据执行机构15的转速可以获得液压泵转速206。
[0044] 如上所述，驱动器12可以通过控制电机的操作来控制整个液体静压变桨系统1。
[0045] 根据本发明的实施例，与变桨盘连接的执行机构15可以是液压缸或液压马达。
[0046] 图3是根据本发明的实施例的在将液压缸22作为执行机构时使风力发电机组的叶片23旋转至0度桨距
角的示意图，图4是根据本发明的实施例的在将液压缸22作为执行机构时使风力发电机组的叶片23旋转至90度桨距角的另一示意图。如图3和图4所示，在此示出的液体静压变桨系统将液压缸22连接至变桨盘21，使得液压缸22与变桨盘21构成
曲柄连杆机构，从而将液压缸22伸缩时做出的直线运动转化为变桨盘21的旋转运动，风力发电机组的叶片23在变桨盘21的带动下进行旋转。
[0047] 虽然在此仅以两个液压缸作为执行机构进行了说明，但是，实际应用并不仅限于此，根据实际的
载荷和
轮毂空间要求，可以设置一个或多个液压缸用于单个叶片的变桨。
[0048] 图5是根据本发明的实施例的将液压马达32作为执行机构以驱动风力发电机组的叶片33旋转的示意图。如图5所示，在变桨盘31上设置了三个液压马达32。当使用液压马达32作为执行机构时，可以通过齿轮、齿形带或其它传动装置将液压马达32的旋转运动转化为叶片33的旋转运动，同时还可以利用液压马达32的良好的低速特性
直接驱动叶片33实现变桨动作。
[0049] 虽然在此仅以三个液压马达作为执行机构进行了说明，但是，实际应用并不仅限于此，根据实际的载荷和轮毂空间要求，可以设置一个或更多个液压马达用于单个叶片的变桨。
[0050] 根据本发明的实施例，对于每个液压马达还可以设置多组齿轮、齿形带或其它传动装置。图6是根据本发明的实施例的将液压马达41作为执行机构的另一示意图。参照图6，液压马达41通过
动力分配器42连接多个
传动轴43，所述多个传动轴43分别连接多个齿形带44，齿形带44可以带动风力发电机组的叶片旋转。当液压马达41被驱动旋转时，齿形带44旋转，进而驱动风力发电机组的叶片旋转。
[0051] 根据本发明，为了提高液体静压变桨系统的集成度，本发明对上文描述的液体静压变桨系统进行了模块化设计。图7是根据本发明的另一实施例的液体静压变桨系统2的结构示意图。
[0052] 如图7所示，液体静压变桨系统2包括储能模块210、传动模块220和控
制模块230。储能模块210包括电储能模块211和蓄能器模块212。传动模块220包括执行机构221。
控制模块230包括驱动器231、电机232、液压泵233和阀块234。与图1所示的液体静压变桨系统1类似，各个组件可以执行对应的功能。
[0053] 驱动器231电连接到电机232，电机232电连接到液压泵233。电储能模块211电连接到驱动器231以向驱动器231供电。蓄能器模块212通过油路
接口连接到阀块234。执行机构221通过油路接口连接到阀块234，阀块234通过油路接口连接到液压泵233。驱动器231还电连接到执行机构221，以从执行机构221获得反馈信号。例如，驱动器231可以从执行机构221接收执行机构221的运动位置信号、
温度信号等信息。驱动器231还电连接到阀块234，以控制阀块234的打开和关闭。根据实际需求，油路接口可以是液压软管、高压
球阀等液压管接口，电气接口可以是哈丁接口以降低现场调试、更换和维护的工作量。
[0054] 根据本发明的实施例的液体静压变桨系统2可以被直接集成在风力发电机组的轮毂上，因此可以省略风力发电机组的机舱中的油箱和旋转接头，从而节省了安装空间、生产与维护成本。
[0055] 与传统的阀控液压系统相比，根据本发明的液体静压变桨系统具有更好的
稳定性、线性度和可靠性，控制效率更高，由于可以根据实际需求安装多组执行机构(液压缸或液压马达等)，因此，所述液体静压变桨系统可以有效避免传统的阀控液压系统中执行机构的强度(例如，齿轮和齿形带的强度)对变桨系统的限制。所述液体静压变桨系统可以灵活运用电储能和液压储能，通过这两种储能方式能够更安全且高效地控制风力发电机组，提高整个风力发电机组的安全系数。
[0056] 此外，根据本发明的实施例的液体静压变桨系统的模块化设计，使得液体静压变桨系统内部结构更加紧凑，接口安装及更换更加简单方便。
[0057] 上述实施例中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施例仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域技术人员对本发明的技术方案做出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。
