液压储能在风力发电中的应用

液压储能在风力发电中的应用摘要：为实现风力发电系统稳定、持续地供电，必须在系统中配备合适的储能装置。

储能装置的作用是将风能首先转化为液压能，运用液压储能元件来进行风能的存储，并以液压蓄能器作为储能装置。

液压储能系统不但可以促进电网安全稳定运行，还可以节省了电网建设的投资，对风力发电的发展有着重要意义。

关键字：液压储能、风力发电、蓄能器1.1风力发电概述21世纪是高效、洁净、安全、经济可持续利用能源的时代，世界各国都在向此方向发展，都把能源的利用作为科研领域的关键予以关注。

受1973年世界范围内的石油危机和空气动力学理论的发展的影响，在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下，风力以其自身独有的优点，作为新能源的一部分有了新的快速的发展。

风力发电，就是把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能，这就是风力发电。

具体的说，就是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。

我国世界上风力资源较为丰富的国家之一，全国可利用的风能约为2.5亿kW。

风能作为一种无污染和可再生的新能源有着巨大的发展潜力，其次，用风力发电，可减少常规能源的消耗，从而减少有害气体的排放，对环境保护和生态平衡，改善能源结构具有重要意义。

1.2风力发电与储能技术风力发电所需要的装置，称作风力发电机组。

这种风力发电机组，大体上可分风轮(包括尾舵)、发电机和铁塔三部分（大型风力发电站基本上没有尾舵，一般只有小型才会拥有尾舵）。

由于风轮的转速比较低，而且风力的大小和方向经常变化着，这又使转速不稳定；所以，在带动发电机之前，还必须附加一个把转速提高到发电机额定转速的齿轮变速箱，再加一个调速机构使转速保持稳定，然后再联接到发电机上。

为保持风轮始终对准风向以获得最大的功率，还需在风轮的后面装一个类似风向标的尾舵。

风力发电还受到以下两个方面的严重制约，一方面，风机造价居高不下，风力发电技术也不是很完善，使风力发电单价约为火力发电单位造价的2~2.5倍。

另一个方面，风能是随机性的能源，具有间歇性、风速的不稳定性，风速的变化会造成电流波动问题，影响输出电力的稳定性。

而应用储能装置是改善发电机输出电压和频率质量的有效途径。

目前几种常用的对付电流波动问题的方法有：1、在小功率情况下，对电流加设滤波电容，因为滤波电容有削峰填谷的作用；2、电感储能；3、用液压蓄能器的方式解决储能问题。

超级电容器在风力发电系统直流母线侧并入超级电容器，不仅能像蓄电池一样储存能量，平抑由于风力波动引起的能量波动，还可以起到调节有功无功的作用。

缺点是电容的寿命受电解液的影响比较短，并且工作频率高时，热量会使电解液更快消耗，不适合在高温时使用。

超导储能系统主要由电感很大的超导蓄能线圈、使线圈保持在临界温度以下的氦制冷器和交直流变流装置构成。

当储存电能时，将风力发电机的交流电，经过交-直流变流器整流成直流电，激励超导线圈。

发电时，直流电经逆变器装置变为交流电输出，供应电力负荷或直接接入电力系统。

缺点是体积重量大，磁芯还怕摔。

很多储能技术采用超导体，在大型线圈产生的电磁力的约束、制冷技术等方面还未成熟，所以电感储能还不成熟。

液压储能器又称蓄能器，是一种能把液压能储存在耐压容器里，待需要时又将其解放出来的能量储存装置，对保证系统正常运行、改善其动态品质、保持工作稳定性、延长工作寿命、降低噪声等起着重要的作用。

储能器能给系统带来的经济、节能、安全、可靠、环保等效果非常明显。

缺点是易漏油，而且需要经常打压。

通过比较，液压储能技术在保证密封性良好的情况下，作为风力发电的储能技术，是较有优势的。

因此，设计液压储能装置来解决风电存储问题极具意义。

2.1蓄能器的分类极其特点蓄能器根据储能方式的不同，一般分为重力式蓄能器、弹簧式蓄能器和充气式蓄能器。

（1）重力式蓄能器重力式蓄能器是利用重物（重锤）的重量，通过活塞作用在油液上而产生压力能。

其压力大小取决于重物的重量和柱塞大小。

这种蓄能器的优点：结构简单，容量大，压力高而恒定，在输出油液的整个过程中，压力输出压力稳定，与输出速度无关。

但体积庞大，笨重，惯性大，响应滞缓。

只适用于固定设备的储能，不宜用于吸收压力脉动和冲击。

（2）弹簧式蓄能器弹簧式蓄能器是利用弹簧力作用于活塞上，使之与压力油的压力相平衡，以储存压力能。

蓄能器产生的压力取决于弹簧的刚度和压缩量。

这种蓄能器的优点是结构简单，反应较重力式灵敏，但容量小（容量大则笨重）。

适用于低压、小容积、循环频率低的系统作储能及缓冲用。

（3）充气式蓄能器充气式蓄能器的工作原理是利用蓄能器内预先充有预订压力的气体（空气或氮气）与液压泵冲入蓄能器内的压力油平衡。

当系统需要油液时，在气体压力作用下，使油液排出。

其中，气囊式蓄能器应用最广泛。

2.2气囊式蓄能器气囊式蓄能器（如图2-1）的工作原理是基于波意尔定理，主要由充气阀、壳体，皮囊、和进油阀组成。

气体和油液由皮囊隔开，皮囊用耐用橡胶组成，固定在一个耐高压的壳体上部，皮囊内冲入惰性气体，（一般为氮气），壳体下端的进油阀是一个用弹簧加载的菌形阀，它能使油液进出蓄能器时皮囊不会挤出油口。

充气阀在蓄能器工作前为皮囊充气，充气完毕将自动关闭。

在使用前，首先向蓄能器中的气囊充以预订压力的氮气，然后用液压泵向蓄能器充油，在压力油的作用下，顶开菌型阀，油进入容器内，压缩气囊，当气腔和液腔的压力相等时，气囊处于平衡状态，这时蓄能器内压力为泵压力。

当系统需要油时，在气体压力作用下，气囊膨胀，逐渐将油液挤出。

另外，充气阀处可做检查皮囊内气压大小的接表口，这种蓄能器的结构保证了气液的密封可靠。

将壳体和气囊顶部设计成“上部敞开式”结构，更换气囊方便。

图2-1 气囊式蓄能器3.1风力发电中液压储能原理液压储能系统中，叶轮直接驱动液压泵转动，输出高压油，油液经过液压管路送至地面，通过稳压泵站进入蓄能器以液压能的形式存储起来。

需要用电时，通过稳压泵站驱动液压马达转动，液压马达带动发电机转动，液压马达的转速可以通过稳压泵站的调速回路来使之稳定，因此无需稳压系统。

当无风或风力较小时，可通过蓄能器和液压泵同时向液压马达供油，来保证系统的稳定和持续发电。

原理图如图3-1所示，当控制器监测到蓄能器压力低于最低压力时，风轮首先带动液压泵转动，此时两通阀A和两通阀B均被关闭，溢流阀作为安全阀使用，因此液压泵通过一个单向阀后向蓄能器内充入高压油。

需要发电时，控制器通过电控信号，打开两通阀B，蓄能器内的液压油流出，由控制器控制调速阀控制输出流量，驱动液压马达转动，带动发电机发电，驱动电阻负载。

在发电时，通过调节调速阀的开度和液压马达的排量，使输出功率和输出电压均保持在稳定状态。

图3-1液压储能系统3.2模型分析及系统稳压原理系统模型中的各个关键部件之间的关系如图3-2所示，动力源( 风轮) 带动液压泵旋转，之间采用机械旋转轴联接，扭矩和转速分别为S T ，s n ； 液压泵输出高压油存入蓄能器中，油压和流量分别为p p ,p q ，完成蓄能阶段；在发电阶段，蓄能器输出液压油，出口压力和流量分别为a p , a q ，流量a q 由调速阀决定，出口压力a p 由蓄能器决定，液压油经过调速阀后驱动液压马达，压力降为m P ，液压马达旋转带动发电机发电, 之间同样采用机械旋转轴联接，扭矩和转速分别为m T ,m n 。

E T s n s p p q p p a q a p m q m Tm n m I c U e蓄能阶段发电阶段图3-2数学关系示意图从图3-2可以看出, 液压蓄能器是整个系统的中心环节。

对蓄能器参数的选择和计算, 对整个系统的性能有重要影响。

这里假设蓄能器的预充气压力为0p ，公称容积为0V ，最低压力为1p ，最高压力为2p ，相应的气体容积分别为1V 和2V 。

于是蓄能器的有效工作容积为w V =1V -2V 。

3.3蓄能过程分析在对系统效率进行分析时, 蓄能过程中, 对风轮采用恒速控制, 以便测算后面液压系统在蓄能过程中的效率。

因此输入的能量可视为通过动力源输入的机械能, 为E 1 = dt T s ⎰10s ω 式(3-2) 式中:s ω为动力源旋转的瞬时角速度； t 1为蓄能时间。

而得到的存储在蓄能器内的液压能为E 2 =dt q p a a ⎰10 式(3-3) 二者相除, 即为整个蓄能过程的效率为p η= E 2/E 1 式(3-4)如图3-3所示，在约282.5s 时，蓄能器内的油压上升到11Mpa ，达到预先设定的最高压力。

此时，蓄能器内冲入的液压油体积期间的扭矩随着液压油上升而上升，在282.5s 时达到最大值3.07N.m 。

系统效率曲线如图3-4所示，在达到设定值11Mpa 时，系统效率为79.4%，此后随着压力的上升，液压泄漏进一步增大，从而导致系统效率的下降。

图3-3蓄能环节油压和扭矩曲线图图3-4蓄能环节效率曲线3.4发电过程分析在发电过程中, 应维持发电电压稳定，即外负载端电压U E始终保持不变。

同时，应使液压系统的输出功率与电力负载的功率相匹配。

为此，采用了如下的控制策略(见图3-5)：图3-5电控液压系统控制方法首先，通过控制器采集外负载端电压U E和电流I E，可计算出外负载功率P E，加上一定的功率损耗的补偿，同时实时采集蓄能器出口压力p，于是可通过一a定的算法估算出所需要的系统流量值, 再通过控制调速阀的PWM信号的占空比来控制整个液压系统的供给流量。

即通过对外负载功率的监测来实时调节液压蓄能器的功率供给：q a = f(P E ,p a ) = ( P E +△P )/p a 式(3-5)式中：△P是用于补偿调速阀的功率消耗及发电机的功率损失的功率损耗值,可以通过一定的方法进行估算。

其次，为了维持发电机的转速恒定,再通过对端电压U E 的监测来对变量液压马达的排量Q m 进行调节。

液压马达的转速为n m =mmV m Q q η 式(3-6) 式中：m n 为液压马达的实际输出转速；m q 为液压马达通过的流量，这里由调速阀特性和开度决定；mV η为液压马达的容积效率；m Q 为液压马达公称排量，通过闭环控制算法来对m Q 进行控制，保证了m n 维持在一个稳定值, 从而保证负载端电压U E 的稳定。

整个发电过程中输出的液压能为E 3 =dt q p a a ⎰20 式(3-7) 直流电机得到的机械能为E 4 = dt T m m ω⎰20 式(3-8)式中:t 2为发电时间；m ω为直流电机旋转时的瞬时角速度。

二者相除, 即为发电阶段液压部分的效率=m η E 4 /E 3 式(3-9)如图3-6所示，在大约351s 时，蓄能器压力从开始的最高压力P 2=11Mpa 下降到设定值P 1=3.5Mpa 。