液压储能在风力发电储能中的应用

第7卷第4期

2009年12月中　国　工　程　机　械　学　报CHINESE JOURNAL OF CONSTRUCTION MACHINER Y Vol.7No.4　Dec.2009

作者简介:卞永明(1965-),男,教授,工学博士.E 2mail :ymbianmail @

液压储能在风力发电储能中的应用

卞永明,牛　翔

(同济大学机械工程学院,上海201804)

摘要:风力发电系统为实现系统稳定和持续供电,必须配备合适的储能装置.因此提出以下设想:将风能首先转

化为液压能,并以液压蓄能器作为储能装置.不但可以实现系统的稳定和持续供电,还可以将发电机等设备降至

地面,大大节约塔架的建造成本和风机的维护费用,并实现通过液压调速回路稳定电压.在上述设想的基础上,设

计了一套实验模型,针对液压储能的系统效率和稳压效果进行仿真分析,结果表明:液压系统效率为72.9%,发

电电压波动幅度小于0.83%,效率和稳压效果都能满足要求.

关键词:风力发电;液压储能;蓄能器

中图分类号:T K 89 文献标识码:A 文章编号:1672-5581(2009)04-0488-06

Appl yi ng hyd r a ulic e ne r gy s t or a ge f or wi nd t u r bi ne ge ne r a t ors

BIAN Y ong 2m i ng ,NIU Xi a ng

(College of Mechanical Engineering ,Tongji University ,Shanghai 201804,China )

A bs t r act :In orde r to maintain stable and sustainable power supply ,t he energy storage device s hould be e 2quipped for a wind power generation system.Accordingly ,t he wind ene rgy is converted into hydraulic ene r 2gy for ene rgy storage.As a res ult ,t he stable and s ustainable power s upply can be guaranteed accompanied by installing t he generator assembly on t he ground.This significantly reduces t he cost of towe r building and wind t urbine generator maintenance.Meanw hile ,t he voltage stability in a hydraulic governing circuit can be ensured.Event ually ,an expe rimental model is designed and simulated to analyze t he s ystem efficiency and voltage stabilization.In conclusion ,t he system efficiency and voltage stabilization can meet demands wit h 72.9%hydraulic system efficiency and 0.83%below voltage fluct uation amplit ude.

Key w or ds :wind t urbine ;hydraulic energy storage ;hydraulic energy accumulator

20世纪80年代以来,风能的利用形式主要是风力发电.近30年来,风力发电技术日臻完善,并网型风力发电机单机额定功率最大已经达到5MW ,叶轮直径达到126m.今后,国内外风力发电技术和产业的发展速度将明显加快.

然而,风力发电的发展受到以下两个方面的严重制约:一方面,风能是随机性的能源,具有间歇性.因此,即使在风能资源丰富的地区,把风力发电机作为获得电能的主要方法时,也必须配备适当的蓄能装置,才能保证发电机组的连续和平稳运行[1].另一方面,风机造价居高不下,据统计,现在世界上建设风力发电的单位造价大约为1000美元·kW -1,风力发电场建设的60%～70%投资又在风机设备上.中国近年风力发电单位造价约为人民币8000～9000元·kW -1,这个费用是燃煤火力发电单位造价的2～2.5倍[2].严重制约了风力发电的发展.

在现有的风力发电系统中,一套完整的风力发电机一般由叶轮、齿轮箱、偏航系统、制动系统、发电机、控制与安全系统、机舱、塔架和基础等组成[3].在这种结构中,叶片经变速箱后直接带动发电机转动,发电机安装在塔筒顶部.传动系统、发电机和控制与安全系统均布置在塔架上,大大增加了塔顶重量,使风力发

　第4期卞永明,等:液压储能在风力发电储能中的应用 电机塔筒结构庞大,带来了高昂的制造成本.而上述装置布置在高空,维护修理不便,又需要预留维护空间,因此也带来了高昂的维护费用.此外,由于风场波动大,造成发电机的电压波动大;而风力大时,采用调整叶片的方式来避免发电机过荷,又影响了发电效率.

风力发电的上述缺陷可以通过在风力发电系统中添加液压储能元件来解决.本文提出了一套通过液压系统和液压储能来降低运行成本和实现稳压供电的方法,并对该设想进行了分析和仿真.

1　风力发电的液压储能原理

针对引言中提到的问题,设计了一套液压传导储能系统.在该系统中,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.初步模型的原理图如图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1　模型原理图

Fig.1　Model sc he m atic

下面着重对该系统的以下两方面进行分析:①系统的效率,即风能转化为电能的效率,这里主要考察整个液压系统带来的效率损失;②系统的稳压特性,即系统输出的电压不随各种因素变化而保持稳定的能力.

为简化分析,可将整个模型的工作阶段分为蓄能和发电两个阶段,分别模拟有风而无电力需求和有电力需求而无风的极端情况.即在蓄能时,关闭两通阀B ,使液压马达停止转动;而在发电时,打开两通阀A 或者关闭液压泵,不使新的液压油进入蓄能器,以模拟无风时的状态.

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T s ,n s ;液压泵输出高压油存入蓄能器中,油压和流量分别为p p ,q p ,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p a ,q a ,流量q a 由调速阀决定,出口压力p a 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p m ,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T m ,n m .

984