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)04-0488-06Appl 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 orsBIAN 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 中　国　工　程　机　械　学　报第7卷　图2　数学关系示意图Fig.2　Ma t he m atical rela tions hip 从图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p0,公称容积为V0,最低压力为p1,最高压力为p2,相应的气体容积分别为V1和V2.于是蓄能器的有效工作容积V w=V1-V2[4].2.1　蓄能过程分析在对系统效率进行分析时,由于风轮设计及发电机设计不是本文的重点,这里不分析风轮效率及发动机部分的效率,而着重对引进的液压系统的效率进行分析.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E1=∫t10ωs T s d t(1)式中:ωs为动力源旋转的瞬时角速度;t1为蓄能时间.而得到的存储在蓄能器内的液压能为E2=∫t10p a q a d t(2) 二者相除,即为整个蓄能过程的效率为ηP=E2/E1(3) 2.2　发电过程稳压原理及效率分析在发电过程中,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):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 a,于是可通过一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+ΔP)/p a(4)式中:ΔP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=q mηm VQ m(5)式中:n m为液压马达的实际输出转速;q m为液压马达通过的流量,这里由调速阀的特性和开度决定;ηm V为液压马达的容积效率;Q m为液压马达公称排量,通过闭环控制算法来对Q m进行控制,保证了n m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E3=∫t20p a q a d t(6) 直流电机得到的机械能为E4=∫t20T mωm d t(7) 094　第4期卞永明,等:液压储能在风力发电储能中的应用 式中:t 2为发电时间;ωm 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ηm =E 4/E 3(8)图3　电控液压系统控制方法Fig.3　Cont r ol met hod of elect r o hydr a ulic s ys tem3　极限工况仿真与实验为验证液压储能在风力发电系统中的应用设想,对上述实验模型进行仿真,并分别对效率和稳压效果进行分析验证.为简化仿真模型,将上述系统分为蓄能阶段和发电阶段两个部分分别进行仿真和实验.仿真利用MA TL AB 中的Simulink 工具箱构建模型[5],每个元件分别进行实际选型,元件参数来自于厂家产品资料,过程参数利用实验测定.3.1　蓄能过程仿真分析在MA TL AB/Simulink 环境下搭建了蓄能过程的仿真模型.整个模型的仿真参数的设定,与实际搭建的实验系统的产品资料保持一致.主要元件的仿真参数设定如下:液压泵排量Q p =1.5mL ,额定转速为2500r ·min -1,最低转速为800r ·min -1,额定压力为20M Pa ,容积效率为83%;蓄能器公称容积根据系统状况,选取V 0=10L ,预充气压力p 0=2.65M Pa ,最低压力设定为p 1=3.5M Pa ,最高压力设定为p 2=11M Pa ;过程中的气体多变指数根据实验测定为γ=1.27,测定γ值的方法如下:在蓄能过程中,蓄能器内的压力p a 和气体体积V 满足p a V γ=c (9)式中:γ为多变指数,在绝热过程中,γ=1.4,在等温过程中,γ=1,由于在蓄能过程中存在热交换,不是绝热过程,而气体被油液加热,温度上升,因此也不是等温过程,γ值需通过实验测定;c 为一个定值常数,与蓄能器内预充氮气的质量有关.又因为有V =V 0-V l ,其中V l 是蓄能器内的油液体积.由于泵的转速恒定,因此可以认为V l =Q p ηn t(10)式中:Q p 为泵的公称排量;η为泵的容积效率;n 为泵的转速;t 为时间.根据以上各式,可以推出p (t )=c (V 0-V p ηn t )-γ(11)式(11)中V p 和V 0已知,通过对实验中测定的不同时刻的压力值的p (t )值,对数据进行曲线拟合,即可求出c ,η和γ的值.于是可以知道在当时气候条件和实验条件下,近似的多变指数γ的值.如图4a 所示,仿真结果显示,在约282.5s 时,蓄能器内的油压上升到11M Pa ,达到预先设定的最高压力.此时,蓄能器内充入的液压油体积期间的扭矩随着油压上升而上升,如图4b 所示,在282.5s 时达到最大值3.07N ·m.整个仿真过程中的系统效率曲线如图5所示,在达到压力设定值11M Pa 时,系统效率约为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.194 中　国　工　程　机　械　学　报第7卷图4　蓄能环节油压和扭矩仿真曲线Fig.4　Si m ula tion c u r ve of hydr a ulic p ress u re a nd t or que i n ene r gy s t or a ge p hase图5　蓄能环节效率曲线Fig.5　Si m ula tion cu r ve of eff icie ncy3.2　发电过程仿真分析针对发电过程,在MA TL AB/Simulink 环境下建立了仿真模型.利用系统自带的液压元件库建立了蓄能器和液压回路,使用Driveline 元件库对联轴器进行模拟,实现了转矩和转速的耦合.利用Simulink 库中的直流电机元件建立了直流发电机模型,DC Sensor 子系统会采集负载的电压值和电流值,并输出功率和负载端电压.分别采用不同的控制算法,对液压系统的输出流量和马达排量进行控制,并指定发电端电压为24V.仿真中的参数设置,仍然与完成选型的实验系统的各产品资料中的参数保持一致,主要参数如下:蓄能器公称容积V 0=10L ,初始压力为最高压力p 2=11M Pa ,并设定工作最低压力p 1=3.5M Pa ;液压马达采用电控式变量马达,排量范围可从0～10mL 连续变化.控制策略采用前面介绍的通过两次闭环分别对液压系统的流量和排量进行控制.外电阻负载额定电压24V ,功率52W.调速阀采用理想流量调节阀代替.图6是蓄能器出口压力和调速阀通过流量的仿真曲线,在大约351s 时,蓄能器压力从开始的最高压力p 2=11M Pa 下降到设定的最低工作压力p 1=3.5M Pa.由于采用了恒功率而不是恒流量控制,蓄能器的出口压力曲线的下降速度近似保持恒定,同时,随着压力的下降,系统的流量随之从0.48L ·min -1上升到1.46L ·min -1.图6　蓄能器出口压力及系统流量仿真曲线Fig.6　Si m ulation c u r ve of accu m ula t or p ress u re a nd s ys te m f low r a te 图7为端电压仿真曲线.图7a 是390s 内的仿真曲线,图7b 是开始的50s 内的仿真曲线.在约351s 时,蓄能器压力下降到设定的最低工作压力p 1=3.5M Pa.在整个仿真过程中,在大约6s 时达到最大值,电压最大值不超过24.2V.电压的最大变化幅度不超过0.83%.稳压效果是令人满意的.294　第4期卞永明,等:液压储能在风力发电储能中的应用 图7　端电压仿真曲线Fig.7　Si m ulat ion cu r ve of ter mi nal volt a ge图8　发电阶段效率曲线Fig.8　Si m ula tion c u r ve of eff icie ncy 由于发电过程中外负载的功率保持恒定,在模型进入稳定状态后,液压部分的效率供给也保持恒定,因此发电部分的效率曲线如图8所示.在蓄能器工作压力下降到设定的最低工作压力p 1=3.5M Pa 时,液压部分的效率为ηm =E 4/E 3=91.8%(12) 综上所述,整个液压部分的效率为ηh =ηp ηm ≈72.9%(13)即整套液压系统的效率是72.9%;即72.9%的输入到液压系统的机械能能够最终以机械能的形式重新输出,由此可以节约大量的制造成本、维护成本以及相应的电力稳压系统.考虑到风力发电机的实际应用情况,这个效率是可以令人满意的.4　结论从上述分析可以看出,新型液压传导储能系统的效率和稳压效果较好.若在现有系统中加以应用,可以带来以下优点:(1)可以将发电机和发电机的相关控制系统降至地面,如此可大幅度降低塔架和风机的制造成本.(2)由于采用了液压储能,可以做到异时发电,即在风力较大而耗电量较小时蓄能,在风力较小,而耗电量较大时,通过液压蓄能器补充能量.(3)在系统中应用一定的闭环控制算法,调节液压系统来进行稳压,可以取得较好的稳压效果.参考文献:[1]　王承煦,张源.风力发电[M ].北京:中国电力出版社,2003.WAN G Chengxu ,ZHAN G Yuan.Wind power generation[M ].Beijing :China Power Press ,2003.[2]　李豪,郑衡,何国锋.风力发电设备优化选型与电价关系的分析[J ].广东电力,2003,16(2):53-55.L I Hao ,ZH EN G Heng ,H E Guofeng.Analysis on relation between optimum type selection of wind power generating apparatus and pow 2er rate [J ].Guangdong Electric Power ,2003,16(2):53-55.[3]　刘万琨,张志英,李银凤,等.风能与风力发电技术[M ].北京:化学工业出版社,2007.L IU Wankun ,ZHAN G Zhiying ,L I Y infeng ,et al.Wind energy and wind power generation technology[M 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