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1、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
2、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）
3、、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22.5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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、方便。Anb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
10、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。控制信号或左制器*风轮丄IB 号I回油社滤器电阴员载油箱图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T ， n ；液压泵输出 S高压油存入蓄能器中，油压和流量分别为p ,q，完成蓄能阶段；在发电阶段,p p蓄能器输出液压油，出
11、口压力和流量分别为p , q ,流量q由调速阀决定，出aaa口压力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P,液am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，扭矩和转速分别为蓄能阶段发电阶段ssI P孑、-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p公称容积为V，最低压力为p，最高压力为p，相应的气体容积分别为V和V。0 12 1 2 于是蓄能器的有效工作容积为V =V -V。w 123.3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
12、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 = 11 o Tdt式(3-2)0 s s式中:o为动力源旋转的瞬时角速度；t为蓄能时间。s1而得到的存储在蓄能器内的液压能为E2 = Up q dt式(3-3)2 o a a二者相除，即为整个蓄能过程的效率为耳=E2/E1式(3-4)p 21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，
13、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电力负栽端功率用灘端电压皿图3-5电控液压系统控制方法050.0 100血 150*0 200.0 250.0 282点t/s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UE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）：首先，通过控制器采集外负载端电压UE和电流IE，可计算出外负载功率PE， 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
14、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：qa = f(PE，Pa)= ( PE + P Pa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UE的监测来对变量液压 马达的排量0口进行调节。液压马达的转速为式(3-6)q耳mmVQm式中：n为液压马达的实际输出转速；q为液压马达通过的流量，这里由 mm调速阀特性和开度决定；耳 为液压马达的容积效率；Q为液压马达公称排量,mV
15、m通过闭环控制算法来对Q进行控制，保证了n维持在一个稳定值，从而保证负mm载端电压UE的稳定。整个发电过程中输出的液压能为直流电机得到的机械能为E3p q dtaaf2 T o dt式(3-7)式(3-8)mm式中:t2为发电时间；o m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耳二 E4 /E3式(3-9)m如图3-6所示，在大约351s时，蓄能器压力从开始的最高压力P2=11Mpa下降 到设定值P=3.5Mpa。由于采用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，系统的流量从0.48L.min-i 上升到1.46 L.min-1。11f/s图3-6蓄能器出口压力及系统流量曲线图图3-7是端电压曲线图，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%,稳压效果令人满意。液压部分的供给效率稳定, 发电部分的效率（如图3-8）高效平稳。大约在91.8%。08642086 42 0 酿24.浊纽瓯刚23.2S.刿法23.fi50 tOO 15G 20fl 250 MO 騎0 4(10图3-7端电压曲
