液压储能在风力发电储能中的应用-.pdf

第7卷第4期 2009年12月 中 国 工 程 机 械 学 报 CHINESE JOURNAL OF CONSTRUCTION MAC HINERY Vol.7No.4 Dec.2009 作者简介 卞永明65 ,男,教授,工学博士2y 63 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 TK 89 文献标识码 A 文章编号 1672 - 5581 200904 - 0488 - 06 Applying hydraulic energy st orage f or wind t urbi ne generat ors BIAN Yong2ming, NIU Xiang College of Mechanical Engineering , Tongji University , Shanghai201804, China Abstr act In order to maintain stable and sustainable power supply ,the energy storage device should be e2 quipped f or a wind power generation system.Accordingly ,the wind energy is converted into hydraulic ener2 gy for energy storage.As a result ,the stable and sustainable power supply can be guaranteed accompanied by installing the generator assembly on the ground. This significantly reduces the cost of tower building and wind turbine generator maintenance. Meanwhile ,the voltage stability in a hydraulic governing circuit can be ensured. Eventually ,an experimental model is designed and simulated to analyze the system efficiency and voltage stabilization. In conclusion ,the system efficiency and voltage stabilization can meet demands with72.9 hydraulic system efficiency and0.83 below voltage fluctuation amplitude. Key w or ds wind turbine ; 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5 MW ,叶轮直径达到126 m.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1 000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8 000～9 000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 19-. E mail mbianmail1. com 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 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 schematic 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Ts,ns;液压泵输出高压油存入蓄能器中,油压和流量分别为pp,qp,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pa,qa,流量qa由调速阀决定,出口压力pa 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,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, 984 pm m nm. 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中 国 工 程 机 械 学 报第7卷 图2 数学关系示意图 Fig. 2 Mat hem atical relations 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VwV1-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 ∫ t1 0 ωsTsd t1 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 ∫ t1 0 paqad t 2 二者相除,即为整个蓄能过程的效率为 ηPE2/ E13 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 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pa,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 qa fPE, paPEΔP/ pa 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UE的监测来对变量液压马达的排量Qm进行调 节.液压马达的转速为 nm qmηmV Qm 5 式中nm为液压马达的实际输出转速;qm为液压马达通过的流量,这里由调速阀的特性和开度决定;ηmV为 液压马达的容积效率;Qm为液压马达公称排量,通过闭环控制算法来对Qm进行控制,保证了nm维持在一 个稳定值,从而保证负载端电压UE的稳定. 整个发电过程中输出的液压能为 E3 ∫ t2 0 paqad t 6 直流电机得到的机械能为 ∫ Tω 094 E4 t2 0 mmd t7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第4期卞永明,等液压储能在风力发电储能中的应用 式中t2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 ηmE4/ E38 图3 电控液压系统控制方法 Fig. 3 Control met hod of elect ro hydraulic sys tem 3 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MATLAB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MATLAB/ 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Qp 1. 5 mL ,额定转速为2 500 rmin - 1 ,最低转速为800 rmin - 1 ,额定压力为20 MPa ,容积效率为83 ;蓄能器公称容积根据系统状况,选取V0 10 L ,预充气压力p0 2.65 MPa ,最低压 力设定为p1 3. 5 MPa ,最高压力设定为p2 11 MPa;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pa和气体体积V满足 paVγ c9 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VV0-Vl,其中Vl是蓄能器内的油液体积.由于泵的转速恒定,因此可以认为 Vl Qpηnt 10 式中Qp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 ptcV0-Vpηnt -γ 11 式11中Vp和V0已知,通过对实验中测定的不同时刻的压力值的pt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282.5 s时,蓄能器内的油压上升到11 MPa ,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282.5 s时达到 最大值3N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M时,系统效率 约为 ,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 . 07m.11Pa 79. 4. 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 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 mulat ion curve of hydraulic pressure and torque i n energy st orage p hase 图5 蓄能环节效率曲线 Fig. 5 Si mulat ion curve of efficiency 3. 2 发电过程仿真分析 针对发电过程,在MATLAB/ 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24 V. 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V0 10 L ,初始压力为最高压力p2 11 MPa ,并设定工作最低压力p1 3. 5 MPa;液压马达采用电控式变量马达,排量范围可从0～10 mL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24 V ,功率52 W.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351 s时,蓄能器压力从开始的最高压 力p2 11 MPa下降到设定的最低工作压力p1 3. 5 MPa.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. 48 Lmin - 1上升 到1. 46 Lmin- 1. 图6 蓄能器出口压力及系统流量仿真曲线 Fig. 6 Sim ulati on curve of accumulator p ress ure and system flow rat e 图7为端电压仿真曲线.图7a是390 s内的仿真曲线,图7b是开始的50 s内的仿真曲线.在约351 s 时,蓄能器压力下降到设定的最低工作压力 3 5 M在整个仿真过程中,在大约6时达到最大值, 电压最大值不超过V电压的最大变化幅度不超过3 稳压效果是令人满意的 294 p1.Pa.s 24.2.0.8.. 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 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 mulation curve of terminal volt age 图8 发电阶段效率曲线 Fig. 8 Sim ulati on curve of efficiency 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p1 3. 5 MPa时,液压部分的效率为 ηmE4/ E3 91. 8 12 综上所述,整个液压部分的效率为 ηhηpηm≈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. WANG Chengxu ,ZHANG 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 ,162 53- 55. LI Hao ,ZH EN G Heng ,HE Guofeng. Analysison relation between optimum type selectionof windpower generating apparatus and pow2 er rate [J ]. Guangdong Electric Power ,2003 ,16253 - 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. LIU Wankun ,ZHAN G Zhiying ,LI Y infeng ,et al. Wind energy and wind power generation technology[ M]. Beijing Chemical Industry Press ,2007. [ 4] 马雅丽,黄志坚.蓄能器实用技术[ M] .北京化学工业出版社,2007. MA Yali ,HU AN G Zhijian. Practical technology on accumulator[ M].BeijingChemical Industry Press ,2007. [ 5] 薛定宇,陈阳泉 基于MTLB S的系统仿真技术与应用[ M]北京 清华大学出版社, XUDy,N YqSyyMTLB S[ M] BjTU2 y, 394 .AA /imulin k.2002 . Eing u CHEang uan.stem simulation tech nolo gan d application based onAA /imulin k.ei in g sin ghuani ver sitPress 2002. 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m