离网式液压发电系统研究.pdf

2 0 1 4年 1 月 第 4 2卷 第 1 期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAULI CS J a n ． 2 0 1 4 Vo 1 ． 4 2 No ． 1 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 0 1 ． 0 0 6 离网式液压发电系统研究 朱宏，杨明泽，王存堂，卢岳宏 江苏大学机 电控制技术研 究所，江苏镇 江 2 1 2 0 1 3 摘要介绍了离网式液压发电仿真系统及工作原理， 对该系统进行了数学建模及S i m u l i n k 仿真，并建立了系统的实验 模型，通过改变液压马达的输入压力和流量的方式模拟了自然界的风能。结果表明永磁发电机的效率在正常工况下是较 高的，但整个系统的发电效率较低。 关键词风能；离网式液压发电；S i m u l i n k仿真 中图分类号T H1 3 7 ． 9 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 1 0 2 0 3 S t u d y o n No n - g r i d c o n n e c t e d Hy d r a u l i c Ge n e r a t i o n S y s t e m Z HU Ho n g，Y ANG Mi n g z e ，WANG C u n t a n g ，L U Yu e h o n g Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l C o n t r o l T e c h n o l o g y R e s e a r c h I n s t i t u t e o f J i a n g s u U n i v e r s i t y ， Z h e n j i a n g J i a n g s u 2 1 2 0 1 3 ， C h i n a A b s t r a c t T h e s i m u l a t i o n s y s t e m a n d w o r k i n g p ri n c i p l e o f t h e n o n - g r i d - c o n n e c t e d h y d r a u l i c g e n e r a t i o n s y s t e m w e r e i n t r o d u c e d ． T h e n t h e ma t h e ma t i c a l mo d e l i n g a n d S i mu l i n k s i mu l a t i o n f o r t h e s y s t e m we r e c o mp l e t e d ．T h e p h y s i c a l mo d e l o f t h e s y s t e m wa s e s t a b l i s h e d ．T h r o u g h t h e c h a n g e s o f t h e i n p u t p r e s s u r e a n d fl o w r a t e o f t h e h y d r a u l i c mo t o r ，t h e w i n d e n e r g y f r o m n a t u r e c o u l d b e s i mu l a t e d i n t h i s e x p e ri me n t ．T h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e e f f i c i e n c y o f t h e p e r ma n e n t ma g n e t g e n e r a t o r u n d e r n o r mal c o n d i t i o n i s h i g h e r ，b u t t h e e n t i r e p o we r g e n e r a t i o n s y s t e m s t i l l h a s l o we r e f f i c i e n c y ． Ke y wo r d s Wi n d e n e r gy ；No n 。 g r i d - c o n n e c t e d h y d r a u l i c g e n e r a t i o n；S i mu l i n k s i mu l a t i o n 现在对环境问题和石化能源日益枯竭的担忧越来 越大，风能被认为是 取代化石化 能源的新 能源之 一 。以风能为代表的新能源最大的优势在于其能量 来源几乎是无限的以及没有有害气体的排放 。在不 远的将来 ，随着能源捕获技术水平的提升、成本的降 低 、对环境的影响的降低，将使风能满足世界能源的 大部分需求 ，而现在风能 的应用每年以3 0 ％ 的速度 增长 。把风能转换为电能的技术有许多，包括齿 轮箱的应用以及像风叶驱动的液压传动技术 。 传统风力发电机组由一系列相互耦合的元件构 成，主要包括风轮、齿轮箱、偏航系统、发电机 、控 制设备以及塔架等 。这种系统的应用不仅耗费巨 大，而且需要复杂的控制系统，最主要的是在 1 0 0多 米的高空安装齿轮箱和发电机带来安装的不便以及 日 后高昂的维护费用。 对于风叶驱动的液压发电技术，风机只与液压泵 相连，然后通过高压液压油管将液压油传送给液压马 达 ，马达与发电机相连。这种方法不需要齿轮箱并且 发电机可以安装到地面，由此提高了整个系统的可靠 性和设备使用寿命，同时也降低了风机和塔架的维护 费用。这种技术还有额外的优点 ，就是能够缩减塔架 的尺 。但是液压发电技术作为一种新技术 ，其许 多技术特性需要研究 ，文中着重对离网式液压发电特 性进行初步探索。 1 仿真系统的组成及数学建模 液压发电仿真系统主要由能量输入系统 、液压马 达系统和发电系统等组成。能量输入系统通过改变液 压马达的压力和流量对输入风能进行模拟，液压马达 系统起到把液压能转化为机械能的作用，发电系统把 机械能转化为电能输出。 1 ． 1 仿真 系统数学模型 根据仿真系统的组成和原理 ，建立了仿真系统的 数学模型 ，包括能量输入系统 、液压系统 、发电机系 统等几个环节 。 ’ 。 液压马达的力矩平衡方程为 ， d D , MB T M 1 式中 P 为液压马达进出I I 压差 ；J为马达轴的转动 惯量 ；B 为液压马达轴上总的黏性阻尼系数；T 为 液压马达的负载转矩 ；q 为液压马达的排量。 收稿 日期 2 0 1 3 0 1 一 O 7 基金项目科技型中小企业技术创新基金项目 1 1 C 2 6 2 1 3 2 0 1 3 9 8 作者简介 朱宏 1 9 8 7 一 ，男，硕士研究生，研究方向为液压风力发电及电气控制。E m a i l z h u h o n g 3 2 0 1 2 4 g m a i l ． c o rn 。 2 2 机床与液压 第 4 2卷 大功 率 图4 液压发电实验结构原理图 达 图5 液压发电实验局部图 2 ． 2 实验结果及分析 根据前面的仿真系统，进行仿真实验。采用江苏 大学液压综合实验平台系统给液压马达加载不同压力 和流量来模拟 自然界的风能输入 ，同时设计了永磁发 电机恒频率工作模式。 图6给出了在不同固定永磁发 电机频率． 1 0 ， 5 0 H z 情况下的永磁发电机特性曲线。 亭 ／ N ml b 永磁发电机频率 5 o H z 图6 永磁发电机特性曲线 由图 6 a 表 明 永 磁发 电机在 低频 工况 下 的 效率是 比较低 的，最多只有 0 ． 2左右；在 图 6 b 所示的高频工况下 ，发电机效率明显提升，能达到 0 ． 7 3 。但是两者也有共同之处 无论是低频还是高频 的工况，发电机的效率多是 随着输入扭矩的增大而增大。0 ． 5 图 7显示 的是在发 电机 频率为 3 0 H z 时液 压 马达及0 ． 2 发电机的效率和扭矩关系曲 ‘ 线，其总效率 7 7 叼 叩 。3 种效率都是随着扭矩的增加图7 而增加的，但是整个液压发 电的总效率还是较低的，最 多只有 0 ． 3左右 。 3结论 0 4 0 80 l 20 16 0 2 00 T I N m1 液压马达及永磁发 电机效率和扭矩关 系曲线 3 0 H z 首先叙述了离网式液压发电仿真系统及工作原 理；然后对该系统进行了数学建模及计算机仿真 ，仿 真结果表明开环式液压发电系统输出的电能是不稳 定的，需要加储能环节或者液压马达速度控制系统来 改善电能的品质；最后建立了系统的实物模型并进行 仿真。通过改变液压马达输入压力和流量的方式模拟 了自然界的风能，并为发 电机设置了恒频率工作模 式。实验结果表明永磁发电机的效率在正常工况下 还是较高的，但是整个系统 的发电效率还是较低的， 这与实验平台加载的压力不够高、没有达到液压马达 额定工作压力有一定的关系。 参考文献 【 1 】S E N J Y U T ， S A K A M O T O R， U R A S A K I N ， e t a 1 ． O u t p u t P o we r C o n t r o l o f W i n d T u r b i n e Ge n e r a t o r b y P i t c h An g l e C o n t r o l U s i n g Mi n i m u m V a ri a n c e C o n t r o l [ J ] ． E l e c t ri c a l E n g i n e e ri n g i n J a p a n ， 2 0 0 6 ， 1 5 4 2 1 01 8 ． 【 2 】S L O O T W E G J G ， d e H A A N S W H ， P O L I N D E R H， e t a 1 ． Ge n e r a l Mo d e l f o r R e p r e s e n t i n g V a r i a b l e S p e e d W i n d T u r b i n e i n P o w e r S y s t e m D y n a m i c s S i m u l a t i o n s[ J ] ． I E E E T r a n s a c t i o n o n P o w e r S y s t e m s ， 2 0 0 3 ， 1 8 3 1 1 4 41 5 1 ． 【 3 】L E I Y， M U L L A N C E A ， L I G H T B I D Y G ， e t a 1 ． M o d e l i n g o f Wi n d T u r b i n e w i t h a Do u b l y F e d I n d u c t i o n Ge n e r a t o r for G r i d I n t e g r a t i o n S t u d i e s [ J ] ． I E E E T r a n s a c t i o n o n E n e r g y C o n v e r s a t i o n ， 2 0 0 6， 2 1 1 2 5 7 2 6 4 ． 【 4 】 2 0 ％ Wi n d E n e r g y b y 2 0 3 0 一 I n c r e a s i n g Wi n d E n e r g y ’ S C o n - t r i b u t i o n t o U ． S E l e c t ri c i t y S u p p l y [ R ] ． U． S D e p a r t m e n t o f E n e r g y， 2 0 0 8 ． 【 5 】R A M P E N W． G e a r l e s s T r a n s m i s s i o n s fo r L a r g e Wi n d T u r b i n e s T h e H i s t o r y a n d F u t u r e of H y d r a u l i c D ri v e s [ J ] ． 【 6 】 董萍 ， 吴捷 ， 杨金 明， 等． 风力发 电机组建模研究现状 [ J ] ． 太阳能学报， 2 0 0 4 ， 2 5 5 6 1 26 1 9 ． 【 7 】 H A M Z E H L O U I A S i n a ， I Z A D I A N A f s h i n ， P U S H A A y a n a ， e t a 1 ． C o n t r o l s o f H y d r a u l i c Wi n d P o w e r T r a n s f e r [ C] ／ ／I E C 一 0N 2 0 1 1 3 7 t h An n u m Co n f e r e n c e o n I EE E I n d u s t r i a l El e c t r o n i c s S o c i e t y． 2 01 1 2 47 52 48 0． 【 8 】卞永明， 牛翔． 液压储能在风力发电储能中的应用[ J ] ． 中国工程机械学报 ， 2 0 0 9， 7 4 4 8 8 4 9 3 ． 【 9 】 高殿荣， 刘金慧． 交流伺服轴 向柱塞液压电机泵效率分 析与研究[ J ] ． 液压与气动， 2 0 1 1 1 5 55 9 ． 【 1 0 】吴必军， 邓赞高 ， 游亚戈． 基于波浪能的蓄能稳压独立 发电系统仿真[ J ] ． 电力系统自动化， 2 0 O 7 ， 3 1 5 5 0 5 5 ．