液压储能在风力发电中的应用.docx

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液压储能在风力发电中的应用

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）、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2~2.5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，更换气囊方便。

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

，

；液压泵输出高压油存入蓄能器中，油压和流量分别为

，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

，流量

由调速阀决定，出口压力

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

。

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

，公称容积为

，最低压力为

，最高压力为

，相应的气体容积分别为

和

。

于是蓄能器的有效工作容积为

=

-

。

3.3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=

式（3-2）

式中:

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=

式（3-3）

二者相除,即为整个蓄能过程的效率为

=E2/E1式（3-4）

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，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

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）：

图3-5电控液压系统控制方法

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

，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=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Qm进行调节。

液压马达的转速为

nm=

式（3-6）

式中：

为液压马达的实际输出转速；

为液压马达通过的流量，这里由调速阀特性和开度决定；

为液压马达的容积效率；

为液压马达公称排量，通过闭环控制算法来对

进行控制，保证了

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=

式（3-7）

直流电机得到的机械能为

E4=

式（3-8）

式中:

t2为发电时间；

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

E4/E3式（3-9）

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P1=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-1上升到1.46L.min-1。

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%。

图3-7端电压曲线图

图3-8发电阶段效率曲线

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