液压储能在风力发电中的应用Word格式文档下载.docx
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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,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,蓄能器的油压上升到11Mpa,达到预先设定的最高压力。
此时,蓄能器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)
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)
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
4
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