液壓儲能在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用

1、液壓儲能在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用摘要：為實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定、持續(xù)地供電，必須在系統(tǒng)中配備合適的儲能裝置。儲能裝置的作用是將風(fēng)能首先轉(zhuǎn)化為液壓能，運用液壓儲能元件來進行風(fēng)能的存儲，并以液壓蓄能器作為儲能裝置。液壓儲能系統(tǒng)不但可以促進電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，還可以節(jié)省了電網(wǎng)建設(shè)的投資，對風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展有著重要意義。關(guān)鍵字：液壓儲能、風(fēng)力發(fā)電、蓄能器1.1風(fēng)力發(fā)電概述21世紀(jì)是高效、潔凈、安全、經(jīng)濟可持續(xù)利用能源的時代，世界各國都在向此方向發(fā)展，都把能源的利用作為科研領(lǐng)域的關(guān)鍵予以關(guān)注。受1973年世界范圍內(nèi)的石油危機和空氣動力學(xué)理論的發(fā)展的影響，在常規(guī)能源告急和全球生態(tài)環(huán)境惡化的雙重壓力下，風(fēng)力以其自身獨有

2、的優(yōu)點，作為新能源的一部分有了新的快速的發(fā)展。風(fēng)力發(fā)電，就是把風(fēng)的動能轉(zhuǎn)變成機械動能，再把機械能轉(zhuǎn)化為電力動能，這就是風(fēng)力發(fā)電。具體的說，就是利用風(fēng)力帶動風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再透過增速機將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來促使發(fā)電機發(fā)電。我國世界上風(fēng)力資源較為豐富的國家之一，全國可利用的風(fēng)能約為2.5億kW。風(fēng)能作為一種無污染和可再生的新能源有著巨大的發(fā)展?jié)摿?，其次，用風(fēng)力發(fā)電，可減少常規(guī)能源的消耗，從而減少有害氣體的排放，對環(huán)境保護和生態(tài)平衡，改善能源結(jié)構(gòu)具有重要意義。1.2風(fēng)力發(fā)電與儲能技術(shù)風(fēng)力發(fā)電所需要的裝置，稱作風(fēng)力發(fā)電機組。這種風(fēng)力發(fā)電機組，大體上可分風(fēng)輪(包括尾舵)、發(fā)電機和鐵塔三部分（大型風(fēng)力發(fā)電站基

3、本上沒有尾舵，一般只有小型才會擁有尾舵）。由于風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速比較低，而且風(fēng)力的大小和方向經(jīng)常變化著，這又使轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定；所以，在帶動發(fā)電機之前，還必須附加一個把轉(zhuǎn)速提高到發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速的齒輪變速箱，再加一個調(diào)速機構(gòu)使轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定，然后再聯(lián)接到發(fā)電機上。為保持風(fēng)輪始終對準(zhǔn)風(fēng)向以獲得最大的功率，還需在風(fēng)輪的后面裝一個類似風(fēng)向標(biāo)的尾舵。風(fēng)力發(fā)電還受到以下兩個方面的嚴(yán)重制約，一方面，風(fēng)機造價居高不下，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也不是很完善，使風(fēng)力發(fā)電單價約為火力發(fā)電單位造價的22.5倍。另一個方面，風(fēng)能是隨機性的能源，具有間歇性、風(fēng)速的不穩(wěn)定性，風(fēng)速的變化會造成電流波動問題，影響輸出電力的穩(wěn)定性。而應(yīng)用儲能裝置是改善發(fā)電

4、機輸出電壓和頻率質(zhì)量的有效途徑。目前幾種常用的對付電流波動問題的方法有：1、在小功率情況下，對電流加設(shè)濾波電容，因為濾波電容有削峰填谷的作用；2、電感儲能；3、用液壓蓄能器的方式解決儲能問題。超級電容器在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)直流母線側(cè)并入超級電容器，不僅能像蓄電池一樣儲存能量，平抑由于風(fēng)力波動引起的能量波動，還可以起到調(diào)節(jié)有功無功的作用。缺點是電容的壽命受電解液的影響比較短，并且工作頻率高時，熱量會使電解液更快消耗，不適合在高溫時使用。超導(dǎo)儲能系統(tǒng)主要由電感很大的超導(dǎo)蓄能線圈、使線圈保持在臨界溫度以下的氦制冷器和交直流變流裝置構(gòu)成。當(dāng)儲存電能時，將風(fēng)力發(fā)電機的交流電，經(jīng)過交-直流變流器整流成直流電，激

5、勵超導(dǎo)線圈。發(fā)電時，直流電經(jīng)逆變器裝置變?yōu)榻涣麟娸敵?，供?yīng)電力負(fù)荷或直接接入電力系統(tǒng)。缺點是體積重量大，磁芯還怕摔。很多儲能技術(shù)采用超導(dǎo)體，在大型線圈產(chǎn)生的電磁力的約束、制冷技術(shù)等方面還未成熟，所以電感儲能還不成熟。液壓儲能器又稱蓄能器，是一種能把液壓能儲存在耐壓容器里，待需要時又將其解放出來的能量儲存裝置，對保證系統(tǒng)正常運行、改善其動態(tài)品質(zhì)、保持工作穩(wěn)定性、延長工作壽命、降低噪聲等起著重要的作用。儲能器能給系統(tǒng)帶來的經(jīng)濟、節(jié)能、安全、可靠、環(huán)保等效果非常明顯。缺點是易漏油，而且需要經(jīng)常打壓。通過比較，液壓儲能技術(shù)在保證密封性良好的情況下，作為風(fēng)力發(fā)電的儲能技術(shù)，是較有優(yōu)勢的。因此，設(shè)計液壓儲

6、能裝置來解決風(fēng)電存儲問題極具意義。2.1蓄能器的分類極其特點蓄能器根據(jù)儲能方式的不同，一般分為重力式蓄能器、彈簧式蓄能器和充氣式蓄能器。（1）重力式蓄能器重力式蓄能器是利用重物（重錘）的重量，通過活塞作用在油液上而產(chǎn)生壓力能。其壓力大小取決于重物的重量和柱塞大小。這種蓄能器的優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，容量大，壓力高而恒定，在輸出油液的整個過程中，壓力輸出壓力穩(wěn)定，與輸出速度無關(guān)。但體積龐大，笨重，慣性大，響應(yīng)滯緩。只適用于固定設(shè)備的儲能，不宜用于吸收壓力脈動和沖擊。（2）彈簧式蓄能器彈簧式蓄能器是利用彈簧力作用于活塞上，使之與壓力油的壓力相平衡，以儲存壓力能。蓄能器產(chǎn)生的壓力取決于彈簧的剛度和壓縮量。這

7、種蓄能器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，反應(yīng)較重力式靈敏，但容量?。ㄈ萘看髣t笨重）。適用于低壓、小容積、循環(huán)頻率低的系統(tǒng)作儲能及緩沖用。（3）充氣式蓄能器充氣式蓄能器的工作原理是利用蓄能器內(nèi)預(yù)先充有預(yù)訂壓力的氣體（空氣或氮氣）與液壓泵沖入蓄能器內(nèi)的壓力油平衡。當(dāng)系統(tǒng)需要油液時，在氣體壓力作用下，使油液排出。其中，氣囊式蓄能器應(yīng)用最廣泛。2.2氣囊式蓄能器氣囊式蓄能器（如圖2-1）的工作原理是基于波意爾定理，主要由充氣閥、殼體，皮囊、和進油閥組成。氣體和油液由皮囊隔開，皮囊用耐用橡膠組成，固定在一個耐高壓的殼體上部，皮囊內(nèi)沖入惰性氣體，（一般為氮氣），殼體下端的進油閥是一個用彈簧加載的菌形閥，它能使油液進出蓄

8、能器時皮囊不會擠出油口。充氣閥在蓄能器工作前為皮囊充氣，充氣完畢將自動關(guān)閉。在使用前，首先向蓄能器中的氣囊充以預(yù)訂壓力的氮氣，然后用液壓泵向蓄能器充油，在壓力油的作用下，頂開菌型閥，油進入容器內(nèi)，壓縮氣囊，當(dāng)氣腔和液腔的壓力相等時，氣囊處于平衡狀態(tài)，這時蓄能器內(nèi)壓力為泵壓力。當(dāng)系統(tǒng)需要油時，在氣體壓力作用下，氣囊膨脹，逐漸將油液擠出。另外，充氣閥處可做檢查皮囊內(nèi)氣壓大小的接表口，這種蓄能器的結(jié)構(gòu)保證了氣液的密封可靠。將殼體和氣囊頂部設(shè)計成“上部敞開式”結(jié)構(gòu)，更換氣囊方便。圖2-1 氣囊式蓄能器3.1風(fēng)力發(fā)電中液壓儲能原理液壓儲能系統(tǒng)中，葉輪直接驅(qū)動液壓泵轉(zhuǎn)動，輸出高壓油，油液經(jīng)過液壓管路送至地

9、面，通過穩(wěn)壓泵站進入蓄能器以液壓能的形式存儲起來。需要用電時，通過穩(wěn)壓泵站驅(qū)動液壓馬達轉(zhuǎn)動，液壓馬達帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)動，液壓馬達的轉(zhuǎn)速可以通過穩(wěn)壓泵站的調(diào)速回路來使之穩(wěn)定，因此無需穩(wěn)壓系統(tǒng)。當(dāng)無風(fēng)或風(fēng)力較小時，可通過蓄能器和液壓泵同時向液壓馬達供油，來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定和持續(xù)發(fā)電。原理圖如圖3-1所示，當(dāng)控制器監(jiān)測到蓄能器壓力低于最低壓力時，風(fēng)輪首先帶動液壓泵轉(zhuǎn)動，此時兩通閥A和兩通閥B均被關(guān)閉，溢流閥作為安全閥使用，因此液壓泵通過一個單向閥后向蓄能器內(nèi)充入高壓油。需要發(fā)電時，控制器通過電控信號，打開兩通閥B，蓄能器內(nèi)的液壓油流出，由控制器控制調(diào)速閥控制輸出流量，驅(qū)動液壓馬達轉(zhuǎn)動，帶動發(fā)電機發(fā)電，驅(qū)動

10、電阻負(fù)載。在發(fā)電時，通過調(diào)節(jié)調(diào)速閥的開度和液壓馬達的排量，使輸出功率和輸出電壓均保持在穩(wěn)定狀態(tài)。圖3-1液壓儲能系統(tǒng)3.2模型分析及系統(tǒng)穩(wěn)壓原理系統(tǒng)模型中的各個關(guān)鍵部件之間的關(guān)系如圖3-2所示，動力源( 風(fēng)輪) 帶動液壓泵旋轉(zhuǎn)，之間采用機械旋轉(zhuǎn)軸聯(lián)接，扭矩和轉(zhuǎn)速分別為，； 液壓泵輸出高壓油存入蓄能器中，油壓和流量分別為,，完成蓄能階段；在發(fā)電階段，蓄能器輸出液壓油，出口壓力和流量分別為, ，流量由調(diào)速閥決定，出口壓力由蓄能器決定，液壓油經(jīng)過調(diào)速閥后驅(qū)動液壓馬達，壓力降為，液壓馬達旋轉(zhuǎn)帶動發(fā)電機發(fā)電, 之間同樣采用機械旋轉(zhuǎn)軸聯(lián)接，扭矩和轉(zhuǎn)速分別為,。圖3-2數(shù)學(xué)關(guān)系示意圖從圖3-2可以看出, 液

11、壓蓄能器是整個系統(tǒng)的中心環(huán)節(jié)。對蓄能器參數(shù)的選擇和計算, 對整個系統(tǒng)的性能有重要影響。這里假設(shè)蓄能器的預(yù)充氣壓力為，公稱容積為，最低壓力為，最高壓力為，相應(yīng)的氣體容積分別為和。于是蓄能器的有效工作容積為= -。3.3蓄能過程分析在對系統(tǒng)效率進行分析時, 蓄能過程中, 對風(fēng)輪采用恒速控制, 以便測算后面液壓系統(tǒng)在蓄能過程中的效率。因此輸入的能量可視為通過動力源輸入的機械能, 為E1 = 式(3-2)式中:為動力源旋轉(zhuǎn)的瞬時角速度； t1為蓄能時間。而得到的存儲在蓄能器內(nèi)的液壓能為E2 = 式(3-3)二者相除, 即為整個蓄能過程的效率為= E2/E1 式(3-4)如圖3-3所示，在約282.5s

12、時，蓄能器內(nèi)的油壓上升到11Mpa，達到預(yù)先設(shè)定的最高壓力。此時，蓄能器內(nèi)沖入的液壓油體積期間的扭矩隨著液壓油上升而上升，在282.5s時達到最大值3.07N.m。系統(tǒng)效率曲線如圖3-4所示，在達到設(shè)定值11Mpa時，系統(tǒng)效率為79.4%，此后隨著壓力的上升，液壓泄漏進一步增大，從而導(dǎo)致系統(tǒng)效率的下降。圖3-3蓄能環(huán)節(jié)油壓和扭矩曲線圖圖3-4蓄能環(huán)節(jié)效率曲線3.4發(fā)電過程分析在發(fā)電過程中, 應(yīng)維持發(fā)電電壓穩(wěn)定，即外負(fù)載端電壓UE始終保持不變。同時，應(yīng)使液壓系統(tǒng)的輸出功率與電力負(fù)載的功率相匹配。為此，采用了如下的控制策略(見圖3-5)：圖3-5電控液壓系統(tǒng)控制方法首先，通過控制器采集外負(fù)載端電壓

13、UE和電流IE，可計算出外負(fù)載功率PE，加上一定的功率損耗的補償，同時實時采集蓄能器出口壓力，于是可通過一定的算法估算出所需要的系統(tǒng)流量值, 再通過控制調(diào)速閥的PWM信號的占空比來控制整個液壓系統(tǒng)的供給流量。即通過對外負(fù)載功率的監(jiān)測來實時調(diào)節(jié)液壓蓄能器的功率供給：qa = f(PE,pa) = ( PE +P )/pa 式(3-5)式中：P是用于補償調(diào)速閥的功率消耗及發(fā)電機的功率損失的功率損耗值,可以通過一定的方法進行估算。其次，為了維持發(fā)電機的轉(zhuǎn)速恒定,再通過對端電壓UE的監(jiān)測來對變量液壓馬達的排量Qm進行調(diào)節(jié)。液壓馬達的轉(zhuǎn)速為nm = 式(3-6)式中：為液壓馬達的實際輸出轉(zhuǎn)速；為液壓馬達通過的流量，這里由調(diào)速閥特性和開度決定；為液壓馬達的容積效率；為液壓馬達公稱排量，通過閉環(huán)控制算法來對進行控制，保證了維持在一個穩(wěn)定值, 從而保證負(fù)載端電壓UE的穩(wěn)定。整個發(fā)電過程中輸出的液壓能為E3 = 式(3-7)直流電機得到的機械能為E4 = 式(3-8)式中:t2為發(fā)電時間；為直流電機旋轉(zhuǎn)時的瞬時角速度。二者相除, 即為發(fā)電階段液壓部分的效率 E4 /E3 式(3-9)如圖3-6所示，在大約351s時，蓄能器壓力從開始的最高壓力P2=11Mpa下降到設(shè)定值P1=3.5Mpa。由于采用恒功率而不是恒