CN110805521B - 一种新型的储能式液压型风力发电机组调频控制系统及控制方法 - Google Patents

一种新型的储能式液压型风力发电机组调频控制系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型的储能式液压型风力发电机组调频控制系统及控制方法，该系统包括四部分，分别为风力机部分、液压传动部分、液压储能子系统部分和发电部分，在负荷波动导致电网频率波动时，风力机通过控制风力机部分变桨距系统的桨距角、液压传动部分的变量马达摆角、液压储能子系统部分的变量泵/马达摆角来对系统输出的有功功率进行控制，进而对发电机输出的频率进行控制。协调有功功率的原则为变量泵/马达摆角控制优先，再通过调控变量马达摆角来调节输入到发电机中的功率，通过调控变量马达摆角，同时控制变桨距系统的桨距角大小，改变系统能量的输入，从而稳定发电系统的频率。

Description

一种新型的储能式液压型风力发电机组调频控制系统及控制 方法
技术领域
本发明涉及于风力发电技术尤其涉及一种新型的储能式液压型风力发电机组调频控制系统及控制方法。
背景技术
随着环境和能源问题的日益加剧，风力发电越来越受到国内外的关注，风力发电产业也因此迅速发展。
液压型风力发电机组作为一种新型的风力发电装置，采用定量泵-变量马达闭式液压传动系统，与励磁同步发电机有效配合，与齿轮箱式和直驱式风力发电机组相比，该机组有效地降低了机舱重量，减少了对电网的冲击，提高了发电质量。
为加强风力发电机组在电网中的占比，提升风力发电机组调频能力，液压型风力发电机组作为一种新型风力发电机组，同样需要具备调频能力，即当负荷波动引起电频率波动时，在相应控制策略的调控下，能够维持电频率在一定范围内，参与电网调频，使得风电机组能够不间断并网运行，提升风电机组的电网适应性。
我国国家标准GB/T15945-1995规定，电力系统频率控制在(50±0.2)Hz范围内的时间应达到98％以上。同样对于储能式液压型风力发电机组并网发电的频率同样也要达到这个要求，甚至更高。
目前，对于风电机组的调频控制技术，中国专利CN107781111A提出了一种储能式液压型风力发电机组一次调频系统及控制方法，该系统是通过调节变量泵/马达排量来控制蓄能器能量的储放来实现调频控制的，该方法能对功率进行及时补充和吸收，能有效维持频率稳定，但是该方法还停留在一次调频阶段无法实现无差调频，且变量单一，不灵活。
目前对于液压型风力发电机组调频控制方法还研究较少，而对于传统发电机组的调频控制方法则大多依赖电力电子设备即变流器和大转动惯量设备，一方面增加了风电机组的成本和重量，另一方面一旦电力电子设备出现问题，则无法再对频率进行调控。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种新型的储能式液压型风力发电机组调频控制系统，该系统包括：风力机部分、液压传动部分、液压储能子系统部分和发电部分，所述风力机部分与所述液压传动部分同轴刚性连接，所述液压传动部分与所述液压储能子系统部分同轴刚性相连，所述液压储能子系统部分与发电部分同轴刚性连接；
所述的风力机部分主要包括变桨距系统和风速传感器、风力机，其中变桨距系统包括角位移传感器、内齿圈、小齿轮、双向定量马达、比例方向阀、第一溢流阀、变量泵和第一油箱；
所述液压传动部分包括第一转速转矩传感器、定量泵、高压管路、第一单向阀、第二单向阀、第二溢流阀、补油泵、补油油箱、安全阀、流量传感器、频率控制器、变量马达、第二转速转矩传感器和低压管路；
所述液压储能部分包括变量泵/马达、气囊式蓄能器、活塞式蓄能器、氮气瓶和第三转速转矩传感器；
所述发电部分包括发电机、多功能仪表和电网；
所述风速传感器安装在所述风力机的机舱外壳上，所述风力机通过第一传动轴与所述定量泵同轴连接；所述第一转速转矩传感器安装在连接所述风力机和所述定量泵主轴的所述第一传动轴上；所述变量泵的吸油口从第一油箱吸油，所述变量泵的压油口分别连接所述第一溢流阀的进油口和比例方向阀的P口，所述比例方向阀的出油口A和B分别连接双向定量马达的两个油口，比例方向阀的伺服放大器的输入端与频率控制器连接，并由频率控制器输出控制信号，控制比例方向阀的阀口开度，所述双向定量马达与所述小齿轮同轴连接，所述小齿轮与所述内齿圈啮合，所述角位移传感器安装在所述内齿圈附近，所述风力机的叶片安装在内齿圈上；
所述定量泵的进油口从低压管路吸油，定量泵的压油口通过所述高压管路输出高压油，并在高压管路上设置流量传感器；所述安全阀跨接在所述高压管路和所述低压管路之间；所述变量马达的吸油口与所述高压管路相连接，所述变量马达的排油口与所述低压管路相连接；所述补油泵吸油口与所述补油油箱相连接，所述补油泵压油口分别连接第一单向阀和第二单向阀的一端，所述第一单向阀的另一端与所述高压管路相连接，所述第二单向阀的另一端与所述低压管路相连接；所述第二溢流阀跨接在所述补油泵压油口与所述补油油箱之间；
所述变量马达通过第二传动轴与变量泵/马达同轴连接，所述变量泵/马达一端连接气囊式蓄能器、活塞式蓄能器和氮气瓶，所述变量泵/马达另一端连接油箱，所述变量泵/马达通过第三传动轴与发电机同轴相连；
所述变量泵/马达同轴驱动所述发电机发电，输出电能到所述电网，在所述发电机与电网之间安装有多功能仪表；所述第二转速转矩传感器安装在连接所述变量马达和所述变量泵/马达的所述第二传动轴上；
所述频率控制器一端分别连接所述风速传感器、所述第一转速转矩传感器、所述流量传感器、所述第二转速转矩传感器、第三转速转矩传感器、多功能仪表和变桨距系统的所述角位移传感器；频率控制器另一端连接所述变量马达、所述变量泵/马达和变桨距系统的比例方向阀。
进一步地，一种储能式液压型风力发电机组调频控制系统的控制方法如下：
当风功率或者电网负荷波动时，通过频率控制器调整变量泵/马达摆角为该系统增加或减少有功功率，来支持风功率或负荷的变化，所述频率控制器通过所述第二转速转矩传感器采集变量马达的转速，所述第三转速转矩传感器采集变量泵/马达的转速、多功能仪表采集所述电网频率和电压；所述频率控制器输出控制信号给所述变量泵/马达，实现对所述变量泵/马达摆角控制，使所述变量泵/马达根据液压型风力发电机组所处的不同工况条件下用作液压马达或者液压泵，并使变量泵/马达摆角增大，所述液压储能子系统部分实现对所述发电机的快速能量输入或吸收；
同时通过所述频率控制器控制所述变量马达摆角：所述频率控制器通过所述第二转速转矩传感器采集所述变量马达的转速，所述流量传感器采集所述高压管路的流量，所述多功能仪表采集所述电网频率和电压；所述频率控制器输出控制信号给所述变量马达，实现对所述变量马达摆角控制，调整所述变量马达的排量，使液压传动部分高压管路内的高压油压力迅速变化，使定量泵的转速变化，风能转化为液压能或动能；
通过频率控制器控制桨距角运转：频率控制器通过风速传感器采集风速，所述第一转速转矩传感器采集所述风力机转速，通过所述多功能仪表采集所述发电机输出功率和电网电压，通过角位移传感器采集所述风力机叶片的桨距角；所述频率控制器输出控制信号给变桨距系统的比例方向阀，调节所述比例方向阀的阀口开度，使进入双向定量马达的流量增大或减小，调节了风力机叶片的桨距角，从而调整吸收的风能；另外在负荷减小时或风功率增大时，可使变桨距系统运转在最大功率追踪的情况下，与此同时频率控制器能实现频率稳定。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种新型的储能式液压型风力发电机组调频控制系统及方法，该系统有三个控制变量，分别为变桨距系统的比例方向阀的阀口开度和定量泵-变量马达传动系统的变量马达摆角，和液压储能子系统的变量泵/马达摆角，三者相互协调，使调频控制更加灵活，同时确保控制过程中的快速性和可靠性；在调频过程中，液压储能子系统对系统中输出的能量进行实时调控，解决了系统有功功率快速调控的问题，在负荷增大时，可通过蓄能器快速补充能量，在负荷减小时，可将多余能量存储进蓄能器中，避免了长时间因有功功率调控不足而引起频率波动从而导致电网运行故障的问题；在通过液压储能子系统进行能量调控时，同时调节桨距角和变量马达，让频率调控不过多依赖蓄能器，增加了调节的灵活性。调节桨距角和变量马达摆角可进一步在有差调频的基础上实现无差调频。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1表示本发明的液压原理及硬件配置系统图；
图2表示本发明的控制系统原理图；
图3表示本发明的工作流程图。
1、风速传感器，2、风力机，3、第一传动轴，4、第一转速转矩传感器、5、定量泵，6、高压管路，7、第一单向阀，8、第二单向阀，9、第二溢流阀，10、补油泵，11、补油油箱，12、安全阀，13、流量传感器，14、频率控制器，15、变量马达，17、第二转速转矩传感器，18、油箱，19、变量泵/马达，20、气囊式蓄能器，21、活塞式蓄能器，22、氮气瓶，23、第三传动轴，24、第三转速转矩传感器，25、发电机，26、多功能仪表，27、电网，28、低压管路，29、角位移传感器，30、内齿圈，31、小齿轮，32、双向定量马达，33、比例方向阀，34、第一溢流阀，35、变量泵，36、第一油箱。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
一种新型的储能式液压型风力发电机组调频控制系统，该系统包括：风力机部分、液压传动部分、液压储能子系统部分和发电部分，所述风力机部分与所述液压传动部分同轴刚性连接，所述液压传动部分与所述液压储能子系统部分同轴刚性相连，所述液压储能子系统部分与发电部分同轴刚性连接；图1为本发明的液压原理及硬件配置系统图，所述的风力机部分主要包括变桨距系统和风速传感器1、风力机2，其中变桨距系统包括角位移传感器29、内齿圈30、小齿轮31、双向定量马达32、比例方向阀33、第一溢流阀34、变量泵35和第一油箱36；
所述液压传动部分包括第一转速转矩传感器4、定量泵5、高压管路6、第一单向阀7、第二单向阀8、第二溢流阀9、补油泵10、补油油箱11、安全阀12、流量传感器13、频率控制器14、变量马达15、第二转速转矩传感器17和低压管路28；
所述液压储能部分包括变量泵/马达19、气囊式蓄能器20、活塞式蓄能器21、氮气瓶22和第三转速转矩传感器24；
所述发电部分包括发电机25、多功能仪表26和电网27；
所述风速传感器1安装在所述风力机2的机舱外壳上，所述风力机2通过第一传动轴3与所述定量泵5同轴连接；所述第一转速转矩传感器4安装在连接所述风力机2和所述定量泵5主轴的所述第一传动轴3上；所述变量泵35的吸油口从第一油箱36吸油，所述变量泵35的压油口分别连接所述第一溢流阀34的进油口和比例方向阀(33)的P口，所述比例方向阀33的出油口A和B分别连接双向定量马达32的两个油口，比例方向阀33的伺服放大器的输入端与频率控制器14连接，并由频率控制器14输出控制信号，控制比例方向阀33的阀口开度，所述双向定量马达32与所述小齿轮31同轴连接，所述小齿轮31与所述内齿圈30啮合，所述角位移传感器29安装在所述内齿圈30附近，所述风力机2的叶片安装在内齿圈30上；
所述定量泵5的进油口从低压管路28吸油，定量泵5的压油口通过所述高压管路6输出高压油，并在高压管路6上设置流量传感器13；所述安全阀12跨接在所述高压管路6和所述低压管路28之间；所述变量马达15的吸油口与所述高压管路6相连接，所述变量马达15的排油口与所述低压管路28相连接；所述补油泵10吸油口与所述补油油箱11相连接，所述补油泵10压油口分别连接第一单向阀7和第二单向阀8的一端，所述第一单向阀7的另一端与所述高压管路6相连接，所述第二单向阀8的另一端与所述低压管路28相连接；所述第二溢流阀9跨接在所述补油泵10压油口与所述补油油箱11之间；
所述变量马达15通过第二传动轴16与变量泵/马达19同轴连接，所述变量泵/马达19一端连接气囊式蓄能器20、活塞式蓄能器21和氮气瓶22，所述变量泵/马达19另一端连接油箱18，所述变量泵/马达19通过第三传动轴23与发电机25同轴相连；
所述变量泵/马达19同轴驱动所述发电机25发电，输出电能到所述电网27，在所述发电机25与电网27之间安装有多功能仪表26；所述第二转速转矩传感器17安装在连接所述变量马达15和所述变量泵/马达19的所述第二传动轴16上；
所述频率控制器14一端分别连接所述风速传感器1、所述第一转速转矩传感器4、所述流量传感器13、所述第二转速转矩传感器17、第三转速转矩传感器24、多功能仪表26和变桨距系统的所述角位移传感器29；频率控制器14另一端连接所述变量马达15、所述变量泵/马达19和变桨距系统的比例方向阀33。
一种储能式液压型风力发电机组调频控制系统的控制方法如下：
图2为本发明的控制系统原理图，当风功率或者电网27负荷波动时，通过频率控制器14调整变量泵/马达19摆角为该系统增加或减少有功功率，来支持风功率或负荷的变化，所述频率控制器14通过所述第二转速转矩传感器17采集变量马达15的转速，所述第三转速转矩传感器24采集变量泵/马达19的转速、多功能仪表20采集所述电网27频率和电压；所述频率控制器14输出控制信号给所述变量泵/马达19，实现对所述变量泵/马达19摆角控制，使所述变量泵/马达19根据液压型风力发电机组所处的不同工况条件下用作液压马达或者液压泵，并使变量泵/马达19摆角增大，所述液压储能子系统部分实现对所述发电机25的快速能量输入或吸收；
同时通过所述频率控制器14控制所述变量马达15摆角：所述频率控制器14通过所述第二转速转矩传感器17采集所述变量马达15的转速，所述流量传感器13采集所述高压管路6的流量，所述多功能仪表20采集所述电网27频率和电压；所述频率控制器14输出控制信号给所述变量马达15，实现对所述变量马达15摆角控制，调整所述变量马达15的排量，使液压传动部分高压管路6内的高压油压力迅速变化，使定量泵5的转速变化，风能转化为液压能或动能；
通过频率控制器14控制桨距角运转：频率控制器14通过风速传感器1采集风速，所述第一转速转矩传感器4采集所述风力机2转速，通过所述多功能仪表26采集所述发电机25输出功率和电网27电压，通过角位移传感器29采集所述风力机2叶片的桨距角；所述频率控制器14输出控制信号给变桨距系统的比例方向阀33，调节所述比例方向阀33的阀口开度，使进入双向定量马达32的流量增大或减小，调节了风力机2叶片的桨距角，从而调整吸收的风能；另外在负荷减小时或风功率增大时，可使变桨距系统运转在最大功率追踪的情况下，与此同时频率控制器14能实现频率稳定。
图3为本发明新型的储能式液压型风力发电机组调频控制方法的工作流程图，首先，频率控制器14通过多功能仪表24实时监控电网电压状态，当检测到电网26的电网频率不在49.8～50.2Hz的范围内时，频率控制器14控制变量泵/马达19摆角以及变量泵/马达的运行工况，快速输出或截断传输给发电机25的能量，同时频率控制器14控制变量马达15摆角，调整从液压传动系统进入发电机25的能量，最后频率控制器14控制变桨距系统的比例方向阀33阀口开度以此来调节桨距角的大小。通过调节能量的大小来支撑频率变化的部分，以此控制频率，保证频率稳定。在频率调整在规定时间内回到规定范围内时，再调节比例方向阀33阀口开度和变量马达15摆角来使电网频率回归到50Hz。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种新型的储能式液压型风力发电机组调频控制系统的控制方法，其特征在于：该系统包括：风力机部分、液压传动部分、液压储能子系统部分和发电部分，所述风力机部分与所述液压传动部分同轴刚性连接，所述液压传动部分与所述液压储能子系统部分同轴刚性相连，所述液压储能子系统部分与发电部分同轴刚性连接；
所述的风力机部分主要包括变桨距系统和风速传感器(1)、风力机(2)，其中变桨距系统包括角位移传感器(29)、内齿圈(30)、小齿轮(31)、双向定量马达(32)、比例方向阀(33)、第一溢流阀(34)、变量泵(35)和第一油箱(36)；
所述液压传动部分包括第一转速转矩传感器(4)、定量泵(5)、高压管路(6)、第一单向阀(7)、第二单向阀(8)、第二溢流阀(9)、补油泵(10)、补油油箱(11)、安全阀(12)、流量传感器(13)、频率控制器(14)、变量马达(15)、第二转速转矩传感器(17)和低压管路(28)；
所述液压储能部分包括变量泵/马达(19)、气囊式蓄能器(20)、活塞式蓄能器(21)、氮气瓶(22)和第三转速转矩传感器(24)；
所述发电部分包括发电机(25)、多功能仪表(26)和电网(27)；
所述风速传感器(1)安装在所述风力机(2)的机舱外壳上，所述风力机(2)通过第一传动轴(3)与所述定量泵(5)同轴连接；所述第一转速转矩传感器(4)安装在连接所述风力机(2)和所述定量泵(5)主轴的所述第一传动轴(3)上；所述变量泵(35)的吸油口从第一油箱(36)吸油，所述变量泵(35)的压油口分别连接所述第一溢流阀(34)的进油口和比例方向阀(33)的P口，所述比例方向阀(33)的出油口A和B分别连接双向定量马达(32)的两个油口，比例方向阀(33)的伺服放大器的输入端与频率控制器(14)连接，并由频率控制器(14)输出控制信号，控制比例方向阀(33)的阀口开度，所述双向定量马达(32)与所述小齿轮(31)同轴连接，所述小齿轮(31)与所述内齿圈(30)啮合，所述角位移传感器(29)安装在所述内齿圈(30)附近，所述风力机(2)的叶片安装在内齿圈(30)上；
所述定量泵(5)的进油口从低压管路(28)吸油，定量泵(5)的压油口通过所述高压管路(6)输出高压油，并在高压管路(6)上设置流量传感器(13)；所述安全阀(12)跨接在所述高压管路(6)和所述低压管路(28)之间；所述变量马达(15)的吸油口与所述高压管路(6)相连接，所述变量马达(15)的排油口与所述低压管路(28)相连接；所述补油泵(10)吸油口与所述补油油箱(11)相连接，所述补油泵(10)压油口分别连接第一单向阀(7)和第二单向阀(8)的一端，所述第一单向阀(7)的另一端与所述高压管路(6)相连接，所述第二单向阀(8)的另一端与所述低压管路(28)相连接；所述第二溢流阀(9)跨接在所述补油泵(10)压油口与所述补油油箱(11)之间；
所述变量马达(15)通过第二传动轴(16)与变量泵/马达(19)同轴连接，所述变量泵/马达(19)一端连接气囊式蓄能器(20)、活塞式蓄能器(21)和氮气瓶(22)，所述变量泵/马达(19)另一端连接油箱(18)，所述变量泵/马达(19)通过第三传动轴(23)与发电机(25)同轴相连；
所述变量泵/马达(19)同轴驱动所述发电机(25)发电，输出电能到所述电网(27)，在所述发电机(25)与电网(27)之间安装有多功能仪表(26)；所述第二转速转矩传感器(17)安装在连接所述变量马达(15)和所述变量泵/马达(19)的所述第二传动轴(16)上；
所述频率控制器(14)一端分别连接所述风速传感器(1)、所述第一转速转矩传感器(4)、所述流量传感器(13)、所述第二转速转矩传感器(17)、第三转速转矩传感器(24)、多功能仪表(26)和变桨距系统的所述角位移传感器(29)；频率控制器(14)另一端连接所述变量马达(15)、所述变量泵/马达(19)和变桨距系统的比例方向阀(33)；
所述的储能式液压型风力发电机组调频控制系统的控制方法：
当风功率或者电网(27)负荷波动时，通过频率控制器(14)调整变量泵/马达(19)摆角为该系统增加或减少有功功率，所述频率控制器(14)通过所述第二转速转矩传感器(17)采集变量马达(15)的转速，所述第三转速转矩传感器(24)采集变量泵/马达(19)的转速、多功能仪表(20)采集所述电网(27)频率和电压；所述频率控制器(14)输出控制信号给所述变量泵/马达(19)，实现对所述变量泵/马达(19)摆角控制，使所述变量泵/马达(19)根据液压型风力发电机组所处的不同工况条件下用作液压马达或者液压泵，并使变量泵/马达(19)摆角增大，所述液压储能子系统部分实现对所述发电机(25)的快速能量输入或吸收；
同时通过所述频率控制器(14)控制所述变量马达(15)摆角：所述频率控制器(14)通过所述第二转速转矩传感器(17)采集所述变量马达(15)的转速，所述流量传感器(13)采集所述高压管路(6)的流量，所述多功能仪表(20)采集所述电网(27)频率和电压；所述频率控制器(14)输出控制信号给所述变量马达(15)，实现对所述变量马达(15)摆角控制，调整所述变量马达(15)的排量，使液压传动部分高压管路(6)内的高压油压力迅速变化，使定量泵(5)的转速变化，风能转化为液压能或动能；
通过频率控制器(14)控制桨距角运转：频率控制器(14)通过风速传感器(1)采集风速，所述第一转速转矩传感器(4)采集所述风力机(2)转速，通过所述多功能仪表(26)采集所述发电机(25)输出功率和电网(27)电压，通过角位移传感器(29)采集所述风力机(2)叶片的桨距角；所述频率控制器(14)输出控制信号给变桨距系统的比例方向阀(33)，调节所述比例方向阀(33)的阀口开度，使进入双向定量马达(32)的流量增大或减小，调节了风力机(2)叶片的桨距角，从而调整吸收的风能；另外在负荷减小时或风功率增大时，可使变桨距系统运转在最大功率追踪的情况下，与此同时频率控制器(14)能实现频率稳定。
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