CN110985295A - 一种储能式液压型风力发电机组并网转速控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种储能式液压型风力发电机组并网转速控制系统及方法，属于风力发电技术的技术领域，其包括风力机部分、液压传动部分、液压储能部分和发电部分，当风电机组进行并网转速控制时，变量泵马达摆角控制优先，控制储能系统能量转换，快速调节并稳定变量马达转速。然后通过间接流量反馈加直接转速闭环控制变量马达摆角，实现变量马达转速的精确控制。同时控制比例节流阀阀口开度，对变量马达转速进行微调，实现变量马达转速的精确控制，并且可以在系统能量过多时对多余能量进行耗散，保证系统安全。本发明通过三变量协调控制可解决系统并网转速精确控制的问题，提高能量利用率，同时保证系统安全运行。

Description

一种储能式液压型风力发电机组并网转速控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种储能式液压型风力发电机组并网转速控制系统及方法，属于风力发电技术领域。

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。然而受气候条件的影响，风力发电输出功率具有间歇性和随机性的特点。大规模风力发电并网会引起较大功率波动之外，也容易导致系统惯量的缺失，影响系统频率稳定性。为了保证电力系统并网时安全平稳运行，需要提高风电机组并网转速控制效果。

储能式液压型风力发电机组采用同步发电机并网发电，没有电流逆变装置，依靠调节液压主传动系统和液压储能子系统实现对发电机转速（频率）的控制。由同步发电机自身特点可知，发电机同步并网需要满足以下条件：1）风力发电机的端电压大小等于电网的电压；2）风力发电机的频率与电网频率相同(50Hz)；3）并网合闸瞬间，风力发电机的相序与电网的回路电势为零；4）风力发电机的相序与电网的相序相同；5）电压的波形与电网电压的波形相同。由于风力发电机有固定的旋转方向，只要使发电机的输出端与电网各项互相对应，即可保证第4个条件得到满足。第5个条件在设备选型和制造时可得到保证。所以在并网过程中主要应检查和满足前三个条件。同步发电机对调速器的要求较高，要求风力机调速器调节转速使发电机频率与电网频率的偏差到达容许值时方可并网，电力系统正常频率偏差允许值为±0.2Hz，对应到同步发电机的转速即1500±6r/min。如果并网时控制不当，则有可能产生较大的冲击电流，甚至并网失败。

储能式液压型风力发电机组作为一种新型的风力发电装置，液压储能系统的变量泵马达分别与变量马达和励磁同步发电机同轴相连。通过液压储能系统对能量进行合理地吸收与释放，实现变量马达转速的快速调节，即在任意风速作用下系统都可快速调节变量马达转速到1500±6r/min，保证机组顺利并网。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，实现了节能的目的，提高了发电质量。

目前，现有相关专利对液压型风力发电机组并网转速控制进行了一系列研究。

中国专利CN105134494A中，燕山大学提出了一种垂直轴液压型风力发电机组并离网的控制系统及控制方法。当风电机组进行并网时，通过转速控制器输出控制信号给变量马达，实现对变量马达摆角的控制，控制变量马达输出的转速稳定在1500r/min±6r/min，最终实现并网。并网后，通过功率控制器控制比例节流阀开度，确保输出功率平滑。但该方法在并网转速控制中，只应用变量马达摆角进行转速控制，系统的动态响应较慢，并且控制精度方面也有进一步提高的空间。

中国专利CN102170134A中提出一种微电网并网到离网控制方法，该控制方法能够实现微电网在离网瞬间的发电出力和负荷用电保持平衡，保证了微电网运行的可靠性、稳定性，但该方法并没有从发电机输入端阐述如何控制实现并网和离网功能。

综上所述，现有的液压型风力发电机组并网转速控制方法鲜见，并且控制效果与技术缺陷有待加强和提高。因此，亟需提供一种新型的液压型风力发电机组并网转速控制方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种储能式液压型风力发电机组并网转速控制系统及方法，本发明提供了一种基于调节节流阀阀口开度、变量马达摆角、变量泵马达摆角三变量的储能式液压型风力发电机组并网转速控制系统及方法，用于风力发电机组并网转速控制。该控制方法具备传统液压型风力发电机组传动灵活、可靠性高的优点，能精确地实现风机转速柔性控制。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种储能式液压型风力发电机组并网转速控制系统及方法，包括：风力机部分、液压传动部分、液压储能部分以及发电部分，所述风力机部分与液压传动部分、液压传动部分与液压储能部分、液压储能部分与发电部分为同轴刚性连接；

所述风力机部分包括风速传感器、风轮、第一连接轴，所述风轮附近安装风速传感器，所述第一连接轴与风轮转动连接；

所述液压传动部分包括安装在第一连接轴上的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、第一溢流阀、补油泵、补油油箱、安全阀、流量传感器、转速控制器、变量马达、第二连接轴、第二转速转矩传感器、低压管路、比例节流阀、第一压力传感器、第二压力传感器；

所述定量泵进油口从低压管路吸油，并通过定量泵压油口传到高压管路输出高压油；所述变量马达吸油口与高压管路相连，所述变量马达的排油口与低压管路相连；所述高压管路上设置流量传感器、比例节流阀、第一压力传感器和第二压力传感器，其中第一压力传感器与比例节流阀的进油口相连，第二压力传感器与比例节流阀的出油口相连；所述安全阀跨接在高压管路和低压管路之间；所述补油泵吸油口与补油油箱相连，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连接到高压管路，所述第二单向阀的另一端连接到低压管路；所述第一溢流阀跨接在补油泵压油口与补油油箱之间；

所述液压储能部分包括储能系统油箱、变量泵马达、气囊式蓄能器、活塞式蓄能器、氮气瓶组、第三连接轴、第三转速转矩传感器，所述变量泵马达油口与储能系统油箱相连，所述变量泵马达排油口与气囊式蓄能器、活塞式蓄能器以及氮气瓶组连接；

所述发电部分包括发电机、多功能仪表、电网，所述发电机由变量泵马达同轴驱动发电，所述发电机产生的电能输送到电网，所述发电机与电网之间安装多功能仪表；

所述第二连接轴上安装第二转速转矩传感器，所述第二连接轴用于同轴连接变量马达和变量泵马达；所述第三连接轴上安装第三转矩转速传感器，所述第三连接轴用于同轴连接变量泵马达和发电机；所述转速控制器输入端分别连接第一转速转矩传感器、第二转速转矩传感器、第三转速转矩传感器、多功能仪表、风速传感器、流量传感器、第一压力传感器、第二压力传感器，所述转速控制器输出端分别连接比例节流阀、变量马达、变量泵马达。

本发明技术方案的进一步改进在于：转速控制器通过第二转速转矩传感器采集变量马达的转速，当采集到变量马达的转速低于或高于1500r/min，转速控制器输出控制信号到变量泵马达，将气囊式蓄能器和活塞式蓄能器中的液压能转换为变量马达的动能或将变量马达多余的动能转换为气囊式蓄能器和活塞式蓄能器中液压能，使变量马达转速快速调整到1500r/min，从而控制同轴相连的发电机转速稳定在1500±6r/min。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述转速控制器通过风速传感器采集当前风速，通过第一转速转矩传感器采集定量泵转速，通过多功能仪表采集发电机输出功率和电网电压，通过第二转矩转速传感器采集变量马达转速，通过流量传感器采集的定量泵流量，以此计算变量马达排量，为变量马达摆角提供基准，与转速闭环计算的摆角偏差作比较，得到控制信号，通过转速控制器输出控制信号到变量马达，实现对变量马达摆角控制，改变变量马达排量，对变量马达转速进行微调，使变量马达转速更精确地稳定在1500r/min。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述转速控制器通过第一压力传感器采集比例节流阀入口处压力，通过第二压力传感器采集比例节流阀出口处压力，然后转速控制器输出控制信号到比例节流阀，对比例节流阀开度控制，实现对变量马达转速微调，使变量马达转速进一步精确地稳定在1500r/min；

同时，当系统输入能量过多，所述气囊式储能器和活塞式储能器存满的情况下，通过对比例节流阀开度控制，将多余能量耗散，保证系统安全。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术效果有：

1、本发明的控制系统中有三个控制变量，分别为变量泵马达摆角、变量马达摆角、比例节流阀阀口开度。首先通过调节变量泵马达摆角，实现蓄能器对液压能的储存和释放，节约了能量的同时，最快速度地将变量马达转速稳定在1500r/min附近。之后通过调节变量马达摆角和比例节流阀开度，使变量马达转速更精确地稳定在1500r/min，同时，比例节流阀可以在系统能量过多时，对系统能量进行耗散，保证系统工作安全。三变量协调控制的过程中，即保证了系统响应的快速性，又保证了控制的精度和系统运行的安全。

2、本发明中引入液压储能部分在并网转速控制中，一方面提高了能量利用率，达到了节能的目的，另一方面还提高了机组的工作效率和环境适应性。

3、本发明的控制方法在控制变量马达摆角时，考虑检测定量泵转速变化，使控制器输出到变量马达的控制信号能补偿定量泵转速变化，即通过间接流量反馈加直接转速闭环控制马达转速，实现系统恒流状态下的并网转速控制。与传统的直接转速闭环控制马达转速相比，该控制方法可以实现恒流状态转速控制，减少了溢流损失，提高了系统能量利用率，同时使系统具有更高的精度和更好的动态特性。

附图说明

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表示本发明的控制系统原理框图；

图4表示本发明的变量马达控制原理框图；

图5表示本发明的工作流程图。

其中，1、风速传感器，2、风轮，3、第一连接轴，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、第一溢流阀,10、补油泵，11、补油油箱，12、安全阀，13、流量传感器，14、转速控制器，15、变量马达，16、第二连接轴，17、第二转速转矩传感器，18、储能系统油箱，19、变量泵马达，20、气囊式蓄能器，21、活塞式蓄能器，22、氮气瓶组，23、第三连接轴，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、比例节流阀，30、第一压力传感器，31、第二压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明：

本发明公开了一种储能式液压型风力发电机组并网转速控制系统及方法，如图1所示，包括风力机部分、液压传动部分、液压储能部分以及发电部分：

风力机部分主要包括风速传感器1、风轮2、第一连接轴3。

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、第一溢流阀9、补油泵10、补油油箱11、安全阀12、流量传感器13、转速控制器14、变量马达15、第二连接轴16、第二转速转矩传感器17、低压管路28、比例节流阀29、第一压力传感器30、第二压力传感器31。

液压储能部分包括储能系统油箱18、变量泵马达19、气囊式蓄能器20、活塞式蓄能器21、氮气瓶组22、第三连接轴23、第三转速转矩传感器24。

发电部分包括发电机25、多功能仪表26、电网27。

其中：风力机部分与液压传动部分同轴刚性连接，液压传动部分与液压储能部分同轴刚性连接、液压储能部分与发电部分同轴刚性连接，并且在连接风力机部分与液压传动部分的第一连接轴3上安装第一转速转矩传感器4，在变量马达15与变量泵马达19的第二连接轴16上安装第二转速转矩传感器17，在变量泵马达19与发电机25的第三连接轴23上安装第三转矩转速传感器24；风轮2附近安装风速传感器1；定量泵5进油口从低压管路28吸油，压油口通过高压管路6输出高压油，并在高压管路6上布置流量传感器13；安全阀12跨接在高压管路6和低压管路28之间；在高压管路6上安装比例节流阀29、第一压力传感器30和第二压力传感器31，其中第一压力传感器30与比例节流阀29的进油口相连，第二压力传感器31与比例节流阀29的出油口相连；变量马达15吸油口与高压管路6相连，变量马达15的排油口与低压管路28相连；变量马达15同轴与变量泵马达19相连，变量泵马达19油口与储能系统油箱18相连，变量泵马达19排油口与气囊式蓄能器20、活塞式蓄能器21以及氮气瓶组22连接。变量泵马达19同轴驱动发电机25发电，输入电能到电网27，在发电机25与电网27之间安装多功能仪表26；补油泵10吸油口与补油油箱11相连，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，第一单向阀7的另一端连接到高压管路6，第二单向阀8的另一端连接到低压管路28；溢流阀9跨接在补油泵10压油口与补油油箱11之间；转速控制器14输入端分别连接第一转速转矩传感器4、第二转速转矩传感器16、第三转速转矩传感器24、多功能仪表26、风速传感器1、流量传感器13、第一压力传感器30、第二压力传感器31，转速控制器14输出端分别连接比例节流阀29、变量马达15、变量泵马达19。

具体控制过程如图2、3、4、5所示：

并网控制过程中，当变量马达15转速低于1500r/min时，首先通过转速控制器14输出控制信号控制变量泵马达19摆角：转速控制器14通过第二转速转矩传感器17采集变量马达15的转速，通过第三转速转矩传感器24采集变量泵马达19的转速。然后转速控制器14输出控制信号到变量泵马达19，控制变量泵马达19摆角，此时变量泵马达19用作液压马达，将液压储能部分中的液压能转换为变量马达15的动能，即使变量马达15转速提高至1500r/min，从而控制同轴相连的发电机25转速，使发电机25转速稳定在1500r/min附近，很大程度地提高了能量利用率，达到节能的目的。为进一步提高控制精度，转速控制器14通过风速传感器1采集当前风速，通过第一转速转矩传感器4采集定量泵5转速，通过多功能仪表26采集发电机25输出功率和电网27电压，通过第二转矩转速传感器17采集变量马达15转速，然后通过流量传感器13采集的定量泵5流量，以此计算马达排量，为变量马达15摆角提供基准，与转速闭环计算的摆角偏差做比较，得到控制信号，通过转速控制器14输出控制信号到变量马达15，实现对变量马达15摆角控制，改变变量马达15排量，对变量马达15转速进行微调，可以使变量马达15转速更精确地稳定在1500r/min。同时，转速控制器14通过第一压力传感器30采集比例节流阀29入口处压力，通过第二压力传感器31采集比例节流阀29出口处压力。然后转速控制器14输出控制信号到比例节流阀29，实现对比例节流阀29开度控制，实现对变量马达15转速微调，使变量马达15转速更精确地稳定在1500r/min。通过控制变量马达15摆角和比例节流阀29开度，实现对变量马达15转速的精确控制。

当变量马达15转速高于1500r/min时，首先通过转速控制器14输出控制信号控制变量泵马达19摆角：转速控制器14通过第二转速转矩传感器17采集变量马达15的转速，通过第三转速转矩传感器24采集变量泵马达19的转速。然后转速控制器14输出控制信号到变量泵马达19，控制变量泵马达19摆角，此时变量泵马达19用作液压泵，将变量马达15多余的动能转换为液压储能部分中的液压能，即使变量马达转速降低至1500r/min，从而控制同轴相连的发电机25转速，使发电机25转速稳定在1500r/min附近，很大程度地提高了能量利用率，达到节能的目的。为进一步提高控制精度，转速控制器14通过风速传感器1采集当前风速，通过第一转速转矩传感器4采集定量泵5转速，通过多功能仪表26采集发电机25输出功率和电网27电压，通过第二转矩转速传感器17采集变量马达15转速，然后通过流量传感器13采集的定量泵5流量，以此计算马达排量，为变量马达15摆角提供基准，与转速闭环计算的摆角偏差做比较，得到控制信号，通过转速控制器14输出控制信号到变量马达15，实现对变量马达15摆角控制，改变变量马达15排量，对变量马达15转速进行微调，可以使变量马达15转速更精确地稳定在1500r/min。同时，转速控制器14通过第一压力传感器30采集比例节流阀29入口处压力，通过第二压力传感器31采集比例节流阀29出口处压力。然后转速控制器14输出控制信号到比例节流阀29，实现对比例节流阀29开度控制，实现对变量马达15转速微调，使变量马达15转速更精确地稳定在1500r/min。通过控制变量马达15摆角和比例节流阀29开度，实现对变量马达15转速的精确控制。同时，在液压储能部分中的气囊式储能器20、活塞式储能器21及氮气瓶组22的存储容量到达最大时，对比例节流阀29开度控制，可以保证系统能量过高时，对系统中多余能量进行耗散，以保证系统工作安全。该系统有三个可控变量：变量泵马达19摆角、变量马达15摆角、比例节流阀29开度；首先通过调节变量泵马达摆角，实现蓄能器对液压能的储存和释放，节约了能量的同时，最快速度地将变量马达转速稳定在1500r/min附近。之后通过调节变量马达摆角和比例节流阀开度，使变量马达转速更精确地稳定在1500r/min，同时，比例节流阀可以在系统能量过多时，对系统能量进行耗散，保证系统工作安全。三变量协调控制的过程中，即保证了系统响应的快速性，又保证了控制的精度和系统运行的安全。

本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理等所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种储能式液压型风力发电机组并网转速控制系统及方法，其特征在于，包括：风力机部分、液压传动部分、液压储能部分以及发电部分，所述风力机部分与液压传动部分、液压传动部分与液压储能部分、液压储能部分与发电部分为同轴刚性连接；

所述风力机部分包括风速传感器（1）、风轮（2）、第一连接轴（3），所述风轮（2）附近安装风速传感器（1），所述第一连接轴（3）与风轮（2）转动连接；

所述液压传动部分包括安装在第一连接轴（3）上的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）、第一溢流阀（9）、补油泵（10）、补油油箱（11）、安全阀（12）、流量传感器（13）、转速控制器（14）、变量马达（15）、第二连接轴（16）、第二转速转矩传感器（17）、低压管路（28）、比例节流阀（29）、第一压力传感器（30）、第二压力传感器（31）；

所述定量泵（5）进油口从低压管路（28）吸油，并通过定量泵（5）压油口传到高压管路（6）输出高压油；所述变量马达（15）吸油口与高压管路（6）相连，所述变量马达（15）的排油口与低压管路（28）相连；所述高压管路（6）上设置流量传感器（13）、比例节流阀（29）、第一压力传感器（30）和第二压力传感器（31），其中第一压力传感器（30）与比例节流阀（29）的进油口相连，第二压力传感器（31）与比例节流阀（29）的出油口相连；所述安全阀（12）跨接在高压管路（6）和低压管路（28）之间；所述补油泵（10）吸油口与补油油箱（11）相连，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）的另一端连接到高压管路（6），所述第二单向阀（8）的另一端连接到低压管路（28）；所述第一溢流阀（9）跨接在补油泵（10）压油口与补油油箱（11）之间；

所述液压储能部分包括储能系统油箱（18）、变量泵马达（19）、气囊式蓄能器（20）、活塞式蓄能器（21）、氮气瓶组（22）、第三连接轴（23）、第三转速转矩传感器（24），所述变量泵马达（19）油口与储能系统油箱（18）相连，所述变量泵马达（19）排油口与气囊式蓄能器（20）、活塞式蓄能器（21）以及氮气瓶组（22）连接；

所述发电部分包括发电机（25）、多功能仪表（26）、电网（27），所述发电机（25）由变量泵马达（19）同轴驱动发电，所述发电机（25）产生的电能输送到电网（27），所述发电机（25）与电网（27）之间安装多功能仪表（26）；

所述第二连接轴（16）上安装第二转速转矩传感器（17），所述第二连接轴（16）用于同轴连接变量马达（15）和变量泵马达（19）；所述第三连接轴（23）上安装第三转矩转速传感器（24），所述第三连接轴（23）用于同轴连接变量泵马达（19）和发电机（25）；所述转速控制器（14）输入端分别连接第一转速转矩传感器（4）、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）、风速传感器（1）、流量传感器（13）、第一压力传感器（30）、第二压力传感器（31），所述转速控制器（14）输出端分别连接比例节流阀（29）、变量马达（15）、变量泵马达（19）。

2.根据权利要求1所述的一种储能式液压型风力发电机组并网转速控制系统及方法，其特征在于，在并网控制过程中，控制方法为：

转速控制器（14）通过第二转速转矩传感器（17）采集变量马达（15）的转速，当采集到变量马达（15）的转速低于或高于1500r/min，转速控制器（14）输出控制信号到变量泵马达（19），将气囊式蓄能器（20）和活塞式蓄能器（21）中的液压能转换为变量马达（15）的动能或将变量马达（15）多余的动能转换为气囊式蓄能器（20）和活塞式蓄能器（21）中液压能，使变量马达（15）转速快速调整到1500r/min，从而控制同轴相连的发电机（25）转速稳定在1500±6r/min。

3.根据权利要求1或2所述一种储能式液压型风力发电机组并网转速控制系统及方法，其特征在于：所述转速控制器（14）通过风速传感器（1）采集当前风速，通过第一转速转矩传感器（4）采集定量泵（5）转速，通过多功能仪表（26）采集发电机（25）输出功率和电网（27）电压，通过第二转矩转速传感器（17）采集变量马达（15）转速，通过流量传感器（13）采集的定量泵（5）流量来计算变量马达（15）排量，为变量马达（15）摆角提供基准，与转速闭环计算的摆角偏差作比较，得到控制信号，通过转速控制器（14）输出控制信号到变量马达（15），实现对变量马达（15）摆角控制，改变变量马达（15）排量，对变量马达（15）转速进行微调，使变量马达（15）转速稳定在1500r/min。

4.根据权利要求1或2所述一种储能式液压型风力发电机组并网转速控制系统及方法，其特征在于：所述转速控制器（14）通过第一压力传感器（30）采集比例节流阀（29）入口处压力，通过第二压力传感器（31）采集比例节流阀（29）出口处压力，然后转速控制器（14）输出控制信号到比例节流阀（29），对比例节流阀（29）开度控制，实现对变量马达（15）转速微调，使变量马达（15）转速进一步稳定在1500r/min；

同时，当系统输入能量过多，所述气囊式储能器（20）和活塞式储能器（21）存满的情况下，通过对比例节流阀（29）开度控制，将多余能量耗散。

Images