CN114165387A - 大功率等级的储能式液压型风电机组调频控制系统及方法 - Google Patents

大功率等级的储能式液压型风电机组调频控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种大功率等级的储能式液压型风电机组调频控制系统及方法，其包括：风轮模块、液压主传动系统模块、多个发电子系统模块和电网监测模块，多个发电子系统按照规划顺序进行切入切出，实现全功率范围内的功率平滑切换；当频率控制器预测到电网负荷变化，需要对风电机组有功功率输出进行调整时，电网监测模块中的频率控制器根据机组运行状态、风功率预测结果和监测到的电网负荷变化对风轮模块中的EHA变桨系统和各发电子系统中的液压元件提前进行控制，以增加或减少风电机组的有功功率输出，使风轮捕获的风能与电网负荷相匹配，有效地抑制电网频率波动，并且弥补系统相响应滞后的不足。

Description

大功率等级的储能式液压型风电机组调频控制系统及方法
技术领域
本申请涉及风力发电技术领域，具体地涉及一种大功率等级的储能式液压型风电机组调频控制系统及方法。
背景技术
近些年可再生能源机组装机容量迅速增加，其并网方式从局部并网转为多地区的集中式与分布式并网。随着风电机组渗透率的提高，风电机组出力的间歇性开始对电网整体运行产生影响。风电机组占比的提升导致电力系统的惯性响应能力明显降低，系统惯性降低对频率安全的影响逐渐凸显。因此，在高风电占比电力系统中如何保证系统频率质量，是风电并网面临的首要问题之一。
部分国家风力发电发展较早且风电在其电力系统的总渗透率已经有较高的水平，为保证电力系统运行的安全稳定，这些国家对风电场的频率调节能力做出了一些具体要求。我国对于风电场的频率调节能力也做出了相应的要求：在部分风能富集地区风电渗透率已经具有较高水平，为此要求风电场应具备参与电力系统调频和备用的能力，当风电场有功功率在总额定出力的20％以上时，对于场内有功出力超过额定容量的20％的所有风电机组，能够实现有功功率的连续平滑调节，并参与系统有功功率控制。目前，已有针对液压型风电机组调频控制的相关专利技术，能够从不同层面解决部分风电场的频率调节问题。
中国专利CN107781111B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。该系统在机组运行过程中,针对电网频率的瞬时动态波动,利用液压马达储能子系统实现对液压型风力发电机组输出频率的动态平衡。但是该方法未进行风功率预测，且由于系统响应具有一定的滞后性，因此无法实现提前进行有功功率匹配控制，抑制电网频率波动。
中国专利CN111980856A公开了一种基于负荷预测的储能式液压型风力发电机组调频控制方法。根据检测到的电网数据来预测未来的负荷情况,在预测到负荷波动时,通过控制风轮模块桨距角、液压主传动系统模块变量马达摆角、液压储能系统模块变量泵/马达摆角控制系统输出的有功功率,提前响应负荷波动来稳定发电机的频率。但是该方法适用的以单泵-单马达为主传动系统的风电机组容量较小，不易实现大型化，具有一定局限性。
现有的液压型风电机组调频控制方法不能够很好地适应风电机组大型化的发展趋势，因此，需要提供一种新型的大功率等级的储能式液压型风电机组调频控制系统及方法。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提出一种针对大功率等级的储能式液压型风电机组的调频控制系统及方法。基于本发明提出的风电机组的调频控制系统，通过风轮来流预测得到的功率曲线、感知自身状态和采集网侧负荷变化，结合功率平稳出输和调频控制需求，提前规划风力机桨距角、变量马达摆角、液压储能系统变量泵/马达摆角，实现自适应、自组织、自学习和自协调匹配网侧频率变化。
为实现上述目的，本发明所采用的解决方案为：
一种大功率等级的储能式液压型风电机组调频控制系统，其包括：风轮模块、液压主传动系统模块、多个发电子系统模块、电网和电网监测模块；
所述风轮模块包括激光雷达测风仪、EHA独立变桨系统和风轮，所述风轮模块与所述液压主传动系统模块同轴刚性连接；
所述液压主传动系统模块包括主传动轴、同轴定量泵组、第一转速转矩传感器、流量传感器、高压管路和低压管路；所述同轴定量泵组从所述低压管路吸油，所述同轴定量泵组的压油口通过所述高压管路向所述多个发电子系统模块输出高压油；
所述多个发电子系统模块包括一个发电子系统I和N个发电子系统II，N大于等于1，所述发电子系统I包括第一变量马达、第二传动轴、第一液压储能子系统、第三传动轴、第一发电机和第一并网系统，所述第一液压储能子系统包括第一变量泵/马达、第一气囊式蓄能器、第一活塞式蓄能器和第一氮气瓶；所述N个发电子系统II中第i发电子系统II包括第i+1变量马达、第i电磁开关阀、第3i+1传动轴、第i定量马达、第3i+2传动轴、第i+1液压储能子系统、第3i+3传动轴、第i+1发电机和第i+1并网系统，所述第i+1液压储能子系统包括第i+1变量泵/马达、第i+1气囊式蓄能器、第i+1活塞式蓄能器和第i+1氮气瓶；所述多个发电子系统模块向所述电网输送电能；
所述电网监测模块包括多功能仪表和频率控制器，所述电网监测模块实时监测所述电网负荷变化。
可优选的是，所述发电子系统I通过调整所述第一变量马达的摆角实现不同流量下的发电机组的功率平滑运行，所述第一变量马达与所述第一变量泵/马达通过所述第二传动轴同轴连接，所述第一变量泵/马达与所述第一发电机通过所述第二传动轴连接，在所述第二传动轴和第三传动轴上分别设置第二转速转矩传感器和第三转速转矩传感器，所述第一变量马达的进油口与所述高压管路连接，所述第一变量马达的出油口与所述低压管路连接，所述第一变量泵/马达通过所述第三传动轴驱动所述第一发电机发电，通过所述第一并网系统输出电能到所述电网；所述第i发电子系统II中的第i+1变量马达与第i定量马达通过第3i+1传动轴同轴连接，所述第i+1变量马达与第i+1液压储能子系统中的第i+1变量泵/马达通过第3i+2传动轴同轴连接，第i+1变量泵/马达与第i+1发电机通过第3i+3传动轴同轴连接，在所述第3i+2传动轴和第3i+3传动轴上分别设置第2i+2转速转矩传感器和第2i+3转速转矩传感器，所述第i+1变量马达进油口和第i电磁开关阀的进油口与所述高压管路相连，所述第i+1变量马达和第i定量马达出油口与所述低压管路相连，所述第i电磁开关阀的出油口与第i定量马达进油口相连，所述第i+1变量泵/马达通过第3i+3传动轴驱动第i+1发电机发电，通过第i+1并网系统输出电能到所述电网。
可优选的是，所述第一变量马达排量D1为0至D，第i定量马达排量Di+1为2i-1D，所述第一变量马达与定量马达的组合实现风电机组额定功率内的全功率切换；在风电机组运行过程中，液压马达总排量与流量传感器采集的流量数值相匹配。
可优选的是，所述EHA独立变桨系统包括偏心盘、液压缸位移传感器、蓄能器、第一溢流阀、第一单向阀、双向定量泵、第一传动轴、伺服电动机、变频器、第二单向阀、第二溢流阀、液压缸和变桨轴承；所述频率控制器输入端分别连接所述激光雷达测风仪、第一转速转矩传感器、流量传感器、第二转速转矩传感器、第三转速转矩传感器、第2i+2转速转矩传感器、第2i+3转速转矩传感器和液压缸位移传感器；所述频率控制器输出端分别连接所述变频器、第一变量马达、第一变量泵/马达、第i+1变量马达、第i+1变量泵/马达、第i电磁开关阀。
可优选的是，所述激光雷达测风仪安装在机舱顶部，所述风轮通过所述主传动轴与所述同轴定量泵组同轴刚性连接，所述主传动轴上设置第一转速转矩传感器，所述频率控制器与所述变频器输入端连接，所述变频器输出端与所述伺服电动机连接，控制所述伺服电动机转动，所述伺服电动机与所述双向定量泵通过所述第一传动轴同轴刚性连接，所述双向定量泵第一油口分别与所述第一溢流阀进油口、第一单向阀的出油口和液压缸有杆腔油口连接，所述双向定量泵第二油口分别与所述第二溢流阀进油口、第二单向阀的出油口和液压缸无杆腔油口连接，蓄能器油口分别与第一溢流阀出油口、第二溢流阀出油口、第一单向阀的进油口、第二单向阀的进油口连接，所述液压缸推杆端部与所述偏心盘非刚性连接，所述液压缸推杆上设置所述液压缸位移传感器，所述偏心盘固定在所述变桨轴承内圈上。
一种利用大功率等级的储能式液压型风电机组调频控制系统进行风电机组调频控制的方法，其包括以下步骤：
步骤1：判断风电机组是否处于额定功率运行，当风电机组处于额定功率运行时，发电子系统I和N个发电子系统II均处于并网状态，进入步骤2；当风电机组处于部分功率运行时，发电子系统I和M个发电子系统II处于并网状态，M小于N，进入步骤5；
步骤2：判断电网负荷状态是增加还是减少，当频率控制器监测到电网负荷增加时，进入步骤3；当频率控制器监测到电网负荷减少时，进入步骤4；
步骤3：频率控制器控制EHA变桨系统减小叶片桨距角，频率控制器控制第一变量马达增加摆角，频率控制器控制发电子系统I中的第一变量泵/马达和所有N个发电子系统II中的第i+1变量泵/马达工作模式为马达模式并增大各变量泵/马达摆角，增加风电机组有功功率输出，进入步骤8；
步骤4：频率控制器控制EHA变桨系统增大叶片桨距角，频率控制器控制第一变量马达减小摆角，频率控制器控制发电子系统I中的第一变量泵/马达和所有N个发电子系统II中的第i+1变量泵/马达工作模式为泵模式并增大各变量泵/马达摆角；当电网负荷波动仅通过所述控制无法抑制时，频率控制器按照规划顺序控制各发电子系统中的电磁开关阀开闭，所述规划顺序为当电网负荷减小时，各发电子系统的切换顺序按照液压马达总排量从大到小的组合顺序依次进行，为当电网负荷增加时，各发电子系统的切换顺序按照液压马达总排量从小到大的组合顺序依次进行，使各发电子系统按照规划顺序从电网切出，减少风电机组有功功率输出，进入步骤8；
步骤5：判断电网负荷状态是增加还是减少，当频率控制器监测到电网负荷增加时，进入步骤6；当频率控制器监测到电网负荷减少时，进入步骤7；
步骤6：频率控制器控制EHA变桨系统调整叶片桨距角保持在0°角，频率控制器控制第一变量马达增加摆角，频率控制器控制发电子系统I中的第一变量泵/马达和M个发电子系统II中的第i+1变量泵/马达工作模式为马达模式并增大各变量泵/马达摆角，增加风电机组有功功率输出，进入步骤8；
步骤7：频率控制器控制EHA变桨系统减小叶片桨距角，频率控制器控制第一变量马达减小摆角，频率控制器控制发电子系统I中的第一变量泵/马达和所有M个发电子系统II中的第i+1变量泵/马达工作模式为泵模式并增大各变量泵/马达摆角，当电网负荷波动仅通过所述控制无法抑制时，频率控制器按照所述规划顺序控制各发电子系统中的电磁开关阀开闭，使各发电子系统按照规划顺序从电网切出，减少风电机组有功功率输出，进入步骤8；
步骤8：判断电网频率是否在规定时间内恢复至规定范围，当电网频率在规定时间内恢复至规定范围，调频结束；当电网频率没有在规定时间内回到规定范围，进入步骤9；
步骤9：将风电机组切出电网，待频率恢复到规定范围后再并入电网。
进一步，所述步骤3具体为：频率控制器发送桨距角减小的控制指令给EHA变桨系统中的变频器，变频器控制伺服电动机转动，伺服电动机通过第一传动轴驱动双向定量泵为液压缸提供高压油，使液压缸推动偏心盘减小叶片桨距角，在安全范围内增加风轮捕获的风能；频率控制器控制第一变量马达增大摆角，使高压管路内的压力减小，进一步使同轴定量泵组的转速升高，增加风能向动能的转化；频率控制器切换发电子系统I中的第一变量泵/马达和所有N个发电子系统II中的第i+1变量泵/马达为马达工作模式并增大各变量泵/马达摆角，使发电子系统I中的第一液压储能子系统和N个发电子系统II中的各液压储能子系统分别实现对各自发电子系统中的第一发电机和第i+1发电机的能量输出，增加风电机组有功功率输出，稳定电网频率。
更进一步的是，所述步骤4具体为：频率控制器发送桨距角增大的控制指令给EHA变桨系统中的变频器，变频器控制伺服电动机转动，伺服电动机通过第一传动轴驱动双向定量泵为液压缸提供高压油，使液压缸推动偏心盘增大叶片桨距角，减少风轮捕获的风能；频率控制器控制第一变量马达减小摆角，使高压管路内的压力增大，进一步使同轴定量泵组的转速下降，增加风能向液压能的转化；频率控制器切换发电子系统I中的第一变量泵/马达和所有N个发电子系统II中的第i+1变量泵/马达为泵工作模式并增大各变量泵/马达摆角，使发电子系统I中的第一液压储能子系统和所有N个发电子系统II中的各液压储能子系统分别实现对各自发电子系统中的第一发电机和第i+1发电机的能量吸收，减少风电机组有功功率输出，稳定电网频率。
可优选的是，所述步骤6具体为：频率控制器发送保持最小桨距角控制指令给EHA变桨系统中的变频器，变频器控制伺服电动机转动，伺服电动机驱动双向定量泵为液压缸提供高压油，使液压缸推动偏心盘调整叶片桨距角保持在0°角；频率控制器控制第一变量马达增大摆角，使高压管路内的压力减小，进一步使同轴定量泵组的转速升高，增加风能向动能的转化；频率控制器切换发电子系统I中的第一变量泵/马达和所有M个发电子系统II中的第i+1变量泵/马达为马达工作模式并增大各变量泵/马达摆角，使发电子系统I中的第一液压储能子系统和所有M个发电子系统II中的各液压储能子系统分别实现对各自发电子系统中的第一发电机和第i+1发电机的能量输出；增加风电机组有功功率输出，稳定电网频率。
可优选的是，所述步骤7具体为：频率控制器发送桨距角增大的控制指令给EHA变桨系统中的变频器，变频器控制伺服电动机转动，伺服电动机通过第一传动轴驱动双向定量泵为液压缸提供高压油，使液压缸推动偏心盘增大叶片桨距角，使风轮捕获风能减少；频率控制器控制第一变量马达减小摆角，使高压管路内的压力增大，进一步使同轴定量泵组的转速升高，增加风能向动能的转化为；频率控制器切换发电子系统Ⅰ中的第一变量泵/马达和所有M个发电子系统II中的第i+1变量泵/马达为泵工作模式并增大各变量泵/马达摆角，使发电子系统Ⅰ中的第一液压储能子系统和所有M个发电子系统II中的各液压储能子系统分别实现对各自发电子系统中的第一发电机和第i+1发电机的能量吸收，减少风电机组有功功率输出，稳定电网频率。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明中采用的大功率储能式液压型风电机组由多个发电子系统组成，这些发电子系统可以按照规划顺序实现全功率范围内的功率平滑切换；风电机组启动风速低，传动效率高，可实现大型化。
本发明中通过对电网频率监测和风功率的预测，使频率控制器能够提前发送指令控制系统动作，调整风电机组的有功功率输出，使输出功率与电网负荷相匹配，有效抑制了电网频率波动，弥补了现有调频控制方法的系统响应滞后的缺点。
附图说明
图1为本发明实施例的大功率等级的储能式液压型风电机组调频控制系统结构示意图；
图2为本发明实施例的变桨执行机构结构示意图；
图3为本发明实施例中风电机组的调频控制方法的流程图；
图4为本发明实施例中各个系统模块之间的信号传递流程图。
图中：
1-偏心盘；2-液压缸位移传感器；3-蓄能器；4-第一溢流阀；5-第一单向阀；6-双向定量泵；7-第一传动轴；8-伺服电动机；9-变频器；10-第二单向阀；11-第二溢流阀；12-液压缸；13-变桨轴承；14-风轮；15-主传动轴；16-激光雷达测风仪；17-机舱；18-定量泵组；19-第一转速转矩传感器；20-流量传感器；21-高压管路；22-低压管路；23-第一变量马达；24-第二传动轴；25-第一气囊式蓄能器；26-第一活塞式蓄能器；27-第一氮气瓶；28-电网；29-第一并网系统；30-第一发电机；31-第三传动轴；32-第一变量泵/马达；33-第二转速转矩传感器；34-第三转速转矩传感器；35-第二变量马达；36-第一电磁开关阀；37-第二气囊式蓄能器；38-第二活塞式蓄能器；39-第二氮气瓶；40第二并网系统；41-第二发电机；42-第六传动轴；43-第二变量泵/马达；44-第五传动轴；45-第一定量马达；46-第四传动轴；47-第四转速转矩传感器；48-第五转速转矩传感器；49-第i+1变量马达；50-第i电磁开关阀；51-第i+1气囊式蓄能器；52-第i+1活塞式蓄能器；53-第i+1氮气瓶；54-第i+1并网系统；55-第i+1发电机；56-第3i+3传动轴；57-第i+1变量泵/马达；58-第3i+2传动轴；59-第i定量马达；60-第3i+1传动轴；61-第2i+2转速转矩传感器；62-第2i+3转速转矩传感器；63-多功能仪表；64-频率控制器；65-轮毂；66-叶片；a-第一液压储能子系统；b-第二液压储能子系统；c-第i+1液压储能子系统；A-发电子系统Ⅰ；B-第一发电子系统Ⅱ；C-第i发电子系统Ⅱ；D-EHA独立变桨系统；E-塔顶；F-塔基。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
本发明实施例提供了一种大功率等级的储能式液压型风电机组调频控制系统，如图1所示，具体包括：
风轮模块、液压主传动系统模块、多个发电子系统模块和电网监测模块。风轮模块与液压主传动系统模块同轴刚性连接；液压主传动系统模块为各发电子系统提供高压油；各发电子系统模块与电网相连，向电网输送电能；电网监测模块实时监测电网负荷变化。
风轮模块主要包括激光雷达测风仪16、EHA独立变桨系统D和风轮14。其中EHA独立变桨系统D包括偏心盘1、液压缸位移传感器2、蓄能器3、第一溢流阀4、第一单向阀5、双向定量泵6、第一传动轴7、伺服电动机8、变频器9、第二单向阀10、第二溢流阀11、液压缸12、变桨轴承13、轮毂65和叶片66。
液压主传动系统模块包括主传动轴15、定量泵组18、第一转速转矩传感器19、流量传感器20、高压管路21和低压管路22。
多个发电子系统模块包括发电子系统I、第一发电子系统II…第i发电子系统II…，为便于表示，图1中仅画出部分发电子系统。A为发电子系统I，包括第一变量马达23、第二传动轴24、第一液压储能子系统a、第三传动轴31、第一发电机30、第一并网系统29和电网28；其中第一液压储能子系统a包括第一变量泵/马达32、第一气囊式蓄能器25、第一活塞式蓄能器26和第一氮气瓶27。B为第一发电子系统II，包括第二变量马达35、第一电磁开关阀36、第四传动轴46、第一定量马达45、第五传动轴44、第二液压储能子系统b、第六传动轴42、第二发电机41、第二并网系统40和电网28；其中第二液压储能子系统b包括第二变量泵/马达43、第二气囊式蓄能器37、第二活塞式蓄能器38和第二氮气瓶39。第i发电子系统II包括第i+1变量马达49、第3i+1传动轴60、第i电磁开关阀50、第i定量马达59、第3i+2传动轴58、第i+1液压储能子系统c、第3i+3传动轴56、第i+1发电机55、第i+1并网系统54和电网28；其中第i+1液压储能子系统c包括第i+1变量泵/马达57、第i+1气囊式蓄能器51、第i+1活塞式蓄能器52和第i+1氮气瓶53。
电网监测模块包括多功能仪表63和频率控制器64。
激光雷达测风仪16安装在机舱17顶部；风轮14通过主传动轴15与定量泵组18同轴刚性连接；主传动轴15上设置第一转速转矩传感器19；频率控制器64与变频器9输入端连接；变频器9输出端与伺服电动机8连接，控制伺服电动机8转动；伺服电动机8与双向定量泵6通过第一传动轴7同轴刚性连接；双向定量泵6两油口分别与第一溢流阀4进油口、第二溢流阀11进油口、第一单向阀5的出油口、第二单向阀10的出油口、液压缸12两油口连接；第一溢流阀4出油口、第二溢流阀11出油口、第一单向阀5的进油口、第二单向阀10的进油口、蓄能器3油口相连接；液压缸12推杆端部与偏心盘1非刚性连接，液压缸12推杆上设置液压缸位移传感器2；偏心盘1固定在变桨轴承13内圈上。
同轴连接的定量泵组18吸油口从低压管路22吸油；定量泵组18的压油口通过高压管路21向各发电子系统输出高压油，并在高压管路21上设置流量传感器20。
发电子系统I通过调整第一变量马达23的摆角实现不同流量下的发电机组的功率平滑运行；其中第一变量马达23与储能子系统I中的第一变量泵/马达32通过第二传动轴24同轴连接；第一变量泵/马达32与第一发电机30通过第二传动轴31连接；分别在第二传动轴24和第三传动轴31上设置第二转速转矩传感器33、第三转速转矩传感器34；第一变量马达23的进油口与高压管路21连接，出油口与低压管路22连接；第一变量泵/马达32通过第三传动轴31驱动第一发电机30发电，通过第一并网系统29输出电能到电网28。第一发电子系统II中的第二变量马达35与第一定量马达45通过第四传动轴46同轴连接；第一定量马达45与第二液压储能子系统b中的第二变量泵/马达43通过第五传动轴44同轴连接；第二变量泵/马达43与第二发电机41通过第六传动轴42同轴连接；分别在第五传动轴44和第六传动轴42上设置第四转速转矩传感器47、第五转速转矩传感器47；第二变量马达35进油口、第一电磁开关阀36的进油口与高压管路21相连；第二变量马达35出油口、第一定量马达45出油口与低压管路22相连；第一电磁开关阀36的出油口与第一定量马达45进油口相连；第二变量泵/马达43通过第六传动轴42驱动第二发电机41发电，通过第二并网系统40输出电能到电网28。第一发电子系统II中的第i+1变量马达49与第i定量马达59通过第3i+1传动轴60连接；第i定量马达59与第i储能子系统Ⅱ中的第i+1变量泵/马达57通过第3i+2传动轴58同轴连接；第i+1变量泵/马达57与第i+1发电机55通过第3i+3传动轴56同轴连接；分别在第3i+2传动轴58和第3i+3传动轴56上设置第2i+2转速转矩传感器61、第2i+3转速转矩传感器62；第i+1变量马达49进油口、第i电磁开关阀50的进油口与高压管路21相连；第i+1变量马达49出油口、第i定量马达59的出油口与低压管路22相连；第i电磁开关阀50的出油口与第i定量马达59进油口相连；第i+1变量泵/马达57通过第3i+3传动轴56驱动第i+1发电机55发电，通过第i+1并网系统54输出电能到电网28。
在该系统中，第一变量马达23排量D1为0至D，第i定量马达59排量Di+1为2i-1D，第一变量马达与定量马达的组合可以实现风电机组额定功率内的全功率切换；在风电机组运行过程中，液压马达总排量与流量传感器20采集的流量数值相匹配，具体如表1所示，例如：当流量传感器采集的是2.5D，将对应液压马达总排量2D-3D所对应的发电子系统组合。
当电网负荷减小时，各发电子系统的切换顺序按照液压马达总排量从大到小的组合顺序依次进行；当电网负荷增加时，各发电子系统的切换顺序按照液压马达总排量从小到大的组合顺序依次进行。
表1马达排量的数字化分配方法
Figure BDA0003340464730000091
Figure BDA0003340464730000101
表1中1代表开启，0代表关闭。
频率控制器64输入端分别连接激光雷达测风仪16、第一转速转矩传感器19、流量传感器20、第二转速转矩传感器33、第三转速转矩传感器34、第四转速转矩传感器47、第五转速转矩传感器47、第2i+2转速转矩传感器61、第2i+3转速转矩传感器62和EHA变桨距系统D中的液压缸位移传感器2；频率控制器64输出端分别连接变频器9、第一变量马达23、第一变量泵/马达32、第二变量马达35、第二变量泵/马达43、第一电磁开关阀36、第i+1变量马达49、第i+1变量泵/马达57、第i电磁开关阀50。
上述大功率等级的储能式液压型风电机组调频控制系统及方法，基于以多泵-多马达为主传动系统的储能式液压型风电机组，根据风轮来流预测得到的功率曲线、感知自身状态、采集网侧负荷变化，结合功率平稳输出和调频控制需求，提前规划风力机桨距角、变量马达摆角、液压储能系统的变量泵/马达摆角，实现该构型机组的能量平滑输出以及智能匹配电网频率变化。具体实现步骤包括以下内容：
多功能仪表63实时监测电网28的频率和电压状态；激光雷达测风仪16实时监测来流风速，结合有效风速模型，进行风功率预测。安装在第二传动轴24上的第二转速转矩传感器33采集第二传动轴24的转速转矩信息，安装在第三传动轴31上的第三转速转矩传感器34采集第三传动轴31的转速转矩信息，安装在第五传动轴44上的第四转速转矩传感器47采集第五传动轴44的转速转矩信息，安装在第六传动轴42上的第五转速转矩传感器48采集第六传动轴42的转速转矩信息，安装在第3i+2传动轴58上的第2i+2转速转矩传感器61采集第3i+2传动轴58的转速转矩信息，安装在第3i+3传动轴58上的第2i+3转速转矩传感器62采集第3i+3传动轴58的转速转矩信息；流量传感器20采集高压管路21流量信息。频率控制器64分别控制第一变量马达23、第二变量马达35、第i+1变量马达49的摆角使第一发电机30、第二发电机41…第i+1发电机55…保持在并网转速。
当频率控制器64监测到电网28负荷变化时，需要对风电机组有功功率输出进行调整。频率控制器64根据机组运行状态、风功率预测结果和监测到的电网负荷变化对EHA变桨系统D和各发电子系统的液压元件提前进行控制，各发电子系统包括发电子系统I、第一发电子系统II…第i发电子系统II…，以增加或减少风电机组的有功功率输出，使风轮捕获的风能与电网负荷相匹配，有效地抑制电网频率波动，并且弥补了系统相响应滞后的不足。
本发明还提供了一种利用上述大功率等级的储能式液压型风电机组调频控制系统进行风电机组调频控制的方法，如图3所示，具体为：
当风电机组处于额定功率运行时，所有发电子系统处于并网状态；在此状态下，当频率控制器64监测到电网28负荷增加时，频率控制器64发送桨距角减小的控制指令给EHA变桨系统中的变频器9，变频器9控制伺服电动机8转动，伺服电动机8通过第一传动轴7驱动双向定量泵6为液压缸12提供高压油，使液压缸12推动偏心盘1调整叶片桨距角减小，在安全范围内增加风轮14捕获的风能；安全范围指风电机组的有功功率不超过额定功率与有功备用功率之和。频率控制器64提前控制第一变量马达23摆角增大，使高压管路21内的压力减小，而高压管路21内的压力减小会使定量泵组18的转速升高，此时使风能更多转化为动能；频率控制器64提前切换第一变量泵/马达32、第二变量泵/马达43…第i+1变量泵/马达57…为马达工作模式并增大其摆角，使第一液压储能子系统a、第二液压储能子系统b…第i+1液压储能子系统c…分别实现对第一发电机30、第二发电机41…第i+1发电机55…的快速能量输出；通过以上方式增加风电机组有功功率输出，稳定电网28频率。
当风电机组处于额定功率运行时，所有发电子系统处于并网状态；在此状态下，当频率控制器64监测到电网28负荷减少时，频率控制器64发送桨距角增大的控制指令给EHA变桨系统中的变频器9，变频器9控制伺服电动机8转动，伺服电动机8通过第一传动轴7驱动双向定量泵6为液压缸12提供高压油，使液压缸12推动偏心盘1调整叶片桨距角增大，减少风轮14捕获的风能；频率控制器64提前控制第一变量马达23摆角减小，使高压管路21内的压力增大，而高压管路21内的压力增大会使定量泵组18的转速下降，此时使风能更多转化为液压能；频率控制器64提前切换第一变量泵/马达32、第二变量泵/马达43…第i+1变量泵/马达57…为泵工作模式并增大其摆角，使第一液压储能子系统a、第二液压储能子系统b…第i+1液压储能子系统c…分别实现对第一发电机30、第二发电机41…第i+1发电机55…的快速能量吸收；当负荷波动较大，仅通过上述控制无法有效抑制电网频率波动时，频率控制器64按照规划顺序提前控制第一电磁开关阀36、第i电磁开关阀50等开闭，使发电子系统I、第一发电子系统II…第i发电子系统II…有序地从电网28切出。通过以上方式减少风电机组有功功率输出，稳定电网28频率。
当风电机组处于部分功率运行时，只有部分发电子系统处于并网状态；在此状态下，当频率控制器64监测到电网28负荷增加时，频率控制器64发送桨距角保持在0°角的控制指令给EHA变桨系统中的变频器9，变频器9控制伺服电动机8转动，伺服电动机8驱动双向定量泵6为液压缸12提供高压油，使液压缸12推动偏心盘1调整叶片桨距角保持在0°角，使风轮14捕获最大风能；频率控制器64提前控制第一变量马达23摆角增大，使高压管路21内的压力减小，而高压管路21内的压力减小会使定量泵组18的转速升高，此时使风能更多转化为动能；频率控制器64提前切换第一变量泵/马达32、第二变量泵/马达43…第i+1变量泵/马达57…为马达工作模式并增大其摆角，使第一液压储能子系统a、第二液压储能子系统b…第i+1液压储能子系统c…分别实现对第一发电机30、第二发电机41…第i+1发电机55…的快速能量输出；通过以上方式增加风电机组有功功率输出，稳定电网28频率。
当风电机组处于部分功率运行时，只有部分发电子系统处于并网状态；在此状态下，当频率控制器64监测到电网28负荷减少时，频率控制器发送桨距角增大的控制指令给EHA变桨系统中的变频器9，变频器9控制伺服电动机8转动，伺服电动机8通过第一传动轴7驱动双向定量泵6为液压缸12提供高压油，使液压缸12推动偏心盘1调整叶片桨距角增大，使风轮14捕获风能减少；频率控制器64提前控制第一变量马达23摆角减小，使高压管路21内的压力增大，而高压管路21内的压力增大会使定量泵组18的转速升高，此时使风能更多转化为动能；频率控制器64提前切换第一变量泵/马达32、第二变量泵/马达43…第i+1变量泵/马达57…为泵工作模式并增大其摆角，使第一液压储能子系统a、第二液压储能子系统b…第i+1液压储能子系统c…分别实现对第一发电机30、第二发电机41…第i+1发电机55…的快速能量吸收；当负荷波动较大，仅通过上述控制无法有效抑制电网频率波动时，频率控制器64按照规划顺序提前控制第一电磁开关阀36、第i电磁开关阀50等开闭，使发电子系统I、第一发电子系统II…第i发电子系统Ⅱ…有序地从电网28切出。通过以上方式减少风电机组有功功率输出，稳定电网28频率。
当电网28频率在规定时间30S内恢复至50±0.2Hz后，调频结束。
当电网28频率没有在频率调整的规定时间内回到规定范围时，为了电网28和机组的安全，此时应该将机组切除电网28，待频率恢复后再并入电网28。
与现有技术相比，本发明提出的大功率等级的储能式液压型风电机组调频控制系统由多个发电子系统并联组成，这些发电子系统可以按照规划组合方案实现全功率范围内的功率平滑切换；风电机组启动风速低，传动效率高，可实现大型化。结合机组运行状况监测、风功率预测、电网频率监测等提前规划调频控制策略；通过控制叶片桨距角、切换各变量泵/马达工作模式并调整其摆角、控制各液压子系统切入切出等动作实现机组有功功率输出调整，实现对电网频率波动的抑制。
利用本发明提供的大功率等级的储能式液压型风电机组调频控制系统进行风电机组调频控制提前规划风力机桨距角、变量马达摆角、液压储能系统变量泵/马达摆角、各发电子系统切入切出，实现自适应、自组织、自学习和自协调匹配网侧频率变化，有效地抑制电网频率波动，并且弥补系统相响应滞后的不足。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种大功率等级的储能式液压型风电机组调频控制系统，其特征在于，其包括：风轮模块、液压主传动系统模块、多个发电子系统模块、电网和电网监测模块；
所述风轮模块包括激光雷达测风仪、EHA独立变桨系统和风轮，所述风轮模块与所述液压主传动系统模块同轴刚性连接；
所述液压主传动系统模块包括主传动轴、同轴定量泵组、第一转速转矩传感器、流量传感器、高压管路和低压管路；所述同轴定量泵组从所述低压管路吸油，所述同轴定量泵组的压油口通过所述高压管路向所述多个发电子系统模块输出高压油；
所述多个发电子系统模块包括一个发电子系统I和N个发电子系统II，N大于等于1，所述发电子系统I包括第一变量马达、第二传动轴、第一液压储能子系统、第三传动轴、第一发电机和第一并网系统，所述第一液压储能子系统包括第一变量泵/马达、第一气囊式蓄能器、第一活塞式蓄能器和第一氮气瓶；所述N个发电子系统II中第i发电子系统II包括第i+1变量马达、第i电磁开关阀、第3i+1传动轴、第i定量马达、第3i+2传动轴、第i+1液压储能子系统、第3i+3传动轴、第i+1发电机和第i+1并网系统，所述第i+1液压储能子系统包括第i+1变量泵/马达、第i+1气囊式蓄能器、第i+1活塞式蓄能器和第i+1氮气瓶；所述多个发电子系统模块向所述电网输送电能；
所述电网监测模块包括多功能仪表和频率控制器，所述电网监测模块实时监测所述电网负荷变化。
2.根据权利要求1所述的大功率等级的储能式液压型风电机组调频控制系统，其特征在于，所述发电子系统I通过调整所述第一变量马达的摆角实现不同流量下的发电机组的功率平滑运行，所述第一变量马达与所述第一变量泵/马达通过所述第二传动轴同轴连接，所述第一变量泵/马达与所述第一发电机通过所述第二传动轴连接，在所述第二传动轴和第三传动轴上分别设置第二转速转矩传感器和第三转速转矩传感器，所述第一变量马达的进油口与所述高压管路连接，所述第一变量马达的出油口与所述低压管路连接，所述第一变量泵/马达通过所述第三传动轴驱动所述第一发电机发电，通过所述第一并网系统输出电能到所述电网；所述第i发电子系统II中的第i+1变量马达与第i定量马达通过第3i+1传动轴同轴连接，所述第i+1变量马达与第i+1液压储能子系统中的第i+1变量泵/马达通过第3i+2传动轴同轴连接，第i+1变量泵/马达与第i+1发电机通过第3i+3传动轴同轴连接，在所述第3i+2传动轴和第3i+3传动轴上分别设置第2i+2转速转矩传感器和第2i+3转速转矩传感器，所述第i+1变量马达进油口和第i电磁开关阀的进油口与所述高压管路相连，所述第i+1变量马达和第i定量马达出油口与所述低压管路相连，所述第i电磁开关阀的出油口与第i定量马达进油口相连，所述第i+1变量泵/马达通过第3i+3传动轴驱动第i+1发电机发电，通过第i+1并网系统输出电能到所述电网。
3.根据权利要求1所述的大功率等级的储能式液压型风电机组调频控制系统，其特征在于，所述第一变量马达排量D1为0至D，第i定量马达排量Di+1为2i-1D，所述第一变量马达与定量马达的组合实现风电机组额定功率内的全功率切换；在风电机组运行过程中，液压马达总排量与流量传感器采集的流量数值相匹配。
4.根据权利要求2所述的大功率等级的储能式液压型风电机组调频控制系统，其特征在于，所述EHA独立变桨系统包括偏心盘、液压缸位移传感器、蓄能器、第一溢流阀、第一单向阀、双向定量泵、第一传动轴、伺服电动机、变频器、第二单向阀、第二溢流阀、液压缸和变桨轴承；所述频率控制器输入端分别连接所述激光雷达测风仪、第一转速转矩传感器、流量传感器、第二转速转矩传感器、第三转速转矩传感器、第2i+2转速转矩传感器、第2i+3转速转矩传感器和液压缸位移传感器；所述频率控制器输出端分别连接所述变频器、第一变量马达、第一变量泵/马达、第i+1变量马达、第i+1变量泵/马达、第i电磁开关阀。
5.根据权利要求1所述的大功率等级的储能式液压型风电机组调频控制系统，其特征在于，所述激光雷达测风仪安装在机舱顶部，所述风轮通过所述主传动轴与所述同轴定量泵组同轴刚性连接，所述主传动轴上设置第一转速转矩传感器，所述频率控制器与所述变频器输入端连接，所述变频器输出端与所述伺服电动机连接，控制所述伺服电动机转动，所述伺服电动机与所述双向定量泵通过所述第一传动轴同轴刚性连接，所述双向定量泵第一油口分别与所述第一溢流阀进油口、第一单向阀的出油口和液压缸有杆腔油口连接，所述双向定量泵第二油口分别与所述第二溢流阀进油口、第二单向阀的出油口和液压缸无杆腔油口连接，蓄能器油口分别与第一溢流阀出油口、第二溢流阀出油口、第一单向阀的进油口、第二单向阀的进油口连接，所述液压缸推杆端部与所述偏心盘非刚性连接，所述液压缸推杆上设置所述液压缸位移传感器，所述偏心盘固定在所述变桨轴承内圈上。
6.一种利用权利要求1所述的大功率等级的储能式液压型风电机组调频控制系统进行风电机组调频控制的方法，其特征在于，其包括以下步骤：
步骤1：判断风电机组是否处于额定功率运行，当风电机组处于额定功率运行时，发电子系统I和N个发电子系统II均处于并网状态，进入步骤2；当风电机组处于部分功率运行时，发电子系统I和M个发电子系统II处于并网状态，M小于N，进入步骤5；
步骤2：判断电网负荷状态是增加还是减少，当频率控制器监测到电网负荷增加时，进入步骤3；当频率控制器监测到电网负荷减少时，进入步骤4；
步骤3：频率控制器控制EHA变桨系统减小叶片桨距角，频率控制器控制第一变量马达增加摆角，频率控制器控制发电子系统I中的第一变量泵/马达和所有N个发电子系统II中的第i+1变量泵/马达工作模式为马达模式并增大各变量泵/马达摆角，增加风电机组有功功率输出，进入步骤8；
步骤4：频率控制器控制EHA变桨系统增大叶片桨距角，频率控制器控制第一变量马达减小摆角，频率控制器控制发电子系统I中的第一变量泵/马达和所有N个发电子系统II中的第i+1变量泵/马达工作模式为泵模式并增大各变量泵/马达摆角；当电网负荷波动仅通过所述控制无法抑制时，频率控制器按照规划顺序控制各发电子系统中的电磁开关阀开闭，所述规划顺序为当电网负荷减小时，各发电子系统的切换顺序按照液压马达总排量从大到小的组合顺序依次进行，为当电网负荷增加时，各发电子系统的切换顺序按照液压马达总排量从小到大的组合顺序依次进行，使各发电子系统按照规划顺序从电网切出，减少风电机组有功功率输出，进入步骤8；
步骤5：判断电网负荷状态是增加还是减少，当频率控制器监测到电网负荷增加时，进入步骤6；当频率控制器监测到电网负荷减少时，进入步骤7；
步骤6：频率控制器控制EHA变桨系统调整叶片桨距角保持在0°角，频率控制器控制第一变量马达增加摆角，频率控制器控制发电子系统I中的第一变量泵/马达和M个发电子系统II中的第i+1变量泵/马达工作模式为马达模式并增大各变量泵/马达摆角，增加风电机组有功功率输出，进入步骤8；
步骤7：频率控制器控制EHA变桨系统减小叶片桨距角，频率控制器控制第一变量马达减小摆角，频率控制器控制发电子系统I中的第一变量泵/马达和所有M个发电子系统II中的第i+1变量泵/马达工作模式为泵模式并增大各变量泵/马达摆角，当电网负荷波动仅通过所述控制无法抑制时，频率控制器按照所述规划顺序控制各发电子系统中的电磁开关阀开闭，使各发电子系统按照规划顺序从电网切出，减少风电机组有功功率输出，进入步骤8；
步骤8：判断电网频率是否在规定时间内恢复至规定范围，当电网频率在规定时间内恢复至规定范围，调频结束；当电网频率没有在规定时间内回到规定范围，进入步骤9；
步骤9：将风电机组切出电网，待频率恢复到规定范围后再并入电网。
7.根据权利要求6所述的风电机组调频控制的方法，其特征在于，所述步骤3具体为：频率控制器发送桨距角减小的控制指令给EHA变桨系统中的变频器，变频器控制伺服电动机转动，伺服电动机通过第一传动轴驱动双向定量泵为液压缸提供高压油，使液压缸推动偏心盘减小叶片桨距角，在安全范围内增加风轮捕获的风能；频率控制器控制第一变量马达增大摆角，使高压管路内的压力减小，进一步使同轴定量泵组的转速升高，增加风能向动能的转化；频率控制器切换发电子系统I中的第一变量泵/马达和所有N个发电子系统II中的第i+1变量泵/马达为马达工作模式并增大各变量泵/马达摆角，使发电子系统I中的第一液压储能子系统和N个发电子系统II中的各液压储能子系统分别实现对各自发电子系统中的第一发电机和第i+1发电机的能量输出，增加风电机组有功功率输出，稳定电网频率。
8.根据权利要求6所述的风电机组调频控制的方法，其特征在于，所述步骤4具体为：频率控制器发送桨距角增大的控制指令给EHA变桨系统中的变频器，变频器控制伺服电动机转动，伺服电动机通过第一传动轴驱动双向定量泵为液压缸提供高压油，使液压缸推动偏心盘增大叶片桨距角，减少风轮捕获的风能；频率控制器控制第一变量马达减小摆角，使高压管路内的压力增大，进一步使同轴定量泵组的转速下降，增加风能向液压能的转化；频率控制器切换发电子系统I中的第一变量泵/马达和所有N个发电子系统II中的第i+1变量泵/马达为泵工作模式并增大各变量泵/马达摆角，使发电子系统I中的第一液压储能子系统和所有N个发电子系统II中的各液压储能子系统分别实现对各自发电子系统中的第一发电机和第i+1发电机的能量吸收，减少风电机组有功功率输出，稳定电网频率。
9.根据权利要求6所述的风电机组调频控制的方法，其特征在于，所述步骤6具体为：频率控制器发送保持最小桨距角控制指令给EHA变桨系统中的变频器，变频器控制伺服电动机转动，伺服电动机驱动双向定量泵为液压缸提供高压油，使液压缸推动偏心盘调整叶片桨距角保持在0°角；频率控制器控制第一变量马达增大摆角，使高压管路内的压力减小，进一步使同轴定量泵组的转速升高，增加风能向动能的转化；频率控制器切换发电子系统I中的第一变量泵/马达和所有M个发电子系统II中的第i+1变量泵/马达为马达工作模式并增大各变量泵/马达摆角，使发电子系统I中的第一液压储能子系统和所有M个发电子系统II中的各液压储能子系统分别实现对各自发电子系统中的第一发电机和第i+1发电机的能量输出；增加风电机组有功功率输出，稳定电网频率。
10.根据权利要求6所述的风电机组调频控制的方法，其特征在于，所述步骤7具体为：频率控制器发送桨距角增大的控制指令给EHA变桨系统中的变频器，变频器控制伺服电动机转动，伺服电动机通过第一传动轴驱动双向定量泵为液压缸提供高压油，使液压缸推动偏心盘增大叶片桨距角，使风轮捕获风能减少；频率控制器控制第一变量马达减小摆角，使高压管路内的压力增大，进一步使同轴定量泵组的转速升高，增加风能向动能的转化为；频率控制器切换发电子系统Ⅰ中的第一变量泵/马达和所有M个发电子系统II中的第i+1变量泵/马达为泵工作模式并增大各变量泵/马达摆角，使发电子系统Ⅰ中的第一液压储能子系统和所有M个发电子系统II中的各液压储能子系统分别实现对各自发电子系统中的第一发电机和第i+1发电机的能量吸收，减少风电机组有功功率输出，稳定电网频率。
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