一种液压型风力发电机组低电压穿越控制系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种液压型风力发电机组低电压穿越控制系统及方法，系统包括风速传感器、风轮、转速转矩传感器、定量泵、高压管路、单向阀、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、功率控制器、泵-马达、储能油箱、蓄能器、发电机、多功能仪表和电网。在电网出现故障导致电网电压跌落时，对液压系统剩余能量实施合理分配与存储，能量分配和存储原则为变量马达摆角控制优先，在保证风轮能量存储限度的前提下，将系统中的剩余能量存储到风轮，同时对风速进行预测，为风轮转速提升预留能量存储空间。本发明通过泵-马达与蓄能器可实现剩余能量的存储，有效地避免了低电压穿越过程中能量的损失。
【专利说明】一种液压型风力发电机组低电压穿越控制系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于风力发电【技术领域】，涉及液压型风力发电机组的主传动系统，用液压传动设备以及液压控制系统代替传统的齿轮箱传动系统和直驱式传动系统，特别涉及一种基于能量存储的液压型风力发电机组低电压穿越控制系统及方法。
【背景技术】
[0002]随着环境和能源问题的日益加剧，世界各国都在努力寻求可持续发展之路。其中，风能作为可持续发展的绿色新能源，近年来受到世界各国的普遍关注，风力发电产业也因此迅速发展。
[0003]风力发电机组的传动系统主要有三种形式，分别为齿轮箱式、直驱式和液压型。
[0004]目前，工业上应用最多的是齿轮箱式风力发电机组，该机组利用增速齿轮机构实现风力机低速端向发电机高速端的转换，配合双馈异步发电机，通过控制整流、递变系统实现变速恒频。该机组技术相对成熟，但也有其不可避免的缺点，例如可靠性低、噪声大、投入和维护成本高等。
[0005]直驱式风力发电机组叶轮与永磁同步发电机直接连接，发电机通过整流器、逆变器等与电网相连。该机组省略了齿轮箱，降低了噪音，提高了机组运行可靠性，但其主要缺点是发电机极数很大，体积大，并且实现变频恒速的电子控制方法复杂。
[0006]液压型风力发电机组作为一种新型的风力发电机组，主要由风力机、定量泵-变量马达液压传动系统、励磁同步发电机和控制器四部分组成。其中，风力机与定量泵刚性连接，传动部分采用定量泵-变量马达闭式液压系统，变量马达与同步发电机同轴连接，变量马达驱动同步发电机并网发电。该机组有效地降低了机舱重量，提高了发电质量，降低了对电网的冲击。
[0007]与其他风力发电机一样，液压型风力发电机组同样需要具备低电压穿越能力，SP当电网故障或扰动引起风电场并网点的电压跌落时，在一定电压跌落的范围内，风电机组能够不间断并网运行。并向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复，直到电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间(区域)。
[0008]我国对风电机组及其低电压穿越过程提出了三点要求:1)风电机组应具有在并网点电压跌至20%额定电压时能够维持并网运行625ms的低电压穿越能力。2)风电场并网点电压在发生跌落后2s内能够恢复到额定电压的90%时，风电机组应具有不间断并网运行的能力。3)在电网故障期间没有切出电网的风力发电机组，其有功功率在故障切除后应以至少10%额定功率/秒的功率变化率恢复至故障前的状态。
[0009]目前，国内外均有相关专利对液压型风力发电机组低电压穿越控制技术进行了一系列研究。
[0010]中国专利CN200980136335.3中，挪威ChapDrive公司提出的涡轮机速度控制系统中，通过采集系统转速信号和压力信号，控制定量泵-变量马达闭式液压系统中变量马达的排量，最终实现低电压穿越。而其控制变量只有变量马达摆角，可调参数较少，控制不够灵活。
[0011]欧洲专利EP2481917A1A中，挪威ChapDrive公司提出了一种液压型风力发电机组低电压穿越控制系统。该系统通过控制变量马达摆角和流量控制阀开度实现低电压穿越。其中流量控制阀位于高压管路和低压管路之间，控制单元接收电网电压信号控制流量控制阀开口度。该方法存在变量马达摆角和流量控制阀开度两个控制变量，控制更加灵活，但在实现低电压穿越过程中，高压压力通过流量控制阀卸荷到低压管路，存在大量的能量损失。
[0012]中国专利CN103779873A中，燕山大学提出了一种双变量的液压型风力发电机组低电压穿越控制方法。当电网电压跌落时，该方法通过转速控制器控制变量马达摆角，功率控制器控制比例节流阀开度，最终实现低电压穿越。该方法存在变量马达摆角和比例节流阀两个控制变量，控制灵活，但低电压穿越过程中，比例节流阀将剩余能量以热能形式耗散，同样存在大量的能量损耗。
[0013]综上所述，现有的液压型风力发电机组低电压穿越控制方法大多在控制过程中能量损耗严重，或者控制变量单一不够灵活。为克服技术缺陷，亟需提供一种新型的液压型风力发电机组低电压穿越控制方法。
【发明内容】
[0014]针对上述现有技术缺陷，本发明所要解决的关键问题是提供一种液压型风力发电机组低电压穿越控制系统及其控制方法，用于电网出现故障导致电网电压跌落时对机组进行控制。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，同时避免了其在低电压穿越过程中，能量耗散严重以及控制变量单一的缺点。
[0015]为了解决上述存在的技术问题实现发明目的，本发明是通过以下技术方案实现的:
[0016]一种基于能量存储的液压型风力发电机组低电压穿越控制系统，包括风速传感器1、风轮2、第一转速转矩传感器3、定量泵4、高压管路5、第一单向阀6、第二单向阀7、溢流阀8、补油泵9、补油油箱10、安全阀11、流量传感器12、转速控制器13、变量马达14、功率控制器15、第二转速转矩传感器16、泵-马达17、储能油箱18、蓄能器19、第三转速转矩传感器20、发电机21、多功能仪表22、电网23和低压管路24 ；
[0017]其中:风轮2直接与定量泵4同轴连接，并在连接轴上布置第一转速转矩传感器3，风轮附近安装风速传感器I ;定量泵4进油口从低压管路24吸油，压油口通过高压管路5输出高压油，并在高压管路5布置流量传感器12 ;安全阀11跨接在高压管路5和低压管路24之间；变量马达14吸油口与高压管路4相连，其排油口与低压管路24相连，变量马达14与泵-马达17同轴相连，变量马达14与泵-马达17连接轴上安装第二转速转矩传感器16 ;泵-马达17同轴驱动发电机21发电，输入电能到电网23，泵-马达17与发电机21连接轴上安装第三转速转矩传感器20，并在发电机21与电网23之间安装多功能仪表22 ;补油泵9吸油口与补油油箱10相连，其压油口分别连接第一单向阀6和第二单向阀7的一端，第一单向阀6的另一端连接到高压管路5，第二单向阀7的另一端连接到低压管路24 ;溢流阀8跨接在补油泵压油口与补油油箱10之间；功率控制器15输入端分别连接第一转速转矩传感器3、第三转速转矩传感器20、多功能仪表22和风速传感器1，其输出端连接泵-马达17 ;转速控制器13输入端分别连接流量传感器12、第二转速转矩传感器16和多功能仪表22，其输出端连接变量马达14。
[0018]所述的一种基于能量存储的液压型风力发电机组低电压穿越控制系统的控制方法，包括以下内容:
[0019]当电网电压跌落时，首先通过转速控制器13控制变量马达14摆角:转速控制器13通过第二转速转矩传感器16采集泵-马达17的转速，流量传感器12采集高压管路5的流量，以及多功能仪表14采集电网频率和电压，然后转速控制器13输出控制信号，实现对变量马达14摆角控制，增大变量马达14的排量，使液压系统的高压压力迅速降低，从而增大定量泵4的转速，以此将剩余能量转化为风轮2的动能；
[0020]当风轮2存储能量达到设定值时，功率控制器15控制泵-马达17处于泵工况:首先，功率控制器15通过风速传感器I采集风速，第一转速转矩传感器3采集风轮转速，通过第三转速转矩传感器20采集发电机21转速，以及多功能仪表22采集发电机21输出功率和电网电压；然后，功率传感器15输出控制信号，控制泵-马达17的摆角，使泵-马达17处于泵工况，将低电压穿越过程中系统剩余能量以液压能的形式通过蓄能器19存储起来；
[0021]当故障切除后，功率控制器15控制泵-马达17于马达工况:首先，功率控制器15通过风速传感器I采集风速，第一转速转矩传感器3采集风轮转速，通过第三转速转矩传感器20采集发电机21转速，以及多功能仪表22采集发电机21输出功率和电网电压；然后，功率传感器15输出控制信号，控制泵-马达17的摆角，使泵-马达17处于马达工况，将蓄能器19中存储的液压能释放出来，使发电机有功功率以至少10%额定功率/秒的功率变化率注入电网，支撑电网恢复至故障前的状态。
[0022]本发明是由定量泵-变量马达速度控制系统和泵-马达元件功率控制系统两部分组成，使整套系统有两个可控制变量:变量马达14的摆角和泵-马达17的摆角。
[0023]本发明在电网出现故障导致电网电压跌落时，对液压系统剩余能量实施合理分配与存储。其中，能量分配和存储原则为变量马达摆角控制优先，在保证风轮能量存储限度的前提下，将系统中的剩余能量存储到风轮，同时对风速进行预测，为风轮转速提升预留能量存储空间；最后设定风轮能量存储值，当风轮存储能量达到设定值时，泵-马达元件处于泵工况，将系统中剩余的能量通过畜能器存储起来。
[0024]由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下有益效果:
[0025]I)具有两个被控变量，两者互相协调，控制更加灵活，确保低电压穿越控制过程中的快速性和可靠性；
[0026]2)通过泵-马达与蓄能器可实现剩余能量的存储，有效地避免了低电压穿越过程中能量的损失。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1表示本发明的液压原理及硬件配置系统图；
[0028]图2表示本发明的控制系统原理图；
[0029]图3表示本发明的工作流程图；
[0030]图4表示本发明的能量转化图。
【具体实施方式】
[0031]下面结合附图对本发明作进一步详细描述:
[0032]一种液压型风力发电机组低电压穿越控制方法，实现该控制方法的液压系统如图1所示，其硬件配置包括风速传感器1、风轮2、第一转速转矩传感器3、定量泵4、高压管路5、第一单向阀6、第二单向阀7、溢流阀8、补油泵9、补油油箱10、安全阀11、流量传感器12、转速控制器13、变量马达14、功率控制器15、第二转速转矩传感器16、泵-马达17、储能油箱18、蓄能器19、第三转速转矩传感器20、发电机21、多功能仪表22、电网23，低压管路24 ；
[0033]风轮2直接与定量泵4同轴连接，并在连接轴上布置第一转速转矩传感器3，风轮附近安装风速传感器I ;定量泵4进油口从低压管路24吸油，压油口通过高压管路5输出高压油，并在高压管路5布置流量传感器12 ;安全阀11跨接在高压管路5和低压管路24之间，防止高压管路5过载；变量马达14吸油口与高压管路4相连，其排油口与低压管路24相连，变量马达14与泵-马达17同轴相连，变量马达14与泵-马达17连接轴上安装第二转速转矩传感器16，泵-马达17同轴驱动发电机21发电，输入电能到电网23，泵-马达17与发电机21连接轴上安装第三转速转矩传感器20，并在电网23与发电机21之间安装多功能仪表22 ;补油泵9吸油口与补油油箱10相连，其压油口分别连接第一单向阀6和第二单向阀7的一端，第一单向阀6的另一端连接到高压管路5，第二单向阀7的另一端连接到低压管路24，进而通过高低压力管路为系统补油，溢流阀8跨接在补油泵压油口与补油油箱10之间，用于设定补油泵9出口压力；功率控制器15输入端分别连接第一转速转矩传感器3、第二转速转矩传感器20、多功能仪表22和风速传感器1，其输出端连接泵-马达17 ;转速控制器13输入端分别连接流量传感器12、第二转速转矩传感器16和多功能仪表22，其输出端连接变量马达14。
[0034]当电网电压跌落时，通过上述液压系统及硬件配置，调整变量马达14摆角和泵-马达17摆角，将系统中的剩余能量一方面以动能形式存储到风轮2，一方面通过泵-马达17将液压能存储到蓄能器19中，完成机组剩余能量的分配与存储，最终实现低电压穿越。图2所示是本发明的控制系统原理图。风轮2在风力作用下驱动定量泵4将风能转化为液压能，经过定量泵-变量马达回路传递到变量马达14，变量马达14经泵-马达17过渡后驱动发电机21并网发电到电网23。具体控制过程如下:
[0035]当电网电压跌落时，首先通过转速控制器13控制变量马达14摆角:转速控制器13通过第二转速转矩传感器16采集泵-马达17的转速，流量传感器12采集高压管路5的流量，以及多功能仪表14采集电网频率和电压，然后转速控制器13输出控制信号，实现变量马达14摆角控制，增大变量马达14的排量，使液压系统的高压压力迅速降低，从而增大定量泵4的转速，以此将剩余能量转化为风轮2的动能；当风轮2存储能量达到设定值时，功率控制器15控制泵-马达17处于泵工况:首先，功率控制器15通过风速传感器I采集风速，第一转速转矩传感器3采集风轮转速，通过第三转速转矩传感器20采集发电机21转速，以及多功能仪表22采集发电机21输出功率和电网电压；然后，功率传感器15输出控制信号，控制泵-马达17的摆角，使泵-马达17处于泵工况，将低电压穿越过程中系统剩余能量以液压能的形式通过蓄能器19存储起来；
[0036]当故障切除后，功率控制器15控制泵-马达17于马达工况:首先，功率控制器15通过风速传感器I采集风速，第一转速转矩传感器3采集风轮转速，通过第三转速转矩传感器20采集发电机21转速，以及多功能仪表22采集发电机21输出功率和电网电压。然后，功率传感器15输出控制信号，控制泵-马达17的摆角，使泵-马达17处于马达工况，将蓄能器19中存储的液压能释放出来，使发电机有功功率以至少10%额定功率/秒的功率变化率注入电网，支撑电网恢复至故障前的状态。
[0037]图3所示是本发明的工作流程图。首先，转速控制器13和功率控制器15通过多功能仪表14实时监控电网电压状态，当检测到电网任意一相电压跌落使电网电压低于额定电压的90%时，转速控制器13控制变量马达14摆角将剩余能量存储到风轮2，当风轮2存储能量达到设定值时，功率控制器15控制泵-马达17于泵工况，将系统中剩余能量以液压能的形式通过蓄能器19存储起来。
[0038]其次，功率控制器15通过多功能仪表14检测三相电网任意一相的电压是否在2s内均高于电网额定电压的90%。如果是，功率控制器15控制泵-马达17于马达工况，将蓄能器19中存储的液压能释放出来，使发电机有功功率以至少10%额定功率/秒的功率变化率注入电网，支撑电网恢复至故障前的状态，完成低电压穿越；否则，低电压穿越2s内未结束，说明此时电网发生了短时间内无法修复的故障，风力发电机组切出电网。
[0039]图4所示是本发明的能量转化图。当电网电压跌落时，发电机21输出的电磁功率下降，泵-马达元件17此时输出功率不变，此时变量马达14、泵-马达17和发电机21转速瞬时提高，产生剩余能量，若对剩余能量不加以控制，各参数都会达到安全设定值而导致风力发电机组脱网运行。低电压穿越过程中风力发电机组剩余能量一部分转化为风轮动能:转速控制器13调整变量马达14摆角，增大变量马达14的排量，使液压系统的高压压力迅速降低，从而增大定量泵4的转速，将剩余能量转化为风轮2的动能；一部分转化为液压能:功率控制器15控制泵-马达元件17于泵工况，将剩余能量转化为液压能存储在蓄能器19中，最终实现系统能量平衡。
[0040]本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.一种液压型风力发电机组低电压穿越控制系统，其特征在于:它包括风速传感器(I)、风轮(2)、第一转速转矩传感器(3)、定量泵(4)、高压管路(5)、第一单向阀￠)、第二单向阀(7)、溢流阀(8)、补油泵(9)、补油油箱(10)、安全阀(11)、流量传感器(12)、转速控制器(13)、变量马达(14)、功率控制器(15)、第二转速转矩传感器(16)、泵-马达(17)、储能油箱(18)、蓄能器(19)、第三转速转矩传感器(20)、发电机(21)、多功能仪表(22)、电网(23)和低压管路(24)； 其中:风轮(2)直接与定量泵(4)同轴连接，并在连接轴上布置第一转速转矩传感器(3)，风轮附近安装风速传感器(I);定量泵(4)进油口从低压管路(24)吸油，压油口通过高压管路(5)输出高压油，并在高压管路(5)布置流量传感器(12);安全阀(11)跨接在高压管路(5)和低压管路(24)之间；变量马达(14)吸油口与高压管路(4)相连，其排油口与低压管路(24)相连，变量马达(14)与泵-马达(17)同轴相连，变量马达(14)与泵-马达(17)连接轴上安装第二转速转矩传感器(16);泵-马达(17)同轴驱动发电机(21)发电，输入电能到电网(23)，泵-马达(17)与发电机(21)连接轴上安装第三转速转矩传感器(20)，并在发电机(21)与电网(23)之间安装多功能仪表(22);补油泵(9)吸油口与补油油箱(10)相连，其压油口分别连接第一单向阀(6)和第二单向阀(7)的一端，第一单向阀(6)的另一端连接到高压管路(5)，第二单向阀(7)的另一端连接到低压管路(24);溢流阀(8)跨接在补油泵压油口与补油油箱(10)之间；功率控制器(15)输入端分别连接第一转速转矩传感器(3)、第三转速转矩传感器(20)、多功能仪表(22)和风速传感器(1)，其输出端连接泵-马达(17);转速控制器(13)输入端分别连接流量传感器(12)、第二转速转矩传感器(16)和多功能仪表(22)，其输出端连接变量马达(14)。
2.根据权利要求1所述一种液压型风力发电机组低电压穿越控制系统的控制方法，其特征在于该方法包括以下内容: 当电网电压跌落时，首先通过转速控制器(13)控制变量马达(14)摆角:转速控制器(13)通过第二转速转矩传感器(16)采集泵-马达(17)的转速，流量传感器(12)采集高压管路(5)的流量，以及多功能仪表(14)采集电网频率和电压，然后转速控制器(13)输出控制信号，实现对变量马达(14)摆角控制，增大变量马达(14)的排量，使液压系统的高压压力迅速降低，从而增大定量泵⑷的转速，以此将剩余能量转化为风轮⑵的动能； 当风轮⑵存储能量达到设定值时，功率控制器(15)控制泵-马达(17)处于泵工况:首先，功率控制器(15)通过风速传感器(I)采集风速，第一转速转矩传感器(3)采集风轮转速，通过第三转速转矩传感器(20)采集发电机(21)转速，以及多功能仪表(22)采集发电机(21)输出功率和电网电压；然后，功率传感器(15)输出控制信号，控制泵-马达(17)的摆角，使泵-马达(17)处于泵工况，将低电压穿越过程中系统剩余能量以液压能的形式通过蓄能器(19)存储起来； 当故障切除后，功率控制器(15)控制泵-马达(17)于马达工况:首先，功率控制器(15)通过风速传感器(I)采集风速，第一转速转矩传感器(3)采集风轮转速，通过第三转速转矩传感器(20)采集发电机(21)转速，以及多功能仪表(22)采集发电机(21)输出功率和电网电压；然后，功率传感器(15)输出控制信号，控制泵-马达(17)的摆角，使泵-马达(17)处于马达工况，将蓄能器(19)中存储的液压能释放出来，使发电机有功功率以至少10%额定功率/秒的功率变化率注入电网，支撑电网恢复至故障前的状态。
【文档编号】H02J3/38GK104362669SQ201410553560
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年10月17日 优先权日:2014年10月17日
【发明者】艾超, 陈立娟, 孔祥东, 闫桂山, 林加城 申请人:燕山大学