储能式液压型风力发电机组一次调频系统及控制方法与流程

本发明属于风力发电的新能源技术领域，具体地涉及储能式液压型风力发电机组一次调频系统及控制方法。

背景技术：

近年来在大力发展绿色能源的大背景下，我国风力发电的渗透率(风电功率占区域电网功率的百分比)不断提高，风电已经成为我国电力系统的重要组成部分。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。大规模风力发电接入对电力系统规划、运行控制、保护、调度等方面提出了新的挑战，尤其是在有功功率控制方面仍存在一些问题急需解决，大规模风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。为了保证电力系统安全平稳运行，需要提高风电机组自身的调频能力。因此各并网导则都要求：当风电场的有功功率给定值低于其可用有功功率时，风电场对系统频率偏差提供一定的频率响应；当系统频率过高时，降低风电场有功功率输出；当系统频率过低时，增加风电场有功功率输出，以提高系统的频率稳定性。

目前市场主流的变速恒频风力发电机组通过电力电子设备并网，有功输出与电网频率波动解耦，需要附加控制器实现调频控制，调频容量可信度不高。

现有的一次调频控制方法根据反馈信号以及控制器的不同，可将主流双馈异步风机(dfig)机组参与一次调频的附加控制器分为惯性控制、下垂控制(或称比例控制)、转子超速控制、变桨控制以及阶跃控制等。所列的传统调频方法虽在一定程度上满足了目前风电参与调频的需求，但易受风况影响造成电网频率二次跌落、风机频繁调桨、降低了风电场的发电效益、长期超速运行降低了风能利用率和风机寿命。

液压储能系统能够为风电机组提供快速功率调节能力，提高机组的惯性，有效抑制风电功率波动的中、高频分量，参与风电机组频率调节；降低电网频率波动，减小大规模风电并网时电网的调频压力和容量需求。但是传统储能系统，无论是配置在风电机组层面上，还是在风电场层面上，只依靠储能承担风电场的有功控制和调频需求，必然会造成储能容量配置大、成本高、经济效益不好的问题。

技术实现要素：

为解决上述风电调频过程中存在的问题，结合液压储能系统的优点，本发明的目的在于提供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。

所述一次调频系统包括：风轮、联轴器、定量泵、电机、比例节流阀、溢流阀、单向阀、液压油箱、变量马达、液压蓄能器子系统及其安全阀组、励磁同步发电机、并网柜、一次调频控制器、压力传感器、流量传感器、转速转矩传感器以及液压管路。所述控制方法是：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。

为了解决上述存在的技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种储能式液压型风力发电机组一次调频系统，包括风轮1、风速风向仪2、第一联轴器3、第一转速转矩传感器4、低速大排量液压泵5、第一溢流阀6、单向阀7、第二溢流阀8、液压定量补油泵9、电机10、液压油箱11、流量传感器12、比例节流阀13、变量马达14、第一转速传感器15、第二转速转矩传感器16、第二转速传感器17、第二联轴器3.1、液压泵/马达18、压力传感器19、气囊式蓄能器20、活塞式蓄能器21、氮气瓶组22、第三转速转矩传感器23、第三联轴器3.2、励磁同步发电机24、并网柜25、一次调频控制器26及液压管路；

所述风轮1在风能的作用下通过第一联轴器3驱动低速大排量液压泵5转动向液压型风力发电机组系统中的量变马达14供高压油；低速大排量液压泵5出油口顺序连接第一溢流阀6进油口和比例节流阀13进油口；电机10与液压定量补油泵9相连；液压定量补油泵9出油口分别与单向阀7的进油口、第二溢流阀8的进油口、第一溢流阀6出油口和低速大排量液压泵5进油口连接，液压定量补油泵9进油口和第二溢流阀8出油口与液压油箱连接；单向阀7的出油口与比例节流阀13的进油口连接，液压油经过比例节流阀13出油口流至变量马达14进油口，变量马达14通过第二联轴器3.1与液压泵/马达18连接；变量泵/马达18一端与气囊式蓄能器20、活塞式蓄能器21以及氮气瓶组22连接，另一端通过第三联轴器3.2与励磁同步发电机24相连接；励磁同步发电机24与并网柜25连接；

所述风轮1在风能的作用下驱动低速大排量液压泵5转动，油液一路经第一溢流阀6在系统压力过高时打开，实现油液的流通，防止系统因压力过高而受到损坏；一路流经比例节流阀13驱动液压泵/马达18转动后，经油路l2流到低速大排量液压泵5进油口，形成液压闭式控制回路；比例节流阀13通过调节阀口开度大小实现对变量马达14输出转速的调整；单向阀7、第二溢流阀8、液压定量补油泵9以及电机10组成一个液压补油系统，及时补充液压系统中泄漏的液压油，进而保持液压系统持续工作，同时也能为液压系统中的液压油降温，提高液压元件工作性能；单向阀7能够防止液压油液出现反方向回流，第二溢流阀8的作用也是在系统压力过高时打开，实现油液的流通，能够防止系统因压力过高而受到损坏；

所述液压泵/马达18在变量马达14的推动下开始转动，进而通过第三联轴器3.2推动励磁同步发电机24转动实现液压型风力发电机组的发电，励磁同步发电机24通过与并网柜相连接，将机组发出来的电量并入电网之中，进而完成风电并网过程；气囊式蓄能器20、活塞式蓄能器21和氮气瓶组22与液压泵/马达18作用，能够在风力较大或者电网发生故障造成电网电压跌落时，吸收由风能转化而来的多余的液压能存储起来；在风力不足时，能够释放存储的液压能推动液压泵/马达18转动，从而确保液压泵/马达18的输出转速是恒定值，能够实现对液压型风电机组的一次调频，同时也能够提高机组所发电频率的稳定性；

所述风速风向仪2安装在塔筒上实时监测风速，第一、第二和第三转速转矩传感器4、16、23分别安装在第一、第二和第三联轴器3、3.1和3.2上，分别用于监测低速大排量液压泵5、变量马达14和液压泵/马达18的转速转矩；第一、第二转速传感器15、17分别安装在第二、第三联轴器3.1和3.2上，分别用于监测变量马达14和液压泵/马达18的转速；流量传感器12用于监测比例节流阀13进油口处流量大小，所有监测到的转速转矩信号、转速信号和流量信号均反馈至一次调频控制器26中，实现机组对风轮1的桨距角和变量马达14摆角的调整，配合液压储能子系统实现对机组中能量存/储的动态规划，进而实现机组输出转速的稳定，以确保所发电频率的稳定；压力传感器19用于监测液压储能子系统的实时动态压力，并将信号及时反馈至一次调频控制器26中，以确保机组工作在较为安全的环境中。

所述储能式液压型风力发电机组一次调频系统的控制方法，该方法内容包括以下步骤：

当风能或者电网频率发生波动时，基于一次调频控制器26收到的反馈信号，通过一次调频控制器26发出控制信号对系统中的液压泵/马达18进行控制，使得其能够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泵或是液压马达，对机组中能量存/储的动态规划，从而实现液压型风力发电机组的一次调频控制；

当频率在较小的范围内波动时，上述控制方法可以满足要求；若是当风力很大或者因电网故障引起的频率大幅波动，上述控制方法达不到所要求的控制目标时，在液压储能子系统中的气囊式蓄能器20、活塞式蓄能器21及氮气瓶组22的存储容量到达最大的前提条件下，则可以通过对比例节流阀13的阀口开度和变量马达14摆角进行调整，对机组中多余的能量进行分配和耗散，让多余的高压液压能以热能的形式散发掉，同时调整变量马达14的马达摆角使其工作在恒定转速值，从而确保励磁同步发电机24的输出转速稳定于恒定值，实现机组持续并网以及系统频率一次调节的功能。

与现有技术相比，本发明具有如下的优点：

(1)本发明系统用液压传动系统取代传统风力发电机组中的齿轮箱这一变速机构，使得机组的体积大为减小，且从根源上解决了齿轮箱故障率较高的问题；

(2)本发明系统仅需通过调节液压管路中液压油的流量，便可以控制变量马达及液压泵/马达的转速，实现无极调速，取代了传统机组中单纯依靠齿轮箱进行有限调速功能，从而不需要复杂而且昂贵的变流装置；

(3)本发明通过控制液压压力来实现变速恒频控制运行的方法最为简单可行，结构实施的可靠性较高；

(4)本发明系统液压储能子系统中液压泵/马达具有双向性，在机组的特定工作条件下，可实现将存储的液压能释放，也可以实现将机组中多余的高压液压能存储于其中，待需要时释放，提高了机组的工作效率和环境适应性；

(5)本发明系统选用的气囊式蓄能器容量较大，活塞式蓄能器反应迅速，而氮气瓶组价格较为低廉，三者组合在一起构成储能容量，可以同时确保液压储能系统的动作时机、参与一次调频深度以及保证了机组整体的造价不会过高，更便于实现产业化；

(6)本发明系统中以液压储能系统实现机组的一次调频控制，可以避免传统风力发电机组中因为调频而造成系统频率二次跌落等问题；

(7)本发明系统在不需要变流装置的前提条件下，便可以将励磁同步发电机的输出转速控制为恒定值，且励磁同步发电机经并网柜直接将电力并入大电网，大大简化传统风力发电机组的结构及控制策略；

(8)本发明系统中的主要构件都在地面上，便于日常检查和维护，而传统风力发电机组的主要机构在塔架上，不便于日常维修和检查。

本发明基于液压储能子系统的频率动态实时平衡，使得风力机保持的最大功率追踪点，实现风能利用最大化，避免频率的二次跌落；在机组运行过程中，液压蓄能子系统相较于风力机的惯性储能，存储的能量更多，承受更大范围的电网频率波动，最大限度保持机组并网稳定运行。

附图说明

图1为本发明实施例的储能式液压型风力发电机组一次调频系统原理简图；

图2为本发明实施例的储能式液压型风力发电机组一次调频系统控制原理图。

图中：1、风轮，2、风速风向仪，3、第一联轴器，4、第一转速转矩传感器，5、低速大排量液压泵，6、第一溢流阀，7、单向阀，8、第二溢流阀，9、液压定量补油泵，10、电机，11、液压油箱，12、流量传感器，13、比例节流阀，14、变量马达，15、第一转速传感器，16、第二转速转矩传感器,17、第二转速传感器，3.1、第二联轴器，18、液压泵/马达，19、压力传感器，20、气囊式蓄能器，21、活塞式蓄能器，22、氮气瓶组，23、第三转速转矩传感器，3.2、第三联轴器，24、励磁同步发电机，25、并网柜，26、一次调频控制器。

具体实施方案

为了便于了解本发明的具体原理及控制方法，现在通过附图进行详细地说明本发明系统的详实实施例。

一种储能式液压型风力发电机组一次调频系统，如图1所示，它包括风轮1、风速风向仪2、第一联轴器3、第一转速转矩传感器4、低速大排量液压泵5、第一溢流阀6、单向阀7、第二溢流阀8、液压定量补油泵9、电机10、液压油箱11、流量传感器12、比例节流阀13、变量马达14、第一转速传感器15、第二转速转矩传感器16、第二转速传感器17、第二联轴器3.1、液压泵/马达18、压力传感器19、气囊式蓄能器20、活塞式蓄能器21、氮气瓶组22、第三转速转矩传感器23、第三联轴器3.2、励磁同步发电机24、并网柜25、一次调频控制器26及液压管路；

所述风轮1在风能的作用下通过第一联轴器3驱动低速大排量液压泵5转动向液压型风力发电机组系统中的量变马达14供高压油；低速大排量液压泵5出油口顺序连接第一溢流阀6进油口和比例节流阀13进油口；电机10与液压定量补油泵9相连；液压定量补油泵9出油口分别与单向阀7的进油口、第二溢流阀8的进油口、第一溢流阀6出油口和低速大排量液压泵5进油口连接，液压定量补油泵9进油口和第二溢流阀8出油口与液压油箱连接；单向阀7的出油口与比例节流阀13的进油口连接，液压油经过比例节流阀13出油口流至变量马达14进油口，变量马达14通过第二联轴器3.1与液压泵/马达18连接；变量泵/马达18一端与气囊式蓄能器20、活塞式蓄能器21以及氮气瓶组22连接，另一端通过第三联轴器3.2与励磁同步发电机24相连接；励磁同步发电机24与并网柜25连接；

所述风轮1在风能的作用下驱动低速大排量液压泵5转动，油液一路经第一溢流阀6在系统压力过高时打开，实现油液的流通，防止系统因压力过高而受到损坏；一路流经比例节流阀13驱动液压泵/马达18转动后，经油路l2流到低速大排量液压泵5进油口，形成液压闭式控制回路；比例节流阀13通过调节阀口开度大小实现对变量马达14输出转速的调整；单向阀7、第二溢流阀8、液压定量补油泵9以及电机10组成一个液压补油系统，及时补充液压系统中泄漏的液压油，进而保持液压系统持续工作，同时也能为液压系统中的液压油降温，提高液压元件工作性能；单向阀7能够防止液压油液出现反方向回流，第二溢流阀8的作用也是在系统压力过高时打开，实现油液的流通，能够防止系统因压力过高而受到损坏；

所述液压泵/马达18在变量马达14的推动下开始转动，进而通过第三联轴器3.2推动励磁同步发电机24转动实现液压型风力发电机组的发电，励磁同步发电机24通过与并网柜相连接，并网柜直接啊安装在地面上，并且在励磁同步发电机24一侧；将机组发出来的电量并入电网之中，进而完成风电并网过程；气囊式蓄能器20具有容量大的优点、活塞式蓄能器21具有反应迅速动作快的优点、氮气瓶组22具有价格相对低廉的优点，它们同时与液压泵/马达18作用，能够在风力较大或者电网发生故障造成电网电压跌落时，吸收由风能转化而来的多余的液压能存储起来；在风力不足时，能够释放存储的液压能推动液压泵/马达18转动，从而确保液压泵/马达18的输出转速是恒定值，能够实现对液压型风电机组的一次调频，同时也能够提高机组所发电频率的稳定性。

所述风速风向仪2安装在塔筒上实时监测风速，第一、第二和第三转速转矩传感器4、16、23分别安装在第一、第二和第三联轴器3、3.1和3.2上，分别用于监测低速大排量液压泵5、变量马达14和液压泵/马达18的转速转矩；第一、第二转速传感器15、17分别安装在第二、第三联轴器3.1和3.2上，分别用于监测变量马达14和液压泵/马达18的转速；流量传感器12用于监测比例节流阀13进油口处流量大小，所有监测到的转速转矩信号、转速信号和流量信号均反馈至一次调频控制器26中，实现机组对风轮1的桨距角和变量马达14摆角的调整，配合液压储能子系统实现对机组中能量存/储的动态规划，进而实现机组输出转速的稳定，以确保所发电频率的稳定；压力传感器19用于监测液压储能子系统的实时动态压力，并将信号及时反馈至一次调频控制器26中，以确保机组工作在较为安全的环境中。

本发明针对不同频率调节工况下的具体工作原理进行如下说明：

(1)启动

当系统反馈至一次调频控制器26中的信号超过±0.2hz时，储能式液压型风力发电机组的一次调频系统开始启动，通过一次调频控制器26对所收到的反馈信号进行处理，在通过限幅环节、延时环节后，发出控制信号，实现调频系统的快速启动。

(2)液压储能子系统的“快放”调频

电网的负荷情况在短期内是随机的、不稳定的，当接入电网中的负荷减少或者风力很小储能式液压型风力发电机组所发电量满足不了需要时，一次调频控制器26对液压泵/马达18发出控制信号，此时液压泵/马达18用作液压马达，将之前存储在气囊式蓄能器20、活塞式蓄能器21以及氮气瓶组22中的高压液压能释放出来，和风轮1带动的低速大排量液压泵5转动产生的高压液压油一起驱动励磁同步发电机24转动，使得液压型风力发电机组在风力较小或者电网负荷较少的情况下，也保持在恒定的输出转速工作状态，实现稳定发电，保持系统的频率稳定。

(3)液压储能子系统的“快冲”调频

液压泵/马达18具有双向性，可以实现对气囊式蓄能器20、活塞式蓄能器21和氮气瓶组22容量的快速注入。当电网发生故障时造成电网电压跌落或者风力较大储能式液压型风力发电机组所发电量超过需要时，一次调频控制器26对液压泵/马达18发出控制信号，此时液压泵/马达18用作液压泵，将机组转换的多余的风能以高压液压能的形式存储在气囊式蓄能器20、活塞式蓄能器21以及氮气瓶组22中，从而保证励磁同步发电机24工作在恒定转速下，实现稳定发电，保持系统的频率稳定。

(4)液压系统的节流调频

在保证气囊式蓄能器20、活塞式蓄能器21和氮气瓶组22的存储容量达到额定值的前提条件下，通过一次调频控制器26发出控制信号，可以通过调节比例节流阀13的阀口开度大小实现液压系统的节流作用，将机组内部多余的、无法储存在液压储能子系统中的能量以转化成热能的形式散发掉，也使得到达变量马达14入口处的高压油液减少。同时，通过一次调频控制器26发出控制信号，对变量马达14的马达摆角进行调整，使得变量马达14的输出转速稳定在恒定值，进一步实现了对机组中多余能量的处理，保证了储能式液压型风力发电机组在各种工况下的一次调频能力。

(5)停机

根据系统实时反馈至一次调频控制器26中的信号，由一次调频控制器26作出分析，当频率的波动控制在±0.2hz之内的时候，一次调频控制器26只监测液压型风力发电机组中传感器元件输入的监测信号，而不对比例节流阀13、变量马达14、液压泵/马达18等机组中的元件发出控制信号，即储能式液压型风力发电机组的一次调频系统停机。

上述的工况中，单向阀7、第二溢流阀8、液压定量补油泵9、电机10组成一个液压补油系统，及时补充液压系统中泄漏的液压油，进而保持系统持续工作，同时也可为系统中的液压油降温，提高液压元件工作性能；单向阀7可防止放压油液出现反方向回流，第二溢流阀8的作用是当液压系统压力过高时打开，实现油液的流通，可防止液压系统因压力过高而受到损坏。

如图2所示，详细说明本发明的控制方法：

当风能或者电网频率发生波动时，基于一次调频控制器26收到的反馈信号，通过一次调频控制器26发出控制信号对系统中的液压泵/马达18进行控制，使得其可以根据液压型风力发电机组所处的不同工况条件下，用作液压泵或是液压马达，从而实现液压型风力发电机组的一次调频控制。

当频率在较小的范围内波动时，上述控制方法可以满足要求。若是当风力很大或者因电网故障引起的频率波动很大，上述控制方法达不到所要求的控制目标时，在液压储能子系统中的气囊式蓄能器20、活塞式蓄能器21及氮气瓶组22的存储容量到达最大的前提条件下，则可以通过对比例节流阀13的阀口开度和变量马达14摆角进行调整，对机组中多余的能量进行分配和耗散，让多余的高压液压能以热能的形式散发掉，同时调整变量马达14的马达摆角使其工作在恒定转速值，从而确保励磁同步发电机24的输出转速稳定于恒定值，实现机组持续并网以及系统频率的一次调节的控制。

液压储能系统能够为风电机组提供快速功率调节能力，提高机组的惯性，有效抑制风电功率波动的中、高频分量，参与风电机组频率调节；降低电网频率波动，减小大规模风电并网时电网的调频压力和容量需求。但是传统储能系统，无论是配置在风电机组层面上，还是在风电场层面上，只依靠储能承担风电场的有功控制和调频需求，必然会造成储能容量配置大、成本高、经济效益不好的问题。