一種液壓型風力發電機組低電壓穿越控制系統及方法
【專利摘要】本發明公開了一種液壓型風力發電機組低電壓穿越控制系統及方法，系統包括風速傳感器、風輪、轉速轉矩傳感器、定量泵、高壓管路、單向閥、溢流閥、補油泵、補油油箱、安全閥、流量傳感器、轉速控制器、變量馬達、功率控制器、泵-馬達、儲能油箱、蓄能器、發電機、多功能儀表和電網。在電網出現故障導致電網電壓跌落時，對液壓系統剩余能量實施合理分配與存儲，能量分配和存儲原則為變量馬達擺角控制優先，在保證風輪能量存儲限度的前提下，將系統中的剩余能量存儲到風輪，同時對風速進行預測，為風輪轉速提升預留能量存儲空間。本發明通過泵-馬達與蓄能器可實現剩余能量的存儲，有效地避免了低電壓穿越過程中能量的損失。
【專利說明】一種液壓型風力發電機組低電壓穿越控制系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于風力發電【技術領域】，涉及液壓型風力發電機組的主傳動系統，用液壓傳動設備以及液壓控制系統代替傳統的齒輪箱傳動系統和直驅式傳動系統，特別涉及一種基于能量存儲的液壓型風力發電機組低電壓穿越控制系統及方法。
【背景技術】
[0002]隨著環境和能源問題的日益加劇，世界各國都在努力尋求可持續發展之路。其中，風能作為可持續發展的綠色新能源，近年來受到世界各國的普遍關注，風力發電產業也因此迅速發展。
[0003]風力發電機組的傳動系統主要有三種形式，分別為齒輪箱式、直驅式和液壓型。
[0004]目前，工業上應用最多的是齒輪箱式風力發電機組，該機組利用增速齒輪機構實現風力機低速端向發電機高速端的轉換，配合雙饋異步發電機，通過控制整流、遞變系統實現變速恒頻。該機組技術相對成熟，但也有其不可避免的缺點，例如可靠性低、噪聲大、投入和維護成本高等。
[0005]直驅式風力發電機組葉輪與永磁同步發電機直接連接，發電機通過整流器、逆變器等與電網相連。該機組省略了齒輪箱，降低了噪音，提高了機組運行可靠性，但其主要缺點是發電機極數很大，體積大，并且實現變頻恒速的電子控制方法復雜。
[0006]液壓型風力發電機組作為一種新型的風力發電機組，主要由風力機、定量泵-變量馬達液壓傳動系統、勵磁同步發電機和控制器四部分組成。其中，風力機與定量泵剛性連接，傳動部分采用定量泵-變量馬達閉式液壓系統，變量馬達與同步發電機同軸連接，變量馬達驅動同步發電機并網發電。該機組有效地降低了機艙重量，提高了發電質量，降低了對電網的沖擊。
[0007]與其他風力發電機一樣，液壓型風力發電機組同樣需要具備低電壓穿越能力，SP當電網故障或擾動引起風電場并網點的電壓跌落時，在一定電壓跌落的范圍內，風電機組能夠不間斷并網運行。并向電網提供一定的無功功率，支持電網恢復，直到電網恢復正常，從而“穿越”這個低電壓時間(區域)。
[0008]我國對風電機組及其低電壓穿越過程提出了三點要求:1)風電機組應具有在并網點電壓跌至20%額定電壓時能夠維持并網運行625ms的低電壓穿越能力。2)風電場并網點電壓在發生跌落后2s內能夠恢復到額定電壓的90%時，風電機組應具有不間斷并網運行的能力。3)在電網故障期間沒有切出電網的風力發電機組，其有功功率在故障切除后應以至少10%額定功率/秒的功率變化率恢復至故障前的狀態。
[0009]目前，國內外均有相關專利對液壓型風力發電機組低電壓穿越控制技術進行了一系列研究。
[0010]中國專利CN200980136335.3中，挪威ChapDrive公司提出的渦輪機速度控制系統中，通過采集系統轉速信號和壓力信號，控制定量泵-變量馬達閉式液壓系統中變量馬達的排量，最終實現低電壓穿越。而其控制變量只有變量馬達擺角，可調參數較少，控制不夠靈活。
[0011]歐洲專利EP2481917A1A中，挪威ChapDrive公司提出了一種液壓型風力發電機組低電壓穿越控制系統。該系統通過控制變量馬達擺角和流量控制閥開度實現低電壓穿越。其中流量控制閥位于高壓管路和低壓管路之間，控制單元接收電網電壓信號控制流量控制閥開口度。該方法存在變量馬達擺角和流量控制閥開度兩個控制變量，控制更加靈活，但在實現低電壓穿越過程中，高壓壓力通過流量控制閥卸荷到低壓管路，存在大量的能量損失。
[0012]中國專利CN103779873A中，燕山大學提出了一種雙變量的液壓型風力發電機組低電壓穿越控制方法。當電網電壓跌落時，該方法通過轉速控制器控制變量馬達擺角，功率控制器控制比例節流閥開度，最終實現低電壓穿越。該方法存在變量馬達擺角和比例節流閥兩個控制變量，控制靈活，但低電壓穿越過程中，比例節流閥將剩余能量以熱能形式耗散，同樣存在大量的能量損耗。
[0013]綜上所述，現有的液壓型風力發電機組低電壓穿越控制方法大多在控制過程中能量損耗嚴重，或者控制變量單一不夠靈活。為克服技術缺陷，亟需提供一種新型的液壓型風力發電機組低電壓穿越控制方法。
【發明內容】
[0014]針對上述現有技術缺陷，本發明所要解決的關鍵問題是提供一種液壓型風力發電機組低電壓穿越控制系統及其控制方法，用于電網出現故障導致電網電壓跌落時對機組進行控制。該控制方法具備傳統液壓型風力發電機組傳動靈活、可靠性高的優點，同時避免了其在低電壓穿越過程中，能量耗散嚴重以及控制變量單一的缺點。
[0015]為了解決上述存在的技術問題實現發明目的，本發明是通過以下技術方案實現的:
[0016]一種基于能量存儲的液壓型風力發電機組低電壓穿越控制系統，包括風速傳感器1、風輪2、第一轉速轉矩傳感器3、定量泵4、高壓管路5、第一單向閥6、第二單向閥7、溢流閥8、補油泵9、補油油箱10、安全閥11、流量傳感器12、轉速控制器13、變量馬達14、功率控制器15、第二轉速轉矩傳感器16、泵-馬達17、儲能油箱18、蓄能器19、第三轉速轉矩傳感器20、發電機21、多功能儀表22、電網23和低壓管路24 ；
[0017]其中:風輪2直接與定量泵4同軸連接，并在連接軸上布置第一轉速轉矩傳感器3，風輪附近安裝風速傳感器I ;定量泵4進油口從低壓管路24吸油，壓油口通過高壓管路5輸出高壓油，并在高壓管路5布置流量傳感器12 ;安全閥11跨接在高壓管路5和低壓管路24之間；變量馬達14吸油口與高壓管路4相連，其排油口與低壓管路24相連，變量馬達14與泵-馬達17同軸相連，變量馬達14與泵-馬達17連接軸上安裝第二轉速轉矩傳感器16 ;泵-馬達17同軸驅動發電機21發電，輸入電能到電網23，泵-馬達17與發電機21連接軸上安裝第三轉速轉矩傳感器20，并在發電機21與電網23之間安裝多功能儀表22 ;補油泵9吸油口與補油油箱10相連，其壓油口分別連接第一單向閥6和第二單向閥7的一端，第一單向閥6的另一端連接到高壓管路5，第二單向閥7的另一端連接到低壓管路24 ;溢流閥8跨接在補油泵壓油口與補油油箱10之間；功率控制器15輸入端分別連接第一轉速轉矩傳感器3、第三轉速轉矩傳感器20、多功能儀表22和風速傳感器1，其輸出端連接泵-馬達17 ;轉速控制器13輸入端分別連接流量傳感器12、第二轉速轉矩傳感器16和多功能儀表22，其輸出端連接變量馬達14。
[0018]所述的一種基于能量存儲的液壓型風力發電機組低電壓穿越控制系統的控制方法，包括以下內容:
[0019]當電網電壓跌落時，首先通過轉速控制器13控制變量馬達14擺角:轉速控制器13通過第二轉速轉矩傳感器16采集泵-馬達17的轉速，流量傳感器12采集高壓管路5的流量，以及多功能儀表14采集電網頻率和電壓，然后轉速控制器13輸出控制信號，實現對變量馬達14擺角控制，增大變量馬達14的排量，使液壓系統的高壓壓力迅速降低，從而增大定量泵4的轉速，以此將剩余能量轉化為風輪2的動能；
[0020]當風輪2存儲能量達到設定值時，功率控制器15控制泵-馬達17處于泵工況:首先，功率控制器15通過風速傳感器I采集風速，第一轉速轉矩傳感器3采集風輪轉速，通過第三轉速轉矩傳感器20采集發電機21轉速，以及多功能儀表22采集發電機21輸出功率和電網電壓；然后，功率傳感器15輸出控制信號，控制泵-馬達17的擺角，使泵-馬達17處于泵工況，將低電壓穿越過程中系統剩余能量以液壓能的形式通過蓄能器19存儲起來；
[0021]當故障切除后，功率控制器15控制泵-馬達17于馬達工況:首先，功率控制器15通過風速傳感器I采集風速，第一轉速轉矩傳感器3采集風輪轉速，通過第三轉速轉矩傳感器20采集發電機21轉速，以及多功能儀表22采集發電機21輸出功率和電網電壓；然后，功率傳感器15輸出控制信號，控制泵-馬達17的擺角，使泵-馬達17處于馬達工況，將蓄能器19中存儲的液壓能釋放出來，使發電機有功功率以至少10%額定功率/秒的功率變化率注入電網，支撐電網恢復至故障前的狀態。
[0022]本發明是由定量泵-變量馬達速度控制系統和泵-馬達元件功率控制系統兩部分組成，使整套系統有兩個可控制變量:變量馬達14的擺角和泵-馬達17的擺角。
[0023]本發明在電網出現故障導致電網電壓跌落時，對液壓系統剩余能量實施合理分配與存儲。其中，能量分配和存儲原則為變量馬達擺角控制優先，在保證風輪能量存儲限度的前提下，將系統中的剩余能量存儲到風輪，同時對風速進行預測，為風輪轉速提升預留能量存儲空間；最后設定風輪能量存儲值，當風輪存儲能量達到設定值時，泵-馬達元件處于泵工況，將系統中剩余的能量通過畜能器存儲起來。
[0024]由于采用上述技術方案，本發明與現有技術相比具有如下有益效果:
[0025]I)具有兩個被控變量，兩者互相協調，控制更加靈活，確保低電壓穿越控制過程中的快速性和可靠性；
[0026]2)通過泵-馬達與蓄能器可實現剩余能量的存儲，有效地避免了低電壓穿越過程中能量的損失。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]圖1表示本發明的液壓原理及硬件配置系統圖；
[0028]圖2表示本發明的控制系統原理圖；
[0029]圖3表示本發明的工作流程圖；
[0030]圖4表示本發明的能量轉化圖。
【具體實施方式】
[0031]下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述:
[0032]一種液壓型風力發電機組低電壓穿越控制方法，實現該控制方法的液壓系統如圖1所示，其硬件配置包括風速傳感器1、風輪2、第一轉速轉矩傳感器3、定量泵4、高壓管路5、第一單向閥6、第二單向閥7、溢流閥8、補油泵9、補油油箱10、安全閥11、流量傳感器12、轉速控制器13、變量馬達14、功率控制器15、第二轉速轉矩傳感器16、泵-馬達17、儲能油箱18、蓄能器19、第三轉速轉矩傳感器20、發電機21、多功能儀表22、電網23，低壓管路24 ；
[0033]風輪2直接與定量泵4同軸連接，并在連接軸上布置第一轉速轉矩傳感器3，風輪附近安裝風速傳感器I ;定量泵4進油口從低壓管路24吸油，壓油口通過高壓管路5輸出高壓油，并在高壓管路5布置流量傳感器12 ;安全閥11跨接在高壓管路5和低壓管路24之間，防止高壓管路5過載；變量馬達14吸油口與高壓管路4相連，其排油口與低壓管路24相連，變量馬達14與泵-馬達17同軸相連，變量馬達14與泵-馬達17連接軸上安裝第二轉速轉矩傳感器16，泵-馬達17同軸驅動發電機21發電，輸入電能到電網23，泵-馬達17與發電機21連接軸上安裝第三轉速轉矩傳感器20，并在電網23與發電機21之間安裝多功能儀表22 ;補油泵9吸油口與補油油箱10相連，其壓油口分別連接第一單向閥6和第二單向閥7的一端，第一單向閥6的另一端連接到高壓管路5，第二單向閥7的另一端連接到低壓管路24，進而通過高低壓力管路為系統補油，溢流閥8跨接在補油泵壓油口與補油油箱10之間，用于設定補油泵9出口壓力；功率控制器15輸入端分別連接第一轉速轉矩傳感器3、第二轉速轉矩傳感器20、多功能儀表22和風速傳感器1，其輸出端連接泵-馬達17 ;轉速控制器13輸入端分別連接流量傳感器12、第二轉速轉矩傳感器16和多功能儀表22，其輸出端連接變量馬達14。
[0034]當電網電壓跌落時，通過上述液壓系統及硬件配置，調整變量馬達14擺角和泵-馬達17擺角，將系統中的剩余能量一方面以動能形式存儲到風輪2，一方面通過泵-馬達17將液壓能存儲到蓄能器19中，完成機組剩余能量的分配與存儲，最終實現低電壓穿越。圖2所示是本發明的控制系統原理圖。風輪2在風力作用下驅動定量泵4將風能轉化為液壓能，經過定量泵-變量馬達回路傳遞到變量馬達14，變量馬達14經泵-馬達17過渡后驅動發電機21并網發電到電網23。具體控制過程如下:
[0035]當電網電壓跌落時，首先通過轉速控制器13控制變量馬達14擺角:轉速控制器13通過第二轉速轉矩傳感器16采集泵-馬達17的轉速，流量傳感器12采集高壓管路5的流量，以及多功能儀表14采集電網頻率和電壓，然后轉速控制器13輸出控制信號，實現變量馬達14擺角控制，增大變量馬達14的排量，使液壓系統的高壓壓力迅速降低，從而增大定量泵4的轉速，以此將剩余能量轉化為風輪2的動能；當風輪2存儲能量達到設定值時，功率控制器15控制泵-馬達17處于泵工況:首先，功率控制器15通過風速傳感器I采集風速，第一轉速轉矩傳感器3采集風輪轉速，通過第三轉速轉矩傳感器20采集發電機21轉速，以及多功能儀表22采集發電機21輸出功率和電網電壓；然后，功率傳感器15輸出控制信號，控制泵-馬達17的擺角，使泵-馬達17處于泵工況，將低電壓穿越過程中系統剩余能量以液壓能的形式通過蓄能器19存儲起來；
[0036]當故障切除后，功率控制器15控制泵-馬達17于馬達工況:首先，功率控制器15通過風速傳感器I采集風速，第一轉速轉矩傳感器3采集風輪轉速，通過第三轉速轉矩傳感器20采集發電機21轉速，以及多功能儀表22采集發電機21輸出功率和電網電壓。然后，功率傳感器15輸出控制信號，控制泵-馬達17的擺角，使泵-馬達17處于馬達工況，將蓄能器19中存儲的液壓能釋放出來，使發電機有功功率以至少10%額定功率/秒的功率變化率注入電網，支撐電網恢復至故障前的狀態。
[0037]圖3所示是本發明的工作流程圖。首先，轉速控制器13和功率控制器15通過多功能儀表14實時監控電網電壓狀態，當檢測到電網任意一相電壓跌落使電網電壓低于額定電壓的90%時，轉速控制器13控制變量馬達14擺角將剩余能量存儲到風輪2，當風輪2存儲能量達到設定值時，功率控制器15控制泵-馬達17于泵工況，將系統中剩余能量以液壓能的形式通過蓄能器19存儲起來。
[0038]其次，功率控制器15通過多功能儀表14檢測三相電網任意一相的電壓是否在2s內均高于電網額定電壓的90%。如果是，功率控制器15控制泵-馬達17于馬達工況，將蓄能器19中存儲的液壓能釋放出來，使發電機有功功率以至少10%額定功率/秒的功率變化率注入電網，支撐電網恢復至故障前的狀態，完成低電壓穿越；否則，低電壓穿越2s內未結束，說明此時電網發生了短時間內無法修復的故障，風力發電機組切出電網。
[0039]圖4所示是本發明的能量轉化圖。當電網電壓跌落時，發電機21輸出的電磁功率下降，泵-馬達元件17此時輸出功率不變，此時變量馬達14、泵-馬達17和發電機21轉速瞬時提高，產生剩余能量，若對剩余能量不加以控制，各參數都會達到安全設定值而導致風力發電機組脫網運行。低電壓穿越過程中風力發電機組剩余能量一部分轉化為風輪動能:轉速控制器13調整變量馬達14擺角，增大變量馬達14的排量，使液壓系統的高壓壓力迅速降低，從而增大定量泵4的轉速，將剩余能量轉化為風輪2的動能；一部分轉化為液壓能:功率控制器15控制泵-馬達元件17于泵工況，將剩余能量轉化為液壓能存儲在蓄能器19中，最終實現系統能量平衡。
[0040]本發明的保護范圍由權利要求書限定。本領域技術人員可以在本發明的實質和保護范圍內，對本發明做出各種修改或等同替換，這種修改或等同替換也應視為落在本發明的保護范圍內。
【權利要求】
1.一種液壓型風力發電機組低電壓穿越控制系統，其特征在于:它包括風速傳感器(I)、風輪(2)、第一轉速轉矩傳感器(3)、定量泵(4)、高壓管路(5)、第一單向閥￠)、第二單向閥(7)、溢流閥(8)、補油泵(9)、補油油箱(10)、安全閥(11)、流量傳感器(12)、轉速控制器(13)、變量馬達(14)、功率控制器(15)、第二轉速轉矩傳感器(16)、泵-馬達(17)、儲能油箱(18)、蓄能器(19)、第三轉速轉矩傳感器(20)、發電機(21)、多功能儀表(22)、電網(23)和低壓管路(24)； 其中:風輪(2)直接與定量泵(4)同軸連接，并在連接軸上布置第一轉速轉矩傳感器(3)，風輪附近安裝風速傳感器(I);定量泵(4)進油口從低壓管路(24)吸油，壓油口通過高壓管路(5)輸出高壓油，并在高壓管路(5)布置流量傳感器(12);安全閥(11)跨接在高壓管路(5)和低壓管路(24)之間；變量馬達(14)吸油口與高壓管路(4)相連，其排油口與低壓管路(24)相連，變量馬達(14)與泵-馬達(17)同軸相連，變量馬達(14)與泵-馬達(17)連接軸上安裝第二轉速轉矩傳感器(16);泵-馬達(17)同軸驅動發電機(21)發電，輸入電能到電網(23)，泵-馬達(17)與發電機(21)連接軸上安裝第三轉速轉矩傳感器(20)，并在發電機(21)與電網(23)之間安裝多功能儀表(22);補油泵(9)吸油口與補油油箱(10)相連，其壓油口分別連接第一單向閥(6)和第二單向閥(7)的一端，第一單向閥(6)的另一端連接到高壓管路(5)，第二單向閥(7)的另一端連接到低壓管路(24);溢流閥(8)跨接在補油泵壓油口與補油油箱(10)之間；功率控制器(15)輸入端分別連接第一轉速轉矩傳感器(3)、第三轉速轉矩傳感器(20)、多功能儀表(22)和風速傳感器(1)，其輸出端連接泵-馬達(17);轉速控制器(13)輸入端分別連接流量傳感器(12)、第二轉速轉矩傳感器(16)和多功能儀表(22)，其輸出端連接變量馬達(14)。
2.根據權利要求1所述一種液壓型風力發電機組低電壓穿越控制系統的控制方法，其特征在于該方法包括以下內容: 當電網電壓跌落時，首先通過轉速控制器(13)控制變量馬達(14)擺角:轉速控制器(13)通過第二轉速轉矩傳感器(16)采集泵-馬達(17)的轉速，流量傳感器(12)采集高壓管路(5)的流量，以及多功能儀表(14)采集電網頻率和電壓，然后轉速控制器(13)輸出控制信號，實現對變量馬達(14)擺角控制，增大變量馬達(14)的排量，使液壓系統的高壓壓力迅速降低，從而增大定量泵⑷的轉速，以此將剩余能量轉化為風輪⑵的動能； 當風輪⑵存儲能量達到設定值時，功率控制器(15)控制泵-馬達(17)處于泵工況:首先，功率控制器(15)通過風速傳感器(I)采集風速，第一轉速轉矩傳感器(3)采集風輪轉速，通過第三轉速轉矩傳感器(20)采集發電機(21)轉速，以及多功能儀表(22)采集發電機(21)輸出功率和電網電壓；然后，功率傳感器(15)輸出控制信號，控制泵-馬達(17)的擺角，使泵-馬達(17)處于泵工況，將低電壓穿越過程中系統剩余能量以液壓能的形式通過蓄能器(19)存儲起來； 當故障切除后，功率控制器(15)控制泵-馬達(17)于馬達工況:首先，功率控制器(15)通過風速傳感器(I)采集風速，第一轉速轉矩傳感器(3)采集風輪轉速，通過第三轉速轉矩傳感器(20)采集發電機(21)轉速，以及多功能儀表(22)采集發電機(21)輸出功率和電網電壓；然后，功率傳感器(15)輸出控制信號，控制泵-馬達(17)的擺角，使泵-馬達(17)處于馬達工況，將蓄能器(19)中存儲的液壓能釋放出來，使發電機有功功率以至少10%額定功率/秒的功率變化率注入電網，支撐電網恢復至故障前的狀態。
【文檔編號】H02J3/38GK104362669SQ201410553560
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年10月17日 優先權日:2014年10月17日
【發明者】艾超, 陳立娟, 孔祥東, 閆桂山, 林加城 申請人:燕山大學