CN114483456A - 一种储能式液压型风力发电机组并网转速控制***和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种储能式液压型风力发电机组并网转速控制***和方法，其中***包括风力机装置、液压传动装置、液压储能装置以及并网发电装置；所述风力机装置与液压传动装置、液压传动装置与液压储能装置、液压储能装置与并网发电装置为同轴刚性连接。本发明采用液压储能装置，可以缓冲电压突变带来的冲击，保证设备不脱网连续运行的能力；同时，液压储能装置能够对***中输入的能量进行实时调控，从根源上协调能量的调配，既避免了多余的能量损坏，也将多余能量物尽其用，在泵控况下吸收能量，在马达工况下输出能量；省去传统的风速传感器和流量传感器，***灵活性更高，节省了设备成本。
Description
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，尤其涉及一种储能式液压型风力发电机组并网转速控制***和方法。
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***惯量的缺失，影响***频率稳定性。为了保证电力***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。
美国专利US09347430B2中记载的风力发电机自适应俯仰控制***。风力发电机的自适应变桨距控制***用于变速双馈感应发电机(DFIG)***。一个自适应神经网络产生优化的控制器增益的俯仰控制。俯仰控制器参数的智能差分进化，遗传算法的一种类型产生。一个反向传播神经网络的训练使用所生成的俯仰控制器参数，从而调整网络的权重，根据***状态在一个可变的风速环境。所述风能发电机是双馈感应发电机(DFIG)，常数K和适于连接到桨距伺服机的输出，PI桨距控制器输出包括向桨距舵机发送桨距命令以控制桨距角度的装置；反向传播神经网络(BPNN)具有对所述多个信号路径施加的信号。但是该方法采用BP神经网络，该网络是全局逼近网络，每一次样本学习都要重新调整网络的所有权值，收敛速度慢，易于陷入局部极小，很难满足控制***的高度实时性要求。
中国专利CN113357083A中记载的一种风力发电机组智能控制***及方法。该方法包括相互通信连接的多个边缘计算子***和至少一个风场级计算子***，各所述边缘计算子***分别通信连接有至少一主控装置；各所述主控装置与各所述边缘计算子***和风场级计算子***进行通信交互数据，并将各所述边缘计算子***和风场级计算子***的算法模型运算结果反馈至各所述主控装置，以对各所述主控装置对应的风机进行智能化控制和运行状态调整，以达到风电智能化控制，通过对风机多维数据进行采集和处理，基于风机和风场内部署的算法模型实现风机的智能化控制和状态调整，完成智能算法。该方法仍然使用大量传统传感器，造价昂贵，使用方法比较繁琐。
综上所述，现有的储能式液压型风力发电机组并网转速控制方法大多在控制过程中不能从根源上解决***外界扰动所产生的问题。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供一种储能式液压型风力发电机组并网转速控制***和方法。
第一方面，本发明提供一种储能式液压型风力发电机组并网转速控制***，包括风力机装置、液压传动装置、液压储能装置以及并网发电装置；所述风力机装置与液压传动装置、液压传动装置与液压储能装置、液压储能装置与并网发电装置为同轴刚性连接；
所述风力机装置包括风速预测器、风轮和第一传动轴；所述风轮与第一传动轴传动连接，所述风速预测器位于所述风轮远离所述第一传动轴的一侧；
所述液压传动装置包括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、流量控制器、转速控制器、变量马达、第二转速转矩传感器、低压管路和功率控制器；
所述液压储能装置包括变量泵马达、蓄能器和储能***油箱；
所述并网发电装置包括发电机、并网柜和电网；
所述第一转速转矩传感器设置于所述第一传动轴上；所述定量泵的主轴与第一传动轴远离所述风轮的一端传动连接；所述定量泵的进油口通过所述低压管路从所述补油油箱吸油，压油口通过所述高压管路输出高压油；所述高压管路上设置有所述流量控制器；所述第一单向阀的出口端连通所述高压管路，进口端连通所述第二单向阀的进口端；所述第二单向阀的出口端连通所述低压管路；所述第一溢流阀的两端分别连接所述补油泵的压油口和补油油箱；所述补油泵的压油口分别连接所述第一单向阀的进口端和第二单向阀的进口端，吸油口连接所述补油油箱；所述安全阀的两端分别连接所述高压管路和低压管路；所述转速控制器的输入端分别连接所述所述流量控制器、第二转速转矩传感器和并网柜，输出端连接所述变量马达；所述变量马达的吸油口与所述高压管路连接，排油口与所述低压管路连接；所述变量马达的主轴通过第二传动轴同轴连接所述发电机的主轴；所述发电机发电输入电能至所述电网；所述发电机与电网之间安装有所述并网柜；所述第二转速转矩传感器安装在所述第二传动轴上；所述变量泵马达连接所述储能***油箱，通过储能管路连接所述蓄能器，以使所述蓄能器在不同状态下储能和放能；所述功率控制器的输入端分别连接所述风速预测器、第一转速转矩传感器、第二转速转矩传感器和并网柜，输出端连接所述变量泵马达。
第二方面，本发明提供一种储能式液压型风力发电机组并网转速控制方法，应用于第一方面所述的储能式液压型风力发电机组并网转速控制***，所述控制方法包括：
储能式液压型风力发电机组受到扰动时，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，流量控制器采集高压管路的流量，并网柜采集电网的频率和电压，然后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控制，改变变量马达的排量，使液压传动部分高压管路内的高压油的油压也产生相应的变化，从而改变定量泵的转速，将存储于风力机中的能量释放出来；
功率控制器通过风速预测器采集风速，第一转速转矩传感器采集风轮转速，输出叶轮转矩，第二转速转矩传感器采集发电机转矩，并网柜采集发电机输出功率和电网电压，然后功率控制器输出控制信号给液压储能装置的变量泵马达，使变量泵马达处于马达工况，向蓄能器输入高压油，功率控制器通过控制变量泵马达摆角增大，进而使蓄能器中的能量快速释放；
当扰动消除后，转速控制器规划变量马达的排量，功率控制器同时规划液压储能***变量泵马达的排量动作指令，使得变量泵马达在马达工况下进行储能放能，调整机组的输出功率，动态地向电网注入功率来实现网侧频率响应。
本发明提供一种储能式液压型风力发电机组并网转速控制***和方法，其中***包括风力机装置、液压传动装置、液压储能装置以及并网发电装置；所述风力机装置与液压传动装置、液压传动装置与液压储能装置、液压储能装置与并网发电装置为同轴刚性连接。本发明采用液压储能装置，可以缓冲电压突变带来的冲击，保证设备不脱网连续运行的能力；同时，液压储能装置能够对***中输入的能量进行实时调控，从根源上协调能量的调配，既避免了多余的能量损坏，也将多余能量物尽其用，在泵控况下吸收能量，在马达工况下输出能量；省去传统的风速传感器和流量传感器，***灵活性更高，节省了设备成本。此外，其区别于传统智能控制算法增加了算法模型运行结果参与控制的实时性和有效性，避免了风场数据泄露的风险，节省了数据外发的网络传输成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例部分提供的一种储能式液压型风力发电机组并网转速控制***的结构示意图；
图2为本发明实施例部分提供的一种储能式液压型风力发电机组并网转速控制方法的工作流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例部分提供一种储能式液压型风力发电机组并网转速控制***，包括风力机装置、液压传动装置、液压储能装置以及并网发电装置；所述风力机装置与液压传动装置、液压传动装置与液压储能装置、液压储能装置与并网发电装置为同轴刚性连接；
所述风力机装置包括风速预测器1、风轮2和第一传动轴3；所述风轮2与第一传动轴3传动连接，所述风速预测器1位于所述风轮2远离所述第一传动轴3的一侧；
所述液压传动装置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、流量控制器13、转速控制器14、变量马达15、第二转速转矩传感器16、低压管路24和功率控制器25；
所述液压储能装置包括变量泵马达17、蓄能器18和储能***油箱19；
所述并网发电装置包括发电机20、并网柜21和电网22；
所述第一转速转矩传感器4设置于所述第一传动轴3上；所述定量泵5的主轴与第一传动轴3远离所述风轮2的一端传动连接；所述定量泵5的进油口通过所述低压管路24从所述补油油箱11吸油，压油口通过所述高压管路6输出高压油；所述高压管路6上设置有所述流量控制器13；所述第一单向阀7的出口端连通所述高压管路6，进口端连通所述第二单向阀8的进口端；所述第二单向阀8的出口端连通所述低压管路24；所述第一溢流阀9的两端分别连接所述补油泵10的压油口和补油油箱11；所述补油泵10的压油口分别连接所述第一单向阀7的进口端和第二单向阀8的进口端，吸油口连接所述补油油箱11；所述安全阀12的两端分别连接所述高压管路6和低压管路24；所述转速控制器14的输入端分别连接所述所述流量控制器13、第二转速转矩传感器16和并网柜21，输出端连接所述变量马达15；所述变量马达15的吸油口与所述高压管路6连接，排油口与所述低压管路24连接；所述变量马达15的主轴通过第二传动轴26同轴连接所述发电机20的主轴；所述发电机20发电输入电能至所述电网22；所述发电机20与电网22之间安装有所述并网柜21；所述第二转速转矩传感器16安装在所述第二传动轴26上；所述变量泵马达17连接所述储能***油箱19，通过储能管路23连接所述蓄能器18，以使所述蓄能器18在不同状态下储能和放能；所述功率控制器25的输入端分别连接所述风速预测器1、第一转速转矩传感器4、第二转速转矩传感器16和并网柜21，输出端连接所述变量泵马达17。
如图2所示，本发明实施例部分还提供一种储能式液压型风力发电机组并网转速控制方法，应用于所述的储能式液压型风力发电机组并网转速控制***，所述控制方法包括：储能式液压型风力发电机组受到扰动时，转速控制器14通过第二转速转矩传感器16采集变量马达15的转速，流量控制器13采集高压管路6的流量，并网柜21采集电网22的频率和电压，然后转速控制器14输出控制信号给变量马达15，实现对变量马达15摆角控制，改变变量马达15的排量，使液压传动部分高压管路6内的高压油的油压也产生相应的变化，从而改变定量泵5的转速，将存储于风力机中的能量释放出来；
功率控制器25通过风速预测器1采集风速，第一转速转矩传感器4采集风轮2转速，输出叶轮转矩，第二转速转矩传感器16采集发电机20转矩，并网柜21采集发电机20输出功率和电网电压，然后功率控制器25输出控制信号给液压储能装置的变量泵马达17，使变量泵马达17处于马达工况，向蓄能器18输入高压油，功率控制器25通过控制变量泵马达17摆角增大，进而使蓄能器18中的能量快速释放；
当扰动消除后，转速控制器14规划变量马达15的排量，功率控制器25同时规划液压储能***变量泵马达17的排量动作指令，使得变量泵马达17在马达工况下进行储能放能，调整机组的输出功率，动态地向电网22注入功率来实现网侧频率响应。
风速预测器1采用RBF函数的神经网络针对风速进行预测。并网转速控制过程：基于RBF函数的神经网络和非线性扩张状态观测器的流量观测器13。
首先，分析模型的不确定性、参数的时变性、***外界扰动等一系列问题对马达转速控制静的影响，得到泵控叶片马达转速控制***的非线性如下式：
其中，
为定量泵的角速度，单位为rad/s；
为定量马达的角速度，单位为rad/s；Ph为定量泵进出口的压力差，单位为Pa；Bp为定量泵的阻尼系数，单位为N/(m/s)；Jp为定量泵转动惯量，单位为kg·m2；Jm为定量马达转动惯量，单位为kg·m2；Dp为定量泵的排量，单位为m3/s；V为高压腔总容积，单位为m3；Dm为定量马达的排量，单位为m3/s；Ct为总的漏泄系数Ct＝Ctp+Ctm，单位为m3/(s·Pa)；βe为油液体积弹性模量，单位为Pa；Tv为某一风速作用下风力机输出的气动转矩，单位为N·m；TL为定量马达负载力矩，单位为N·m。
然后，结合基于RBF函数的神经网络和非线性扩张状态观测器，得到泵控液压马达非线性***智能转速控制策略，在线观测未知非线性动态和外部扰动，并处理非匹配干扰的问题，对泵控马达液压负载模拟***的关键参数进行观测与补偿。以定量马达转速为控制输出，初始化状态观测量和神经网络权重，通过RBF神经网络的扩张状态观测器，辨识***的时变量，观测外界扰动和内部扰动。
其中，ηj+1为状态变量；
为状态变量的误差值；
为理想权值的有界常数矩阵；
为RBFNN权值；
为新状态变量误差值；μ1为Hurwitz中特征多项式的参数；
为可调正增益即每个ESO的带宽；ηj为状态变量；
为n阶新状态变量误差值；μ2为Hurwitz中特征多项式的参数；
为n阶新状态变量误差值；u(α)为饱和输入；
为理想权值的有界常数矩阵；
为RBFNN权值；
为n阶可调正增益即每个ESO的带宽；ηn为n阶新状态变量。
然后不断更新神经网络权重式(1)，通过逼近函数式(2)，使得误差不断减小，提出虚拟控制律式(3)，通过二阶滤波函数式(4)，最终获得真实的转速控制律式(5)，结合补偿控制律式(6)和神经网络不断学习，不断修订转速控制律，最终作用于使***最终达到控制效果。
其中，
为理想权值的有界常数矩阵；
为RBFNN权值；
为非线性函数；φl为虚拟控制函数；kl为正反馈增益；el为跟踪误差变量；
为n阶新状态变量误差值；yd为变量输出值；zl为误差补偿变量；
为n阶新状态变量估计误差值；φj,cc为内部动力学参数；rfj为可调参数；φj,c为单个引入滤波的输出信号；
为理想权值的估计有界常数矩阵；
为j时刻滤波误差值；
为n时刻滤波误差值；Δu＝u(α)-α，即饱和输入与实际输入之差。
本发明提供的一种储能式液压型风力发电机组并网转速控制***和方法，基于RBF-NN的ESO可以高精度地估计***状态，同时可以准确的估计外界扰动。使并网转速控制更加灵活，提高***的鲁棒性、自适应性能，同时确保控制过程中的快速性和可靠性；基于神经网络的智能控制方法可以省去传统的风速传感器和流量传感器，***灵活性更高，节省了设备成本。此外，其区别于传统智能控制算法增加了算法模型运行结果参与控制的实时性和有效性，避免了风场数据泄露的风险，节省了数据外发的网络传输成本。采用液压储能装置，可以缓冲电压突变带来的冲击，保证设备不脱网连续运行的能力；同时，液压储能装置能够对***中输入的能量进行实时调控，从根源上协调能量的调配，既避免了多余的能量损坏，也将多余能量物尽其用，在泵控况下吸收能量，在马达工况下输出能量。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
Claims (2)
1.一种储能式液压型风力发电机组并网转速控制***，其特征在于，包括风力机装置、液压传动装置、液压储能装置以及并网发电装置；所述风力机装置与液压传动装置、液压传动装置与液压储能装置、液压储能装置与并网发电装置为同轴刚性连接；
所述风力机装置包括风速预测器(1)、风轮(2)和第一传动轴(3)；所述风轮(2)与第一传动轴(3)传动连接，所述风速预测器(1)位于所述风轮(2)远离所述第一传动轴(3)的一侧；
所述液压传动装置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)、流量控制器(13)、转速控制器(14)、变量马达(15)、第二转速转矩传感器(16)、低压管路(24)和功率控制器(25)；
所述液压储能装置包括变量泵马达(17)、蓄能器(18)和储能***油箱(19)；
所述并网发电装置包括发电机(20)、并网柜(21)和电网(22)；
所述第一转速转矩传感器(4)设置于所述第一传动轴(3)上；所述定量泵(5)的主轴与第一传动轴(3)远离所述风轮(2)的一端传动连接；所述定量泵(5)的进油口通过所述低压管路(24)从所述补油油箱(11)吸油，压油口通过所述高压管路(6)输出高压油；所述高压管路(6)上设置有所述流量控制器(13)；所述第一单向阀(7)的出口端连通所述高压管路(6)，进口端连通所述第二单向阀(8)的进口端；所述第二单向阀(8)的出口端连通所述低压管路(24)；所述第一溢流阀(9)的两端分别连接所述补油泵(10)的压油口和补油油箱(11)；所述补油泵(10)的压油口分别连接所述第一单向阀(7)的进口端和第二单向阀(8)的进口端，吸油口连接所述补油油箱(11)；所述安全阀(12)的两端分别连接所述高压管路(6)和低压管路(24)；所述转速控制器(14)的输入端分别连接所述所述流量控制器(13)、第二转速转矩传感器(16)和并网柜(21)，输出端连接所述变量马达(15)；所述变量马达(15)的吸油口与所述高压管路(6)连接，排油口与所述低压管路(24)连接；所述变量马达(15)的主轴通过第二传动轴(26)同轴连接所述发电机(20)的主轴；所述发电机(20)发电输入电能至所述电网(22)；所述发电机(20)与电网(22)之间安装有所述并网柜(21)；所述第二转速转矩传感器(16)安装在所述第二传动轴(26)上；所述变量泵马达(17)连接所述储能***油箱(19)，通过储能管路(23)连接所述蓄能器(18)，以使所述蓄能器(18)在不同状态下储能和放能；所述功率控制器(25)的输入端分别连接所述风速预测器(1)、第一转速转矩传感器(4)、第二转速转矩传感器(16)和并网柜(21)，输出端连接所述变量泵马达(17)。
2.一种储能式液压型风力发电机组并网转速控制方法，应用于权利要求1所述的储能式液压型风力发电机组并网转速控制***，其特征在于，所述控制方法包括：
储能式液压型风力发电机组受到扰动时，转速控制器(14)通过第二转速转矩传感器(16)采集变量马达(15)的转速，流量控制器(13)采集高压管路(6)的流量，并网柜(21)采集电网(22)的频率和电压，然后转速控制器(14)输出控制信号给变量马达(15)，实现对变量马达(15)摆角控制，改变变量马达(15)的排量，使液压传动部分高压管路(6)内的高压油的油压也产生相应的变化，从而改变定量泵(5)的转速，将存储于风力机中的能量释放出来；
功率控制器(25)通过风速预测器(1)采集风速，第一转速转矩传感器(4)采集风轮(2)转速，输出叶轮转矩，第二转速转矩传感器(16)采集发电机(20)转矩，并网柜(21)采集发电机(20)输出功率和电网电压，然后功率控制器(25)输出控制信号给液压储能装置的变量泵马达(17)，使变量泵马达(17)处于马达工况，向蓄能器(18)输入高压油，功率控制器(25)通过控制变量泵马达(17)摆角增大，进而使蓄能器(18)中的能量快速释放；
当扰动消除后，转速控制器(14)规划变量马达(15)的排量，功率控制器(25)同时规划液压储能***变量泵马达(17)的排量动作指令，使得变量泵马达(17)在马达工况下进行储能放能，调整机组的输出功率，动态地向电网(22)注入功率来实现网侧频率响应。
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2022
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