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学院:
20年月
摘要
风能是可再生能源中最重要的能源之一,不像石油、煤炭是不可再生资源,采用风力发电能够改善能源结构、推动生态以及对环境建设具有十分重要的意义。
小型风力发电系统具有投资小、使用灵活的特点,非常适合于解决居住相对分散、风力资源较好的无电地区居民的用电问题,具有广阔的市场前景。
小型风力发电系统虽然已经在国内外大规模使用,但由于存在效率低和可靠性不高的问题,直接限制了小型风力发电系统的推广应用和发展。
论文首先简述了风力发电的发展现状和风电控制系统的发展情况,包括美国、加拿大、欧洲和我国的小型风力发电发展现状和趋势。
分析了风力发电系统,同时说明小型风力发电的技术特点。
分别从风力机效率低、风力机可靠不高、蓄电池寿命短等三方面说明了小型风力发电技术难点。
基于风力发电机组的主控制器的要求及PLC的性能,选择了PLC作为实现主控制器的硬件。
介绍了PLC的基本概念、基本结构和工作原理,也说明了采用PLC控制器具有比其他控制器无法比拟的优势。
同时完成了PLC硬件的选型和配置,进行连线组装,对PLC外围的信号输入做了研究,在与硬件配套的软件环境中设计了软件的主要功能并给出了部分编程结果图。
关键词:
小型风力发电,可编程序控制器,风力发电控制系统
ABSTRACT
Windenergyisoneofthemostimportantrenewableenergy,notlikeoilorcoal.Andwindpowerisverysignificanttoimproveenergystructureaswelltopromotethedevelopmentofecologyandenvironmentworldwide.Becauseofthemeritsofsmallinvestmentandflexibleapplication,smallwindpowergenerationsystemisverysuitabletosolveelectricitysupplyprobleminthoseareaswherethehousingisrelativelydispersedandwindresourceisrich,andithasbroadmarketprospects.Althoughalargenumberofsmallwindpowergenerationsystemshavebeenusedathomeandabroad,itslowefficiencyandpoorreliabilityhavedirectlyrestrictedthepromotionanddevelopmentofsmallwindpowersystem.
Firstly,thesignificanceofwindpowerandthehistoryofwindenergyapplicationaswellwindpowerareoutlined.ThepresentstatusanddevelopmenttrendsofsmallwindpowerinUnitedStates,Canada,EuropeandChinaareoverviewed.Analysisofthewindpowergenerationsystem,anindicationofthetechnicalcharacteristicsofsmall-scalewindpowergeneration.Respectively,fromthelowefficiencyofthewindturbine,windturbinereliabilityisnothigh,andshortbatterylifeillustratesthreesmallwindpowertechnicaldifficulties.
BasedonthemastercontrollerofthewindturbineoftherequirementandtheperformanceofthePLC.ChosenastherealizationofthemastercontrollerPLChardware.IntroducesthebasicconceptsofthePLC,thebasicstructureandoperatingprinciple,alsoillustratestheuseofPLCcontrollerwithothercontrollersthantheincomparableadvantage.WhilecompletingtheselectionandconfigurationofthehardwareofthePLC,connecttheassembly,ontheperipheryofthePLCsignalinputtodotheresearch,thesupportingsoftwareandhardwaredesignenvironment,themainfeaturesofthesoftwareandgivessomeprogrammingresultsinFig.
KeyWords:
Smallwindpower;
programmablelogiccontrollers;
windpowercontrolsystem
1绪论
1.1课题背景
人类发电的能源从薪柴到煤炭,从煤炭再到油气的演变过程。
随着社会经济的迅速发展,生产力巨大的飞跃,人类对能源的需求量越来来大,特别是对石油、煤炭等能源的数量要求越高。
而石油、煤炭等能源是不可再生资源,人类一再的使用不仅造成了能源危机,更重要的是对生态环境的迫害极其严重。
可见,探索新能源发电势在必行。
人类对于风能利用的历史久远,可以追溯到公元10世纪,波斯就出现了一种水平转动的风磨,即为以风车为动力的磨坊。
公元12世纪时,欧洲开始使用风车来抽水,碾磨谷物,海航中利用风帆来推进船只前进等。
此后,风车和风帆一直是人们主要的动力机械。
到19世纪中叶蒸汽机出现之后,以风能为主能源的应用才逐渐减少。
中国开始大约在13世纪中叶开始利用风车作为动力。
纵观历史,使用风力发电历史悠远。
近年来,风力发电逐渐形成规模,在美国和欧洲等国家增加发电装机容量。
纵观世界,风电装机已经居第二,仅次于天然气发电装机。
风力发电技术正朝着大型化规模发展。
通过有关资料分析,中国风能资源丰富,初步估计,我国陆上风电资源可开发总量达10亿千瓦级,开发利用潜力很大。
随着规模化发展和技术水平成熟发展,风力发电成本将会逐步下降,逐渐具有经济竞争力,可以大力发展。
1.2小型风力发电发展现状及前景
风能是一种开发成本较低、清洁、安全、可再生的能源。
因此,风能的开发利用越来越受重视。
根据贝兹理论,风力机从风中吸收的能量不到空气动能的59.3%,同时由于受到机械结构的限制,实际值更小,因此,如何提高风能转化效率,获取高呢更多风能,是风能规模化利用,一直被学者和业界所关注。
我国的小型风力发电产业与上世纪七十年代起步,与国外的相比我国起步比较晚,在八十年代有了较快的发展。
起初主要是解决偏远无电地区的供电问题,逐步广泛应用在北方草原牧区、边远农村、海岛和湖区。
同时小型风力发电产业自身也得到了很快的发展,为我国无电地区电力的建设、边境稳定的维护、社会主义新农村的建设和和谐社会的发展做出了巨大的贡献。
目前我国小型风力发电设备的实际保有量约20万台,按平均每台500W计算,相当于100MW,仅占全国风力发电装机容量的0.0126%。
如果每台小型风力发电机组的平均功率还按500W计算,等效满负荷工作时间为5小时/天,全部小型风力发电机组年发电量为1.825亿kwh,占全国总发电量的0.0053%。
无论从装机容量还是从发电量来看,小型风能发电产业在我国电力供应和绿色能源方面所占的份额都很小。
根据风速大小,风力发电系统由4个动态过程构成,即启动、变速运行、变桨距运行和刹车。
其中,启动、刹车过程使系统能在最短时间内有较快的响应速度;
变速运行调节风能,减少或消除风能产生过程中的急剧波动,捕获最大能量,减弱暂态负荷的影响;
变桨距控制通过调节桨距角维持风电机组额定功率不变。
在国外小型风力发电已经有几十年的悠久历史,技术发展相当成熟,从最早的小农场、小牧场到机械提水等等,许多农场自己安装小型风力发电设备为自己供电。
但是小型发电设备的普及率在二战后有明显的减小。
但是没有大型发电机组发展迅猛。
德国、丹麦、荷兰、美国、希腊、等国家对风电机组的设计和测试技术都经过较为深入的研究,制订了国际标准,建立了认证体系和相关的检测检验机构,同时采用相应的贸易保护性措施,如欧盟对风力发电的电磁兼容性问题实施了强制性的标准IEC61000,德国即将实施的风电新标准要求接入电网的的电力设备在电网出现短路故障时能提供较大的短路电流,这一规定使德国Enercon公司竞争中占据了主动地位。
自1988年国际电工委员会成立了IEC/TC88“风力发电技术委员会”以来,到目前已法布了10多项国际标准,是以欧洲的技术和运行环境为依据编制的。
美国作为小型风力发电最积极的国家之一,接近占到全球市场份额的一般,应用更加广泛的是分布式风能发电。
为了推进风能开发再利用,政府采取了有效的措施推动小型发电设备在市场中的发展。
1.3小型风力发电系统国内外现状
美国小型风力机制造商应用范围广泛。
从为帆船电池充电和小别墅供电的400W小机组,到3-15kW的家庭用系统,以及那些应用于小型商业运行的100kW机组。
小型风力发电机以前可以在美国大部分村庄实现运行,目前设计的小型风力机可靠性高,维修要求相对较低,这样应用推广前景好,在进一步的发展改进中,应用的产品种类增加,例如先进的翼型、新型发电机组、智能电力电子产品、增高的塔架等等。
这些优点将有助于减少发电成本和增加技术认可。
虽然自20世纪70年代起小型风力发电机技术已经得到了进展,然而仍然普遍认为需要做更多的工作去改善其运行可靠性、消除噪音、降低制造和安装成本。
同时应当加强研发方面的技术合作。
加拿大制造小型风力机的企业只有6家,其中五家侧重于生产20kW-50kW的小到中型风力发电机。
目前在世界范围内只有12家知名厂商生产大于20kW以上的小型风力机,加拿大生产的小型风力发电机主要用于农场和商业应用的高端市场和北部社区的低端市场,因此刺激这些市场有可能对加拿大制造商产生有利的影响。
美国制造商产品覆盖了农场和商业应用的低端市场,而欧洲制造商似乎在大型风力发电机市场上地位更突出。
目前,所设计的模糊控制器控制精度不高,会出阿贤稳态误差,模糊规则的确定需要专家知识,缺乏自适应能力。
先进模糊控制算法如模糊-PID控制算法、自适应模糊控制、模糊神经网络控制等在风力发电领域中应用的研究越来越受到各国学者的重视。
在控制技术方面,我们也往往采用新型的控制技术,例如,微分几何控制、最优控制、自适应控制、神经网络控制、专家形同等非线性控制技术,在小型风电机组的风能转换系统稳定控制、最大风能捕获及调速系统控制等方面都缺德了一定的成果,稳定性是非线性控制系统的重要指标之一。
可以把非线性控制理论中李亚普诺夫稳定性方法、小增益理论、相平面分析等方法引入小型发电系统控制中,对风电机组控制系统进行稳定性和鲁棒性分析。
智能控制和非线性控制理论相结合是解决风电机组非线性控制问题的重要途径之一,越来越受到人们的重视。
随着电力电子技术的发展,尤其是微电子集成电路技术的成熟,采用两种或多种先进控制方法的组合方式将是今后风电机组控制研究的方向之一。
1.4课题研究内容
风机控制器是风力发电系统的核心,本文主要以1KW小型风机为例,研究家庭用风机控制系统。
研发主控制器的构想,并付诸实践,研发出的基于PLC的风力发电机组主控制器能够进行通信、数据采集和处理、流程控制,满足作为主控制器的基本功能。
主要从以下几个方面研究:
(1)风力发电的发展现状和趋势研究
(2)小型风力发电的主要技术特点和难点
(3)小型风力发电的组成、技术特点、实现技术
(4)各种主流小型风力发电站的系统架构及控制系统的比较
2小型发电机技术组成特点
按容量分类,风力发电机可分为以下四类,功率为50-1000W为微型风力发电机、功率为1-10kW为小型风力发电机、功率为10-100kW为中型风力发电机以及功率大于100kW的为大型风力发电机。
2.1小型风力发电实现技术
小型风力发电机一般不用并网发电,只能独立使用,使用蓄电池,单台装机容量约为100w—5kw,通常不超过10千瓦。
小型风力发电机组主要由风轮、发电机、调速和调向机构、停车机构、控制器、蓄电池、逆变器和塔架组成,如图2-1所示。
图2-1小型风力发电系统
风轮是通过叶片捕获风能,并且将吸收的风能转换成机械能的部件,小型风力机的风轮大多用2到3个叶片组成。
目前风轮叶片的材质是玻璃钢材料或者铝合金,国内一般采用手工糊制方法,这样可以适用变截面或者不同形状的叶片,但是这种方法特别费工费时,而国外的小风机采用机械化生产等截面叶片,这样对风轮叶片的生产效率能够大大的提高,同时对叶片的品质也有所保证。
发电机是实现机械能与电能转换的设备。
小型风力发电机一般采用的是永磁式交流发电机,由风轮驱动发电机产生的交流电经过整流后变成可以储存在蓄电池中的直流电。
发电机发出的电能的处理方式有几下两种:
一是直接供电给负载或并入电网;
二是由储能设备进行蓄能,然后将电能变换单元将所储能输出的直流电转换成交流电,将交流电给负载供电或并网。
在小型风机中,风力机的尾翼作为调向机构来实现,随着风速的增加,对风轮的转速有所限制,这样快的转速容易对风轮和风力机的其他部件造成损坏,也能把发电机的功率输出限制在一定范围内。
增速器用来匹配风轮机和发电机的转速,低速的风轮机和高速的发电机之间必须配增速器。
制动器是使风力发电机停止运转的装置,也称刹车。
制动器可分为手动制动器、电磁制动器和液压制动器。
由于小型风力机的结构比较简单,一般采用叶轮侧偏式调速方式。
有的则采用侧偏停机方式,即在尾翼上固定一软绳,当需要停机时,拉动尾翼,使风轮侧向于风向,从而达到停车的目的。
风力发电机组的控制系统是综合性控制系统,一是能够监视电网、风况和机组运行参数,对机组进行并网、脱网控制,以确保运行过程的安全性和可靠性。
二是能够根据风速、风向的变化,设计人工控制风力机停机,特别在有的小型风力机中设有手动刹车机构,不仅对发电机组进行优化控制,还能提高机组的运行效率和发电量。
小型风力机的塔架一般由塔管和3—4根拉索组成,高度6—9米,也可根据当地实际情况灵活选取。
2.2小型风力发电机特点及区别
传统风力发电机主要有笼型异步发电机、绕线式异步发电机、有刷双馈异步发电机、同步发电机这四种。
下表2-2是从工作原理、优缺点以及适用场合三方面简单地进行对比。
笼型异步发电机是传统风力发电系统广泛采用的发电机。
其发展迅速,技术日趋成熟,在世界各大风电场与风力机配套的发电机中,绝大多数是采用笼型异步发电机,但不能有效地利用风能,效率低。
绕线式异步发电机由电机转子外接可变电阻组成,这种发电机能够提高输出功率,同时采用变桨距调节和转子电流控制,可以提高动态性能,维持输出功率稳定,减小阵风对电网的扰动。
双馈异步发电机被广泛应用于风力发电系统中,运行可靠性差,需要经常维护,并且此种结构不适合于运行在环境比较恶劣的风力发电系统中。
采用同步发电机来代替异步发电机是风力发电系统的一个主要技术进步。
此种发电机极数很多,转速较低,径向尺寸较大,轴向尺寸较小,可工作在起动力矩大、频繁起动及换向的场合,并且当与电子功率变换器相连时可以实现变速操作,因此适用于风力发电系统。
此种风力发电机组具有噪声低、电网电压闪变小及功率因数高等优点。
表2-2
工作原理
优缺点
适用场合
绕线式异步发电机
通过电力电子装置调整转子回路的电阻,从而调节发电机的转差率,实现有限变速运行
动态性能高
风力发电
有刷双馈异步发电机
通过控制转差频率可实现发电机的双馈调速
可靠性差
不适用恶劣的风力发电
同步发电机
通过控制功率变换器的电压来改变发电机定子绕组的电流,从而控制发电机的输出力矩
噪声低、功率因素高
笼型异步发电机
利用电容器进行无功补偿,高于同步转速附近作恒速运行,采用定桨距失速或主动失速桨叶,单速或双速发电机运行。
效率低
2.3小型风力发电技术难点
风力发电是一个综合性技术很强的项目,它涉及到很多学科,有电机学、空气动力学、材料力学、自动控制、微电脑应用、机械系统工程、电力系统工程等。
我国在小型风力发电机的开发利用方面已取得了可喜的成绩和不少经验,但是存在着一些问题和差距,现有的风力发电机的比较难以解决的问题主要有:
2.3.1风力机效率低下
目前小型风力发电系统一般采用发电机输出通过不可控整流后直接对蓄电池进行充电,同时由于风力发电机的并网系统的电路太复杂,成本很高,但电能转换效率比较低。
没有对能量转换环节进行控制,使得风能利用系数比较低,一般在0.3左右。
如果控制风力机总是以最佳叶尖速比运行,年发电量可以提高20%~30%。
小型风力发电机的能量转换效率比中型商业风力机小,相比之下的中型并网风力机转换效率达到0.45。
根据功率曲线计算,发现小型风力发电机和中型风力发电机两者之间的技术差距可能更大。
2.3.2风力机可靠性不高
独立运行的小型风力发电系统主要是解决当地居民生活用电问题,负载的用电时间主要集中在夜晚。
小型风力发电系统中主要采用机械限速控制或负载耗能控制方式进行风力机超速保护控制。
目前各种类型小型风力机的机械限速法大致可以归为两类:
一种是以某种机构使风轮偏离风向,减小风轮迎风面积,从而减小风能的吸收。
另一种是用某种机构利用风轮叶片的离心力改变桨距,降低风轮的风能利用率,从而达到减小风能吸收的效果。
在实际应用中,一方面机械限速保护装置存在不可靠性;
另一方面,在自然条件下,风速风向的变化频繁而又迅捷,风速可能从微风到台风,有极大的波动范围,发电机要在极低转速和极高转速都要正常发电,任何装置不能瞬时响应实际风况的变化,都需要一个反应的过程。
因此发电机设计难度极大,制造过程复杂。
同时,充电电路和软件算法设计难度也很大。
在夜晚使用时,如有风速变化很快时,不能匹配输出电压和负载消耗的使用,如果台风到来时,风速极高,一般发电机无法承受这么高的速度时,会出现风力机转速震荡,有时还会出现超速现象发生,甚至造成电机烧毁。
2.3.3蓄电池寿命短
小型风力发电系统中,要使离网风力发电系统正常连续稳定的运行,必须提供储能装置。
为小型风力发电系统提供储能装置的大多是铅酸蓄电池。
自身的耐过充和耐过放能力差,加上风能的不连续性,使铅酸蓄电池容易出现过充过放现象,这严重影响了其使用寿命。
蓄电池的这种工作状况使得蓄电池的实际使用寿命比常规条件下蓄电池使用寿命短得多。
小型风力发电系统中风力机和发电机在发电时,风机受力时是偏心的,使用年限为通常在15~20年左右,寿命很难突破20年,因此维护成本比较高。
而蓄电池一般只使用2~5年的时间,而且许多蓄电池达不到其使用寿命时就已经失效,不得不更换。
同时,蓄电池的价格又相对较高,这也提高了风力发电机的制作成本。
风力发电的充电过程中,充电不同于以往的充电率而充电,充电电压的大小主要取决于风能的强弱以及风速的大小,所以不会产生稳定持续的充电电流。
如果充电终期出现电流过大的情况,会消耗过多有效的电能造成浪费现象。
而且电解液温度太高,会使蓄电池极板活性物质受到冲击而加速脱落,从而减少蓄电池的使用寿命。
资源的不确定性导致发电与用电负荷的不平衡,再加上发电受天气影响较大,导致蓄电池组使用寿命大大减少,这两方面需要进一步大大的改进。
同时边远地区、少数民族地区的用户经济承受能力差,购买力不足,如果没有补贴或补贴太少,推广应用小型风力发电机有难度。
2.4小型风力发电系统结构比较
风力发电系统主要有两类:
一类是独立运行供电系统,就是离网型的供电系统,需要配有蓄电池能够给自身供电的设备。
通常应用于偏远山区、无电网处等,用小型风力发电机为蓄电池充电,通过逆变器转换成交流电向终端电器供电,单机容量一般为几百瓦到几千瓦,以解决一家一户的供电;
另一类是作为常规电网的电源,直接并入电网,成为并网式风力发电系统。
这里主要说明独立运行的小型风力发电系统。
独立运行的小型风力发电系统一般包括能量产生环节、能量存储环节、能量消耗环节三部分。
从能量转换的角度来看,风力机主要是将风能转换为机械能,而发电机是将风力机捕获的机械能转换为电能。
小型风力发电系统还包括塔架、机舱、回转体、调向机构、调速装置及停车制动装置等其他装置。
同时,一般小型风力发电机使用蓄电池储能,先通过整流器将发电机输出的交流电变成直流电向蓄电池充电,然后通过逆变器将蓄电池的直流电变换成额定频率的交流电,供给负载。
整流器和逆变器可以做成两个装置,也可以合为一体。
由于风速是随机变化的,风速时而增大时而减少,无法准确控制风速变化,为了防止小型风力发电机超速,装置必须设有调速装置,使风轮转速不超过规定范围。
小型风力发电系统中的限速方法主要有机械调速、耗能负载电气调速。
下面具体说一下两者的区别。
(1)机械调速
机械调速的方法主要是改变风轮的迎风角度和面积或改变气流和叶片间的角度,从而到达调速的目的。
典型的方法有:
风轮侧偏调速、上仰调速、定桨距失速、变桨距调速。
目前最常用的是侧偏调速方式,它的原理是当风速变化使风轮转速超过额定值时,借助一定的机械机构动作,使风轮叶片的旋转平面及时偏离垂直迎风位置,风轮吸收的功率减少,从而使转速减小到规定的额定值。
侧偏式调速具有结构简单、维护方便、成本低等优点,但是造成机械振动强烈,易损坏。
定桨距失速控制调速法是指按空气动力学设计的叶片,当叶片所能到达的风速不在设定值范围之内时,风轮吸收的能量大量减少,能源利用率低,用途不广泛。
变桨距调速是通过改变叶柄转过的角度来改变叶片的冲角,从而改变叶片的升力与阻力,如升力增大则转速增加,如阻力增大则转速降低。
由于变桨距结构较为复杂,制造上有大难、高故障率、高经费等要求,在小型风力发电系统中应用不广泛。
另外,一些小型风力机中设计有手动刹车机构,在风速较大时,特别是蓄电池已经充满的情况下,常采用人工控制风力机停机。
(2)卸荷电阻电气调速
当采用定桨距无折
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