基于虛擬儀器的風力發電機效率測控系統設計

呂富勇,巫江濤,祖旭明,何 浩,陸升陽,康俊鵬,江 鴻,柳加旺

(南京信息工程大學自動化學院,江蘇 南京 210044)

0 引言

風能是一種使用歷史悠久、不會污染環境的可再生能源[1-2]。2002 年,歐洲風能協會和綠色和平組織發表了“風力12”的研究報告。該報告預測:2020 年風力發電量占國家總體發電量超過12%[3-4]。風力發電機是一種將風能轉化成電能,從而實現風力發電的轉化裝置。根據葉片固定軸的方位,風力發電機可分為水平軸和垂直軸兩類。水平軸風力發電機對風向要求嚴格、機械構造復雜、內置齒輪變速箱的運行噪聲大,而且變速箱容易漏油[5];垂直軸風力發電機因為無需對準風向、構造相對簡單、造價低、不使用變速箱,所以沒有漏油問題而越來越受到重視[6]。但是目前相對于水平軸風力發電機,垂直軸風力發電機對風能的利用率普遍較低,風能利用率有一定差距。因此,提高垂直軸風力發電機發電效率成為國內外研究的重點[7-9]。

近年來,國內外研究人員為提升垂直軸風力發電機的發電效率,進行了多方面的研究。主要研究方向包括葉片攻角、葉片數量、葉片形狀[10-12]。這些方法中,發電機都是工作在能量自主流動的方式下,并沒有主動控制發電機內部的能量流動[13-15]。由于風能能量密度較低,風向和風力大小具有不確定性,會導致不同風速下發電機效率優化困難,造成進一步提升發電機效率的空間有限。本文通過在發電機和負載之間添加受控能量調節網絡,實現發電機在不同風速下能量的主動受控流動,從而提高風能發電效率[16-17]。

1 發電機能量流動分析

1.1 無調節網絡發電機能量流動分析

普通的垂直軸風力發電機三相整流后和負載直接連接,風力發電機發出的能量直接供給負載。在這種情況下,當風力變化時,風力發電機轉速無法調控以致轉速與外界風速不匹配,使風力發電機發出的能量不受控制。發電機能量流動如圖1 所示。

圖1 發電機能量流動圖Fig.1 Energy flow diagram of generator

1.2 有調節網絡發電機能量流動分析

本文在風力發電機和負載之間,加入了一個諧振網絡,通過諧振網絡對風力發電機的能量進行控制。

1.2.1 風速突增時能量流動分析

當風速突然變高時,調節諧振網絡使風力發電機按照風功率曲線快速提高轉速以匹配當前風速,從而使發電機一直處于最佳工作狀態。內置諧振網絡后,風速突增能量流動如圖2 所示。

圖2 風速突增能量流動圖Fig.2 Energy flow diagram of wind speed sudden increase

1.2.2 風速突降時能量流動分析

當風速突降時,由于慣性風力發電機的轉速大于風速,風力發電機會對風做功。這將會產生能量的損失。本文通過諧振網絡里的能量抽取開關抽取風力發電機里的能量,使風力發電機的轉速最快和風速相匹配,從而減少風力發電機對風做功來減少能量的流失。

內置諧振網絡后,風速突降能量流向如圖3 所示。

圖3 風速突降能量流動圖Fig.3 Energy flow diagram of a sudden drop in wind speed

2 風力發電機效率測控系統搭建

2.1 系統總體方案

本文建立了一個風力發電機效率測控系統。系統總體架構主要由垂直軸風力發電機系統、諧振網絡系統、控制系統、上位機系統以及效率驗證系統組成。系統總體方案如圖4 所示。

圖4 系統總體方案Fig.4 System overall scheme

本系統中:風力發電機系統的功能是將風能轉化為發電機轉子的機械能,再將機械能轉化為電能;諧振網絡系統的功能是實現能量的存儲、分配;控制系統的功能是利用單片機控制能量開關、數據采集以及通信;上位機系統的功能是基于LabVIEW 軟件實現遠程監控與控制以及數據的圖形化和存儲。綜上所述,該效率測控系統可實現有/無諧振網絡情況下風速突然降低時的風能測算。

2.2 系統硬件實現

本文設計的風力發電機效率測控系統硬件部分,由風速采集系統、功率回路、諧振控制系統、上位機控制終端組成。系統硬件方案如圖5 所示。

圖5 系統硬件方案示意圖Fig.5 System hardware scheme

圖5 中,風速采集系統由PHWS 風速傳感器、單片機、RS-485 通信組成。功率回路由變頻器、風洞、風力發電機組成。上位機和變頻器的通信協議控制風洞風速的大小,通過風力發電機將風能轉換為機械能,再轉換為電能。諧振控制系統主要由諧振電感、諧振電容、繼電器、單片機、負載組成。電感為固定式0.5 H 磁芯電感。電容選用的是8 個高耐壓的無極性電容。繼電器采用的是2 塊8 路帶光耦驅動的繼電器模塊,總共16 路繼電器。通過控制繼電器的開閉,可匹配系統的諧振參數以及控制是否接入斷開諧振網絡。上位機控制終端主要實現整個系統的測控方案,通過串口將控制指令打包成通信協議發送給下位機進行控制,并且通過查詢指令采集數據,進行數據處理以及效率計算。

2.3 系統軟件實現

本文設計的風力發電機效率測控系統軟件部分,由通信協議軟件、風速采集單片機軟件、轉速采集單片機軟件、諧振控制系統單片機軟件、上位機數據處理軟件組成。通信包括上位機與變頻器通信、與諧振控制系統通信、與風速采集系統通信。不同的通信部分包含不同的通信協議。風速采集系統由風杯傳感器、單片機、R-485 通信組成。由風速傳感器產生的脈沖信號被轉換成風速,再由上位機通過通信協議主動查詢,得到風速值。轉速采集系統由霍爾傳感器、單片機、串口通信組成。由單片機將霍爾傳感器產生的脈沖數轉換成圈數,再由通信協議將轉速值打包發送給上位機。諧振控制系統由控制繼電器任務、電壓采集任務、數據打包發送任務、收命令任務組成。控制繼電器任務主要是控制諧振參數和系統是否接入諧振回路。電壓采集任務主要是采集發電機輸出電壓以及負載電壓。數據打包發送任務主要是將相關信息按照通信協議打包發送給上位機進行數據處理。接收命令任務主要是接收上位機發送的是否接入諧振的命令。上位機數據處理軟件主要用于定時發送查詢命令、接收下位機打包發送的數據包,并對解析后得到的有效數據進行能量計算。

3 上位機實現

3.1 上位機功能

本文借助虛擬儀器編程軟件LabVIEW,設計上位機數據處理及效率分析軟件。上位機設計方案如圖6所示。

圖6 上位機設計方案示意圖Fig.6 Disign scheme of host computern design

本文設計的上位機數據處理主要包括:定時發送查詢命令,接收下位機打包數據并解析出下位機傳輸的風速、轉速、負載電壓值等參數,并對原始數據進行存儲。效率分析主要從能量方面進行考慮,對電壓、負載電阻以及采樣率進行計算:計算是否接入諧振回路兩種情況下,風速突然降低那一時刻起到風速穩定的那一時刻的能量值,并將兩種情況下的能量值進行對比分析以得到效率。

3.2 上位機程序架構

本文設計的上位機程序架構如圖7 所示。

圖7 上位機程序架構圖Fig.7 Host computer program architecture

通過設計狀態機轉換不同的工作狀態,實現上位機數據處理及效率分析。上位機運行后,首先進行相關配置及初始化,然后進入發送查詢命令狀態,發出查詢命令后進入等待事件觸發狀態。如果無事件觸發,則跳至接收處理數據狀態,上位機解析處理完后繼續跳至發送查詢命令狀態,如此重復。如果有事件觸發,則跳至發送相應命令狀態,發送相應命令后進入等待事件觸發狀態,如此重復。上位機終端采用LabVIEW構建的圖形化操作顯示界面,可以方便人們進行測控試驗。

4 試驗

4.1 試驗步驟

本文搭建的風力發電機效率測控系統試驗步驟如下。

①配置所需通信的串口參數、數據的存儲路徑、導入該風力發電機最佳諧振參數表。然后,接入安全抱死系統。

②控制變頻器開啟風機,測量低風速下的穩態轉速和負載穩態峰值電壓。然后,提升風速,提高發電機輸出電壓。

③測量無諧振狀態。控制變頻器降低風速,在降低風速的同時解析數據包,獲得負載電壓數據,并開始計算能量。當負載穩態峰值電壓減小至前面測定過的低風速下的負載穩態峰值電壓時,停止計算,并記錄無諧振能量計算次數。

④能量值疊加,得到無諧振狀態下的能量總值。控制變頻器使風機風速提高至原高風速。

⑤測量諧振狀態。控制變頻器降低風速,在降低風速的同時接入諧振調節網絡,并開始解析數據包,獲得負載電壓數據,計算能量。當計算次數和無諧振能量計算次數相同時,停止計算。

⑥最終能量值疊加,得到諧振狀態下的能量總值,并且與無諧振狀態下的能量總值進行比較,計算得到效率。重復試驗,使數據可以復現,成功驗證效率。

4.2 試驗結果

對所構建數據庫進行存儲分析,得到風速6 m/s時該風力發電機的風功率曲線,測試最佳功率點及其所對應的轉速。數據統計曲線如圖8 所示。

圖8 數據統計曲線Fig.8 Data statistics curve

5 結論

常規風力發電機由于沒有諧振網絡,風力發電機對外做功損耗的能量不可控。本文所設計的系統在發電機和負載之間增加一個諧振網絡,通過網絡對能量進行合理分配。當風速增大時,能量流進諧振網絡,由網絡給負載供電;當風速減小時,發電機的轉速會大于風速,發電機對風做功損失能量。本文通過諧振網絡轉移能量,使發電機的轉速快速降低和風速匹配,從而減小發電機對風做功的能量損失,提高系統發電效率。