基于虛擬儀器的風(fēng)力發(fā)電機效率測控系統(tǒng)設(shè)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(xué)自動化學(xué)院,江蘇 南京 210044)

0 引言

風(fēng)能是一種使用歷史悠久、不會污染環(huán)境的可再生能源[1-2]。2002 年,歐洲風(fēng)能協(xié)會和綠色和平組織發(fā)表了“風(fēng)力12”的研究報告。該報告預(yù)測:2020 年風(fēng)力發(fā)電量占國家總體發(fā)電量超過12%[3-4]。風(fēng)力發(fā)電機是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能,從而實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電的轉(zhuǎn)化裝置。根據(jù)葉片固定軸的方位,風(fēng)力發(fā)電機可分為水平軸和垂直軸兩類。水平軸風(fēng)力發(fā)電機對風(fēng)向要求嚴(yán)格、機械構(gòu)造復(fù)雜、內(nèi)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(fēng)力發(fā)電機因為無需對準(zhǔn)風(fēng)向、構(gòu)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(fēng)力發(fā)電機,垂直軸風(fēng)力發(fā)電機對風(fēng)能的利用率普遍較低,風(fēng)能利用率有一定差距。因此,提高垂直軸風(fēng)力發(fā)電機發(fā)電效率成為國內(nèi)外研究的重點[7-9]。

近年來,國內(nèi)外研究人員為提升垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)電效率,進(jìn)行了多方面的研究。主要研究方向包括葉片攻角、葉片數(shù)量、葉片形狀[10-12]。這些方法中,發(fā)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(fā)電機內(nèi)部的能量流動[13-15]。由于風(fēng)能能量密度較低,風(fēng)向和風(fēng)力大小具有不確定性,會導(dǎo)致不同風(fēng)速下發(fā)電機效率優(yōu)化困難,造成進(jìn)一步提升發(fā)電機效率的空間有限。本文通過在發(fā)電機和負(fù)載之間添加受控能量調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)發(fā)電機在不同風(fēng)速下能量的主動受控流動,從而提高風(fēng)能發(fā)電效率[16-17]。

1 發(fā)電機能量流動分析

1.1 無調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)發(fā)電機能量流動分析

普通的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機三相整流后和負(fù)載直接連接,風(fēng)力發(fā)電機發(fā)出的能量直接供給負(fù)載。在這種情況下,當(dāng)風(fēng)力變化時,風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)速無法調(diào)控以致轉(zhuǎn)速與外界風(fēng)速不匹配,使風(fēng)力發(fā)電機發(fā)出的能量不受控制。發(fā)電機能量流動如圖1 所示。

圖1 發(fā)電機能量流動圖Fig.1 Energy flow diagram of generator

1.2 有調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)發(fā)電機能量流動分析

本文在風(fēng)力發(fā)電機和負(fù)載之間,加入了一個諧振網(wǎng)絡(luò),通過諧振網(wǎng)絡(luò)對風(fēng)力發(fā)電機的能量進(jìn)行控制。

1.2.1 風(fēng)速突增時能量流動分析

當(dāng)風(fēng)速突然變高時,調(diào)節(jié)諧振網(wǎng)絡(luò)使風(fēng)力發(fā)電機按照風(fēng)功率曲線快速提高轉(zhuǎn)速以匹配當(dāng)前風(fēng)速,從而使發(fā)電機一直處于最佳工作狀態(tài)。內(nèi)置諧振網(wǎng)絡(luò)后,風(fēng)速突增能量流動如圖2 所示。

圖2 風(fēng)速突增能量流動圖Fig.2 Energy flow diagram of wind speed sudden increase

1.2.2 風(fēng)速突降時能量流動分析

當(dāng)風(fēng)速突降時,由于慣性風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速大于風(fēng)速,風(fēng)力發(fā)電機會對風(fēng)做功。這將會產(chǎn)生能量的損失。本文通過諧振網(wǎng)絡(luò)里的能量抽取開關(guān)抽取風(fēng)力發(fā)電機里的能量,使風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速最快和風(fēng)速相匹配,從而減少風(fēng)力發(fā)電機對風(fēng)做功來減少能量的流失。

內(nèi)置諧振網(wǎng)絡(luò)后,風(fēng)速突降能量流向如圖3 所示。

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

2 風(fēng)力發(fā)電機效率測控系統(tǒng)搭建

2.1 系統(tǒng)總體方案

本文建立了一個風(fēng)力發(fā)電機效率測控系統(tǒng)。系統(tǒng)總體架構(gòu)主要由垂直軸風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)、諧振網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、上位機系統(tǒng)以及效率驗證系統(tǒng)組成。系統(tǒng)總體方案如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)總體方案Fig.4 System overall scheme

本系統(tǒng)中:風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)的功能是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為發(fā)電機轉(zhuǎn)子的機械能,再將機械能轉(zhuǎn)化為電能;諧振網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的功能是實現(xiàn)能量的存儲、分配;控制系統(tǒng)的功能是利用單片機控制能量開關(guān)、數(shù)據(jù)采集以及通信;上位機系統(tǒng)的功能是基于LabVIEW 軟件實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制以及數(shù)據(jù)的圖形化和存儲。綜上所述,該效率測控系統(tǒng)可實現(xiàn)有/無諧振網(wǎng)絡(luò)情況下風(fēng)速突然降低時的風(fēng)能測算。

2.2 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

本文設(shè)計的風(fēng)力發(fā)電機效率測控系統(tǒng)硬件部分,由風(fēng)速采集系統(tǒng)、功率回路、諧振控制系統(tǒng)、上位機控制終端組成。系統(tǒng)硬件方案如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)硬件方案示意圖Fig.5 System hardware scheme

圖5 中,風(fēng)速采集系統(tǒng)由PHWS 風(fēng)速傳感器、單片機、RS-485 通信組成。功率回路由變頻器、風(fēng)洞、風(fēng)力發(fā)電機組成。上位機和變頻器的通信協(xié)議控制風(fēng)洞風(fēng)速的大小,通過風(fēng)力發(fā)電機將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械能,再轉(zhuǎn)換為電能。諧振控制系統(tǒng)主要由諧振電感、諧振電容、繼電器、單片機、負(fù)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(qū)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(tǒng)的諧振參數(shù)以及控制是否接入斷開諧振網(wǎng)絡(luò)。上位機控制終端主要實現(xiàn)整個系統(tǒng)的測控方案,通過串口將控制指令打包成通信協(xié)議發(fā)送給下位機進(jìn)行控制,并且通過查詢指令采集數(shù)據(jù),進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以及效率計算。

2.3 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

本文設(shè)計的風(fēng)力發(fā)電機效率測控系統(tǒng)軟件部分,由通信協(xié)議軟件、風(fēng)速采集單片機軟件、轉(zhuǎn)速采集單片機軟件、諧振控制系統(tǒng)單片機軟件、上位機數(shù)據(jù)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(tǒng)通信、與風(fēng)速采集系統(tǒng)通信。不同的通信部分包含不同的通信協(xié)議。風(fēng)速采集系統(tǒng)由風(fēng)杯傳感器、單片機、R-485 通信組成。由風(fēng)速傳感器產(chǎn)生的脈沖信號被轉(zhuǎn)換成風(fēng)速,再由上位機通過通信協(xié)議主動查詢,得到風(fēng)速值。轉(zhuǎn)速采集系統(tǒng)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(chǎn)生的脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換成圈數(shù),再由通信協(xié)議將轉(zhuǎn)速值打包發(fā)送給上位機。諧振控制系統(tǒng)由控制繼電器任務(wù)、電壓采集任務(wù)、數(shù)據(jù)打包發(fā)送任務(wù)、收命令任務(wù)組成?？刂评^電器任務(wù)主要是控制諧振參數(shù)和系統(tǒng)是否接入諧振回路。電壓采集任務(wù)主要是采集發(fā)電機輸出電壓以及負(fù)載電壓。數(shù)據(jù)打包發(fā)送任務(wù)主要是將相關(guān)信息按照通信協(xié)議打包發(fā)送給上位機進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。接收命令任務(wù)主要是接收上位機發(fā)送的是否接入諧振的命令。上位機數(shù)據(jù)處理軟件主要用于定時發(fā)送查詢命令、接收下位機打包發(fā)送的數(shù)據(jù)包,并對解析后得到的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行能量計算。

3 上位機實現(xiàn)

3.1 上位機功能

本文借助虛擬儀器編程軟件LabVIEW,設(shè)計上位機數(shù)據(jù)處理及效率分析軟件。上位機設(shè)計方案如圖6所示。

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

本文設(shè)計的上位機數(shù)據(jù)處理主要包括:定時發(fā)送查詢命令,接收下位機打包數(shù)據(jù)并解析出下位機傳輸?shù)娘L(fēng)速、轉(zhuǎn)速、負(fù)載電壓值等參數(shù),并對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。效率分析主要從能量方面進(jìn)行考慮,對電壓、負(fù)載電阻以及采樣率進(jìn)行計算:計算是否接入諧振回路兩種情況下,風(fēng)速突然降低那一時刻起到風(fēng)速穩(wěn)定的那一時刻的能量值,并將兩種情況下的能量值進(jìn)行對比分析以得到效率。

3.2 上位機程序架構(gòu)

本文設(shè)計的上位機程序架構(gòu)如圖7 所示。

圖7 上位機程序架構(gòu)圖Fig.7 Host computer program architecture

通過設(shè)計狀態(tài)機轉(zhuǎn)換不同的工作狀態(tài),實現(xiàn)上位機數(shù)據(jù)處理及效率分析。上位機運行后,首先進(jìn)行相關(guān)配置及初始化,然后進(jìn)入發(fā)送查詢命令狀態(tài),發(fā)出查詢命令后進(jìn)入等待事件觸發(fā)狀態(tài)。如果無事件觸發(fā),則跳至接收處理數(shù)據(jù)狀態(tài),上位機解析處理完后繼續(xù)跳至發(fā)送查詢命令狀態(tài),如此重復(fù)。如果有事件觸發(fā),則跳至發(fā)送相應(yīng)命令狀態(tài),發(fā)送相應(yīng)命令后進(jìn)入等待事件觸發(fā)狀態(tài),如此重復(fù)。上位機終端采用LabVIEW構(gòu)建的圖形化操作顯示界面,可以方便人們進(jìn)行測控試驗。

4 試驗

4.1 試驗步驟

本文搭建的風(fēng)力發(fā)電機效率測控系統(tǒng)試驗步驟如下。

①配置所需通信的串口參數(shù)、數(shù)據(jù)的存儲路徑、導(dǎo)入該風(fēng)力發(fā)電機最佳諧振參數(shù)表。然后,接入安全抱死系統(tǒng)。

②控制變頻器開啟風(fēng)機,測量低風(fēng)速下的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速和負(fù)載穩(wěn)態(tài)峰值電壓。然后,提升風(fēng)速,提高發(fā)電機輸出電壓。

③測量無諧振狀態(tài)?？刂谱冾l器降低風(fēng)速,在降低風(fēng)速的同時解析數(shù)據(jù)包,獲得負(fù)載電壓數(shù)據(jù),并開始計算能量。當(dāng)負(fù)載穩(wěn)態(tài)峰值電壓減小至前面測定過的低風(fēng)速下的負(fù)載穩(wěn)態(tài)峰值電壓時,停止計算,并記錄無諧振能量計算次數(shù)。

④能量值疊加,得到無諧振狀態(tài)下的能量總值?？刂谱冾l器使風(fēng)機風(fēng)速提高至原高風(fēng)速。

⑤測量諧振狀態(tài)。控制變頻器降低風(fēng)速,在降低風(fēng)速的同時接入諧振調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò),并開始解析數(shù)據(jù)包,獲得負(fù)載電壓數(shù)據(jù),計算能量。當(dāng)計算次數(shù)和無諧振能量計算次數(shù)相同時,停止計算。

⑥最終能量值疊加,得到諧振狀態(tài)下的能量總值,并且與無諧振狀態(tài)下的能量總值進(jìn)行比較,計算得到效率。重復(fù)試驗,使數(shù)據(jù)可以復(fù)現(xiàn),成功驗證效率。

4.2 試驗結(jié)果

對所構(gòu)建數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲分析,得到風(fēng)速6 m/s時該風(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)功率曲線,測試最佳功率點及其所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速。數(shù)據(jù)統(tǒng)計曲線如圖8 所示。

圖8 數(shù)據(jù)統(tǒng)計曲線Fig.8 Data statistics curve

5 結(jié)論

常規(guī)風(fēng)力發(fā)電機由于沒有諧振網(wǎng)絡(luò),風(fēng)力發(fā)電機對外做功損耗的能量不可控。本文所設(shè)計的系統(tǒng)在發(fā)電機和負(fù)載之間增加一個諧振網(wǎng)絡(luò),通過網(wǎng)絡(luò)對能量進(jìn)行合理分配。當(dāng)風(fēng)速增大時,能量流進(jìn)諧振網(wǎng)絡(luò),由網(wǎng)絡(luò)給負(fù)載供電;當(dāng)風(fēng)速減小時,發(fā)電機的轉(zhuǎn)速會大于風(fēng)速,發(fā)電機對風(fēng)做功損失能量。本文通過諧振網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)移能量,使發(fā)電機的轉(zhuǎn)速快速降低和風(fēng)速匹配,從而減小發(fā)電機對風(fēng)做功的能量損失,提高系統(tǒng)發(fā)電效率。