基于虚拟仪器的风力发电机效率测控系统设计

吕富勇,巫江涛,祖旭明,何 浩,陆升阳,康俊鹏,江 鸿,柳加旺

(南京信息工程大学自动化学院,江苏 南京 210044)

0 引言

风能是一种使用历史悠久、不会污染环境的可再生能源[1-2]。2002 年,欧洲风能协会和绿色和平组织发表了“风力12”的研究报告。该报告预测:2020 年风力发电量占国家总体发电量超过12%[3-4]。风力发电机是一种将风能转化成电能,从而实现风力发电的转化装置。根据叶片固定轴的方位,风力发电机可分为水平轴和垂直轴两类。水平轴风力发电机对风向要求严格、机械构造复杂、内置齿轮变速箱的运行噪声大,而且变速箱容易漏油[5];垂直轴风力发电机因为无需对准风向、构造相对简单、造价低、不使用变速箱,所以没有漏油问题而越来越受到重视[6]。但是目前相对于水平轴风力发电机,垂直轴风力发电机对风能的利用率普遍较低,风能利用率有一定差距。因此,提高垂直轴风力发电机发电效率成为国内外研究的重点[7-9]。

近年来,国内外研究人员为提升垂直轴风力发电机的发电效率,进行了多方面的研究。主要研究方向包括叶片攻角、叶片数量、叶片形状[10-12]。这些方法中,发电机都是工作在能量自主流动的方式下,并没有主动控制发电机内部的能量流动[13-15]。由于风能能量密度较低,风向和风力大小具有不确定性,会导致不同风速下发电机效率优化困难,造成进一步提升发电机效率的空间有限。本文通过在发电机和负载之间添加受控能量调节网络,实现发电机在不同风速下能量的主动受控流动,从而提高风能发电效率[16-17]。

1 发电机能量流动分析

1.1 无调节网络发电机能量流动分析

普通的垂直轴风力发电机三相整流后和负载直接连接,风力发电机发出的能量直接供给负载。在这种情况下,当风力变化时,风力发电机转速无法调控以致转速与外界风速不匹配,使风力发电机发出的能量不受控制。发电机能量流动如图1 所示。

图1 发电机能量流动图Fig.1 Energy flow diagram of generator

1.2 有调节网络发电机能量流动分析

本文在风力发电机和负载之间,加入了一个谐振网络,通过谐振网络对风力发电机的能量进行控制。

1.2.1 风速突增时能量流动分析

当风速突然变高时,调节谐振网络使风力发电机按照风功率曲线快速提高转速以匹配当前风速,从而使发电机一直处于最佳工作状态。内置谐振网络后,风速突增能量流动如图2 所示。

图2 风速突增能量流动图Fig.2 Energy flow diagram of wind speed sudden increase

1.2.2 风速突降时能量流动分析

当风速突降时,由于惯性风力发电机的转速大于风速,风力发电机会对风做功。这将会产生能量的损失。本文通过谐振网络里的能量抽取开关抽取风力发电机里的能量,使风力发电机的转速最快和风速相匹配,从而减少风力发电机对风做功来减少能量的流失。

内置谐振网络后,风速突降能量流向如图3 所示。

图3 风速突降能量流动图Fig.3 Energy flow diagram of a sudden drop in wind speed

2 风力发电机效率测控系统搭建

2.1 系统总体方案

本文建立了一个风力发电机效率测控系统。系统总体架构主要由垂直轴风力发电机系统、谐振网络系统、控制系统、上位机系统以及效率验证系统组成。系统总体方案如图4 所示。

图4 系统总体方案Fig.4 System overall scheme

本系统中:风力发电机系统的功能是将风能转化为发电机转子的机械能,再将机械能转化为电能;谐振网络系统的功能是实现能量的存储、分配;控制系统的功能是利用单片机控制能量开关、数据采集以及通信;上位机系统的功能是基于LabVIEW 软件实现远程监控与控制以及数据的图形化和存储。综上所述,该效率测控系统可实现有/无谐振网络情况下风速突然降低时的风能测算。

2.2 系统硬件实现

本文设计的风力发电机效率测控系统硬件部分,由风速采集系统、功率回路、谐振控制系统、上位机控制终端组成。系统硬件方案如图5 所示。

图5 系统硬件方案示意图Fig.5 System hardware scheme

图5 中,风速采集系统由PHWS 风速传感器、单片机、RS-485 通信组成。功率回路由变频器、风洞、风力发电机组成。上位机和变频器的通信协议控制风洞风速的大小,通过风力发电机将风能转换为机械能,再转换为电能。谐振控制系统主要由谐振电感、谐振电容、继电器、单片机、负载组成。电感为固定式0.5 H 磁芯电感。电容选用的是8 个高耐压的无极性电容。继电器采用的是2 块8 路带光耦驱动的继电器模块,总共16 路继电器。通过控制继电器的开闭,可匹配系统的谐振参数以及控制是否接入断开谐振网络。上位机控制终端主要实现整个系统的测控方案,通过串口将控制指令打包成通信协议发送给下位机进行控制,并且通过查询指令采集数据,进行数据处理以及效率计算。

2.3 系统软件实现

本文设计的风力发电机效率测控系统软件部分,由通信协议软件、风速采集单片机软件、转速采集单片机软件、谐振控制系统单片机软件、上位机数据处理软件组成。通信包括上位机与变频器通信、与谐振控制系统通信、与风速采集系统通信。不同的通信部分包含不同的通信协议。风速采集系统由风杯传感器、单片机、R-485 通信组成。由风速传感器产生的脉冲信号被转换成风速,再由上位机通过通信协议主动查询,得到风速值。转速采集系统由霍尔传感器、单片机、串口通信组成。由单片机将霍尔传感器产生的脉冲数转换成圈数,再由通信协议将转速值打包发送给上位机。谐振控制系统由控制继电器任务、电压采集任务、数据打包发送任务、收命令任务组成。控制继电器任务主要是控制谐振参数和系统是否接入谐振回路。电压采集任务主要是采集发电机输出电压以及负载电压。数据打包发送任务主要是将相关信息按照通信协议打包发送给上位机进行数据处理。接收命令任务主要是接收上位机发送的是否接入谐振的命令。上位机数据处理软件主要用于定时发送查询命令、接收下位机打包发送的数据包,并对解析后得到的有效数据进行能量计算。

3 上位机实现

3.1 上位机功能

本文借助虚拟仪器编程软件LabVIEW,设计上位机数据处理及效率分析软件。上位机设计方案如图6所示。

图6 上位机设计方案示意图Fig.6 Disign scheme of host computern design

本文设计的上位机数据处理主要包括:定时发送查询命令,接收下位机打包数据并解析出下位机传输的风速、转速、负载电压值等参数,并对原始数据进行存储。效率分析主要从能量方面进行考虑,对电压、负载电阻以及采样率进行计算:计算是否接入谐振回路两种情况下,风速突然降低那一时刻起到风速稳定的那一时刻的能量值,并将两种情况下的能量值进行对比分析以得到效率。

3.2 上位机程序架构

本文设计的上位机程序架构如图7 所示。

图7 上位机程序架构图Fig.7 Host computer program architecture

通过设计状态机转换不同的工作状态,实现上位机数据处理及效率分析。上位机运行后,首先进行相关配置及初始化,然后进入发送查询命令状态,发出查询命令后进入等待事件触发状态。如果无事件触发,则跳至接收处理数据状态,上位机解析处理完后继续跳至发送查询命令状态,如此重复。如果有事件触发,则跳至发送相应命令状态,发送相应命令后进入等待事件触发状态,如此重复。上位机终端采用LabVIEW构建的图形化操作显示界面,可以方便人们进行测控试验。

4 试验

4.1 试验步骤

本文搭建的风力发电机效率测控系统试验步骤如下。

①配置所需通信的串口参数、数据的存储路径、导入该风力发电机最佳谐振参数表。然后,接入安全抱死系统。

②控制变频器开启风机,测量低风速下的稳态转速和负载稳态峰值电压。然后,提升风速,提高发电机输出电压。

③测量无谐振状态。控制变频器降低风速,在降低风速的同时解析数据包,获得负载电压数据,并开始计算能量。当负载稳态峰值电压减小至前面测定过的低风速下的负载稳态峰值电压时,停止计算,并记录无谐振能量计算次数。

④能量值叠加,得到无谐振状态下的能量总值。控制变频器使风机风速提高至原高风速。

⑤测量谐振状态。控制变频器降低风速,在降低风速的同时接入谐振调节网络,并开始解析数据包,获得负载电压数据,计算能量。当计算次数和无谐振能量计算次数相同时,停止计算。

⑥最终能量值叠加,得到谐振状态下的能量总值,并且与无谐振状态下的能量总值进行比较,计算得到效率。重复试验,使数据可以复现,成功验证效率。

4.2 试验结果

对所构建数据库进行存储分析,得到风速6 m/s时该风力发电机的风功率曲线,测试最佳功率点及其所对应的转速。数据统计曲线如图8 所示。

图8 数据统计曲线Fig.8 Data statistics curve

5 结论

常规风力发电机由于没有谐振网络,风力发电机对外做功损耗的能量不可控。本文所设计的系统在发电机和负载之间增加一个谐振网络,通过网络对能量进行合理分配。当风速增大时,能量流进谐振网络,由网络给负载供电;当风速减小时,发电机的转速会大于风速,发电机对风做功损失能量。本文通过谐振网络转移能量,使发电机的转速快速降低和风速匹配,从而减小发电机对风做功的能量损失,提高系统发电效率。