呂富勇,巫江濤,祖旭明,何 浩,陸升陽(yáng),康俊鵬,江 鴻,柳加旺

(南京信息工程大學(xué)自動(dòng)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(huì)污染環(huán)境的可再生能源[1-2]。2002 年,歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)和綠色和平組織發(fā)表了“風(fēng)力12”的研究報(bào)告。該報(bào)告預(yù)測(cè):2020 年風(fēng)力發(fā)電量占國(guó)家總體發(fā)電量超過(guò)12%[3-4]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能,從而實(shí)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(jī)可分為水平軸和垂直軸兩類。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)風(fēng)向要求嚴(yán)格、機(jī)械構(gòu)造復(fù)雜、內(nèi)置齒輪變速箱的運(yùn)行噪聲大,而且變速箱容易漏油[5];垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)因?yàn)闊o(wú)需對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向、構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、不使用變速箱,所以沒(méi)有漏油問(wèn)題而越來(lái)越受到重視[6]。但是目前相對(duì)于水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī),垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)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(jī)發(fā)電效率成為國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)[7-9]。

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外研究人員為提升垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)都是工作在能量自主流動(dòng)的方式下,并沒(méi)有主動(dòng)控制發(fā)電機(jī)內(nèi)部的能量流動(dòng)[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(huì)導(dǎo)致不同風(fēng)速下發(fā)電機(jī)效率優(yōu)化困難,造成進(jìn)一步提升發(fā)電機(jī)效率的空間有限。本文通過(guò)在發(fā)電機(jī)和負(fù)載之間添加受控能量調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)在不同風(fēng)速下能量的主動(dòng)受控流動(dòng),從而提高風(fēng)能發(fā)電效率[16-17]。

1 發(fā)電機(jī)能量流動(dòng)分析

1.1 無(wú)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)發(fā)電機(jī)能量流動(dòng)分析

普通的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)三相整流后和負(fù)載直接連接,風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(shí),風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速無(wú)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(jī)發(fā)出的能量不受控制。發(fā)電機(jī)能量流動(dòng)如圖1 所示。

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

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

本文在風(fēng)力發(fā)電機(jī)和負(fù)載之間,加入了一個(gè)諧振網(wǎng)絡(luò),通過(guò)諧振網(wǎng)絡(luò)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的能量進(jìn)行控制。

1.2.1 風(fēng)速突增時(shí)能量流動(dòng)分析

當(dāng)風(fēng)速突然變高時(shí),調(diào)節(jié)諧振網(wǎng)絡(luò)使風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)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(dòng)如圖2 所示。

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

1.2.2 風(fēng)速突降時(shí)能量流動(dòng)分析

當(dāng)風(fēng)速突降時(shí),由于慣性風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速大于風(fēng)速,風(fēng)力發(fā)電機(jī)會(huì)對(duì)風(fēng)做功。這將會(huì)產(chǎn)生能量的損失。本文通過(guò)諧振網(wǎng)絡(luò)里的能量抽取開關(guān)抽取風(fēng)力發(fā)電機(jī)里的能量,使風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速最快和風(fēng)速相匹配,從而減少風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)風(fēng)做功來(lái)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(dòng)圖Fig.3 Energy flow diagram of a sudden drop in wind speed

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)效率測(cè)控系統(tǒng)搭建

2.1 系統(tǒng)總體方案

本文建立了一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)效率測(cè)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(jī)系統(tǒng)、諧振網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、上位機(jī)系統(tǒng)以及效率驗(yàn)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(jī)系統(tǒng)的功能是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械能,再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能;諧振網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的功能是實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)、分配;控制系統(tǒng)的功能是利用單片機(jī)控制能量開關(guān)、數(shù)據(jù)采集以及通信;上位機(jī)系統(tǒng)的功能是基于LabVIEW 軟件實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制以及數(shù)據(jù)的圖形化和存儲(chǔ)。綜上所述,該效率測(cè)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)有/無(wú)諧振網(wǎng)絡(luò)情況下風(fēng)速突然降低時(shí)的風(fēng)能測(cè)算。

2.2 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)效率測(cè)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(jī)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(jī)、RS-485 通信組成。功率回路由變頻器、風(fēng)洞、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成。上位機(jī)和變頻器的通信協(xié)議控制風(fēng)洞風(fēng)速的大小,通過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)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(jī)、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(gè)高耐壓的無(wú)極性電容。繼電器采用的是2 塊8 路帶光耦驅(qū)動(dòng)的繼電器模塊,總共16 路繼電器。通過(guò)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(jī)控制終端主要實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)控方案,通過(guò)串口將控制指令打包成通信協(xié)議發(fā)送給下位機(jī)進(jìn)行控制,并且通過(guò)查詢指令采集數(shù)據(jù),進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以及效率計(jì)算。

2.3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)效率測(cè)控系統(tǒng)軟件部分,由通信協(xié)議軟件、風(fēng)速采集單片機(jī)軟件、轉(zhuǎn)速采集單片機(jī)軟件、諧振控制系統(tǒng)單片機(jī)軟件、上位機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件組成。通信包括上位機(jī)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(jī)、R-485 通信組成。由風(fēng)速傳感器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)被轉(zhuǎn)換成風(fēng)速,再由上位機(jī)通過(guò)通信協(xié)議主動(dòng)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(jī)、串口通信組成。由單片機(jī)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(jī)。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(jī)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(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。接收命令任務(wù)主要是接收上位機(jī)發(fā)送的是否接入諧振的命令。上位機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件主要用于定時(shí)發(fā)送查詢命令、接收下位機(jī)打包發(fā)送的數(shù)據(jù)包,并對(duì)解析后得到的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行能量計(jì)算。

3 上位機(jī)實(shí)現(xiàn)

3.1 上位機(jī)功能

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

圖6 上位機(jī)設(shè)計(jì)方案示意圖Fig.6 Disign scheme of host computern design

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

3.2 上位機(jī)程序架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的上位機(jī)程序架構(gòu)如圖7 所示。

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

通過(guò)設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換不同的工作狀態(tài),實(shí)現(xiàn)上位機(jī)數(shù)據(jù)處理及效率分析。上位機(jī)運(yùn)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(wú)事件觸發(fā),則跳至接收處理數(shù)據(jù)狀態(tài),上位機(jī)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(jī)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(cè)控試驗(yàn)。

4 試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)步驟

本文搭建的風(fēng)力發(fā)電機(jī)效率測(cè)控系統(tǒng)試驗(yàn)步驟如下。

①配置所需通信的串口參數(shù)、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)路徑、導(dǎo)入該風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī),測(cè)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(jī)輸出電壓。

③測(cè)量無(wú)諧振狀態(tài)。控制變頻器降低風(fēng)速,在降低風(fēng)速的同時(shí)解析數(shù)據(jù)包,獲得負(fù)載電壓數(shù)據(jù),并開始計(jì)算能量。當(dāng)負(fù)載穩(wěn)態(tài)峰值電壓減小至前面測(cè)定過(guò)的低風(fēng)速下的負(fù)載穩(wěn)態(tài)峰值電壓時(shí),停止計(jì)算,并記錄無(wú)諧振能量計(jì)算次數(shù)。

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

⑤測(cè)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(shí)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(jì)算能量。當(dāng)計(jì)算次數(shù)和無(wú)諧振能量計(jì)算次數(shù)相同時(shí),停止計(jì)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(wú)諧振狀態(tài)下的能量總值進(jìn)行比較,計(jì)算得到效率。重復(fù)試驗(yàn),使數(shù)據(jù)可以復(fù)現(xiàn),成功驗(yàn)證效率。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)所構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)分析,得到風(fēng)速6 m/s時(shí)該風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)功率曲線,測(cè)試最佳功率點(diǎn)及其所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)曲線如圖8 所示。

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

5 結(jié)論

常規(guī)風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于沒(méi)有諧振網(wǎng)絡(luò),風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)外做功損耗的能量不可控。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在發(fā)電機(jī)和負(fù)載之間增加一個(gè)諧振網(wǎng)絡(luò),通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)能量進(jìn)行合理分配。當(dāng)風(fēng)速增大時(shí),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(shí),發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)大于風(fēng)速,發(fā)電機(jī)對(duì)風(fēng)做功損失能量。本文通過(guò)諧振網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)移能量,使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速快速降低和風(fēng)速匹配,從而減小發(fā)電機(jī)對(duì)風(fēng)做功的能量損失,提高系統(tǒng)發(fā)電效率。