风电机组机舱监测及报警戏统设计.docx
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风电机组机舱监测及报警戏统设计
摘要
由于在风电场中,风力发电机组数量众多、型号不一、分布分散、并月一般距离主控制室较远、所处环境恶劣。
为了保证风电场安全稳定运行,并提高其管理效率,需要拥有能满足风力发电运行要求,功能完善且性能稳定的风力发电机组远程监控系统。
本文介绍了基一于GPRS无线网络的风电机组远程监控系统及其优点,提出将PLCS7-200处理器应用于风力发电机组主控制器,采用MD-720GPRS无线模块作为通讯端,基于J2EE体系的B/S管理系统作为服务端,并将这三者有机的结合起来构成了一个初步完善的远程风电机组监控系统。
首先,概述了风电发电机组的运行原理和构成,通过对各种常用电网通讯方式的比较和分析,确定了GPRS无线网络应用于风力发电机组远程监控系统的优势,在风电机组远程监控系统应用GPRS技术可以监测风电机组的运行状态、采集并传输各种运行参数。
为系统整体方案的实施,打下了良好的基础。
接下来有对同时对风力发电机组机舱端的中主控制器的控制策略做了相应的研究。
提出主控制器的设计思想和总体结构,给出了结构框图,然后阐述了控制系统的各个模块的功能。
然后概述了风电场远程监控系统的功能,系统应具备风电机组管理、报警信息管理、统计分析、系统管理等功能,并针对这些功能需求进行数据库设计;介绍了基于WEB结构的远程监控系统的基本理论及设计方法,及其在数据层、业务逻辑层和表示层三个体系结构上的具体实现。
并在J2EE平台上进行了风电场远程监拧系统相关功能的开发和实现。
最后,对本文所做的研究工作进行总体的概述,为下一步的研究内容指明了方向。
关键词:
GPRS,风力发电机组,远程监控
Abstract
Inthewindfarm,windturbinesarebigmount,differentmodels,farfrommain
controlCOOll1,workedinpoorenvironment.Toensurethesecurityai记stabilityofwindfarmsandtoincreasetheirmanagementefficiencyneedtohavewindpowertomeettheoperationalrequirements,functionalandstableperformanceofthewindturbineremotemonitoringsystem.ThisarticledescribesthewindturbineremotemonitoringsystembasedonGPRSwirelessnetworkanditsadvantages,proposedtoPLC57-200processorusedinwindturbineasmastercontroller,theuseofMD-720GPRSwirelessmoduleascommunicationterminal,B/SmanagementsystembasedontheJ2EEsystemasserver,andtheorganiccombinationofthethreeformapreliminarycomprehensiveremotewind
turbinecontrolsystem.
Firstly,thepaperbrieflydescribesthewindpowergeneratingunitsoperating
principleanditsstructure,throughananalysisofcommonlyusedelectricpower
communicationtechnology;determinetheadvantagesofGPRSwirelessnetworkusedonthewindturbineremotemonitoringsystem.InthewindturbinesystemapplicationGPRSremotemonitoringtechnologytomonitortheoperationalstatusofwindturbines,collectandtransmitvariousoperatingparameters.
Thendotheappropriateresearchofthecontrolstrategyofthehostcontrollerinthewindturbine'scarbon.Adesignideaproposedbythemaincontrollerandtheoverallstructureofblockdiagramisgiven;thendescribesthevariousmodulesofthecontrolsystemfunctions.
Thenoutlinedthewindfarmfeaturesremotemonitoringsystem,Systemshouldhavethewindturbinemanagement,alarmmanagement,statisticalanalysis,systemmanagement,anddothedatabasedesignoftheserequirements;introducethebasictheoryanddesignmethodsoftheremotemonitoringsystembasedonWeb,andrealizationofthreelayers(datalayer,businesslogicandpresentationlayer).DothedevelopmentandimplementationoftheremotemonitoringsystembasedonJ2EE.
Atlast,thepaperprovidesgeneralizeandreviewoftheworkdone,theinadequaciesofthepresentsystemandthewaytoimprovetheperformance.
KeyWords:
GPRS,windturbine,remotecontrol
第一章绪论
1.1课题背景
能源是人类生存和发展的重要物质基础,也是当今国际政治、经济、军事、外交关注的焦点。
中国经济社会持续快速发展,离不开有力的能源保障。
然而,由于世界上不可再生资源如煤炭、石油、天然气等的探明和未探明储量都是非常有限的。
传统的不可再生能源包括煤炭,石油以及天然气等由于全球工业化以及汽车、飞机等新型交通_一具的发展需求的增加而不断的增大。
据第二届环太平洋煤炭会议资料介绍,按目的技术水平和采掘速度计算,全球的煤炭资源还可以开采200年,石油探明储量预测仅能开采34年,天然气能开采60年。
仅仅在刚刚过去的一个世纪中,全世界不可再生资源的消耗就增长大约二十倍,己经超出了地球对于整个生态系统的自我调节能力,严重影响人类正常的居住环境。
化石燃料的燃烧,会产生如一氧化碳、粉尘以及其他空气污染物,会引发空气污染、水污染等严重污染,同时也是造成温室效应的的原因。
随着二氧化碳的迅速增加,大大增强了温室效应,加快了全球变暖的趋势。
全球平均气温也在近百年内升高了。
温室效应会导致全球变暖,两极冰川融化,世界海平面上升等严重危害,对人类的社会、生活和赖以生存的自然环境等造成不可逆转的伤害
能源危机和环境污染这两大问题,是人类自诞生至今所面临的最大的问题,也是人类是否能够继续生存的重大问题。
为了解决这两大问题,为实现可持续发展战略,人类的和谐发展,在新技术基础上,系统地开发利用的可再生能源得到了前所未有的关注。
中国政府明确指出利用可再生能源开发的先进技术,是解决这两大问题的有效举措。
与传统的不可再生能源相比,新的可再生能源包括风能、水能、太阳能、地热能、潮汐能及生物质能等。
其中,近乎无尽、分布广泛、一十乙净且缓和风能的是当之无愧的“绿色能源”。
风力发电是一种有效的方法,可使用在目前最为成熟的技术,同时也是极具发展和开发前景的可再生资源。
由于其在减少环境污染,调整能源结构,对交通不便、远离主干电网的岛屿及边远地区的供电中起到了关键作用,越来越多的世人关注其发展,并已得到广泛的利用和开发。
地球上蕴藏的风力资源十分丰富,如果10%的风能得到月花发利用的话,那么全球的电力需求就可以得到满足101。
自二十世纪八十年代以来,随着装备技术的不断发展,风力发电的成本不断降低,很多地方的风力发电成本己经低于传统的发电方式,装机容量不断扩大,风力发电技术得到了包括中国在内的全世界各个国家的大力支持。
为了大力发展我国的风力发电技术,使其处于世界领先地位,十、一五期间,
风力发电技术被列为国家重点发展项目。
国家863计划中明确提出:
要研究世界
领先的风力发电技术。
随着可再生能源的有效利用和蓬勃发展,世界各地都在积
极部署陆上和海上风力发电机;风电场中部署了大量的各种类型的风力发电机组。
由于风力发电场的不断扩大和跨越式的发展,会经常发生一个风电场中有着多种不同型号的发电机的情况,当一个风电场中有着几十甚至上百个风力发电机组时,对风力发电机纤工的各项运行参数、实时状态,历史数据的统计分析等的集中管控是非常重要的。
而传统的监测和管理方式对于多机型风电机组风电场的监管力不从心。
随着风电场规模的扩大,需要实现对风电场进行统一监控、维护和调度,实现现场设备层和企业管理层的无缝连接,使风电场的运行可以逐步向无人值班发展,从而降低风电厂的运行成本,提高风电场的经济效益
风力发电设备制造成本高昂,但是如果在运行过程中不能及时发现其运行异常或不能及时处理异常将导致严重损失。
目前,对多机型风电场的日常监控,无论是国内还是国外都没有特别有效的方法。
风力机故障经常各种运行数据的异常来体现的,通过对风电机日常的运行数据来进行监测和诊断是现阶段风电系统运营维护所采取的重要方式。
风力发电机组远程监控系统的推出将使维修从以前的定期维护保养和事故维修,逐步过渡到目前的预测性维护。
可以考虑将各种传感器从不同角度安装在风力机组的各个位置,最大限度地获取状态信息,实时传送给监控中心
。
从监测结果看,远程监测和信号处理相结合,可以最大限度地减少的事故发生
和保障风电场的稳定运行。
可见,风力发电机组状态监测必须是多学科综合知识,
是一个非常复杂的,长期的工作。
风力机故障监测与诊断存在一定的特殊性,经常需要很多位知名专家进行异地诊断。
所以,根据当前成熟的通讯技术,可以考虑使用中国移动和中国电信等运营商的GSM或CDMA网络,采用GPRS或CDMA无线通讯方式,实现稳定、可靠地传递风电机组运行参数、故障等信息,对于研究兆瓦级风力发电机组实时一运行数据的传输有着特殊的意义。
1.2国内外风力机机组远程监控系统研究动态
随着世界范围内风力发电技术的不断发展,世界各国都在大力建设及发展大型的风力发电场。
以大型风力发电机组组成的大型风电场,可为电网提供可再生的绿色能源,也可解决边远地区的能源供应紧张形势,因此大型风电场的运行管理己提上议事日程。
及时一的对各个风电场中的各台)从力发电机组进行数据采集、机组控制、测量、参数调节以及各种情况下的报警等各项功能,是开发风电机组远程监控系统的主要目标。
我国各大风电场一般都会在引进各种型号一的国内外风电机组的同时,引进相配套的远程监控系统,但是一个供应商的监控系统一般不会兼容其他的厂一商以保证其在一定范围的垄断地位。
如果一个风电场在不同阶段弓}进了不同厂商不同型号的风电机组,监控系统的不兼容性,将不利于风电场对所有发电机组的集中控管。
为了开发出适合我国风电场的监控系统,国家部委在科研计划中加大对风力发电技术支持的同时,同时也要求开发出适合我国国情的风电场远程监控系统。
在这种形势的推动下,具有自主知识产权的风电场远程监控系统的开发也势在必行。
由于各个监控系统各有特点,其开发时的设计思路有着很大的不同,所以开发一套适用于我国风电场、兼容性强、易于扩展的远程监控系统有着很大的难度。
二零零五年六月,由新疆风能有限责任公司设计开发的第一个具有自主知识产权的“通用风电场远程监控系统”在测试使用一年后通过了国家验收,并在全国范围内进行推广。
管理者可以二十四小时不间断的远程利用该系统同时对多台风力发电机的运行情况进行实时监测,监测的内容包括:
风力发电机组的转速、有功功率、无功功率和油位等各种运行参数。
当风机发生故障时,系统会发出报警,并显示具体故障原因,便于管理者派出相关人员迅速排除故障,可以极大降低运行成本。
近年来,随着我国风力发电事业的发展,自主开发风电机组远程监控系统技术上不断加强,价格不断的走低。
基于对国内外市场前景的看好,国内监控厂商为了获取更大的市场占有率,不断提高生产规模和产品质量,进一步细化用户需求,必将使我国自主研发的风电机组远程监控系统得到进一步的发展
1.3课题的研究意义
风力发电技术装备国产化是我国风电企业的长远目标,增加风力发电设备制造能力和技术水平,降低风力发电成本,具备总体设计能力,不断改进和完善设备和零部件性能,提高核心竞争力,推动我国的发电事业向自主化、规模化、商业化发展。
同时保证风力发电机组的运行稳定性,提高整体质量,开发具有自主知识产权的风力发电机部件,形成规模化生产,使其具备标准化,通用化,并能够适应中国国情。
但现实存在的问题是,由于风电配套产业如机械加工等方面的水平相对与国外先进水平较低,造成国产的风力发电机组零部件本身的材料、精度、热处理等的可靠性较差,比国外的设备容易出现故障,此外风力发电机组本身工作的环境(温度、气候、风沙等)对其机械性能也有着很大的影响。
因此通过加强对风力发电机组的集中控管可以更好的掌握各个机组运行情况,并对出现的故障和日常运行数据进行分析,可以保证风场内所有机组安全可靠的运行。
本设计参考国外相关信息,通过对风力发电时各种控管、运行参数的分析,结合国产风力发电机组实际情况,研究开发了基于GPRS无线网络的风力发电机远程控制系统。
保障风力发电机组的安全运行并降低其的运行故障率,提高产品的核心竞争力。
1.4课题的主要研究内容
在硕士学习阶段里,本人有幸参与了国家支撑计划“适应海、陆环境的双馈式变速恒频风电机组的研制”(2006BAA01A03)项目。
本文正是在该项目的研究基础上,继续探讨了风力发电基本理论及其基本特性,了解对风电场对于远程控制系统的需求,对风电场远程监控系统进行了深入研究,从系统硬件架构和总体设计出发,阐述了主控端的设计流程,最后对基于GPRS无线网络的风电场远程监控系统进行了的整体设计和开发。
本文主要研究内容如下:
第一章首先简要的介绍该课题的研究背景,随后对风力发电机组远程监控系统的研究现状进行了综述,最后表述了该课题的研究意义;
第二章是对本文随后章节的理论基础一风力发电的基本理论进行了介绍。
首先研究了风力发电机组的运行原理,及风力发电机组的系统架构,以及最大风能捕获原理。
第三章是本章通过对各种传统电力通讯方式的分析和比较,研究证明GPRS通讯技术对风电机远程监控系统来说具有很强的适用性。
在风电机组远程监控系统应用GPRS技术可以监测风电机组的运行状态、采集并传输各种运行参数。
为系统整体方案的实施,打下了良好的基础。
第四章对主控端设计方案进行了描述,首先提出的设计思想和总体结构,给出了结构框图,然后阐述了控制系统的功能,包括运行状态、故障、安全保护及远程监控;确定了硬件和软件的选型,确定采用S7-200PLC控制器及STEP7MicroWIN开发,分析了它们的特点,给出设计方案。
第五章首先概述了风电场远程监控系统的功能,系统应具备风电机组管理、报警信息管理、统计分析、系统管理等功能,并针对这些功能需求进行数据库设计;随后介绍了基于WEB结构的远程监控系统的基本理论及设计方法,及其在数据层、业务逻辑层和表示层三个体系结构上的具体实现。
最后在J2EE平台上进行了风电场远程监控系统相关功能的开发和实现。
第六章是结论和下一步的工作方向,对本论文所做的工作及研究结果进行了总结,并只出了对风电机组远程控制系统进一步完善的方向,为下面的工作打下了良好的基础。
第二章风力发电机组运行原理
2.1风力发电的理论基础
风力发电是利用风力带动机组叶片旋转,再通过增速机将叶片旋转的速度提升促使风电机组发电。
叶片用来接受风力并将机械能转换为电能;尾翼转动使叶片始终对着风的来向从而获得最大的风能;转子在磁场中旋转,切割磁场中的磁力线产生电流,定子输出电压送入电网,其原理图如图2.1所示。
风电机组出口电压一般为690V,一台或几台风电机组通过一台箱式变压器升压至lOKV,由IOKV架空线路或者电缆相互连接,然后通过中心变电站升压后接入地区电网,其内部的接线图如图2.2所示。
2.1.1风力发电机的气动性原理
当气流经过上下翼面形状不同的叶片时,叶片凸面的弯曲使气流加速,压力较低;凹面较平缓则气流速度缓慢,压力较高,继而产生升力。
失速调节叶片的攻角沿轴向由根部向叶尖逐渐减少,因此根部叶面先进入失速,随着风速的加大,失速部分向叶尖处扩展,原来己失速的部分,失速程度加深,未失速的部分逐渐进入失速区。
失速部分使功率减少,未失速部分仍有功率增加,从而使输入值保持在额定值附近。
典型的失速型叶片输出功率曲线如图2.3所示。
由于风力机的风轮有很大的转动惯量,如果风轮本身没有有效的制动能力,在较高风速下要求脱网停机是不现实的。
所有的定桨距风力发电机组都采用了叶尖扰流器的设计。
当风电机组正常运行时,在液压系统作用下,桨叶主体部分与叶尖扰流器结合在一起,组合成完整的桨叶。
当风力机需要脱网停机时,液压系统会按照控制指令释放扰流器并使之旋转。
叶尖扰流器是风力发电机组的主要制动器,当风轮旋转时,扰流器上的离心力和弹簧力会使叶尖扰流器力图脱离桨叶主体转动到制动位置,而液压力的释放,将会使扰流器展开而使风轮停止运行,它使整个风力发电机组的制动控制系统具有很高的可靠性
按照当前的技术水平,理论上风速3m/s以上就可以开始发电,然而事实上,风力发电机组还存在着低风速运行时的效率问题。
在整个运行风速范围内(5m/s-25m/s)由于气流的速度是不断变化的,如果风力机的转速不能随风速的变化进行调整,必然会使风轮在低风速时的效率降低(而低风速时效率过高,会使桨叶过早进入失速状态)。
当风力发电机组的桨叶安装角和转速都是固定不变时,风力发电机功率曲线上只有一点具有最大功率系数,这一点对应于一个叶尖速比(叶片叶尖圆周速度与风速之比)。
风速变化时,功率系数也随之变化。
而想要在变化的风速下保持最大功率系数,必须保持浆叶的转速与风速之比不变,也就是说风力发电机组转速要能够随着风速的变化而变化。
对于同样直径的风轮驱动的风力发电机组,其发电机的额定转速可以有着很大的变化,而额定转速较低的发电机在低风速时具有较高的功率系数,额定转速较高的发电机在高风速时也具有较高的功率系数,这就是采用双速发电机的依据。
需要说明的是额定转速并不是按在额定风速时具有最大的功率系数设定的,因为风力发电机组与一般发电机组不同,它不是经常运行在额定风速点上,并且功率与风速的3次方成正比,只要风速超过额定风速,功率就会上升,这对于风力发电机组是无法控制的。
另外,改变桨叶安装角设定,也影响着额定功率的输出。
根据风力发电机组的特点,应尽量考虑高风速时的失速性能和提高低风速时的功率系数。
从理论计算所得的功率曲线都可以说明,当风力发电机组在额定风速以下运行时,在低风速区,不同安装角所对应的功率曲线几乎是相重合的。
但在高风速区,浆叶安装角的变化,对其最大输出功率(额定功率点)的影响是明显的。
实际上,调整桨叶的安装角,只是改变了桨叶对气流的失速点。
当安装角越大时,气流对桨叶的失速点越高,其最大输出功率越高。
2.1.2机械功率计算
机械功率是通过扭矩和风轮转速数据相比计算得到的,公式为:
Cp,是风机风能利用系数,是风机的风轮能够从自然风中吸收能量与风轮扫过面
积内未扰动气流所具实际风能的百分比,它是风力机的一个重要的设计参数,只有当叶尖速比为某一定值时最大。
在恒速运行的风力机中,由于风力机转速不变,而风速经常变化,叶尖速比不能保持在最佳值,风能利用系数往往与其最大值相差很多,风力机运行于低效情况。
而变速运行的风力机,通过适当控制输出功率的方法,有可能使风力机在叶轮叶尖速度与风速之比为恒定的最佳值情况下运转,从而使风能利用系数在很大的风速变化范围内能保持最大值,根据贝兹理论,理想叶轮的最大理论功率(贝兹极限)其计算公式为:
风力机的特性通常由图2.4所示的一簇功率系数Cp的无因次性能曲线来表示。
随着桨距角β的逐渐增大,风能利用系数Cp曲线显著缩小。
同时最大风能利用系数Cpmax始终小于0.5,也就始终小于贝兹理论极限值。
若保持桨距角固定,则Cp只与叶尖速比有关,对于某个特定风机,总存在唯一的一个最佳叶尖速比λopl,使得Cp最大,而当叶尖速比λ偏离λopl时,风机的效率将下降。
2.1.3风电系统结构
垂直轴风轮叶片一般是等截面曲线,风轮叶片是等截面双torposkien曲线。
在相同的外形尺寸下,双等截面叶片的扫风面积比单等截面叶片的扫风面积增大了15%,但是由于双等截面叶片比单等截面叶片同时多了两套横撑,使得双等截面叶片在风力作用下旋转时,增加了阻力,影响了效率和输出功率。
图2.5显示的是风机垂直的结构,主要分为风轮支撑装置、制动系统、传动系统、发电机及其控制系统四大部分,数字显示部分名称从1}9如下:
底部支撑架、主轴、仪器节、异步发电机、叶片、横撑、钢丝绳、电气柜和球角。
风轮支双等截面叶片支撑装置:
顶部轴承装置设在风轮上端,由四根张紧的另一端固定于地面的斜拉钢丝绳支撑风轮,并保证风轮主轴的垂直;下部轴承装置承受末自风轮主轴的垂直力。
制动系统:
盘式制动器设在高速刹车盘上,通过齿轮箱实施制动。
传动系统:
包括联轴器、传动轴、齿轮箱、轴承等组成传动系统,膜片联轴器作为软连接传递扭矩。
发电机和控制系统:
包括启动和刹车控制,测试与主控采集传输,润滑系统和监测报警。
采用发电机励磁和软并网控制。
其中叶片是扁锥形的,从它的横截面可看出分三层结构,内层是钢心轴,用于加固叶片,中间层是发泡材料,其作用是缓冲拉力,外层是玻璃钢蒙皮。
2.2最大风能跟踪原理
一般来说,风力发电机的运行区域可以分为四个区域,如图2.6所示。
1.区域A:
V 当风速V小于风力发电机切入风速Vcut_in时,此时风能无法为发电机转子提供起动转矩。 风力机在风力作用下做机械转动,发电机不工作,风力机不能转换电能; 2.区域B: Vcut_in 当风速介于风力机切入转速Vcut_in和额定转速Vrated,之间时,可以通过控制发电机转速跟随风速变化,风力机工作在最佳叶尖速比下,从而获得最大风能转换效率,实现最大风能捕获; 3.区域C: Vruted
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