风光互补发电系统的研究Word文件下载.docx
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学号:
3
学生:
指导教师:
王彥
完成日期:
2014年7月3日
内容摘要
风光互补发电系统近几年引起了许多专家学者关注,也取得了一定成果,并已经推广了日常生活中来。
风光互补照明供电系统,充分利用清洁能源,实现零耗电、零排放、零污染,产品广泛应用于道路、景观、小区照明及监控、通讯基站、船舶等领域。
本文通过对风光互补发电系统现状分析,从其技术原理入手,将重点放在了风光互补发电部分,主要通过对风光互补发电原理及电路分析,为风光互补发电系统提供了一个很好基础。
并通过对风光互补系统逐步分析,对风光互补发电系统做了一个整体研究,通过研究得出,作为两种新型能源充分利用系统,风光互补发电系统更加适合现在生活需要。
关键词:
风光互补发电系统;
太阳能电池板;
太阳能发电原理;
风光系统
1绪论
1.1课题背景及意义
可再生能源综合利用对我国社会经济可持续发展和环境保护起着重要作用。
在当前可利用几种可再生能源中,太阳能和风能是利用比较广泛两种。
太阳能和风能在资源条件和技术应用上都有很好互补特性,在电能作为能量主要能量消耗形式当今社会,综合考虑太阳能和风能在多方面互补特性而建立起来风光互补发电系统是一种经济合理供电方式。
该供电方式在解决边远地区能源供应问题中发挥着积极作用。
关于风光互补发电推广应用,系统优化设计和运行控制是两个研究重点,前者是根据系统应用地点资源条件和负载特性对系统各个部件进行合理选型以达到最小投资配置;
后者则是通过对系统动态运行分析,提出切实可行运行控制策略,而后采取相应技术手段实现系统可靠、高效地运行,减少系统运行维护,也是体现系统设计初衷有力保障。
1.2风光互补发电提出及发展现状
1.2.1风能、太阳能特点
在当前可利用几种可再生能源中,风能和太阳能是目前利用比较广泛两
种。
同其它能源相比,风能和太阳能有着其自身优点:
一、取之不尽、用之不竭
二、就地可取无需运输
三、无环境污染
风能、太阳能虽然存在上述优点,但也存在着一些弊端:
一、能量密度低
二、能量稳定性差
1.2.2风光互补发电应用现状
风光互补发电系统研究一方面集中在系统计算机仿真和优化设计目前,国外进行这方面研究大学有ColoradoStateUniversity,UniversityofMassachusetts等。
其中ColoradoStateUniversity和NationalRenewableEnergyLaboratory(美国可再生能源研究室)合作开发了hybrid2应用软件。
该软件功能强大,能对一个风光互补发电系统进行精确模拟运行,根据输入发电系统结构、负载特性以及安装地点风力、日照强度数据获得8760小时运行结果。
但它只是一个功能强大仿真程序,并不具备优化设计功能。
而在国内,香港理工大学同中科院广州能源所及中科院半导体研究所合作提出了了一整套利用以CAD进行风光互补发电系统优化设计方法。
该方法采用了更精确地表征组件特性及评估实际获得风光资源数学模型,精确确定系统每小时运行状态。
采用比较寻优方法找出以最小设备投资成本满足用户用电要求系统配置。
风光互补发电系统另一方面研究主要是利用飞速发展电力电子技术和微计算机控制技术提高系统供电高效性和运行稳定性。
通过电力电子技术来实现风力发电和光伏发电最大输出功率追踪捕捉以及负载端交流/直流逆变输出。
在这方面技术创新层出不穷。
华南理工大学研究设计了新型无刷双馈发电机,并通过权值调节方式实现太阳能逆变器最优功率传输通过微计算机控制技术来实现对系统控制与保护,保证系统在无人职守情况下能稳定可靠地运行。
这方面研究多见于西北部偏远山区农牧民供电系统以及海岛居民生活用电系统。
西藏K4w风光互补电站示范工程完成、内蒙古户用风光互补系统推广以及山东省某海岛30WK风光互补发电系统成功运行都能体现出微计算机控制技术对风光互补发电系统控制带来优越性。
这方面研究也是本文重点。
风光互补发电系统应用,就目前来看,如前所述,多作为独立供电系统,用于远离电网地区。
如部队边防哨所、邮电通讯中继站、公路和铁路信号站、地质勘探和野外考察工作站、偏远山区及海岛。
风光互补并网发电还不多见,但目前我国在广东省南澳县投资兴建大型风光互补并网发电项目,同时承担一定技术课题研发工作。
1.3本文主要内容
论文本着风能、太阳能综合利用思想,从风光互补发电目标入手,以典型风光互补发电系统结构为对象认真分析系统在整个运行过程中能量生产、转换、储备和消费环节工作状态,对系统运行控制方式及方法进行剖析,归纳总结出切实可行控制策略。
最后,通过系统地分析和比较研究,结合微计算机控制技术开发研制了为风光互补发电提供可靠运行保障控制系统,最后对未来风光互补发电系统发展作了展望。
本文研究是风光互补发电系统可以根据用户用电负荷情况和资源条件进行系统容量合理配置,既可保证发电系统供电可靠性,又可降低发电系统造价,是一种经济合理供电方式。
全文共分为____章,各章内容简介如下:
第一章绪论,简述课题背景和意义、论题国内外发展现状,介绍论文主要内容;
第二章__________________;
第三章__________________;
……
本文最后对全文进行总结,并指出了研究课题未来发展方向。
2风光互补发电系统运行结构
2.1风光互补发电系统
风光互补发电系统典型结构如下图所示。
整个系统由能量产生环节、能量存储环节、能量消费三个环节三部分组成。
能量产生环节又分为风力发电和光伏发电部分了,分别将风力、日照资源转化为高品位电力能源;
能量存储环节由蓄电池来承担,如前文所述,引入蓄电池主要作用就是为了尽量消除由于天气等原因引起能量供应和需求不平衡,在整个系统中起到能量调节和平衡负载作用;
能量消耗环节就是各种用电负载,可分为直流负载和交流负载两类,交流负载连入电路时需要逆变器。
另外,为了增强系统供电不间断性,可以考虑引入后备柴油机,后备柴油机选配很大程度上还是根据当地风力、日照资源条件确定。
图1风光互补发电系统结构
2.2风力发电机组
风力发电机组是风光互补发电系统中风能吸收和转化设备。
从能量转换角度来看,风力发电机组由两大部分组成,其一是风力机,它功能是将风能转换为机械能;
其二是发电机,它功能是将机械能转换成电能。
2.2.1风力机类型
作为风能接收装置风力机,自古以来就有多种形式,特别是在近代得到了很大发展。
其分类方法有两种:
(1)以接受风能形式可以分为升为式和阻力式;
(2)以风轮回转轴方向,可以分为竖直轴式和水平轴式。
2.2.2风力机工作特性
风力机起动时,需要一定力距来克服其内部摩擦力,这一力距称作风力机起动力矩。
起动力距与风力机本身传动机构摩擦阻力有关,因此风力机有一个最低工作风速,只有风速大于最低工作风速时风力机才能工作。
而当风速超过某一值时候,基于安全上考虑,风力机应当停止运转,所以每台风力机都规定有最高工作风速,该风速值与风力机设计强度有关,是设计时给定参数。
介于最低风速和最高风速之间风速叫做风力机工作风速,相应于工作风速风力机有功率输出,风力机输出功率达到标称功率时工作风速称为该风力机额定风速。
为充分利用风力资源进行发电,应按当地风力资源来确定风力机起动风速和额定风速,进而选择合适机型。
2.2.3风电机组工作方式
可用于风力发电变速恒频发电方式有多种。
如交流/直流/交流系统、磁场调制发电机系统、交流励磁双馈发电机系统、无刷双馈发电机系统、爪极式发电机系统、开关磁阶发电机系统等,这些变速恒频发电系统有是发电机与电力电子装置相结合实现变速恒频,有是通过改造发电机本身结构而实现变速恒频。
这些方式实现都有自己特点,可以适用于各种不同场合。
在风光互补发电系统中,风电机组采用交流/直流/交流运行方式同光伏方阵联合运行。
风电机组发出电能经整流器将交流变换为直流,而后再通过逆变器变换为频率恒定交流电供负载使用。
在直流环节,风电机组发出电可直接供给直流负载,而且多余电能可以对蓄电池进行充电。
2.3光伏阵列
2.3.1光伏阵列结构
2.3.2光伏阵列工作特性
2.4蓄电池
在风光互补发电系统中,蓄电池作为储能环节,在风力、日照充足条件下,可以存储供给负载后多余电能;
在风力、日照不佳情况下输出电能给负载。
2.4.1铅蓄电池充放电原理
2.4.2铅蓄电池工作状态
3风光互补发电控制系统研发
3.1风光互补发电系统运行控制分析
风/光互补发电系统中,为了保证发电系统供电连续性和稳定性,配置了蓄电池作为储能装置。
而目前使用铅蓄电池均不是为新能源发电系统专门设计,因此系统中所选用铅蓄电池自身一些缺点在发电系统运行过程中表现得尤为突出。
铅蓄电池主要缺点是耐过充电和过放电能力较差。
太阳能和风能发电随机性强,稳定性差,在发电系统中很难保证对蓄电池有规律地充放电。
因此,在风光互补发电系统中,如果对运行中蓄电池充放电控制和保护方法不得当,极易造成蓄电他损坏。
另外,在光伏发电系统中,蓄电池投资占总系统投资15-20%,在小型风力发电系统中占30-40%。
从如此高投资比例也可以看出蓄电池使用寿命长短直接影响发电系统供电稳定性、系统维护经费再投入和整个系统发电成本。
因此,蓄电池充放电控制与过充电和过放电保护是风光互补发电系统运行控制主要部分,换言之,整个风光互补发电系统运行控制围绕蓄电池有效充放电控制与保护进行。
3.2控制系统总体方案
风光互补发电系统运行控制是一个较复杂过程控制,我们可以采用工业上较为成熟过程控制技术对该系统运行状况进行监测控制和优化管理。
这一方面保证了系统可靠运行,另一方面也免去了系统在偏远地区进行人工维护不便。
3.2.1控制系统结构
由于被控对象不同,且过程控制中被检测参数也很有很大差别是,所以单片机组成控制系统也不尽相同,根据单片机系统工作特点进行如下分类:
(1)操作指导控制系统,在这种控制系统中,单片机输出不直接用来控制生产对象,而只是对系统过程参数进行收集、加工处理,然后输出数据。
(2)直接数字控制系统,利用单片机对多个被控参数进行巡回检测,将检测结果与设定值进行比较,然后按照一定方法进行运算,输出信号到执行机构对生产过程进行控制,使被控参数稳定在给定值。
(3)计算机监督系统。
在SCC系统中,由监督计算机收集由DCC单片机采集到系统控制参数,按照描述生产过程数学模型计算机出最佳控制参数给定值传磅给DCC系统单片机,对系统过程进行最优控制。
(4)分布式控制系统,用于生产过程复杂,设备分布广,其中各个工序、各设备间并行工作,彼此孤立系统控制。
这种系统中,将单片机控制技术同计算机通讯技术、网络技术结合起来,成为单片机技术一个重要发展方向,该种控制方法适合于结构复杂系统运行控制。
3.2.2控制系统具体功能
(1)系统状态监测
(2)能量管理
(3)充放电控制
(4)参数设定
(5)通讯功能
3.3控制系统开发
确定总体方案之后,接着手控制系统开发。
控制系统开发可分为硬件和软件两部分,但开发时常会遇到这样问题,就是同样一个功能,既可以通过硬件实现,也可以利用软件来完成。
这就要求我们将硬件、软件两方面设计结合起来,根据系统具体情况进行折衷处理。
由于控制系统管理层由PC机来承担一定管理和协调控制任务,所以控制系统管理层开发主要在软件方面。
控制系统监控层由单片机承担,对风光互补发电系统进行有效实时控制,由于其针对性强,市场上现有一些单片机系统不能很好地满足应用要求,我们决定选用合适单片机自行设计,这是控制系统开发重点。
4结论与建议
本文从风光互补发电系统运行结构出发,深入分析了系统运行特点,归纳出了系统运行控制策略,而后结合微计算机控制技术开发出了控制系统,并成功应用到工程实践中,得到了预期效果。
但控制系统要得到更广泛应用,还要考虑更多相关因素,进行不断完善。
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