首页 如何成为会员 意见反馈
主办 沈阳鼓风机研究所 /《风机技术》杂志社
   新闻  |   技术纵横  |  论坛  |  沈阳鼓风机研究所  |  风机协会  |  质检中心  |  风机标委会  |  风机技术杂志  |  企业商铺  |  供求  |  产品  |  书籍  |  招聘
当前位置:中国风机技术网 → 技术纵横 → 节能

小型风力发电机转速控制研究

秦建国 刘 伟/内蒙古工业大学信息工程学院    

摘要:针对小型风力发电机目前面临的最大难题是其可靠性与安全性问题,即大风时的超速保护问题。总结了国内风机超速保护技术现状,介绍了一种当转速大于转速最值时,用卸荷负载来吸收多余电能,从而使转速降下来直至停机的方法。简介了硬件与软件的设计。

关键词:小型风力发电机;卸荷;超速保护

中图分类号:TM614   文献标识码:B

Research on Controlling Speed of Small-type  Wind Tturbine Generator

Abstract: The biggest problem facing small-type wind turbine generator at present is that reliability and security, which is the protection problem of overspeed during strong wind. This paper has summarized the situation of overspeed protection technology of domestic fans and introduced a method of using unloading the load to absorb excess energy and then make speed decreased until shutdown when the value of speed is greater than the maximum of speed. The design of hardware and software is briefly introduced.

Key words: small-type  wind turbine generator ; unloading; overspeed protection

1  概述

  小型风力发电机对解决边远地区农、牧、渔民基本生活用电起到了重大作用。在这方面内蒙古自治区走在全国前列。 几十年来,小型风力发电机技术尽管有了很大的发展,但在大风情况下,风机容易造成飞车失控,大型风机一般都设计有机械刹车系统。但对于小型风机由于受成本体积制约,不可能将机械限速装置嵌入其中。虽然小型风力发电机自己也带有一定超速保护功能如调速功能,但是它们保护范围有限,根本不能满足实际的需要。因此,风机失控会烧毁整流控制电路,损坏蓄电池,甚至发生伤人事故。出于此提出了转速控制的方法,它是对现有控制器功能的一种完善(见图1),并将小型风力发电机应用技术推向成熟, 从而提高小型风力发电机安全、可靠性。

2  国内风力发电机超速保护技术现状

  目前,各类机型风力发电机的超速保护方案大致可分为三类。

  一是借助某种机构使风轮偏离风向,减小风轮迎风面积,从而减小风能的吸收。如:风轮侧偏调速法,这种调速方法又有两种:一种是借助“侧翼”来实现风轮侧偏调速,该方法是在风轮后面与风轮回转面平行安装一个侧翼,其侧翼梁应平行于地面。侧翼板伸到风轮回转直径之外,并与回转面平行。侧翼的迎风面积,以当风速达限速风速时侧翼板上的风压足以使风轮扭转限速为标准,通过严格的设计和试验确定,不可随意变动;另一种是利用“偏心”的办法进行调速。偏心调速法:所谓偏心,就是指风力发电机风轮水平旋转轴与风力发电机机头的垂直旋转轴有一距离,此距离称为偏心距。当风大时,此偏心距可促使风轮产生一个顺着风向扭转的力矩。这种调速法的优点是结构简单 , 目前我国大多数小型风力发电机都采用了风轮偏心调速方式[1]

  二是借助某种机构利用风轮叶片的离心力改变桨距,降低风轮的风能利用率,从而达到减小风能吸收的效果。如:变桨距调速法[1],该方法就是当风速达到限速风速时,迫使桨叶绕叶柄转过一个角度,以改变桨叶的冲角,从而改变桨叶的升力与阻力,达到调速的目的。主要应用于大型风机,对于小型风机成本太高。

  三是借助某种机构在桨叶上采用增大桨叶阻力的方法以获得调速的目的。如:空气制动调速法 [1]

  当风速较大时,特别是蓄电池已经充满的情况,为了使蓄电池不至于过充和过放,以保证蓄电池的正常使用和整个系统的可靠工作。风力机控制器一般都附带一个耗能负载,它的作用是在蓄电池瓶已充满,外部负荷很小时来吸纳风力机发出的电能,但是它保护范围很窄,一般需要人工控制风力机停机。在有的小型风力机中设计有手动刹车机构,另外在实践中可采用侧偏停机方式,即在尾翼上固定一软绳,当需要停机时,拉动尾翼,使风轮侧向于风向,从而达到停车的目的。近年来,为了满足实际需要正在寻求更好的超速保护方法。

3  理论依据

  风轮与发电机之间也存在一个能量守恒的关系。当风力发电机运转后,风轮输出的能量随着风速的增加而增加,转速也随之而增加。当一个小型风力发电机做好以后,它的基本性能是一定的,也就是说它所能吸收的风能能量是一定的而不是无限的。若使小型风力发电机这个系统安全,必须保持风轮输出的能量等于发电机吸收能量;当风轮输出的能量大于发电机吸收能量时,就会给风力发电机造成损害,这时就需要把多余能量排泄出去即卸荷,其原理图见图2 。

4  根据实际设计硬件

  当风很大时,风速很快会对风轮和发电机的其他部件造成损坏,因此通过检测发电机线电压频率来间接测量发电机转速;另一方面在保护风力发电机的同时把发电机的功率输出限定在一定范围内,因此也必须检测发电机产生的交流电压与电流。

  根据具体情况设计了控制系统:系统通过采集发电机线电压频率来测量发电机转速,当风速过快而引起发电机转速超过设定转速值时(即导致发电机输出三相输出电压升高),用卸荷负载进行制动,迫使发电机降速直至停机;当发电机转速下降到规定范围内时,断开卸荷负载,发电机重新开始正常工作;当风速再次升高时重复上述控制过程,使系统保持在一种动态平衡的运转状态下。其中,卸荷负载的切入利用 PWM 控制方式,这样可以保证制动的平稳性和安全性;为了保护发电机的安全,所以必须监测交流电压与电流两个量。首先采集到发电机的电压与电流,然后经过单片机处理判断,当电压与电流超过额定值一定时间时,蜂鸣器就报警,并且单片机指示负载电路打开开关,允许发电机把一部分能量释放到卸荷负载上。总结以上实现的功能:转速控制功能、电压保护功能、电流保护功能。

  硬件总体设计框图见图3。

  利用上述图把任务可分为以下3个部分。

4.1  前向通道设计

  前向通道的主要功能是数据采集。由于本设计所用的发电机是300W,电压24V,电流15A它们都是模拟信号,而AD0809模数转换器所需电压是0~5V,为了能把数据采集到AD中必须做必要的变换。

4.1.1 电压采集通道(图4)

  对于交流的24V,首先通过整流电路把交流整成具有纹波的直流;然后为了得到具有平滑的直流,必须经过滤波电路,接着经过分压电路把电压降到0~5V范围之内;最后通过电压跟随器消除阻抗影响。

4.1.2  电流采集通道(图5)

  对于交流的15A,它是通过电流互感器得到的。首先通过整流电路把交流整成具有纹波的直流;然后为了得到具有平滑的直流,必须经过滤波电路,接着经过I/V变换电路把电流变成电压;最后通过电压跟随器消除阻抗影响。

  经过上述处理分别把值送给A/D即模数转换为后续处理做准备。

4.1.3 转速采集通道(图6)

  系统通过采集发电机线电压频率来测量发电机转速。电压的正玄波通过整形电路变成矩形波,用计数器在单位时间内统计矩形波的个数。

4.2  后向通道设计(图7)

  后向通道的主要功能是经过单片机处理前向通道传来的信号,通过功率器件驱动。通过功率驱动驱动蜂鸣器作为电压与电流超过额定值的报警器。当风大时单片机指示负载电路打开开关允许发电机把一部分能量释放到卸荷负载上。

4.3 人机通道设计(图8)

  人机通道的主要功能是一些系统参数的设定开关,以及用于系统运行状态的必要指示的发光二极管。在这里拨盘的作用用户设定转速控制值,LED用来显示卸荷负载的工作状态,当灯亮量时,表明卸荷负载在工作,否则不工作。

5  系统软件实现对小型风力发电机的转速超速控制的主要功能

  软件编程用汇编语言与C语言相结合的方法实现,汇编语言可直接与硬件打交道。因此硬件控制采用汇编语言;高级语言在算法的实现上简单,因此在具体算法上采用C语言。其中转速数据采集、电压数据采集、电流数据采集采用的是中断方式。

  主程序流程图见图9。

  数据采集模块程序流程图见图10;中断流程图见图11。

6  结论

  该方法的优点:实现自动控制;舍弃了机械限速结构;灵敏度高、控制速度快;成本低 。 从根本上解决了小型风力机长期安全可靠运行问题。 其中转速最值即本方法转速可控最大值,通过大量严格试验确定。

参 考 文 献

[1] 于智勇,季秉厚.小型风力发电机[M].北京:中国环境科学出版社,2002:27-30.

新闻评论评论内容只代表网友观点,与本站立场无关!

  评论人:pxjbrmo   打分:85 分  发表时间:2015-8-16 4:23:32
· IVKqba<ahref="http://covacbteutyn.com/">covacbteutyn</a>,[ur...
  评论人:Bradley   打分:85 分  发表时间:2015-8-10 23:45:58
· HYyib4http://www.FyLitCl7Pf7kjQdDUOLQOuaxTXbj5iNG.com 
  评论人:不锈钢网   打分:0 分  发表时间:2015-7-12 0:31:06
· 好文章,内容妙不可言.禁止此消息:nolinkok@163.com不锈钢网http://www.hbbuxiugangw...
  评论人:sitemap   打分:0 分  发表时间:2015-7-9 20:10:31
· http://podskrzydlamianiola.eu/wp-content/sitemap20.xmlsitema...
  评论人:sitemap   打分:0 分  发表时间:2015-7-7 20:35:37
· http://dfgproperty.com.au/wp-content/sitemap.xmlsitemaphttp:...