Помощь студентам в учебе
Оптимизация процесса отбора мощности ветроэнергетической установки с вертикальной осью вращения
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 7
1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РАБОТЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
СОВРЕМЕННЫХ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК 10
1.1 Определение и основные виды ветроэнергетических установок 10
1.2 Алгоритмы цикла заряда-разряда свинцово-кислотных аккумуляторов..20
1.3 Алгоритм капельного заряда литий-ионных батарей 26
1.4 Методы осуществления поиска точки максимальной мощности 30
1.5 Методы, применяемые для торможения ветроколеса 33
1.6 Методы управления мощностью ветровых энергоустановок 35
1.6.1 Способ управления мощностью при постоянной частоте
вращения 37
1.6.2 Управление мощностью ступенчатым изменением частоты
вращения ветроколеса путём переключения обмоток генератора 39
1.6.3 Управление мощностью ВЭУ методом изменения передаточного
отношения редуктора-мультипликатора ветродвигателя 40
1.6.4 Управление мощностью ВЭУ путём изменения установочного
угла лопастей или геометрических размеров ветроколеса 41
1.6.5 Функционирование ветроэнергетической установки при
переменной частоте вращения ветроколеса 42
Выводы по разделу 1 43
2 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ АВТОНОМНОЙ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ, АЛГОРИТМА УПРАВЛЕНИЯ И ЕГО РЕАЛИЗАЦИЯ
В ПРОГРАММНОМ ВИДЕ 45
2.1 Формирование структурной схемы энергосистемы 45
2.2 Характеристики микроконтроллерного устройства и обоснование
его выбора 552.3 Обзор программного обеспечения, необходимого при разработке
программы микроконтроллера 59
2.4 Конфигурирование периферии микроконтроллера в программе
STM32CubeMX 62
2.5 Обработка входного массива данных для получения
действительных измеряемых значений 66
2.6 Отображение информации и пользовательская корректировка
изначально заданных значений 69
2.7 Разработка алгоритма работы в программном виде 71
Выводы по разделу 2 78
3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА РАБОТОСПОСОБНОСТИ 80
3.1 Характеристика и параметры платы STM32F4Discovery 80
3.2 Макет эмуляции датчиков, используемых в автономной
энергосистеме на основе ВЭУ 81
3.3 Проверка правильности работы алгоритма 82
Выводы по разделу 3 84
4 РАСЧЁТ ОСНОВНЫХ ОРГАНИЗАЦИОННО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ
ПАРАМЕТРОВ 85
4.1 Сетевое планирование проекта энергетической системы 85
4.2 Технико-экономические расчёты проекта 91
Выводы по разделу 4 96
5 БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПРИ ПРИМЕНЕНИИ
ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК 98
Выводы по разделу 5 102
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 103
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 104
ПРИЛОЖЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ А. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА АВТОНОМНОЙ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ВЭУ 110
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. ИЗОБРАЖЕНИЕ ОКНА ПРОГРАММЫ STMF4CUBEMX В ПРОЦЕССЕ РАБОТЫ 111
ПРИЛОЖЕНИЕ В. БЛОК-СХЕМЫ ОСНОВНЫХ АЛГОРИТМОВ
РАБОТЫ 113
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. ЛИСТИНГ ПРОГРАММНОГО КОДА АЛГОРИТМА
ИЗМЕНЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА D НА ЯЗЫКЕ RUST 117
ПРИЛОЖЕНИЕ Д. СХЕМА МАКЕТА, СЛУЖАЩЕГО ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ПРОВЕРКИ ПРАВИЛЬНОЙ РАБОТЫ
АЛГОРИТМА 127
ПРИЛОЖЕНИЕ Е. СЕТЕВОЙ ГРАФИК ПРОЕКТА 129
ВВЕДЕНИЕ 7
1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РАБОТЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
СОВРЕМЕННЫХ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК 10
1.1 Определение и основные виды ветроэнергетических установок 10
1.2 Алгоритмы цикла заряда-разряда свинцово-кислотных аккумуляторов..20
1.3 Алгоритм капельного заряда литий-ионных батарей 26
1.4 Методы осуществления поиска точки максимальной мощности 30
1.5 Методы, применяемые для торможения ветроколеса 33
1.6 Методы управления мощностью ветровых энергоустановок 35
1.6.1 Способ управления мощностью при постоянной частоте
вращения 37
1.6.2 Управление мощностью ступенчатым изменением частоты
вращения ветроколеса путём переключения обмоток генератора 39
1.6.3 Управление мощностью ВЭУ методом изменения передаточного
отношения редуктора-мультипликатора ветродвигателя 40
1.6.4 Управление мощностью ВЭУ путём изменения установочного
угла лопастей или геометрических размеров ветроколеса 41
1.6.5 Функционирование ветроэнергетической установки при
переменной частоте вращения ветроколеса 42
Выводы по разделу 1 43
2 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ АВТОНОМНОЙ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ, АЛГОРИТМА УПРАВЛЕНИЯ И ЕГО РЕАЛИЗАЦИЯ
В ПРОГРАММНОМ ВИДЕ 45
2.1 Формирование структурной схемы энергосистемы 45
2.2 Характеристики микроконтроллерного устройства и обоснование
его выбора 552.3 Обзор программного обеспечения, необходимого при разработке
программы микроконтроллера 59
2.4 Конфигурирование периферии микроконтроллера в программе
STM32CubeMX 62
2.5 Обработка входного массива данных для получения
действительных измеряемых значений 66
2.6 Отображение информации и пользовательская корректировка
изначально заданных значений 69
2.7 Разработка алгоритма работы в программном виде 71
Выводы по разделу 2 78
3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА РАБОТОСПОСОБНОСТИ 80
3.1 Характеристика и параметры платы STM32F4Discovery 80
3.2 Макет эмуляции датчиков, используемых в автономной
энергосистеме на основе ВЭУ 81
3.3 Проверка правильности работы алгоритма 82
Выводы по разделу 3 84
4 РАСЧЁТ ОСНОВНЫХ ОРГАНИЗАЦИОННО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ
ПАРАМЕТРОВ 85
4.1 Сетевое планирование проекта энергетической системы 85
4.2 Технико-экономические расчёты проекта 91
Выводы по разделу 4 96
5 БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПРИ ПРИМЕНЕНИИ
ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК 98
Выводы по разделу 5 102
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 103
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 104
ПРИЛОЖЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ А. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА АВТОНОМНОЙ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ВЭУ 110
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. ИЗОБРАЖЕНИЕ ОКНА ПРОГРАММЫ STMF4CUBEMX В ПРОЦЕССЕ РАБОТЫ 111
ПРИЛОЖЕНИЕ В. БЛОК-СХЕМЫ ОСНОВНЫХ АЛГОРИТМОВ
РАБОТЫ 113
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. ЛИСТИНГ ПРОГРАММНОГО КОДА АЛГОРИТМА
ИЗМЕНЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА D НА ЯЗЫКЕ RUST 117
ПРИЛОЖЕНИЕ Д. СХЕМА МАКЕТА, СЛУЖАЩЕГО ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ПРОВЕРКИ ПРАВИЛЬНОЙ РАБОТЫ
АЛГОРИТМА 127
ПРИЛОЖЕНИЕ Е. СЕТЕВОЙ ГРАФИК ПРОЕКТА 129
В современном мире человеческое общество не способно продуктивно осуществлять свою жизнедеятельность без такого достижения технического прогресса как электроэнергия. В данный момент преобладающая выработка электрической энергии человеческим обществом достигается за счёт применения ископаемых источников энергии (уголь, нефть, газ, торф и некоторые другие виды топлива). Данная разновидность топливных ресурсов имеет высокое значение удельной энергии сгорания. Такая характеристика позволяет осуществить получение электрической энергии в больших объёмах. Однако в нынешнее время наблюдается планомерный рост доли источников электроэнергии, которые не используют ископаемое топливо - возобновляемых источников энергии (ВИЭ). К ним относятся источники, которые получают энергию из водных потоков, лучистая энергия солнца, энергия ветровых потоков и другие. К основным причинам роста количества энергии, получаемой с применением возобновляемых источников энергии, относятся: исчерпаемость ископаемых топливных ресурсов,
нестабильность их цен на мировом рынке, экологические проблемы, связанные с добычей ископаемых ресурсов, их дальнейшей переработкой, последствия, которые появляются при осуществлении сжигания углеводородного топлива, а также сложность транспортировки электрической энергии в отдаленные и труднодоступные районы, или же трудность поставки топливных ресурсов.
Ветроэнергетическая сфера энергетики является одной из самых перспективных отраслей. Это подтверждается определенными показателями. Таким образом, установленная мощность всех ветровых энергоустановок в мире в 2012 году, по данным WWEA (World Wind Energy Association), составляла 196630 МВт, а к началу июня 2019 года - 597000 МВт [1], что показывает прирост энергии, генерируемой при помощи ветра в мире, в 3 раза. При этом наблюдается ежегодный прирост установленной мощности ветроэнергетических установок. Так с 2018 года по июнь 2019 года прирост составил - 50,1 ГВт [1].Отдельное развитие в нынешний период времени продолжает получать малая ветроэнергетика. Данное направление ветроэнергетики характеризуется применением ветроэнергетических установок мощностью от 5 до 99 кВт (ВЭУ малой мощности) [2]. В малой ветроэнергетике подразумевается, что ветроэнергетические установки располагаются в непосредственной близости к потребителю. При этом подразумевается частичный или полный отказ от использования внешней сети линий электропередачи. Данная концепция генерации электрической энергии носит название распределенная энергетика. Она обладает множеством преимуществ, среди которых, существенное снижение уровня потерь при передаче электрической энергии, независимость генерации электроэнергии, высокая надежность при наличии в системе нескольких генераторов электрической мощности.
Таким образом, малые ВЭУ чаще всего устанавливаются непосредственно возле потребителя, однако качество получаемой энергии может быть существенно ниже, чем у крупных ветроэнергетических установок по причине непостоянности скорости ветра и его направления, из-за наличия завихрений вследствие близости поверхности земли и др.). Вследствие этого возникает проблема максимально эффективного отбора мощности у ветрового потока. Для осуществления эффективного отбора мощности и контроля текущих параметров ветрового колеса ВЭУ (скорость ветроколеса, момент вращения) и параметров генератора (величина температуры обмоток, значение тока обмотки и пр.) применяются управляющие устройства. В зависимости от структуры системы ветроэнергетической установки они могут обладать различным функционалом и управлять разного рода периферийными устройствами несколькими способами. Как правило в качестве управляющих устройств применяются микроконтроллеры, либо полноценные микрокомпьютеры (например, одноплатные компьютеры серии Raspberry Pi).
Современные микроконтроллерные устройства обладают достаточно обширным перечнем функций и широким диапазоном возможностей для обеспечения контроля работы ВЭУ. Помимо этого, различные программные
средства разработки и отладки способны обеспечить реализацию алгоритмов управления с помощью определённых устройств. При этом главным преимуществом применения микроконтроллеров по сравнению с одноплатными и персональными компьютерами является их надежность и относительная низкая стоимость
Таким образом, выбранная тема выпускной квалификационной работы является актуальной.
Целью данной работы является составление алгоритма и его реализация в программном виде для выполнения процесса эффективного отбора электрической мощности у ветроэнергетической установки с вертикальной осью вращения и передачи этой мощности потребителю с возможностью накопления энергии. Задачами данной выпускной квалификационной работы являются:
- рассмотреть теорию систем управления ветроэнергетическими установками;
- разработать структурную схему и составить алгоритм управления автономной энергетической системы, использующей ветроэнергетическую установку в качестве источника возобновляемой электрической энергии;
- реализовать программный код на языке Rust для микроконтроллера STMF407VGT6 и выполнить его реализацию с помощью платы STMF4Discovery;
- выполнить экспериментальную проверку правильности функционирования алгоритма;
- составить сетевой график работ проекта, произвести оценку его параметров, рассчитать срок окупаемости проекта;
- оценить потенциально возможные опасные факторы, которые возникают при эксплуатации ветроэнергетической установки, составить перечень необходимых действий для обеспечения безопасности функционирования в соответствии с требованиями ГОСТ.
В работе использована теория и методология по вопросам алгоритмов управления ВЭУ, составления программного кода на языке программирования
нестабильность их цен на мировом рынке, экологические проблемы, связанные с добычей ископаемых ресурсов, их дальнейшей переработкой, последствия, которые появляются при осуществлении сжигания углеводородного топлива, а также сложность транспортировки электрической энергии в отдаленные и труднодоступные районы, или же трудность поставки топливных ресурсов.
Ветроэнергетическая сфера энергетики является одной из самых перспективных отраслей. Это подтверждается определенными показателями. Таким образом, установленная мощность всех ветровых энергоустановок в мире в 2012 году, по данным WWEA (World Wind Energy Association), составляла 196630 МВт, а к началу июня 2019 года - 597000 МВт [1], что показывает прирост энергии, генерируемой при помощи ветра в мире, в 3 раза. При этом наблюдается ежегодный прирост установленной мощности ветроэнергетических установок. Так с 2018 года по июнь 2019 года прирост составил - 50,1 ГВт [1].Отдельное развитие в нынешний период времени продолжает получать малая ветроэнергетика. Данное направление ветроэнергетики характеризуется применением ветроэнергетических установок мощностью от 5 до 99 кВт (ВЭУ малой мощности) [2]. В малой ветроэнергетике подразумевается, что ветроэнергетические установки располагаются в непосредственной близости к потребителю. При этом подразумевается частичный или полный отказ от использования внешней сети линий электропередачи. Данная концепция генерации электрической энергии носит название распределенная энергетика. Она обладает множеством преимуществ, среди которых, существенное снижение уровня потерь при передаче электрической энергии, независимость генерации электроэнергии, высокая надежность при наличии в системе нескольких генераторов электрической мощности.
Таким образом, малые ВЭУ чаще всего устанавливаются непосредственно возле потребителя, однако качество получаемой энергии может быть существенно ниже, чем у крупных ветроэнергетических установок по причине непостоянности скорости ветра и его направления, из-за наличия завихрений вследствие близости поверхности земли и др.). Вследствие этого возникает проблема максимально эффективного отбора мощности у ветрового потока. Для осуществления эффективного отбора мощности и контроля текущих параметров ветрового колеса ВЭУ (скорость ветроколеса, момент вращения) и параметров генератора (величина температуры обмоток, значение тока обмотки и пр.) применяются управляющие устройства. В зависимости от структуры системы ветроэнергетической установки они могут обладать различным функционалом и управлять разного рода периферийными устройствами несколькими способами. Как правило в качестве управляющих устройств применяются микроконтроллеры, либо полноценные микрокомпьютеры (например, одноплатные компьютеры серии Raspberry Pi).
Современные микроконтроллерные устройства обладают достаточно обширным перечнем функций и широким диапазоном возможностей для обеспечения контроля работы ВЭУ. Помимо этого, различные программные
средства разработки и отладки способны обеспечить реализацию алгоритмов управления с помощью определённых устройств. При этом главным преимуществом применения микроконтроллеров по сравнению с одноплатными и персональными компьютерами является их надежность и относительная низкая стоимость
Таким образом, выбранная тема выпускной квалификационной работы является актуальной.
Целью данной работы является составление алгоритма и его реализация в программном виде для выполнения процесса эффективного отбора электрической мощности у ветроэнергетической установки с вертикальной осью вращения и передачи этой мощности потребителю с возможностью накопления энергии. Задачами данной выпускной квалификационной работы являются:
- рассмотреть теорию систем управления ветроэнергетическими установками;
- разработать структурную схему и составить алгоритм управления автономной энергетической системы, использующей ветроэнергетическую установку в качестве источника возобновляемой электрической энергии;
- реализовать программный код на языке Rust для микроконтроллера STMF407VGT6 и выполнить его реализацию с помощью платы STMF4Discovery;
- выполнить экспериментальную проверку правильности функционирования алгоритма;
- составить сетевой график работ проекта, произвести оценку его параметров, рассчитать срок окупаемости проекта;
- оценить потенциально возможные опасные факторы, которые возникают при эксплуатации ветроэнергетической установки, составить перечень необходимых действий для обеспечения безопасности функционирования в соответствии с требованиями ГОСТ.
В работе использована теория и методология по вопросам алгоритмов управления ВЭУ, составления программного кода на языке программирования
В ходе выполнения данной выпускной квалификационной работы успешно были выполнены поставленные задачи, в том числе:
- были рассмотрены основные разделы теории систем управления ветроэнергетическими установками;
- осуществлено составление структурной схемы для системы;
- произведен выбор необходимого программного обеспечения;
- в соответствии с разработанной структурной схемой энергосистемы с помощью выбранных программных продуктов произведена настройка конфигурации микроконтроллерного устройства;
- на основе существующих алгоритмов ветроэнергетических установок был разработан алгоритм, учитывающий её автономность;
- был разработан программный код на языке программирования высокого уровня Rust, основанный на необходимых для функционирования системы алгоритмах управления;
- было произведено моделирование экспериментальной проверки безошибочной работоспособности алгоритма управления при различных вероятностно возникающих ситуациях;
- в организационно-экономической части выпускной квалификационной работы были произведены расчёт сетевого графика при осуществлении написания программного кода, а также осуществлен технико -экономический расчёт общей стоимости работ, выполнен расчёт срока окупаемости данного проекта при выработке электрической энергии ветроэнергетической установкой в реальных условиях Челябинской области;
- в разделе «Безопасность жизнедеятельности» произведен обзор основных мероприятий, которые направленны на осуществление безопасных условий при эксплуатации ветроэнергетической установки.
- были рассмотрены основные разделы теории систем управления ветроэнергетическими установками;
- осуществлено составление структурной схемы для системы;
- произведен выбор необходимого программного обеспечения;
- в соответствии с разработанной структурной схемой энергосистемы с помощью выбранных программных продуктов произведена настройка конфигурации микроконтроллерного устройства;
- на основе существующих алгоритмов ветроэнергетических установок был разработан алгоритм, учитывающий её автономность;
- был разработан программный код на языке программирования высокого уровня Rust, основанный на необходимых для функционирования системы алгоритмах управления;
- было произведено моделирование экспериментальной проверки безошибочной работоспособности алгоритма управления при различных вероятностно возникающих ситуациях;
- в организационно-экономической части выпускной квалификационной работы были произведены расчёт сетевого графика при осуществлении написания программного кода, а также осуществлен технико -экономический расчёт общей стоимости работ, выполнен расчёт срока окупаемости данного проекта при выработке электрической энергии ветроэнергетической установкой в реальных условиях Челябинской области;
- в разделе «Безопасность жизнедеятельности» произведен обзор основных мероприятий, которые направленны на осуществление безопасных условий при эксплуатации ветроэнергетической установки.
