Помощь студентам в учебе
Оптимизация управления мощностью вертикально-осевой ветроэнергетической установки
|
ВВЕДЕНИЕ 6
1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РАБОТЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
ВЕТРОЭНЕРГОУСТАНОВОК В СОВРЕМЕННОЙ ВЕТРОЭНЕРГЕТИКЕ 9
1.1 Понятие и виды ветроэнергетических установок 9
1.2 Алгоритм заряда свинцово-кислотных аккумуляторов 18
1.3 Методы поиска точки максимальной мощности 25
1.4 Методы торможения ветроколеса 27
1.5 Управление мощностью ветроэнергетических установок 29
1.5.1 Управление мощностью при постоянной частоте вращения 32
1.5.2 Управление мощностью ступенчатым изменением частоты
вращения ветроколеса переключением обмоток генератора 33
1.5.3 Управление мощностью ВЭУ изменением передаточного
отношения редуктора-мультипликатора ветродвигателя 34
1.5.4 Управление мощностью ВЭУ изменением установочного
угла лопастей или геометрических размеров ветроколеса 35
1.5.5 Работа ВЭУ при переменной частоте вращения ветроколеса 37
Выводы по разделу 1 38
2 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ АВТОНОМНОЙ
ЭНЕРГОСИСТЕМЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ, АЛГОРИТМА УПРАВЛЕНИЯ И ЕГО РЕАЛИЗАЦИЯ В ПРОГРАММНОМ КОДЕ 40
2.1 Формирование структурной схемы 40
2.2 Характеристика микроконтроллера и обоснование его выбора 48
2.3 Обзор программного обеспечения, используемого при разработке
кода программы микроконтроллера 52
2.4 Настройка конфигурации периферии микроконтроллера в
программе STM32CubeMX 54
2.5 Обработка входного массива данных с целью получения
действительных измеряемых значений 57
2.6 Отображение информации и пользовательская корректировка
предзаданных значений 60
2.7 Разработка алгоритма программы 62
Выводы по разделу 2 69
3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 70
3.1 Характеристика платы STM32F4Discovery 70
3.2 Макет датчиков, используемых в автономной энергосистеме на
основе ВЭУ 71
3.3 Проверка работоспособности алгоритма 72
Выводы по разделу 3 74
4 ОРГАНИЗАЦИОННО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ 75
4.1 Сетевое планирование 75
4.2 Технико-экономические расчёты 80
Выводы по разделу 4 85
5 БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПРИ ПРИМЕНЕНИИ ВЭУ.... 86
Выводы по разделу 5 90
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 91
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 92
ПРИЛОЖЕНИЕ
1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РАБОТЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
ВЕТРОЭНЕРГОУСТАНОВОК В СОВРЕМЕННОЙ ВЕТРОЭНЕРГЕТИКЕ 9
1.1 Понятие и виды ветроэнергетических установок 9
1.2 Алгоритм заряда свинцово-кислотных аккумуляторов 18
1.3 Методы поиска точки максимальной мощности 25
1.4 Методы торможения ветроколеса 27
1.5 Управление мощностью ветроэнергетических установок 29
1.5.1 Управление мощностью при постоянной частоте вращения 32
1.5.2 Управление мощностью ступенчатым изменением частоты
вращения ветроколеса переключением обмоток генератора 33
1.5.3 Управление мощностью ВЭУ изменением передаточного
отношения редуктора-мультипликатора ветродвигателя 34
1.5.4 Управление мощностью ВЭУ изменением установочного
угла лопастей или геометрических размеров ветроколеса 35
1.5.5 Работа ВЭУ при переменной частоте вращения ветроколеса 37
Выводы по разделу 1 38
2 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ АВТОНОМНОЙ
ЭНЕРГОСИСТЕМЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ, АЛГОРИТМА УПРАВЛЕНИЯ И ЕГО РЕАЛИЗАЦИЯ В ПРОГРАММНОМ КОДЕ 40
2.1 Формирование структурной схемы 40
2.2 Характеристика микроконтроллера и обоснование его выбора 48
2.3 Обзор программного обеспечения, используемого при разработке
кода программы микроконтроллера 52
2.4 Настройка конфигурации периферии микроконтроллера в
программе STM32CubeMX 54
2.5 Обработка входного массива данных с целью получения
действительных измеряемых значений 57
2.6 Отображение информации и пользовательская корректировка
предзаданных значений 60
2.7 Разработка алгоритма программы 62
Выводы по разделу 2 69
3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 70
3.1 Характеристика платы STM32F4Discovery 70
3.2 Макет датчиков, используемых в автономной энергосистеме на
основе ВЭУ 71
3.3 Проверка работоспособности алгоритма 72
Выводы по разделу 3 74
4 ОРГАНИЗАЦИОННО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ 75
4.1 Сетевое планирование 75
4.2 Технико-экономические расчёты 80
Выводы по разделу 4 85
5 БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПРИ ПРИМЕНЕНИИ ВЭУ.... 86
Выводы по разделу 5 90
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 91
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 92
ПРИЛОЖЕНИЕ
В настоящее время человечество не может себя представить без такого достижения технического прогресса как электроэнергия. Сейчас преобладающая выработка электроэнергии человеком достигается за счёт ископаемых источников энергии, таких как уголь, нефть, газ, торф и некоторые другие виды топлива. Они имеют высокую удельную энергию сгорания, что позволяет получать электроэнергию в больших количествах. Однако в последнее время намечается рост доли источников электроэнергии, которые не используют ископаемое топливо - возобновляемых источников энергии. К ним относятся такие виды энергии как гидроэнергия, лучистая энергия солнца, энергия ветра и другие. К основным причинам роста количества энергии, полученной с помощью возобновляемых источников энергии, относятся исчерпаемость топливных ресурсов, нестабильные цены на ресурсы, экологические проблемы, которые возникают при сжигании углеводородного топлива, а также сложность передачи электроэнергии в отдаленные и труднодоступные районы с отсутствием линий электропередач, либо же сложность транспортировки топливных ресурсов.
Ветроэнергетика относится к одной из самых перспективных отраслей возобновляемой энергетики. Это подтверждается рядом цифр. Так, установленная мощность всех ветроэнергетических установок в мире в 2010 году, по данным WWEA (World Wind Energy Association), составляла 196630 МВт, а к концу июня 2016 года - 456486 МВт [1], что составляет прирост энергии, генерируемой при помощи ветра в мире, в 2,3 раза.
Особое развитие в настоящее время получает малая ветроэнергетика. К ней относятся установки мощностью от 5 до 99 кВт (ВЭУ малой мощности) [2]. Малая ветроэнергетика подразумевает установку ветроэнергетических установок (ВЭУ) непосредственно возле потребителя (отдельные дома, поселки и другие мелкие потребители) и частичный, либо полный отказ от внешней сети ЛЭП. У такой концепции генерации электроэнергии (т.н. распределенная энергетика) существует множество преимуществ, например, существенное снижение потерь при передаче электроэнергии, независимость выработки, большая надежность (если в сети присутствует несколько генераторов электроэнергии).
Таким образом, малые ВЭУ устанавливаются чаще всего непосредственно возле потребителя, однако качество получаемой энергии (скорость ветра и его направление, наличие завихрений вследствие близости поверхности земли, постоянство направления и др.) может быть существенно хуже, чем у крупных ветроэнергетических установок. Поэтому возникает проблема максимально эффективного отбора энергии у ветрового потока. С этой целью, а также для контроля текущих параметров ветроколеса (скорость ветроколеса, момент вращения) и генератора (температура обмоток, ток обмотки и др.) используются микроконтроллеры. В зависимости от структуры системы ВЭУ они могут обладать различным функционалом и оперировать различной периферией различными способами.
Современные микроконтроллеры обладают достаточно большим функционалом и широкими возможностями для осуществления контроля над ветроэнергетической установкой. В то же время различные программные среды позволяют реализовать алгоритмы управления с помощью конкретных устройств.
Таким образом, выбранная тема выпускной квалификационной работы является актуальной.
Целью данной работы является написание программного кода для осуществления эффективного отбора электрической мощности у ветроустановки и передачи её потребителю с возможностью её накопления. Задачами данной работы являются:
- рассмотреть теорию систем управления ВЭУ;
- разработать структурную схему и алгоритм управления автономной энергетической системы, использующей ВЭУ в качестве источника электрической энергии;
разработать код программы на языке Си для микроконтроллера
STM32F407VGT6 и выполнить его реализацию с помощью платы STMF4Discovery;
- выполнить экспериментальную проверку работоспособности алгоритма;
- составить сетевой график работ проекта, оценить его параметры, рассчитать срок окупаемости проекта;
- оценить опасные факторы, возникающие при работе ВЭУ, составить перечень необходимых действий для обеспечения безопасности в соответствии с требованиями ГОСТ.
В работе использована теория и методология по вопросам алгоритмов управления ВЭУ, программирования на языке Си, техническая документация микроконтроллера STM32F407VGT6 и платы STM32F4Discovery.
Ветроэнергетика относится к одной из самых перспективных отраслей возобновляемой энергетики. Это подтверждается рядом цифр. Так, установленная мощность всех ветроэнергетических установок в мире в 2010 году, по данным WWEA (World Wind Energy Association), составляла 196630 МВт, а к концу июня 2016 года - 456486 МВт [1], что составляет прирост энергии, генерируемой при помощи ветра в мире, в 2,3 раза.
Особое развитие в настоящее время получает малая ветроэнергетика. К ней относятся установки мощностью от 5 до 99 кВт (ВЭУ малой мощности) [2]. Малая ветроэнергетика подразумевает установку ветроэнергетических установок (ВЭУ) непосредственно возле потребителя (отдельные дома, поселки и другие мелкие потребители) и частичный, либо полный отказ от внешней сети ЛЭП. У такой концепции генерации электроэнергии (т.н. распределенная энергетика) существует множество преимуществ, например, существенное снижение потерь при передаче электроэнергии, независимость выработки, большая надежность (если в сети присутствует несколько генераторов электроэнергии).
Таким образом, малые ВЭУ устанавливаются чаще всего непосредственно возле потребителя, однако качество получаемой энергии (скорость ветра и его направление, наличие завихрений вследствие близости поверхности земли, постоянство направления и др.) может быть существенно хуже, чем у крупных ветроэнергетических установок. Поэтому возникает проблема максимально эффективного отбора энергии у ветрового потока. С этой целью, а также для контроля текущих параметров ветроколеса (скорость ветроколеса, момент вращения) и генератора (температура обмоток, ток обмотки и др.) используются микроконтроллеры. В зависимости от структуры системы ВЭУ они могут обладать различным функционалом и оперировать различной периферией различными способами.
Современные микроконтроллеры обладают достаточно большим функционалом и широкими возможностями для осуществления контроля над ветроэнергетической установкой. В то же время различные программные среды позволяют реализовать алгоритмы управления с помощью конкретных устройств.
Таким образом, выбранная тема выпускной квалификационной работы является актуальной.
Целью данной работы является написание программного кода для осуществления эффективного отбора электрической мощности у ветроустановки и передачи её потребителю с возможностью её накопления. Задачами данной работы являются:
- рассмотреть теорию систем управления ВЭУ;
- разработать структурную схему и алгоритм управления автономной энергетической системы, использующей ВЭУ в качестве источника электрической энергии;
разработать код программы на языке Си для микроконтроллера
STM32F407VGT6 и выполнить его реализацию с помощью платы STMF4Discovery;
- выполнить экспериментальную проверку работоспособности алгоритма;
- составить сетевой график работ проекта, оценить его параметры, рассчитать срок окупаемости проекта;
- оценить опасные факторы, возникающие при работе ВЭУ, составить перечень необходимых действий для обеспечения безопасности в соответствии с требованиями ГОСТ.
В работе использована теория и методология по вопросам алгоритмов управления ВЭУ, программирования на языке Си, техническая документация микроконтроллера STM32F407VGT6 и платы STM32F4Discovery.
В ходе выполнения данной выпускной квалификационной работы успешно были выполнены поставленные задачи, в том числе:
- была рассмотрена теория систем управления ВЭУ;
- осуществлено формирование структурной схемы;
- произведен выбор соответствующего программного обеспечения;
- произведена настройка микроконтроллера в соответствии с разработанной структурной схемой с помощью выбранного программного обеспечения;
- был разработан алгоритм на основе существующего алгоритма ВЭУ с учетом её автономности;
- был разработан код на языке высокого уровня Си, основанный на требуемых алгоритмах управления;
- была осуществлена экспериментальная проверка работоспособности
алгоритма при различных возможных ситуациях;
- в организационно-экономической части выпускной квалификационной работы работы были осуществлены расчёт сетевого графика для осуществления написания программы, а также произведен технико-экономический расчёт стоимости работ, осуществлен расчёт срока окупаемости данного проекта при выработке электроэнергии ВЭУ в условиях Челябинской области;
- в разделе «Безопасность жизнедеятельности» осуществлен обзор основных мероприятий, направленных на осуществление безопасности при эксплуатации ВЭУ.
- была рассмотрена теория систем управления ВЭУ;
- осуществлено формирование структурной схемы;
- произведен выбор соответствующего программного обеспечения;
- произведена настройка микроконтроллера в соответствии с разработанной структурной схемой с помощью выбранного программного обеспечения;
- был разработан алгоритм на основе существующего алгоритма ВЭУ с учетом её автономности;
- был разработан код на языке высокого уровня Си, основанный на требуемых алгоритмах управления;
- была осуществлена экспериментальная проверка работоспособности
алгоритма при различных возможных ситуациях;
- в организационно-экономической части выпускной квалификационной работы работы были осуществлены расчёт сетевого графика для осуществления написания программы, а также произведен технико-экономический расчёт стоимости работ, осуществлен расчёт срока окупаемости данного проекта при выработке электроэнергии ВЭУ в условиях Челябинской области;
- в разделе «Безопасность жизнедеятельности» осуществлен обзор основных мероприятий, направленных на осуществление безопасности при эксплуатации ВЭУ.