新能源材料课程考核

1、 长沙理工大学CHANGSHA UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY新能源材料课程考核题目： 关于染料敏化太阳能电池、钙钛矿太阳能电池的综述 学 院： 能源与动力工程学院 专 业： 姓 名： 学 号： 时 间： 指导老师： 摘要风能作为最具商业化前景的可再生能源,正得到大规模的开发和利用,风力发电相关技术也取得了显著的进步。由于风能开发有着巨大的经济、社会、环保价值和发展前景，近20年来风电技术有了巨大的进步，风电开发在各种能源开发中增速最快。德国、西班牙、丹麦、美国等欧美国家在风力发电理论与技术研发方面起步较早，因而目前处于世界领先地位。 风

2、力发电机是风力发电机组中将风能转化为电能的重要装置，它不仅直接影响输出电能的质量和效率，也影响整个风电转换系统的性能和装置结构的复杂性。风能是低密度能源，具有不稳定和随机性特点，控制技术是风力机安全高效运行的关键，因此研制适合于风电转换、运行可靠、效率高、控制且供电性能良好的发电机系统和先进的控制技术是风力发电推广应用的关键。本论文分析了目前风力发电及其技术的发展与应用情况,对风力发电系统的类型、风电系统中所采用的控制技术以及未来计算机控制技术对风力发电的发展趋势进行了较详细深入的介绍,为更好地了解先进控制技术在风力发电系统的国内外的发展趋势。关键字 风能，风力发电系统，风力发电技术，计算机控

3、制技术。目录 1.引言.1 2.国内外风力发电技术的现状.2 3.风力发电系统的控制对象.4 4.风力发电系统的控制方法.6 5.风力发电系统的控制效果.7 6.先进控制技术在风力发电系统中的发展趋势.10 7.参考文献.111引言 风力发电在全球来说是一种技术最成熟的可再生能源利用方式，发电机是风力发电机组中将风能转化为电能的重要装置，控制技术是风力机安全高效运行的关键。 风力发电的特点 风力发电是利用风能来发电，而风力发电机组是将风能转化为电能的机械。风轮是风电机组最主要的部件，由桨叶和轮毂组成。桨叶具有良好的空气动力外形，在气流作用下能产生空气动力使风轮旋转，将风能转换成机械能，再通过齿

4、轮箱增速驱动发电机，将机械能转变成电能。由于风速是随时变化的，风电的不稳定性会给电网带来一定影响，目前许多电网内都建设有调峰用的抽水蓄能电站，使风电的这个缺点可以得到克服。 由能源问题引发的危机以及日益突出的环境问题，使人们认识到开发清洁的可再生能源是保护生态环境和可持续发展的客观需要。可以说，对风力发电的研究和进行这方面的毕业设计对我们从事风力发电事业的同学是有着十分重大的理论和现实意义的，也是十分有必要的。 与风电发达国家相比，中国在风力发电机制造技术和风力发电控制技术方面存在较大差距，目前国内只掌握了定桨距风机的制造技术和刚刚投入应用的兆瓦级永磁直驱同步发电机技术，在风机的大型化、变桨距

5、控制、主动失速控制、变速恒频等先进风电技术方面还有待进一步研究和应用。2.国内外风力发电技术的现状2.1  目前在欧美风力发电发展现状 19世纪末，丹麦首先开始探索风力发电，研制出风力发电机组。直到20世纪70年代以前，只有小小型充电用风力机达到实用阶段。1973年发生石油危机以后，美国、西欧等发达国家为寻求替代化石燃料的能源，投入大量经费，动员高科技产业，利用计算机、空气动力学、结构力学和材料科学等领域的新技术研制现代风力发电机组，开创了风能利用的新时期。 20世纪70年代到80年代中期，美国、英国和德国等国政府投入巨资开发单机容量1000kW以上的风

6、电机组，承担课题的都是著名大企业，如美国波音公司研制了2500kW和3200kW的机组，风轮直径约为100m,塔高为80m，安装在夏威夷的瓦胡岛；英国的宇航公司和德国MAN公司分别研制了3000kW的机组，所有这些巨型机组都未能正常运行，因其发生故障后维修非常困难，经费也难以维持，没有能够发展成商业机组，未能形成一个适应市场需求的风电机组制造产业。2.2 目前在我国风力发电发展现状 中国风能资源丰富，根据全国900多个气象站的观测资料估计，我国陆地风能资源总储量约3226亿千瓦，其中可开发利用的风能资源总量为253亿千瓦，居世界首位；中国近海（水深小于15米）风能资源，估计

7、为陆上的三倍，即近海的风能储量约为75亿千瓦。这样，陆上和近海10米高处技术可开发风能资源总量，总计约为10亿千瓦。现代大型风力发电机组高度已超过50米，50米处的风能密度为10米高处的2倍，这样，中国技术可开发的风能资源总量，即可高达20亿千瓦。 由中国资源综合利用协会可再生能源专业委员会主持、绿色和平和欧洲风能协会共同资助的报告指出，中国有能力在2020年实现3000-4000万千瓦的风电装机容量，年发电量将达800亿千瓦时，可满足8000万人的用电需求，同时每年可减少4800万吨的二氧化碳排放量。专家们预测，我国风电发展可能将分为3个阶段进行：首先在2010年之前完成起步阶段，风电装机达

8、400-500万千瓦，初步奠定风电产业基础；第二阶段是2020年达到3000万4000万千瓦，实现快速发展，在全部发电装机中占有一定比例；第三阶段是在2020年之后超过核电成为第三大发电电源，并在2050年前后达到或超过4亿千瓦，超过水电，成为第二大主力发电电源。3.风力发电系统的控制对象 3.1风电控制系统包括现场风力发电机组控制单元、高速环型冗余光纤以太网、远程上位机操作员站等部分。（1） 现场风力发电机组控制单元是每台风机控制的核心，实现机组的参数监视、自动发电控制和设备保护等功能。（2） 高速环型冗余光纤以太网是系统的数据高速公路，将机组的实时数据送至上位机界面；（3） 上位机操作员站

9、是风电厂的运行监视核心，并具备完善的机组状态监视、参数报警，实时/历史数据的记录显示等功能3.2风电控制系统的现场控制站 包括：塔座主控制器机柜、机舱控制站机柜、变桨距系统、变流器系统、现场触摸屏站、以太网交换机、现场总线通讯网络、UPS电源、紧急停机后备系统等。1、塔座控制站   塔座控制站即主控制器机柜是风电机组设备控制的核心，主要包括控制器、I/O模件等。 2、机舱控制站   机舱控制站采集机组传感器测量的温度、压力、转速以及环境参数等信号，  3、变桨距系统   大型MW级以上

10、风电机组通常采用液压变桨系统或电动变桨系统。 4、变流器系统  大型风力发电机组目前普遍采用大功率的变流器以实现发电能源的变换，变流器系统通过现场总线与主控制器进行通讯，实现机组的转速、有功功率和无功功率的调节。 5、现场触摸屏站  现场触摸屏站是机组监控的就地操作站，实现风力机组参数设置、设备调试、维护等功能，是机组控制系统的现场上位机操作员站。    6、以太网交换机（HUB）  系统采用工业级以太网交换机，以实现单台机组的控制器、现场触摸屏和远端控制中心网络的连接。7、

11、现场通讯网络  主控制器具有CANOPEN、PROFIBUS、MODBUS、以太网等多种类型的现场总线接口，可根据项目的实际需求进行配置。   4.风力发电系统的控制方法4.1功能模块1.数据采集（DAS）功能：包括采集电网、气象、机组参数，实现控制、报警、记录、曲线功能等；  2.机组控制功能：包括自动启动机组、并网控制、转速控制、功率控制、无功补偿控制、自动对风控制、解缆控制、自动脱网、安全停机控制等；  3.远程监控系统功能：包括机组参数、相关设备状态的监控，历史和实时曲线功能，机组运行状况的累计监

12、测等。    1、数据采集（DAS）功能  4.2 机组运行过程中进行监测的相关参数  （1）电网参数，包括电网三相电压、三相电流、电网频率、功率因数等。电压故障检测：电网电压闪变、过电压、低电压、电压跌落、相序故障、三相不对称等。  （2）气象参数，包括风速、风向、环境温度等。  （3）机组状态参数检测，包括：风轮转速、发电机转速、发电机线圈温度、发电机前后轴承温度、齿轮箱油温度、齿轮箱前后轴承温度、液压系统油温、油压、油位、机舱振动、电缆纽转、机舱温度等。

13、60; （4）风电场远程监控中心的上位机和塔座触摸屏站均可实现机组的状态监视，实现相关参数的显示、记录、曲线、报警等功能。    5.风力发电系统的控制效果（1）发电机系统   当发电机温度升高至某设定值后，起动冷却风扇，当温度降低到某设定值时，停止风扇运行；当发电机温度过高或过低并超限后，发出报警信号，并执行安全停机程序。  当温度越低至某设定值后，起动电加热器，温度升高至某设定值后时，停止加热器运行；同时电加热器也用于控制发电机的温度端差在合理的范围内。  （2）液压系统

14、   机组的液压系统用于偏航系统刹车、机械刹车盘驱动。机组正常时，需维持额定压力区间运行。    液压泵控制液压系统压力，当压力下降至设定值后，启动油泵运行，当压力升高至某设定值后，停泵。   （3）气象系统  气象系统为智能气象测量仪器，通过RS485口和控制器进行通讯，将机舱外的气象参数采集至控制系统。根据环境温度控制气象测量系统的加热器以防止结冰。      (4）电动变桨距系统  变桨距系

15、统包括每个叶片上的电机、驱动器、以及主控制PLC等部件，该PLC通过CAN总线和机组的主控系统通讯，是风电控制系统中桨距调节控制单元，变桨距系统有后备DO顺桨控制接口。桨距系统的主要功能如下：紧急刹车顺桨系统控制，在紧急情况下，实现风机顺桨控制。  (5）增速齿轮箱系统    齿轮箱系统用于将风轮转速增速至双馈发电机的正常转速运行范围内，需监视和控制齿轮油泵、齿轮油冷却器、加热器、润滑油泵等等。    当齿轮油压力低于设定值时，起动齿轮油泵；当压力高于设定值时，停止齿轮油泵。当压力越限后，发出警

16、报，并执行停机程序。    齿轮油冷却器/加热器控制齿轮油温度：当温度低于设定值时，起动加热器，当温度高于设定值时停止加热器；当温度高于某设定值时，起动齿轮油冷却器，当温度降低到设定值时停止齿轮油冷却器。    润滑油泵控制，当润滑油压低于设定值时，起动润滑油泵，当油压高于某设定值时，停止润滑油泵。    （6）偏航系统控制   根据当前的机舱角度和测量的低频平均风向信号值，以及机组当前的运行状态、负荷信号，调节CW（顺时针）和CCW（逆时针）电

17、机，实现自动对风、电缆解缆控制。    自动对风：当机组处于运行状态或待机状态时，根据机舱角度和测量风向的偏差值调节CW、CCW电机，实现自动对风。（以设定的偏航转速进行偏航，同时需要对偏航电机的运行状态进行检测）    自动解缆控制：当机组处于暂停状态时，如机舱向某个方向扭转大于720度时，启动自动解缆程序，或者机组在运行状态时，如果扭转大于1024度时，实现解缆程序。    （7）大功率变流器通讯  主控制器通过CANOPEN通讯总线和变流器通讯，变流

18、器实现并网/脱网控制、发电机转速调节、有功功率控制、无功功率控制：   并网和脱网：变流器系统根据主控的指令，通过对发电机转子励磁，将发电机定子输出电能控制至同频、同相、同幅，再驱动定子出口接触器合闸，实现并网；当机组的发电功率小于某值持续几秒后或风机或电网出现运行故障时，变流器驱动发电机定子出口接触器分闸，实现机组的脱网。    发电机转速调节：机组并网后在额定负荷以下阶段运行时，通过控制发电机转速实现机组在最佳曲线运行，通过将风轮机当做风速仪测量实时转距值，调节机组至最佳状态运行。   &#

19、160;功率控制：当机组进入恒定功率区后，通过和变频器的通讯指令，维持机组输出而定的功率。    无功功率控制：通过和变频器的通讯指令，实现无功功率控制或功率因数的调节。    (8）安全链回路    安全链回路独立于主控系统，并行执行紧急停机逻辑，所有相关的驱动回路有后备电池供电，保证系统在紧急状态可靠执行。    三目前我厂技术状态及对策    目前我厂已拥有发电机技术，变流系统正在研发中，已

20、在2010年初完成，其它技术尚处于空白之中，为快速进入市场考虑，应采取两条腿走路的方案，即自主研发和技术引进。目前拥有此项技术的国内厂家有南京科远自动化集团股份有限公司等厂家，北京景新也拥有此项技术，并在1MW机组上试运行。   6.先进控制技术在风力发电系统中的发展趋势目前风力发电的主要方向：  1陆地风力发电机组采用1.5/2M双馈异步发电机组。    2、离岸风力发电机组采用4/5M永磁同步全馈发电机组。  3、建设大型或者超大型的风力电场（有上百台风力机组组成）。 &

21、#160;  4、 风力机组控制系统具有防电压穿透功能。  5、  风力发电机组在在线发电时可调节功率因数，在不发电时也可以调节功率因数，进行无功补偿，净化电网。7参考文献国内文献（1） 金以慧等，过程控制的发展与展望，控制理论与应用，1997,14    （2）145-151计算机控制技术 于海生 机械工业出版社 2007 (3)贺德馨. 2020年中国的科学和技术发展研究J.科技和产业,2004,(01):36.doi:10.3969/j.issn.1671-1807.2

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