车载风力发电装置（共5篇）
车载风力发电装置 篇1
0 引言
车载风力发电装置是典型高效节能的新型环保产品,它符合空气动力学原理,是一种利用机动车在运行过程中达到一定速度时,带动发电机转动,来进行风力发电的新型装置[1],它具备节能、美观、高效率、无污染的功效,也可为电动机动车充电、续航,符合低碳环保理念。因此车载风力发电装置不仅可推动电动机车的快速普及和发展,且对节约资源及环境保护具有深远意义。
1 电动机车应用的显著效益
1.1 节约能源促进经济发展
自20世纪以来,汽车总量不断增加,对能源的需求也在随之不断增长,从世界范围看,交通系统消耗了全球约1/3的能源。2005年的中国,汽柴油消费总量达1.6×108t,其中汽油近5 000×104t,基本由汽车消耗,而柴油中的40%也由柴油汽车、农用车消耗。中国已成为世界上第二大能源消费国,据预计,到2020年中国石油需求量将超过4×108t,其中,汽车燃料消耗约2×108t,石油的对外依存度将有可能达到60%[2]。然而现有技术在汽车上的应用,难以将不可再生的石油资源利用率提高到100%。汽车加油的过程中石油很容易挥发,加之日常从油箱盖缝隙挥发的石油,全球每年会浪费大量石油资源,所以需求量大,利用率低,浪费现象严重,必将导致石油资源提前枯竭。
近年来国家一直倡导“节约资源,低碳环保”的理念,并对新技术的应用、新能源的开发予以大力支持,电动机车作为一种新型的节能环保产品,具有广阔的发展空间,它结构简单,造价和维护费用较低,发动机能源转化率远远高于传统的汽车,同时电动机动车的应用普及会减少汽油和柴油的使用量,在一定程度上能节约有限的石油资源,推动经济发展和环境保护。
1.2 减轻大气噪声污染
目前人们已从汽车尾气中分离出80多种有害物质,最有代表性的污染物为:燃烧不完全的或未燃烧碳氢化合物、CO、SO2、NOx、CO2、H2S及微量的醛、酚、有机酸、苯和硫化物等有害气体。颗粒物包括:碳黑、焦油和Pb、P、重金属等。据统计1辆汽车1 a排出的有害废气比自身重量大3倍,可见汽车尾气已成为城市大气环境的首要污染源[3]。电动机车将电力作为自身能源,可实现废气的零排放。随着新能源的开发利用例如风能、太阳能、核能等,将这些新能源通过有效途径进行转化,为电动机车提供动力,可进一步减轻大气污染。
汽车鸣笛、发动机发动、烟囱排气等噪声打破了宁静舒适的都市环境,人们对降低汽车噪声、保护空气质量的呼声日益高涨。电动机车具有发动装置效率高、噪声低、外形小巧、质量较轻等优点,既可减轻电动机动车自身发出的噪声,还可减轻交通拥堵和车位紧张等问题。在一定程度上可有效改善城市环境,缓解交通压力,带动城市文明,促进城市发展。
1.3 维护生态平衡促进可持续发展
汽车尾气的污染导致环境日益恶化,引发了严重的生态问题,动植物数量骤减,甚至导致一些稀有物种灭绝。因此应用新技术开发新能源,来保护生态环境已成为许多国家关注的焦点,以中国为例,北京、山东、上海、广州等多个地区,电动机车已投入生产并使用。其能源利用效率高、污染小的特点已得到人们广泛认可。
2 电动机车应用普及所遇到的问题
2.1 电池容量小续航能力低问题显著
近年来人们环保意识逐渐增强,电动机车作为新型节能环保产品,已得到人们广泛认可,但人们对电动机车的供电稳定性和续航持续性存在一定的质疑。就电动机车的结构来看,车身本身构造简单,蓄电池组重量占车身重量比重较大,同时电动机车的蓄电池组容量较小、稳定性差,使用寿命较短,导致电动机车在行驶过程中稳定性和安全性降低,续航里程大大缩短。另外与传统汽车相比,电动机车补充能源的时间约是传统汽车加油时间的60倍,电动机车的速度也只是传统汽车的一半左右,这些问题都阻碍了电动机车的应用普及。
从目前的机动车发展状况来看,不论是国际大牌汽车,还是电动机车,为增强机动车的安全性和稳定性,大多数车身结构都采用质地坚硬、质量较大的材料,因此很难在车身结构上实现车身轻量化的目的,导致电动机车会出现“电池发电拉电池”的问题。
2.2 供电设施有待完善
充电、供电是电动机车在使用过程必须具备的环节,随着电动汽车保有量和普及度逐年上升,对充电设施的需求量也逐渐增加,但充电站数量较少、设备消耗资金大、维护费用高、安全系数低、充电效率低等缺点,导致电动机车在电量不足时不能及时快速充电,在一定程度上制约了电动机车发展。
新能源电动机车处于发展阶段,电动机车的管理标准和生产规范还没有统一标准,不同型号不同品牌的电动机车充电时所需功率不同,因此电动汽车充电站规模必须考虑每台充电机能提供的充电功率,若充电站只配置1台功率最大的充电机,在若干台动力电池特性不统一的电动汽车需要同时充电时,会造成极大的资源浪费[4]。
2.3 能源来源不够环保
目前电动机车用电主要来自于依靠燃烧煤炭发电的热电厂,虽然电动机车的应用解决了燃油问题,但在一定程度上增加了煤炭使用量,煤炭燃烧又会产生大量有害气体,导致环境污染加重,仍达不到很好的节能环保效果。
3 车载风力发电装置在电动机车上应用的优势
3.1 对推动电动机车应用普及的作用
据统计,全球风能可利用储量为96×108k W。由于科学技术的发展,再加上各国政府的扶持政策,全球风力发电年增长率在20%以上[5],风力发电技术相较于以往有了突破性进展。车载风力发电装置借鉴风力发电的模式和原理,利用电动机车行驶过程中产生的风能,将风能转换为电能,为电动机车充电,不仅可减少电动机车的充电次数,延长行驶里程,还可提高电动机工作效率,从而缩小了电动机车与传统汽车的差距,在一定程度上可促进电动机车的应用普及。
车载风力发电装置结构简单,运行要求简单,尤其是在沿海多风地区,遇到交通拥堵情况,也不会出现因行驶速度不足而导致的暂时停止供电问题,同时在一些充电设施不完善、充电设施规格与蓄电池不相符的地区,电动机车可利用车载风力发电装置为其供电,延长行驶里程,就在一定程度上避免了因电力不足而无法行驶的问题。
近年来国家大力倡导可持续发展战略,大力发展新能源产业,制定了一系列环境保护、新能源开发的战略,并在发展风能、核能、太阳能等领域有了突破性进展,中国也是风能利用最早的国家之一,因此在开发风能的技术上与其它国家相比有一定的优势,不仅对研发车载风力发电装置提供了技术保障,还能提升车载风力发电装置的性能。在一定意义上可以加快车载风力发电装置的普及和使用。
3.2 对环境保护的意义
中国风能资源较为丰富,尤其是沿海地区和西北地区,同时中国风电技术应用较早,借鉴风力发电的功能和优势,在电动机车运行过程中,车载风力发电装置进行“零排放”式发电,为蓄电池供电,从而减少了电动车的充电次数与充电时间,进而减少煤炭的使用量和燃烧煤炭所带来的环境污染问题,从车载风力发电装置本身来看,生产和使用车载风力发电装置消耗资源较少,对环境污染较轻,更加符合“低碳环保”理念。车载风力发电装置具有低噪音的特点,从而减轻城市的噪声污染,同时将车载风力发电装置的外形进行设计与车身达到完美结合,在一定程度上也可给人以不同形式的美感,不仅可增加电动机车的销量,也可作为城市中一道亮丽的风景线。
4 结语
从节约能源保护环境的角度分析,车载风力发电装置利用新材料和新技术,在电动机车上应用,可为电动机车补充电能,大幅度延长电动机动车的续航里程,大幅度延长电动机动车所用电池的寿命,大幅度降低电动机动车的运营成本,可发挥电动车最大功效[1],同时车载风力发电装置的应用实现了“零排放”式发电,对环境保护也具有深远意义。
摘要：叙述了电动机车应用的显著效益及电动机车应用普及所遇到的问题,基于此,对车载风力发电装置在电动机车中应用的意义进行了探讨。
关键词：车载风力发电装置,电动机车,环境保护
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车载风力发电装置 篇2
伴随着经济的发展及人口的增长,人类对能源的需求增加,而以煤炭、石油为主的常规能源存在有限性,且污染和破坏自然环境。风能是一种清洁的可再生能源,并且资源丰富,有着无需开采、运输的特点[1]。目前风力发电系统分非直驱风力发电系统和直驱风力发电系统,前者主要采用齿轮箱对风轮机提速后,驱动常规异步发电机,而直驱风力发电在整个体系结构中,由于省去了增速齿轮箱,减小了风力发电机的体积和重量,省去了维护,降低了风力发电机的运行噪声[2],所以研究直驱风力发电系统的电能变换装置对提高风电转换效率及开发风力发电技术的推广,有着重要的社会效益和经济效益。
1 常规直驱风力发电系统的特性
直驱风力发电系统采用低速的永磁同步发电机取代了异步发电机,在永磁直驱风力发电系统中,风轮机将捕获的风能以机械能的形式驱动永磁发电机,永磁发电机的转速随着风速的变化而进行变化,发出电压和频率都变化的电能,需要经过电能变换电路输出恒压恒频的电能[3]。现阶段常规离网型户用风力发电系统的基本结构如图1所示。
风速的时变性,使得风力发电机的电压及频率变化,不易于直接被负载利用,所以目前的独立运行风力发电系统通过“交流-直流-交流”的转换方式供电[4],且要考虑风速很弱及无风的情况,系统的装置中使用了蓄电池进行储能。先用整流器将发电机的交流电变成直流电向蓄电池充电,再用逆变器将直流电变换成电压和频率稳定的交流电输出供给负载使用。系统的能量传输分配中要经过两次能量转换:电能-化学能-电能,能量的利用率偏低,且由于风力发电发出的能量较小,往往达不到负载需求的电能。
2 改造后的直驱风力发电系统
2.1 风力发电系统的基本组成
针对直驱风力发电的特性,研究设计的风力发电系统应由风轮机、永磁同步发电机、电能变换装置(整流器、直流调压装置、逆变器)、控制器、泄能负载、蓄电池、制动刹车装置和用户负载等组成,其设计研究的永磁直驱风力发电系统的结构组成原理图如图2所示。
2.2 能量传输分配分析
分析在正常情况下的能量流动路径,由图2所列出的风电系统的供电模式可知,在考虑风速大于切入风速及小于切出风速时,风力发电控制系统中的能量传输的关系大体上分4种情况如图3所示。
正常启动风速到达后,风轮机开始运行,当风速较大时,风力发电机组发出的电能,经过电能变换装置调节后,得到用户负载所需要的交流电,多余的电能经过蓄电池储存起来;当风速不足时,风力发电机组发出的电能较小或则不发电能,此时由蓄电池发电给电能变换装置,进而变换后,供给用户负载;当风力发电机组发出的电能远大于用户所需的电能,且在蓄电池电量已被充满的情况下,采用泄能负载控制器对多余的电能放电。
2.3 控制策略的分析设计
在直驱风力发电系统中,风轮机对风能的捕获及其电能变换装置的控制策略在整个风电系统运行过程中决定风电转换的效率,根据风速的变化,负载的变化以及储能装置容量的变化,来研究风电系统的控制策略对风力发电系统的稳定运行以及最大化的利用风能有着重要的意义。由于离网型风力发电系统多用于农区、牧区等远离常规电网的场所,风力发电是主要的供电形式,根据这一地区用户负载的用电情况,在常规情况下可以设负载的电流阈值为I0,储能装置蓄电池SoC的阈值为C0,实测风速的阈值为V0[5]。当风力发电机运行在切入风速与切出风速之间时,设定风力发电体系中用户负载电流、蓄电池SoC及实测风速分别大于各自设定的阈值时,为1状态;小于设定阈值时为0状态,则可列出表1。
在表中开关状态一行中数值位是“1”的,表示在图2中的Tx开关接通,为“0”的这一路表示开关断开,供电模式下的1～8种状态分别表示为:T2接通,风机供电;T1,T2接通,风力发电机供电,蓄电池充电;T2,T3接通,风力发电机供电,蓄电池放电;T2,T4接通,风机供电,泄能负载介入;T2,T3接通,风力发电机供电,蓄电池放电;T2接通,风机供电;T2,T3接通,风力发电机供电,蓄电池放电;T2接通,风机供电。
在风力发电系统中,以风力发电机提供电能为主,蓄电池放电为辅,上述几种形式为风速达到风轮机运转的切入风速,且未超出切出风速,在稳定的工作风速内,并未提及无风以及风速过大,超出风力发电机承受的最大风速,那时将要启动机械刹车装置,将风轮机锁住,保护风力发电系统。
3 风电体系下的电能变换电路控制系统设计
3.1 控制系统方案的确定
风力发电机发出的电能电压为三相交流电,且输出电压较低,需经过整流器进行整流,得到的直流电在经过控制器的作用下对蓄电池进行充电,设计中采用的是三相桥式不可控整流。而对于直流变换电路主要功能是:调节直流输出电压使之恒定,以达到后级逆变电路输入要求[6];提高逆变电路的功率因数并抑制高次谐波,完成功率因数的校正,所以可采用直流Boost升压斩波电路。选用全桥逆变电路,其特点为带负载能力强,电路容易达到大功率;又由于LC滤波器有着对输出波形中的高次谐波进行滤波处理的能力[7,8],因此选用了输出端带LC滤波器的单相全桥逆变电路的拓扑结构,以使逆变电路输出高质量的正弦波形。
3.2 电能变换电路的控制器设计
设计的永磁直驱风力发电系统发出电压在18～50 V之间变化时,经过电能变换电路的处理得到稳定的220 V电压,通过研究得出在设计整流及Boost升压变换电路的控制策略时,应该以控制输出电压为出发点,使输出电压保持恒定为目的,且同时要保证系统功率因数尽可能的接近于1,综合风电系统特殊环境及Boost变换的电路CCM工作特性的基础上,控制系统的设计中采用了平均电流控制技术[9],结构上为电流内环和电压外环构成双闭环结构;而对于逆变电路部分则在电路的控制方式上选用正弦脉宽调制方式对逆变电路进行控制,设计了采用PI调节器及PWM控制的电路控制策略[10,11]。在确定了系统中电路的运行状态后,确定了电路参数,并利用MatlabSimulink搭建了电能变换电路逆变部分的仿真模型,如图4所示。
仿真结果如图5所示。在图5中从上至下分别为未经过滤波的负载电流波形、经过滤波后的负载电流电压波形,仿真结果可见在允许的范围内达到了负载要求的工作电压。
4 结 语
针对永磁直驱风力发电体系下的电能变换电路进行了设计,并对所设计的控制策略及方案在Matlab软件下应用Simulink来完成的模型搭建和仿真调试。通过仿真,验证了设计的电能变换电路拓扑结构的正确性及控制策略的合理性,为直驱风力发电系统的电能变换的研究提供了一定的信息。
参考文献
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车载风力发电装置 篇3
1 装置硬件结构介绍
总体结构仿真如图1所示。
为了尽量接近真实工况,根据设计需求条件,需要分别测量较大压紧力和较高速度下两种工况下摩擦系数变化情况,装置采用双圆盘球盘接触的方法进行连续测量,零部件尺寸相对较大,以提高装置的稳固性,提高了实验的安全性。为有效降低结构安装的难度,电动机—传动轴—双盘结构—滑枕轴系—丝杠的中心线呈“一”字形,重心较立式的要低很多,同样可以避免运行时由电机震动引起的不安全因素。
该测量装置结构简图如图2所示。
(1)为驱动部分,为整个装置的运行提供动力;
(2)为传动轴系部分,将电机的旋转运动传递给触头支撑架及触头,测转速的光电传感器安装位置;
(3)为枕及轴系,保证摩擦盘轴向运动的平稳性和对中性,测平衡力传感器和测压紧力传感器安装的位置;
(4)为摩擦盘体及三个触头,两种被测摩擦材料;
(5)为丝杠加载部分,为两种摩擦盘体及触头提供压紧力;
(6)为底座部分,安装以上各零部件。
装置整体结构分为三部分,即高速刹车模拟系统、加载系统和数据采集系统。
(1)高速轴刹车模拟系统
为图2中(1)、(2)、(3)、(4)所示部分,根据风力发电机的正式工况,选择额定转速3000r/min的交流电机,与变频器等配合使用,采用无级调速,可以使模拟系统的转速在0~2900r/min均匀连续变化。刹车模拟部分采用对称两杆与连续旋转盘摩擦,以得到连续时间内连续的摩擦系数变化。
(2)加载系统
为图2中(5)所示部分,压紧力的供给是丝杠提供,实现了压紧力的变化均匀连续和高精度压紧力测量。以最大压紧力为6000N进行强度计算,当f≥tan1.2878°=0.02248时,丝杠即可产生自锁。
(3)数据采集硬件系统
由传感器、数据采集卡等硬件构成,本装置涉及到摩擦盘转速、摩擦元件压紧力及压杆端平衡力三组数据的采集。摩擦盘转速的测量采用反射式光电传感器;根据装置实验及工况要求,压紧力应达到2000N,由于一共有3个触头,所以压紧轴承受6000N的压紧力,选用CFBHL轮辐荷重传感器测量压紧力;再由工况和公式摩擦力Ff·圆盘半径R=平衡力FT·压杆半径r≤电机最大扭矩Tmax,采用CM系列传感器测量平衡力。采用的USB2828采集卡与电脑USB口直接连接,操作方便。
2 装置软件的数据采集、处理系统介绍
本系统采用的USB2828采集卡提供了C++和LabVIEW两种语言的采集控制接口程序。与C++语言相比,LabVIEW语言提供了功能强大的硬件驱动和高级数学分析库。它所提供的数学分析库包括统计、估计、回归分析、线性代数、信号生成算法、时域和频域算法等,可满足各种计算和分析需要。所要开发软件的主要内容为数据采集和信号的计算分析,因此这里选择LabVIEW作为软件开发工具。利用LabVIEW设计计算程序,将转速转算成摩擦元件的相对滑动速度,将压力转算成摩擦元件之间的压紧力,将压杆处压力转算成触头所受摩擦力,利用公式f=Ff/F得出滑动摩擦系数,最后利用软件绘制出与摩擦系数关系曲线,如滑动摩擦系数f与相对滑动速度v关系曲线,滑动摩擦系数f与压紧力F关系曲线,滑动摩擦系数f与时间t关系曲线。
2.1 界面设计
软件界面设计采用LabVIEW的虚拟仪器前面板的窗口主体,利用其自身的标签窗口显示功能,将需要显示的信号以及其关系曲线全方位的展现在前面板上,既满足了操作方便快捷的需求,又能充分发挥虚拟仪器前面板的强大功能。这种思想可广泛应用于虚拟仪器前面板的开发中,具有良好的应用前景。
图3为本软件的界面样式。
2.2 数据处理系统软件的功能模块划分
该软件设计的主要任务是完成摩擦系数测量装置的数据采集、处理、分析等,风力发电机刹车元件的设计提供依据。遵循模块化的设计思想,采用由上至下的设计方法,将软件按功能进行模块划分,主要功能模块有数据采集、信号处理、数据分析。各功能模块根据具体的功能进行了进一步的划分,如图4所示。
(1)数据采集模块设计
数据采集提供了整个测试系统的数据来源,是整个分析软件的基础。数据采集模块驱动数据采集卡采集数据,完成数据从数据采集卡到计算机的高速传输,并且传输到计算机的数据能够实时的显示和存储。
由于数据采集时需要设置很多参数,为了界面的简洁,将数据采集的参数设置独立编写子VI。因此数据采集模块有参数设置、数据采集两个子VI。
在该软件中许多子模块都需要完成信号的读取和存储操作,因此编写数据读取和数据存储子VI以供各子模块调用。数据读取子VI完成数据文件的读取,输入为文件路径,输出有备注信息、采集时间、采样频率、通道数、通道名称、通道单位、采集时长、采样点数、波形等。
(2)信号处理模块设计
信号处理模块主要将采集的信号处理成实验所需要的数据。
(1)利用LabVIEW周期函数将光电信号处理成相对滑动速度数据;(2)将压紧力电信号处理成压力数据;(3)触头摩擦力并非直接测量,通过外伸压杆所受压力为平衡力的方法测量得出的,因此需要将平衡摩擦力电信号通过公式;(4)本实验最终得到刹车元件圆盘半径的滑动摩擦系数,利用关系式f=Ff/F将以上得到的数据处理。
(3)数据分析模块设计
包括关系曲线子模块和波形重放子模块,将产生数据进行动态分析并进行存储。波形重放子模块用于回放已存储的信号。在该模块可以实现多通道的时域波形重放,并可以灵活控制播放的速度、显示的长度,可以实现播放的快进、快退、复位、重放等功能。另外在该模块中还可以通过x-y波形的形式来显示两个信号的关系。
3 结束语
本装置首次对风力发电机摩擦系数进行研究,首次提出针对这一技术难题的测量及研究,以完善“风力发电”这一新生技术。该装置可以在试验条件下连续不断的测出两材料的摩擦系数,测量磨损量与时间的关系、摩擦系数与相对速度的关系、摩擦系数与压紧力的关系,并绘制出关系曲线,从而明确材料的性质,为估算出风力发电机刹车元件的寿命,对设计者设计精度更高的产品有很高的参考价值。
摘要：风力发电机刹车装置的刹车盘与刹车片的摩擦系数直接影响到刹车效率和刹车片的使用寿命。基于我国风力发电机的设计、制造现状和风力发电机的特殊工况,设计研制球盘式摩擦系数测量装置。该装置利用力矩平衡原理间接测量摩擦力,采用高灵敏度传感器采集平衡摩擦力、压紧力、相对滑动速度,并通过数据采集卡、计算机等硬件搭建基于虚拟仪器技术的测试系统,Lab-VIEW软件开发数据采集分析系统实现信号的数据采集、数据预处理、波形信息分析,得出摩擦系数在各影响因素下的变化情况,从而对刹车材料的摩擦性能进行分析,明确材料的性质,为估算出风力发电机刹车元件的寿命、风力发电机的设计提供依据。
关键词：风力发电机,摩擦系数,测量装置
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车载风力发电装置 篇4
传统的以太网接入方式, 往往采用主控制器连接物理层接口芯片 (如DM9000A) , 在主控CPU中嵌入以太网通信协议。这种方式需要编写繁琐的网络协议程序并且耗费大量的时间进行调试, 难以实现系统的快速开发和稳定运行, 更不利于系统的更新升级[1]。因此, 采用独立于主控CPU的网络协议专用处理器并行工作的方式可以解决传统以太网接入方式带来的弊端。这种方式使得系统应用程序和数据的传输分别运行于不同的硬件, 有效降低了主控制器的运行负担, 增加系统的稳定性, 缩短系统的开发周期。系统的模块化设计也便于系统的更新升级。笔者使用内部集成硬件协议栈的网络接口芯片W5100实现了风力发电机组状态监测装置的远程通信。
1 系统设计
本系统包括就地数据采集装置和数据分析系统两部分, 风机现场的运行数据由就地采集装置采集完现场信号, 经由以太网和光纤传输到主控中心的数据分析系统上进行信号分析。系统的拓扑结构和功能结构分别如图1、2所示。
本系统能够对风电场不同设备的运行情况作具体分析, 并作出具有针对性的分析处理, 可以代替风电场运行维护人员通过机组主控系统和定期巡视检查的方式来了解机组的运行状态, 减少维护人员的劳动强度[2]。
2 W5100的功能概述
2.1 W5100总体介绍
W5100是集成有10/100以太网控制器的单片网络接口芯片。其内部集成了硬件TCP/IP协议栈、以太网MAC和以太网PHY, 支持TCP、UDP及IPv4等多种网络协议。提供3种总线接口:直接并行总线接口、间接并行总线接口和SPI总线接口, 简化了系统的硬件设计。使用W5100不需要考虑以太网的控制, 只需像访问外部存储器一样进行简单的端口 (Socket) 编程即可, 尤其是SPI总线操作方式不仅可以最大程度地简化硬件接口, 而且能够极大地减少网络编程的工作量。W5100支持信号的自动极性反转, 可以自动识别信号的传输模式 (全双工和半双工) , 支持10/100以太网。内置16kB的数据发送/接收缓冲区可以实现大数据量的高速收发, 最大有效通信速率可达25Mbit/s。
W5100使用外置3.3V电源和内部1.8V电源供电, 其中1.8V电源由芯片内部线性稳压电路产生, 经外接滤波电容供回芯片, 无需另置电源, 降低了系统硬件设计的复杂性。W5100结构框图和基本外围连接如图3所示, 它由4部分构成:硬件TCP/IP核、MCU接口单元、数据收发缓冲区和以太网物理层。
由图3可知, 芯片通过内部以太网物理层 (PHY) 单元连接网络变压器, 再通过RJ45网络接口和以太网电缆接入以太网络, 完成系统网络侧的连接;系统主控侧通过芯片提供的总线接口连接主控CPU, 进而通过端口驱动程序完成数据的传输。
W5100还提供了多种LED接口用于指示芯片当前的工作状态, 包括:LINK (连接) 、SPD (速度) 、FDX (全双工/半双工) 、COL (IP地址冲突) 和RX/TX。
2.2 W5100的存储空间
W5100内部集成了强大的硬件以太网协议, 只需对其进行IP地址和端口配置即可接入以太网。通过控制寄存器合理选择和创建Socket后, 可以完成网络数据的接收和发送, 并把数据存放进芯片内部存储器中。W5100的内部工作存储器空间分为4部分, 如图4所示。
2.2.1 公共寄存器
公共寄存器主要包括模式配置寄存器 (MR) 、网关地址寄存器 (GWR) 、子网掩码地址寄存器 (SUBR) 、中断相关寄存器 (IR) 、本机MAC寄存器 (SHAR) 、本机IP地址寄存器 (SIPR) 、数据接收缓冲区配置寄存器 (RMSR) 及数据发送缓冲区配置寄存器 (TMSR) 等。
2.2.2 端口寄存器
端口寄存器控制W5100各个通道的数据收发。W5100支持4路独立数据通道, 对应有4组功能完全相同的端口控制寄存器。笔者以Sn表示S0、S1、S2、S3 4个通道。主要包括端口模式寄存器、端口命令寄存器、端口状态寄存器和端口发送/接收剩余空间寄存器。需要注意的是在发送或接收数据时, 用户必须先检查剩余空间的大小。
3 W5100与TMS320F2812的接口设计
TMS320F2812是美国TI公司推出的最佳测控应用的定点DSP芯片。它既具有高性能的数字信号处理能力, 又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能, 特别适用于有数据处理的测控场合。TMS320F2812提供了丰富的外设接口, 方便系统的设计与扩展。如SCI、CAN及SPI接口等。
3.1 W5100与DSP硬件接口连接
W5100提供了多种总线接口, 本设计中使用W5100的SPI总线方式, 这种方式仅需4根信号线, 可以大大简化系统的硬件设计, 同时满足风力发电机组状态监测系统中对数据实时传输的要求。DSP通过SPI接口实现与W5100的通信, 其硬件接口如图5所示。
由图5可知, 串行接口模式只需4个引脚, 分别为从设备选择 (/SS) 、串行时钟 (SCLK) 、主出从入 (MOSI) 和主入从出 (MISO) 。SPI_EN为W5100的SPI模式使能端, 高电平有效。
3.2 DSP读写W5100时序
由于F2812主频高达150MHz, 在SPI主模式下, 最高比特率可达37.5Mbit/s, 而W5100最高数据传输速率为25MHz。必须设置DSP的分频系数, 使F2812的比特率低于W5100的最高数据传输速率, 比特率设定在15Mbit/s以下最佳。
系统中DSP需工作于主模式, W5100工作于SPI从设备模式0的方式下, 即数据在时钟的上升沿锁定, 下降沿输出。其操作时序如图6所示。
由图6可知, 主设备模式下, 首先将/CS信号置高, 然后配置主设备的相关寄存器, 把要传输的数据写入SPI数据寄存器, 将/CS信号置低等待数据传输完毕, 最后把/CS信号再置高。根据SPI协议, SPI设备只有两条信号线, 因此需要定义操作代码。W5100使用两种操作代码:读代码 (0x0F) 和写代码 (0XF0) 。SPI模式下, W5100使用完整的32位数据流, 包括一个字节的操作码、两个字节的地址码和一个字节的数据。
4 TMS320F2812以太网控制程序设计
由于W5100内部集成了多种硬件以太网传输协议, 所以主控芯片TMS320F2812只需通过SPI接口完成对芯片的配置和读写控制即可实现系统的网络功能。利用W5100提供的Socket API函数, 可以大大简化开发人员对其配置和收发操作的难度。笔者在TMS320F2812平台上移植了相关的接口函数, 实现了TCP/IP协议下客户端模式的程序设计。图7为系统的软件设计流程。
5 结束语
W5100内部嵌入了硬件以太网协议, 省去了编写和调试繁琐的以太网协议程序的时间, 加快了系统的开发速度。由于集成的硬件以太网协议和系统应用程序并行运行于两个独立的CPU, 增强了系统运行的可靠性。TMS320F2812通过网络协议芯片W5100扩展了网络功能, 最大有效数据传输速率可达2.5Mbit/s, 满足了风力发电机组状态监测装置对现场数据的传输要求。
参考文献
[1]徐元军.W3100在DSP系统以太网接口中的应用[J].微型机与应用, 2002, 21 (9) :17～19.
车载风力发电装置 篇5
为了风能资源的充分利用, 提高风力发电的效率, 必需要考虑采取措施改善风电场运行性能。在风力发电场装设无功补偿装置就是提高风力发电效率的手段之一。
静止无功发生器 (SVG) 和静止无功补偿器 (SVC) 同属交流输电范畴的两种无功功率电源, 静止无功补偿器 (SVC) 有磁控饱和电抗器 (MCR) 型SVC、晶闸管控制电抗器 (TCR) 型SVC。由于静止无功发生器 (SVG) 与静止无功补偿器 (SVC) 相比较有较大优点, 在近几年的风电场工程中静止无功发生器SVG型动态无功补偿装置得到了广泛的应用。
1 SVG动态无功补偿装置的特点
SVG是基于静止无功发生器SVG (Static Var Generator) 的综合补偿装置, 是目前最先进的动态无功补偿技术。
SVG无运动元件, 能够跟踪系统要求, 连续发出所需容性和感性无功功率, 其输出可独立于交流系统电压的装置。
SVG动态无功补偿装置具有如下优点:
1) SVG能耗小, 相同调节范围下, SVG的损耗约只有磁控电抗器类动态调节装置的1/4, 晶闸管控制电抗器类的1/3, 运行经济性更佳;
2) SVG以半导体的逆变器为核心, 使用直流电容器储能, 无SVC中滤波之路和电抗器, SVG的占地面积远远小于等容量的晶闸管控制电抗器, 也比同容量的磁控电抗器略小, 有利于电气总平面的布置和工程改造的实施;
3) SVG自身不产生谐波, 同时还能滤除谐波, 保证运行安全性, 同时, 不需要额外的滤波装置, 可大大节省工程占地;
4) SVG的响应速度更快, 整体装置的动态无功响应速度可达到10ms以内, 因而对快速的冲击负荷具有更好的补偿效果, 对闪変有更好的抑制作用, 比SVC更快、更稳定;
5) SVG实现了模块化设计, 安装、调试工作量小, 基本免维护;
6) SVG具有电流源的特性, 输出容量受母线电压影响很小, 在电压波动较大的场合, SVG的补偿效果更佳;
7) SVG具有高可靠性, SVG采用N+1冗余主电路拓扑结构, 一个链接单元损坏后认可继续满负荷运行, 在系统短路故障条件下, SVG可连续稳定运行。
基于以上SVG动态无功补偿装置的优点, 在近几年的风力发电工程中SVG动态无功补偿装置得到了广泛的应用。
2 SVG动态无功补偿装置在风力发电工程中的应用
2.1 SVG型动态无功补偿装置的配置
电网公司对风力发电场的要求既要补偿容性无功又要补偿感性无功, 动态无功补偿装置一般装设于风力发电厂升压站低压侧。目前大多数风力发电场规模一般为100MW、200MW、300MW, 以规模为100MW的风力发电场居多。以100MW风力发电场为例, 根据工程经验补偿容性无功一般为25Mvar, 补偿感性无功要根据送出线路长度确定。如果感性无功补偿容量与容性无功相差不多, 采用SVG补偿比较合适, 如果感性无功补偿容量与容性无功相差很大, 则采用SVG+FC (固定电容器) 的型式比较合适既采用SVG与并联电容器成套装置配合的方式, 这样既满足了连续调节的要求, 又可以降低造价。
由于大部分的风力发电场容性无功与感性无功相差比较大, 因此我院设计的风力发电场大多采用SVG+FC的型式, 用两台断路器分别来控制SVG回路和FC回路, 在正常运行时两台断路器都处于合闸状态, 保证动态无功补偿装置的连续调节。例如某一风力发电场需要补偿容性无功25Mvar, 感性无功5Mvar, 则需要配置15 Mvar SVG和10 Mvar FC, 分别由两台断路器控制实现从感性5 Mvar到容性25Mvar连续可调。
2.2 SVG+FC动态无功补偿装置中设备主要技术要求
SVG采用IGBT可关断器件, 模块化设计, 功率单元的结构和电气性能完全一致, 可以互换。
FC回路由电容器、串联电抗器、放电线圈、避雷器、隔离开关、接地开关组成。
2.2.1 电容器组
电容器应计入串联电抗器引起的电容器运行电压升高。
2.2.2 串联电抗器
在目前风电工程中多数工程串联电抗器选用干式串联电抗器。
2.2.3 放电线圈
放电线圈应采用电容器组专用的放电线圈产品。
2.2.4 隔离开关
SVG型动态无功补偿装置电源进线侧应配置三相联动隔离开关, 并提供接“五防”的接线端子, 保证检修时有明显的断开点。
隔离开关必须是通过完善化技术审查的产品, 并提供针对瓷瓶断裂、操作失灵、导电回路过热、锈蚀等易发故障进行的完善化技术措施证明。
接地开关的额定短时耐受电流和额定峰值耐受电流应和主刀一致。
设备底座及传动构件均要求热镀锌。
隔离开关操作机构采用不锈钢, 不锈钢厚度不小于2mm, 防护等级为IP54。
隔离开关的支柱绝缘子应选用防污型高强度的产品。
设备轴承座采用全密封结构, 轴销采用不锈钢或铝青铜材料, 有自润滑措施, 传动连杆采用装配式结构;机构输出轴与本体传动轴采用无级调节的连接方式。
隔离开关和接地开关的机械寿命在无需进行机械调整、维修或更换部件情况下, 操作次数不小于5000次。
操动机构应能防寒、防热、防尘、防潮、防雨和防止异物等, 并应在操作机构箱上设置供接地用的接地板, 且提供机构箱门与箱体跨接的软连接, 并配有两个接地端子。
2.2.5接地开关
并联电容器装置在其电源侧和中性点侧设置检修接地开关。
2.2.6氧化锌避雷器
并联电容器装置回路应装设氧化锌避雷器防止操作过电压, 氧化锌避雷器应采用无间隙金属氧化锌避雷器。
参考文献
[1]《35-220kV变电站无功补偿装置设计技术规定》DL/T5242-2010.