太阳能热风发电站发电机并网控制系统毕业设计.docx
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太阳能热风发电站发电机并网控制系统毕业设计
内蒙古科技大学
本科生毕业设计说明书(毕业论文)
太阳能热风发电站发电机并网控制系统
太阳能热风发电站发电机并网控制系统
摘要
太阳能储量庞大,而且它是清洁能源,使其可能成为未来可靠的发电能源,吸引了许多研究者研究太阳能发电。
太阳能热风发电是太阳能发电的一个分支,该系统主要有集热棚,导风烟囱以及发电机组成,在有强光照的沙漠地区适合发电,具有不错的开发空间。
这次的毕业设计的太阳能热风发电站并网控制系统,选用的两个关键的器件是西门子AFE变流器和西门子PLC。
我的设计包括两个重要的部分,一是西门子AFE变流器的接线图设计,AFE变流器的接线方式正确,使它正常工作,并且将它调整在逆变工作方式下,在满足并网条件后将直流电逆变变成交流电,输送到电网上。
另一部分是PLC的设计,PLC主要是用来控制AFE变流器的启动、停止和并网,正确连接PLC的输入、输出端子的接线,以及编写PLC程序后,就可以用PLC来控制系统的起动和停止,这样就满足了当初设计的需求。
关键词:
新能源;太阳能热风发电;并网控制系统
Solarchimneypowerstationgeneratorsand
networkcontrolsystem
Abstract
Solarhugereservesanditiscleanenergy,sothatitcouldbecomeafuturereliableenergygenerationhasattractedmanyresearchershavestudiedthesolarpower.Solarpowersolarchimneypowerisabranchofthesystemisthemaincollectorroof,windchimneysandgenerators,composedindesertareaswithstronglightsuitableforpowergeneration,hasagooddevelopmentspace.
Thegraduationdesigngridsolarchimneypowerplantcontrolsystem,thechoiceofthetwokeycomponentsAFEinverterSiemensandSiemensPLC.Mydesignincludestwomajorparts,oneSiemensAFEinverterwiringdiagramdesign,AFEconverterwiringiscorrect,itisworkingandadjustitintheinvertermodeofoperation,tomeetandNetworkconditionsafterDCinverterintoalternatingcurrent,deliveredtotheelectricitygrid.TheotherpartisthedesignofPLC,PLCismainlyusedtocontroltheAFEinverterstart,stopandgrid,properlyconnectedPLCinputandoutputterminalsofthewiring,andthepreparationofthePLCprogram,youcanusethePLCtocontrolsystemstartandstop,sotomeettheoriginaldesignrequirements.
Keywords:
NewEnergy;SolarChimneyPower;Grid-Connected
第一章绪论
1.1我国基本用电情况
我国是最大的发展中国家,发展速度及其迅猛,电能就成为了保障国家发展的重要前提,电能持续可靠的供应成为不断研究的课题。
我国的各项工业耗电量增长迅猛,据中国国家能源局14日发布的全社会用电量等数据显示,2月份全社会用电量3374亿kW·h,同比下降12.5%。
今年前2月,全国全社会用电量累计7892亿kW·h,同比增长5.5%。
分类看,第一产业用电量增长4.3%,第二产业用电量增长4.2%,第三产业用电量增长13.8%;城乡居民生活用电量增长4.7%。
1至2月,全国发电设备累计平均利用小时为701小时,同比减少19小时。
综合今年前两个月看,第一产业用电量128亿千瓦时,同比增长4.3%;第二产业用电量5528亿kW·h,增长4.2%;第三产业用电量1068亿kW·h,增长13.8%;城乡居民生活用电量1169亿kW·h,增长4.7%。
根据中国电力企业联合会2月28日发布的预测认为,2013年我国经济将继续趋稳回升,带动用电需求增速回升,全年用电增速同比增长6.5%~8.5%。
我国的用电量增长迅速,使得发电任务更加紧迫,由于我国现在主要用火力发电,可是煤炭储量是有限的,研究新能源发电很是关键。
下面介绍一些关于新能源发电方面的相关内容。
1.2新能源发电
我们把能量的来源称为能源,它是能够为人类提供某种形式能量的自然资源及其转化物。
也可以说,自然界在一定条件下能够提供机械能、热能、电能、化学能等共种形式能量的自然资源叫做能源。
新能源与可再生能源的含义,在中国是指除常规化石能源和大中型水力发电、核裂变发电之外的生物质能、太阳能、风能、小水电、地热能以及海洋能等一次能源。
这些能源储量非常丰富、可以再生、清洁干净,是最有前景的替代能源,将成为未来世界能源的基石。
下面对一些新能源做出一些简单介绍。
1.生物质能。
生物质能是蕴藏在生物质中的能量,是绿色植物通过叶绿宏将太阳能转化为化学能而贮存在生物质内部的能量。
有机物中除矿物燃料以外的所有来源于动植物的能源物质均属于生物质能,通常包括木材及森林废弃物、农业废弃物、水生植物、油料植物、城市和工业有机废弃物以及动物粪便等。
生物质能的利用主要有直接燃烧、热化学转换和生物化学转换三种途径。
生物质直接燃烧在今后相当长的时间内仍将是中国农村生物质能利用的主要方式。
因此,改造热效率仅为10%左右的传统烧柴灶,推广热效率可达20%~30%的节柴灶这种技术简单、易于推广、效益明显的节能措施,被国家列为农村能源建设的重点任务之一。
生物质的热化学转换,是指在一定温度和条件下,使生物质气化、炭化、热解和催化液化,以生产气态燃料、液态燃料和化学物质的技术。
生物质的生物化学转换,包括生物质一沼气转换和生物质一乙醇转换等方式。
沼气转换是指有机物质在厌氧环境中,通过微生物发酵产生一种以甲烷为主要成分的可燃性混合气体即沼气。
乙醇转换是指利用糖质、淀粉和纤维索等原料发酵制成乙醉。
2.太阳能。
太阳能的转换和利用方式有光——热转换、光——电转换和光——化学转换等。
接收或聚集太阳能使之转换为热能,然后用于生产和生活的一些方面,是光——热转换即太阳能光热利用的基本方式。
太阳热水系统是太阳能热利用的主要形式。
它是一种利用太阳能将水加热并储于水箱中以便利用的装置。
太阳能产生的热能可以广泛应用于采暖、制冷、干燥、蒸馏、温室、烹妊以及工农业生产等各个领域.并可进行太阳能热发电。
利用光伏效应原理制成的太阳能电他,可将太阳的光能直接转换成为电能,称为光——电转换,即太阳能光电利用。
光——化学转换目前尚处于研究开发阶段,这种转换技术包括半导体电极产生电面电解水产生包、利用氢氧化钙或金属氢化物热分解储能等内容。
3.风能。
风能是指太阳辐射造成地球各部分受热不均匀,引起各地温差和气压不同,导致空气运动而产生的能量。
利用风力机可将风能转换成电能、机械能和热能等。
风能利用的主要形式有风力发电、风力提水、风力致热以及风帆助航等。
4.小水电。
所谓小水电,通常是指小水电站及与其相配套的小电网的统称。
在1980年联合国召开的第二次国际小水电会议上.确定了以下三种小水电站容量范围:
小型水电站,1001~12000kW;小小型水电站,101~10000kW;微型电站,100kW以下。
按照中国国家计委规定,水电站总容量在50000kW以下的为小型水电站;50000~250000kW的为中型水电站;250000kW以上的为大型水电站。
在我国自20世纪70年代以来,小水电一般是指单站容量在12000下的小水电站及其配套小电网。
但随着国民经济的发展,小水电的容量范围已向单站5000kW瓦发展。
目前中国农村村级以下办的小水电,多数属于容量为100kW左右的微型水电站。
小水电的开发方式,按照集中水头的办法,可分为引水式、堤坝式和混合式三类。
5.地热能。
地热资源是指在当前技术经济和地质环境条件下,地壳内能够科学、合理地开发出来的岩石中的热能量和地热流体中的热能量及其伴生的有用成分。
地热资源,按赋存形式可分为水热型(又分为干蒸汽型、湿蒸汽型和热水型)、地压型、干热岩型和岩浆型四大类;按温度高低可分为高温型(>150℃)、中温型(90~149℃)和低温型(<89℃)。
地热能的利用方式主要有地热发电和地热直接利用两大类。
不同品质的地热能可用于不同的目的。
流体温度为200~400℃的地热能,要可用于发电和综合利用。
150~200℃的地热能,主要可用于发电、工业热加工、工业干燥和制冷。
100~150℃的地热能,主要可用于采暖、工业干燥、脱水加工、回收盐类和双循环发电系统;50~100℃的地热能,主要可用于温室、采暖、家用热水、工业干燥和制冷;20~50℃地热能,主要用于洗浴、养殖、种植和医疗等。
6.海洋能。
海洋能是指蕴藏在海洋中的可再生能源,它包括潮汐能、波浪能、海流能、潮流能、海水温差能和海水盐差能等不同的能源形态。
海洋能按储存的能量形式,可分为机械能、热能和化学能。
潮汐能、波浪能、海流能和潮流能为机械能,海水温差能为热能海水盐差能为化学能,海洋能技术是指将海洋能转化为电能或机械能的技术。
1.2.1风力发电技术
起风是大自然很常见的现象,由于空气流动而产生的。
地球表面被厚厚一层称为大气层的空气所包围。
由于太阳辐射与地球的自转、公转,以及河流、海洋、山岳及沙漠等地表的差异,地面各处受热不均匀,造成了各地区热传播的显著差别,大气的温差发生变化,加之空气中水蒸气的含量不同,以及地面的气压不同,于是高压区空气就向低压区流动,在水平方向的空气流动就构成风。
大气移动的最终结果是要使全球各地的热能分布均匀,于是赤道暖空气向两极移动,两极冷空气向赤道移动。
由此可见大气压差是风产生的根本原因。
风是随时随地可以产生的,它的方向不定、大小不同。
在气象学上,把空气的不规则运动称为“紊流”,垂直方向的运动叫做“对流”,所以风特别强调相对于地面水平方向的运动。
风速随高度的增加而变化。
地面上风速较低的原因是由于地表植物、建筑物以及其他障碍物的磨擦所造成的。
经测旦,在离地而20m处的风速为2m/s,而在离地他处则变成7m/s~8m/s。
风速沿高度的相对增加量因地面异,大致上可以用下式表示。
(1-1)
式中V——可视为高度为H时的风速
V0——可视为高度为H0时的风速
一般取H0为10m,修正指数n与地面的平整程度(粗糙度)、大气的稳定度等因素有关,其值为1/2~1/8,在开阔、平坦、稳定度正常的地区为1/7中国气象部门通过在全国各地测风塔或电视塔测量各种高度下得出n的平均值约为0.16~0.20,一般情况下可用此值估算出各种高度下的风速。
为了从自然界获取最大的风能,应尽量利用高空中的风能,一般全少安比周围的植物及障碍物高8~10米。
空气运动产生的动能称为“风能“,由流体力学可知,气流的动能为
(1-2)
式中m——气体的质量
V——气体的速度
设单位时间内气流通过面积为S的截面的气体体积为L,则
(1-3)
如果以ρ表示空气的密度,于是该体积的空气质量为
(1-4)
此时气流所具有的动能为
(1-5)
式(1-5)为风能的表达式。
风力发电就是把风的动能转变成机械动能,再把机械能转化为电能。
风力发电的原理,是利用风力带动风车叶片旋转,再透过增速机将旋转的速度提升,来促使发电机发电。
依据目前的风车技术,大约是每秒三米的微风速度(微风的程度),便可以开始发电。
风力发电正在世界上形成一股热潮,因为风力发电不需要使用燃料,也不会产生辐射或空气污染。
风力发电机因风量不稳定,故其输出的是13~25V变化的交流电,须经充电器整流,再对蓄电瓶充电,使风力发电机产生的电能变成化学能。
然后用有保护电路的逆变电源,把电瓶里的化学能转变成交流220V居民用电,才能保证稳定使用。
通常人们认为,风力发电的功率完全由风力发电机的功率决定,总想选购大一点的风力发电机,而这是不正确的。
目前的风力发电机只是给电瓶充电,而由电瓶把电能贮存起来,人们最终使用电功率的大小与电瓶大小有更密切的关系。
功率的大小更主要取决于风量的大小,而不仅是机头功率的大小。
在内地,小的风力发电机比大的更合适。
因为它更容易被小风量带动而发电,持续不断的小风,会比一时狂风更能供给较大的能量。
当无风时人们还可以正常使用风力带来的电能,也就是说一台200W风力发电机也可以通过大电瓶与逆变器的配合使用,获得500W甚至1000W乃至更大的功率输出。
一般说来,三级风就有利用的价值。
但从经济合理的角度出发,风速大于4m/s才适宜于发电。
据测定,一台55kW的风力发电机组,当风速为9.5m/s时,机组的输出功率为55kW;当风速8m/s时,功率为38kW;风速6m/s时,只有16kW;而风速5m/s时,仅为9.5kW。
可见风力愈大,经济效益也愈大。
在我国,现在已有不少成功的中、小型风力发电装置在运转。
我国的风力资源极为丰富,绝大多数地区的平均风速都在3m/s以上,特别是东北、西北、西南高原和沿海岛屿,平均风速更大;有的地方,一年三分之一以上的时间都是大风天。
在这些地区,发展风力发电是很有前途的。
[1]
1.2.2太阳能热风发电技术
人类的发展依赖着能源,环境污染不断加剧,人们开始越来越看重新能源和可再生能源,寻求清洁能源利用新技术已成为研究热点之一,而太阳能发电技术将是最有发展前途的新能源技术。
太阳能热风发电是太阳能发电的一个主要分支。
太阳能热风发电的构想是在1978年由德国的J•Schlaich教授最先提出的。
太阳能热气流发电系统主要由太阳能空气集热器,带有发电机的风力涡轮,以及太阳能烟囱和地表蓄热层等组成,如下图所示。
图1.1太阳能热风发电原理图
太阳能热风发电站的工作原理是利用烟囱对空气的抽吸作用产生的气流驱动风力涡轮进行发电,太阳能集热器则用于加热空气,强化烟囱效应。
从技术角度来讲,太阳能热风发电站与水利电站比较相似,都是将流体流动动能转变成叶轮机械旋转机械能进行发电。
这单太阳能热风集热器以太阳能烟囱所在位置为中心,呈圆周状分布,包括面盖和支架两部分,集热器四周开日用以引入空气,面盖及地面构成空气流动的通道。
太阳能烟囱与地面垂直,建筑结构与常规烟囱类似,烟囱底部和太阳能集热器连接处要求有较好的密封。
热空气密度小,在烟囱通道内上升,同时在太阳能集热器内被加热的热空气进入烟囱,冷空气进入集热器,形成持续不断的气流流动。
气流流动具有的动能通过置于太阳能烟囱气流流道底部的风力涡轮带动发电机组转变为电能,通常这种风力涡轮可设置一台或多台。
该项技术具有设计简单、取材方便、运行可靠、运动部件少、维护方便、维修及运行费用低、无环境污染、可昼夜连续稳定运行、使用寿命长等优点,可解决缺电或少电的发展中国家和地区的电力需求,近几十年来有多个国家支持。
研究太阳能热风发电技术的最终日的在于使之实用化和商业化,澳大利亚的环境使命(Enviomission)公司一自致力于此项事业也已走在了世界前列,环境使命公司是澳大利亚拥有唯一授权使用太阳能热风发电技术的商业组织。
根据其官方文件,该公司计划在2008年前建成规划中的5座太阳能热风发电厂中的第一座,并使之具有商业运营价值。
环境使命公司将建造澳大利亚太阳能热风发电厂的过程分为六个阶段,其中第二阶段即商业化前期可行性分析阶段已于2003年2月完成。
这对该项目具有重要意义,因为这标志着此项目可用于商业化运营,也就标志着澳大利亚太阳能热风发电厂可正式建造。
环境使命公司原计划建造200MW的太阳能热风电厂,其烟囱高度超过1000m,预计投资为5亿~7亿美元。
其发电量可供澳大利亚20多万户家庭使用,每年可减少一氧化碳排放量900kt。
近期由于受资金所限,环境使命公司已决定调整为建造一座50MW的太阳能热风电厂,建造地点为新威尔士州。
此外,澳大利亚政府已将环境使命公司列为澳大利亚低排放科技发展基金(LEDTF)的正式申清中一位,若该申清成功,则澳大利亚政府将提供建造50MW太阳能热风电厂所需资金的一半。
1.3本章小结
本章介绍了一些我国目前的用电状况,简单介绍了一些新能源的相关知识,叙述了风力发电技术和太阳能热风发电技术。
第二章电力系统的相关介绍
2.1电力系统概述
电力系统在我们现在的生活中扮演着不可或缺的角色,电力系统的正常运行不仅保障了我们日常生活的正常用电,还能使得工业、企业用电有了可靠。
在当今社会,没有了电能,我们的生活会变得一团糟。
电力系统的发展是一个从简单到复杂的过程。
最开始的电力系统仅仅是由少数的发电机组组成,电压等级较低,电能传送距离较短,且各系统单独运行、互不相连,分别对其所带负荷供电,此时发电机结构多为容量较小的火电或水电机组,负荷结构比较单一,多为电灯或电动机,这是一个近代电力系统的雏形。
由于电压偏低,限制了电能远距离传送,只能在资源集中地区建设电厂,进行生产或通过将资源转移至负荷密集地区,极大阻碍了社会前进的步伐。
随着生产力的不断发展,对输送功率和输送距离提出了进一步要求,为了将电能更经济地输送到更远地区,提高整个社会效益,变电设备(主要是升压变压器和降压变压器)在电力系统中逐步获得了广泛应用,提高了功率传送的电压,实现了功率的大范围转移。
变压器的广泛应用标志着电力系统的发展取得了重大突破。
通过变压器连接,不同电压等级在同一系统中得以共存,并且输电线路的电压等级也越来越高,输电电压的高低是输电技术发展水平的主要标志。
到20世纪90年代,世界各国常用交流输电系统中,电压有220kV及以下的高压输电、330~765kV的超高压输电、1000kV及以上的特高压输电,使得电网的覆盖区域更广,对于实现整个社会的资源优化起到了积极效果。
当前,我国电力系统已存在的输电电压等级包括l000、750、500、330、220、110kV等,其中除了1000kV尚处于试验阶段外,其他电压等级基本已投入运行。
除了输电电压等级快速发展外,输电方式也出现了新的变化,由传统的交流输电扩展至直流输电方式,其将交流电通过换流器变为直流电,然后通过直流线路送至受电端并通过换流器转化为交流电后接入交流系统,其输送灵活、损耗小,能够节约输电走廊并实现快速控制,当前已投运的输电电压等级包括±l00、±500、±600kV。
电源构成、负荷成分的迅速发展与输电网电压等级的迅速提高相同步的。
电源方面,从最初单纯利用煤、石油的火电机组及利用水能资源的水电机组己扩展至利用核能的原子能电机组,利用太阳能、风能、潮汐能、地热能等新能源机组,且单机容量越来越大,最大单机容量已超过l000MW,极大提高了资源利用效率。
负荷方面不仅包括传统的电灯、电动机,还有较大比重的电热电炉、整流装置等设备,负荷特性越来越复杂,对系统的影响也越来越大,增加了系统分析的难度。
随着电力系统规模的越来越大,为了实现电力系统的安全经济运行,各个地区电网之间实现联网,通过联络线构成一个大区电网,有利于资源在更大范围内有效、合理的分配,同时,也使其互为备用,提高了整个系统的供电可靠性。
如我国西北陕西、甘肃、青海、宁夏之间通过330、750kV联络线互联为西北电网,实现了水、火电相互补给。
在夏季黄河来水量较大时,甘肃、青海两省的水电大发,通过联络线对宁夏、陕西大负荷地区供电,而冬季黄河来水量较少时,则宁夏、陕西火电机组大发,对甘肃、青海地区实现功率倒送。
随着社会经济的进一步发展,各大区之间也基本实现了互联,如西北电网与华中电网之间通过背靠背直流输变电设备相连,而规划中的特高压电网更是将华北、华中电网等区域电网联为一体。
现代电力系统是由电源、电力网络、电力负荷及测量、保护、控制装置,乃至能量管理系统所组成的统一整体。
其功能是将自然界的一次能源(煤、石油、天然气、核燃料等不可再生资源,风、水、太阳能、潮汐能等可再生资源)通过发电动力装置转化成电能,再经输、变电系统及配电系统将电能供应到各负荷中心,通过各种设备再转换成动力、热、光等不同形式的能量,为地区经济和人民生活服务。
由于电源点与负荷中心多数处于不同地区,也无法大量储存。
故其生产、输送、分配和消费都在同一时间内完成,并在同一地域内有机地组成一个整体,电能生产必须时刻保持与消费平衡。
因此,电能的集中开发与分散使用,以及电能的连续供应与负荷的随机变化,制约了电力系统的结构和运行。
据此,电力系统要实现其功能,就需在各个环节和不同层次设置相应的信息与控制系统,以便对电能的生产和输送过程进行测量、调节、控制、保护、通信和调度,确保用户获得安全、经济、优质的电能。
根据具体功能的差别,整个电力系统可划分为一次和二次系统两类。
1.一次系统。
它是电能生产、输送、分配和消费所需要的发电机、变压器、电力线路、断路器、母线和用电设备等互相连接而成的系统,也称为电工一次系统,其中所包括的电力设备被称为“一次设备”。
该部分是本书研究和分析的重点。
2.二次系统。
它是由对电工一次系统进行监视、控制、保护和调度所需要的自动监控设备、继电保护装置、远动和通信设备等组成的辅助系统。
其中包括的设备装置被称为“二次设备”。
电源包括锅炉、反应堆、汽轮机、水轮机、发电机等设备,主要为系统提供能量。
根据所用一次能源的不同,可分为以煤、石油、天然气等化石燃料为能源的火电厂,以水为能源的水电厂,以核能为能量的核电厂,这三种电厂由于出力稳定、易控制,在当前系统中处于主体地位,除此之外,还有利用风能、太阳能、潮汐能、地热能等新能源的电厂,由于其所用的一次能源可循环利用,近几年以来得到了迅速发展,以缓解日渐减少的化石能源。
尤其是风力发电,随着风电机组技术的日渐成熟,在全世界范围内得到了迅速发展,总装机容量从1998年的l0.2GW飞速发展到2007年底的94.123GW,年平均增长率大于28%。
电力网络包括变压器、电力线路等变换、输送、分配电能的设备。
变电设备主要用来将电压由低等级转变为高等级(升压)或者由高等级转变为低等级(降压),通过变电设备可以将各个不同电压等级的设备连接为一个整体,提高功率的传送电压,实现功率远距离、大范围传送。
输电线路按结构形式可分为架空输电线路和地下输电线路。
前者由线路杆塔、导线、绝缘子等构成,架设在地面上;后者主要用电缆,敷设在地下(或水下)。
按所送电流性质可分为直流输电和交流输电。
l9世纪80年代,首先成功地实现了直流输电,后因受电压提不高的限制(输电容量大体与输电电压的平方成比例),19世纪末为交流输电所取代。
交流输电的成功,迎来了20世纪电气化时代。
20世纪60年代以来,由于电力电子技术的发展,直流输电又有了新发展,与交流输电相配合,形成交直流混合的电力系统。
电力网络按照功能可以分为输电网络、配电网络和联络线。
输电网络一般指电力系统中的主要网络(主网),具有较高等级的电压,起
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