基于风光电互补建筑节能控制器的研究与实现.doc

基于风光电互补建筑节能控制器的研究与实现 天津大学硕士学位论文基于风光电互补建筑节能控制器的研究与实现姓名:朱晓丹申请学位级别:硕士专业:控制科学与工程指导教师:李冬辉2021-12摘要风光电一体化互补并网系统在建筑节能中的应用,可以使建筑物充分利用太阳能和风能的互补特性,最大程度地节能减排,在科技进步、环境保护等方面都具有积极的意义本文以太阳能和风能的特点及其并网特性为出发点,根据用户风光资源条件,对风光互补发电系统的运行结构和容量进行合理设计;以系统稳定可靠地并网运行为前提,以提高系统效率、最大程度节能为目的,进一步实现对系统的集中控制和管理本文按照系统运行结构、并网控制目标及策略、应用设计、集中控制系统软硬件实现的根本思路对课题进行研究,主要工作及创新点如下:、根据风光资源在时间上的互补性及各自的发电特性,分别针对光伏发电和风力发电系统的运行体系结构进行介绍,总结其特点和使用方式,最后将两个系统整合起来构成不可调度式风光电互补并网系统,实现系统并网的整合统一研究风光电互补建筑节能系统运行控制与节能管理策略,主要包括:并网运行控制策略主要包括并网点及防逆流点的选择、多逆变器群控策略及其实现方法、无功功率补偿策略。

监控与通讯研究系统监控参数的采集方法,集中控制器根据各种采集数据对系统进行控制与管理,进一步通过以太网方式与上层监控机进行通讯建立建筑中风光电互补并网系统的节能指标评价体系,以节能指标的权值和打分值确定节能等级,实现对系统的节能综合评价根据当地环境条件及建筑屋顶特点,进行风光电互补建筑屋顶系统应用设计,包括系统详细技术方案的设计、容量配置、设备选型及安装方案基于嵌入式系统设计集中控制器的硬件和软件,融合自动启停、并网运行监控、数据分析、系统保护等功能,实现集中控制和管理最后,本文利用仿真工具建立了系统并网仿真模型,对系统的并网控制策略进行仿真与分析,仿真结果证明了其可行性和有效性关键词:建筑节能风光电互补并网策略应用设计集中控制仿真建模,? .. . ? , .. , , . : ,., :. ,:? ? ?, .② ■.,. ⑧?.., , . ?,,, : ,.,,? ..,?? ,:?,, ,第一章绪论第一章绪论 弗一旱三百比.可再生能源的开展趋势可再生能源主要包括太阳能、水能、风能、生物质能、地热能和海洋能等,泛指多种用之不竭的能源,可再生能源作为独立存在的能量载体,有很多不同于石油、煤炭、天然气等化石能源的特点:可再生能源资源丰富,不会枯竭;能量密度低;具有间断性;呈现明显的地带性】。

随着地球能源危机的日益暴露,人们已越来越重视可再生能源的开发、研究和利用白上个世纪年代以来,世界上许多国家都把可再生能源开展作为能源政策的根底,其中太阳能、风能和生物质能开展速度最快,产业前景也最好在可再生能源发电技术的本钱方面,风力发电的本钱最接近于常规能源,因而风力发电技术也成为产业化开展速度最快的清洁能源技术,其年增长率到达%近些年来,一些欧洲国家的可再生能源事业取得了快速开展例如:西班牙年风力发电机的装机容量占到全国总发电装机容量的%:德国年风力发电量占到全国发电总量的.%预计到年,全球可再生能源事业的发展将会减少三千多万吨温室气体以及二百多万吨污染物的排放【太阳能发电、风能发电的开展趋势..太阳能的特点和太阳能发电的开展趋势太阳是万物之源,太阳能是最原始同时也是最永恒的能量,太阳能可以免费使用,无需运输,不但清洁环保而且取之不尽、用之不竭太阳辐射到达地球陆地外表的能量仅占到达地球大气外层外表总辐射量的%,约为万亿千瓦,而即使这样,仍相当于全球一年消耗总能量的.万倍,由此可见太阳能利用的巨大潜力【】然而,太阳能也有两个主要缺点:一是能量密度低;二是太阳能强度受季节、气候、地带等各种因素的影响,处于不断变化之中,不能维持常量。

太阳能的利用主要包括光热转换、光电转换和光化转换三大领域,包括太阳能热水器、太阳房、太阳灶、太阳能制冷与空调、太阳能热发电及光伏发电等其中,光伏发电是最具开展前景的方式之一,它具有无污染、不受地域限制、安全可靠、维护简便、基建周期短、故障率低等优点上个世纪年代的石油危机促使许多国家开始关注能源短缺问题,光伏发电技术开始被应用于民用领域,自此光伏发电产业得到了飞速开展为了推动光第一章绪论伏发电产业的开展,各兴旺国家纷纷制定出相关政策进行支持年,美国宣布了百万太阳能屋顶方案,总光伏发电装机容量到达千兆瓦以上德国于年提出一千屋顶发电方案,所发电能全部由电力部门收购;年又进一步提出十万屋顶方案此外,西班牙、意大利、荷兰、瑞士等国家都有类似的方案,极大地刺激了全世界的光伏市场我国的光伏发电产业虽然起步相对较晚,但近些年来开展非常迅速在国家科技部“九五〞和“十五〞科技攻关工程中,屋顶光伏发电系统的技术开发和示范研究获得了可喜的成果,这些成果使得我国初步掌握了光伏发电的关键技术,并具备了建设具有一定规模的光伏发电站的能力年启动的“西部省区无电乡通电方案〞大大推动了我国光伏发电产业的开展,使得我国光伏电池年生产量迅速到达了。

年,?中华人民共和国可再生能源法?正式实施,预示着我国大力开展包括太阳能在内的可再生能源发电产业的时代已经来临风能的特点和风能发电的开展趋势风是空气的流动现象,流动空气所具有的动能就称为风能风能的主要优点是分布广泛,可自由利用;取之不尽,用之不竭;不污染环境,不破坏生态然种能源的能量密度,可以看出,风能是一种能量密度极其稀疏的能源,单位面积上可以获得的能量很少【】【能量不稳定风能是一种随机能源,在空间和时间上的分布都是分散、不连续的,对天气和气候的变化非常敏感虽然各地区的风能特性在较长时间内有规律可循,但其强度每时每刻都处在不断的变化之中,这种不稳定性给风能的利用带来了一定的难度风能 水能 波浪能 潮汐能能源类别 太阳能/ 流速/ 波高 潮差能量密度 晴天平均 昼夜平均../: .风能的具体用途包括风力发电、风力采暖、风车抽水、风帆助航等,其中以风力发电应用最为广泛近些年来,风力发电相关的生产和控制技术日渐成熟,通过对其实际运行情况的分析可以发现,风力发电是一种平安可靠的发电方式和其他发电方式相比,风力发电不消耗资源,环境效益好:基建周期短,装机规模灵活,安装一台可投产一台;运行简单,完全可以做到无人值守;对土地要求第一章绪论低,在海边、荒漠、高山等地形条件下均可建设。

由于风能是目前新能源发电中本钱最低的能源,并且具有上述许多优点,因此许多国家出台了大量财政鼓励措施来促进风力发电技术的开展在美国、德国、西班牙等个兴旺国家的基金支持下,国际能源机构支持在风能开展上的联合工程研究和技术共享,使得风力发电技术得到迅速开展年,世界范围内的风力发电机装机容量已经到达,其中,德国居首位,接下来依次是美国、西班牙、丹麦、印度预计到年,全球风力发电装机总量将到达万,相当于全球电力需求的%目前,美国国家可再生能源实验室和联合国环境署正联合致力于一个新的目标:在全世界,尤其是亚洲、非洲以及拉丁美洲大力推广风力发电技术,进一步扩大风力发电产业的开展我国风力发电产业的开展开始于上个世纪年代,在国家政策的大力支持下,我国正在努力地追赶兴旺国家到年底,我国风力发电装机容量累计己到达万,其中,级风力发电机组超过台,约占到风力发电机组总数的%’在此同时,我国风力发电机组的研发也取得了一定成果,目前已成功研制出年 的风力发电机组到年,全国风力发电装机总量预计将到达万,同时力争使我国的风力发电设计、制造和管理技术水平进入国际先进行列我国的太阳能、风能资源我国是是世界上太阳能资源最丰富的地区之一,全国陆地外表每年接受的太,其中,某些西部地区的日照强度最大。

在阳能辐射总量约为./我国,超过/以上的国土面积属于太阳能资源较丰富地区,年目照时间大于小时,比同纬度的一些国家要优越得多,从资源方面来讲,具有利用光伏发电的良好条件【引我国的风能资源储量非常丰富,风能资源丰富区主要包括东北、西北、华北地区以及东南沿海及岛屿,另外,近海和内陆风能资源也较丰富根据不同的风速全国被分成了个区域,其中可利用的区域超过了整个国土面积的%根据统计资料估算,我国风能资源的总储量超过三十亿千瓦,其中可开发利用的近海和陆地风能储量约为十亿千瓦风光互补发电系统的提出和研究现状..风光互补发电系统的提出一般情况下,偏远地区的用电负荷较小,假设采用电网送电传输距离较远,从第一章绪论经济性和方便性上考虑都不尽合理,在当地直接发电那么最为适宜偏远地区通常采用柴油发电来提供电力,然而柴油的储运难以保障且本钱较高要想获得长期稳定可靠的供电,就需要充分利用当地的自然资源太阳能和风能发电不需要运输,当地即发即用,是最适宜的选择太阳能和风能都随时间和季节的变化而变化,都有不稳定、不连续的特点,但两者在时间分配上却有明显的互补性:白天太阳能辐射强而风小,晚上没有太阳能,而地表温差变大却使得风力加强;夏季太阳辐射强而风小,冬季风大而太阳辐射弱。

这个特点使得风光互补发电系统在资源利用上具有很好的时间互补性单独的光伏发电系统是利用太阳能电池将太阳辐射能直接转换成电能的发电系统,优点是太阳能资源丰富,系统供电可靠性高,使用寿命长,运行维护成本低,缺点是发电本钱大,系统造价高单独的风力发电系统利用风力发电机将风能转换成电能,然后通过逆变器对用电负荷供电,优点是风能资源丰富,系统本钱较低,缺点是一般小型风力发电机的可靠性较差在技术应用方面,光伏和风力发电系统在逆变环节和系统监控环节是可以通用的,而且太阳能电池同风力机组成的混合供电系统可以提高系统使用率,同时可以降低系统的造价,使系统运行维护本钱趋于合理,更具有市场推广价值由以上分析可知,从资源匹配方面来看,风光互补发电系统能很好的实现风光能源之间的互补,提高系统供电的稳定性与可靠性;从技术评价方面来看,在一些环节以及系统监控方面可以通用,可以提高系统使用率,降低系统本钱,具有很好的社会效益和经济效益风光互补发电系统的研究现状最初的风光互补发电系统用于供电保证率低的用户,只是将光伏组件和风力机进行简单的组合,缺乏详细的数学模型,导致系统使用寿命不长随着风光互补发电系统应用的不断推广,用户对供电系统稳定性、可靠性和经济性要求不断提高。

目前国内外对风光互补发电系统的研究重点主要集中在以下几个方面首先是对风光互补发电系统的计算机仿真和优化设计国内外相继开发出一些模拟风光互补发电系统性能的软件工具,通过对不同系统配置的性能和供电成本的模拟可以得出最正确的系统配置国外自 幂合作开发应用软件此应用软件可以根据风光互补发电系统的体系结构、负载特性以及所在安装地点的太阳能辐射、风速数据等,获得系统一年时间内的运行结果在国内,中国科学院广州能源研宄所、香港理工大学和中国科学院半导体研究所合作提出了一套利用进行风光互补发电系统优化设计的方法,该方法能够为输入的的风光资源建立更精确的数第一章绪论学模型,最终计算出能够满足用户需求且投资。