基于远海风力发电的协同控制系统的制作方法

本发明涉及风力发电，具体地说，涉及基于远海风力发电的协同控制系统。

背景技术：

1、近年来，已日益关注减少由燃烧化石燃料生成的温室气体的排放。减少温室气体排放的一个解决方案是开发可再生能源。特别是，已证明来自风的能量是对环境安全且可靠的能源，其可减少对化石燃料的依赖。

2、远海风力发电装置通常通过风力的方式进行存储电能，但由于远海中的环境多变，通过天气预测的方法不能准确的判断出风力的变化，此时需要当风力足够时，对电能进行存储，长时间使用过程中，当电能不足时，此时需要及时节能，存储部分电能以备使用，但在长时间存储电能的过程中也同时需要及时将存储的电能进行释放，避免电能长时间堆积造成存储电能情况降低情况的发生，鉴于此，我们提出基于远海风力发电的协同控制系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供基于远海风力发电的协同控制系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供基于远海风力发电的协同控制系统，包括电能输入模块、电能监控模块、电能存储模块、电能输出模块、节能模块和发电模块；

3、电能输入模块用于通过风力输出电能；

4、当风吹过风力发电机的叶片时，叶片会受到风力的作用而旋转，叶片的旋转带动了风力发电机内部的转子，转子的旋转在磁场中产生相对运动，根据法拉第电磁感应定律，这个相对运动会在转子中的线圈中感应出电动势，感应出的交流电通过整流器转换为直流电，然后通过调节器进行电压和电流的调节，以满足不同的用电需求；

5、风力发电机输出电能的功率(p)可以通过以下公式计算：

6、

7、p是输出功率，ρ是空气密度，a是风力发电机叶片扫过的面积，v是风速，cp是风力发电机的功率系数，介于0和1之间的系数，表示风力发电机将风能转换为电能的效率。

8、所述电能监控模块包括检测单元、对比单元和传输单元；

9、所述检测单元通过电流监测法计算所述电能存储模块中电能输入和输出的速度，通过电压监控法监控所述电能存储模块内部电能存储容量；

10、电流监测法的计算公式如下：

11、电流输入速度＝电流×电压

12、使用电流传感器实时监测电能存储模块输入端的电流；

13、电流传感器是指当电流通过一个放置在磁场中的导体或半导体时，电流的方向和磁场的方向垂直，会在导体或半导体的另一侧产生垂直于电流和磁场方向的电势差；

14、通过电流传感器获取的电流值，结合已知的电压值，计算出电能输入速度；

15、电压监控法的计算公式如下：

16、通过测量电能存储模块的端电压来估算其剩余电量；

17、q剩余＝f(v)

18、其中，q剩余是所述电能存储模块内部电能剩余电量，v是端电压，f是所述电能存储模块电压-电量曲线函数；

19、所述对比单元用于对比所述电能输入模块向所述电能存储模块中输入电能速度是否超过输入阈值，超过时将超过信号通过无线电频率输出报警信号至电能输出模块中；

20、电能存储模块中输入电能速度与输入阈值通过工作人员设定；输入阈值表示电能输入模块向电能存储模块输入电能的最大允许速度；

21、比较输入电能速度与输入阈值；

22、输入电能>输入阈值，则发出超过信号；

23、如果输入电能≤输入阈值，则继续监测，不采取任何行动；

24、无线电频率通常指的是将电能存储模块输入电能的速度传输到电能输出模块中；

25、无线电频率报警信号通过报警系统中的发射器产生一个含有报警信息的无线电波信号，这个信号由一个振荡器产生，并通过天线发射出去；无线电波在空气中传播，穿透墙壁和其他障碍；所述电能输出模块的接收天线捕获无线电波，并将其传递到内部的接收电路，接收电路将接收到的无线电波信号解码，识别出报警信息；

26、所述传输单元用于当所述检测单元监控到所述电能存储模块内部电能量低于容量阈值时，将低电量信号输出至所述节能模块；

27、容量阈值通过工作人员设定；

28、当传输单元检测到内部电能≤容量阈值时，通过无线电频率传输单元发送低电量信号至节能模块。

29、所述电能存储模块包括电能存储单元和自动预警单元；

30、所述电能存储单元用于通过电容器存储所述电能输入模块与所述发电模块输入的电能；

31、电容器存储电能的方法基于其基本的物理特性，电容器由两个导体构成，这两个导体之间隔着一层绝缘材料，当电容器两端施加电压时，一个导体板会积累正电荷，而另一个导体板会积累等量的负电荷；

32、电容器的电荷量q通过以下公式计算：

33、q＝c·v

34、q是电荷量，c是电容器的电容值，v是电容器两端的电压；

35、电容器存储的电能e通过以下公式计算：

36、

37、电容器的电容值越大，或者其两端的电压越高，存储的电能就越多；

38、所述自动预警单元用于通过能量计算法计算所述电能存储单元中存储电能效率，并将存储电能效率与正常电能效率对比，效率降低时通过无线电频率自动远程报警；

39、能量计算法计算公式如下：

40、能量效率＝输出能力/输入能量

41、正常电能效率通过制造商提供；

42、示例

43、假设制造商提供的正常能量效率范围为85％到95％；

44、假设我们测量得到电能存储单元的当前能量效率为88％：

45、对比正常能量效率范围85％到95％，当前能量效率88％处于正常范围内，因此认为电能存储单元处于正常工作状态；

46、如果当前能量效率为78％：

47、对比正常能量效率范围85％到95％，当前能量效率78％低于正常范围，因此能存在效率下降的问题，需要进一步检查和维护。

48、所述电能存储模块还包括平衡供需关系单元；

49、所述平衡供需关系单元用于在能源供应和需求之间起到平衡作用，减少供需波动对电网的影响，并且将多余的电能输出至所述发电模块，缺少的电能由所述发电模块供给；

50、所述平衡供需关系单元的计算公式基于以下模型：

51、假设电网的总需求为d，总供给为s，电能存储模块的存储容量为c，用电前后效率为η，则在某一时刻，电能存储模块的用电前后操作可以表示为：

52、用电前后操作前的供需差为d-s

53、如果在某一时刻，电网的需求大于供给，即d>s，电能存储模块可以释放电能至所述发电模块，计算公式如下：

54、

55、如果在某一时刻，电网的需求小于供给，即d<s，电能存储模块可以通过发电模块输出电能，计算公式如下：

56、

57、erelease为释放电能，echarge为供给电能。

58、所述电能输出模块包括分配单元和存储容量单元；

59、所述分配单元用于当所述对比单元对比出超过阈值时，将所述电能存储模块内部预留的电能释放至所述发电模块的输入端，所述电能存储模块内部电能释放完成后，将多余的电能分配至所述发电模块的输入端，正常电能分配至所述电能存储模块；

60、情景描述

61、初始状态：

62、电能输入模块输出电能的速度假设为1000wh；

63、对比单元设定了一个所述电能存储模块的输入阈值，假设为1500wh；

64、电能存储模块已经预留一定量电能，假设200wh；

65、由于风力大，电能输入模块向所述电能存储模块输出大量的电能，电能存储模块接收电能的最大速度超过输入阈值，1500wh>1000wh；

66、分配单元接收到对比单元的信号，开始将电能存储模块内部预留的电能释放至发电模块的输入端，此时同步将所述电能输入模块输出的电能输出至所述发电模块中，此时所述发电模块接收电能的容量为1500±200

67、假设预留的电能为200wh，这部分电能被释放并用于发电模块的额外发电；

68、电能存储模块内部的预留电能释放完成后，电能存储模块内部存储量为0；

69、分配单元将所述电能输入模块输出的电能输出至电能存储模块，此时电能输入模块产生的电能大于所述电能存储模块的输入阈值，多余的电能将输出至发电模块；

70、此时所述电能存储模块输入电能的速度为1000；

71、所述发电模块输入电能的速度为1500-1000＝500；

72、所述存储容量单元用于通过电能计算公式计算电能输出至所述发电模块的输入端的电能，并将存储情况通过无线电频率远程输出至岸上工作人员

73、电能计算公式如下：

74、a-b＝c

75、a是所述电能输入模块输入电能的功率，b是所述电能存储模块输入电能的最大功率，c是输出至所述发电模块的输入端的电能

76、eexcess＝estored-(erelease+edemand)

77、eexcess是多余的电能，estored是存储的总电能量，erelease是释放的电能，edemand是电能需求。

78、所述节能模块包括节能单元、计算单元、反馈单元和预测单元；

79、所述节能单元用于当所述电能存储模块中电能存储量不足时，对所述电能存储模块的输出端进行节能；

80、假设所述电能存储单元中的电容器有n个调节负载，每个负载的功率需求为p_i(i＝1,2,…,n)，则总功率需求为p_otal＝σp_ip，节能单元通过调整每个负载的功率需求，例如p′i＝k*p_i(k为0到1之间的常数，表示功率需求的减少比例)，来实现整体功率的降低；

81、所述计算单元用于计算节能时间，且节能时间通过无线电频率远程输出至岸上工作人员；

82、假设此系统有三个调节的电能输出源，每个输出源的输出功率为瓦特，系统总功率需求为瓦特，系统的目标是通过调整输出源数量来优化能源使用效率，减少损耗；

83、节能时间的计算通常基于比较不同配置下的总电能消耗，如果系统在运行过程中，由于输出源的优化配置，总电能消耗从300瓦特降低到290瓦特，那么节能时间为：

84、

85、其中，δp＝300-290＝10瓦特是节能的电能，topt是系统在最优配置下的运行时间，假设为1小时，计算公式如下：

86、

87、所述反馈单元用于根据电能存储单元中的电容器中的正常输出功率与此时电容器内部电能的容量计算出本系统的运行时间，并将此时运行的时间输出至使用本系统，并将此时运行时间通过无线电频率输出至使用本系统电能的工作人员，以便合理安排使用电能；

88、假设电容器的容量为c，正常输出功率为p，电容器当前的电压为v，电容器的电能容量e与电压和容量相关，计算公式为

89、系统运行时间t通过计算电容器释放完所有电能所需的总能量除以系统正常输出功率来得出，即：

90、

91、所述预测单元用于对比所述节能单元中优化节能时间，节能时间低于本系统发电阈值时间时，生成报警信号通过无线电频率输出至所述发电模块；

92、发电阈值时间通过反馈单元计算；

93、

94、toptimized为所述节能单元中优化后的节能时间，tthreshold为发电阈值时间，s为输出至发电模块的信号；

95、当优化后的节能时间小于发电阈值时间时，输出信号为1；否则，输出信号为0；

96、所述发电模块用于接收预测单元发出的信号，而后对所述电能存储模块释放电能。

97、通过检测单元实时监控所述电能存储模块中电能输出、输入的速度和所述电能存储模块的电能存储量；

98、所述电能存储模块内部电能缺少时，通过所述节能单元调节电能输出源数量，节能输出电能的损耗，此时所述反馈单元根据所述电能存储模块正常输出电能的与容量速度计算时间，计算出的时间远程输出至使用本系统电能的工作人员，以便合理安排使用电能，且所述计算单元计算节能时间，节能时间输出至岸上工作人员；

99、所述电能输入模块输出大量电能时，所述分配单元将所述电能存储模块内部剩余电能优先释放至所述发电模块，所述电能输入模块在所述电能存储模块内部电能消耗完成之后，通过所述分配单元将所述电能存储模块内部预留的电能与所述电能输入模块输出的电能释放至所述发电模块的输入端，使所述电能存储模块中的电能全部释放，而后释放完成后所述电能输入模块输出的电能输入至所述电能存储模块中，多余的电能输出至所述发电模块中；

100、所述电能输入模块没有电能输出时，通过所述预测单元对比所述节能单元中优化的节能时间，节能时间低于本系统发电阈值时间时，根据电能存储单元中的电容器中的正常输出功率与此时电容器内部电能的容量计算出本系统的运行时间，且上述运行时间即为发电阈值时间，所述预测单元生成报警信号输出至所述发电模块，通过所述发电模块输出电能至所述电能存储模块内部。

101、与现有技术相比，本发明的有益效果：

102、该基于远海风力发电的协同控制系统中，通过检测单元实时监控电能存储模块中电能输出、输入的速度和电能存储模块的电能存储量；

103、电能存储模块内部电能缺少时，通过节能单元调节电能输出源数量，节能输出电能的损耗，同时计算电能存储模块剩余电能使用时间，计算出的时间远程输出至使用本系统电能的工作人员，以便合理安排使用电能，且计算单元计算节能时间，节能时间输出至岸上工作人员，同时当长时间缺电时，通过发电模块向电能存储模块内部输入电能，

104、电能输入模块输出大量电能时，分配单元将电能存储模块内部剩余电能优先释放至发电模块，电能存储模块电能消耗完成时，分配单元将电能存储模块内部预留的电能与电能输入模块输出的电能释放至发电模块的输入端，使电能存储模块中的电能全部释放，而后释放完成后电能输入模块输出的电能输入至电能存储模块中，多余的电能输出至发电模块中。