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基于垂直轴风机的声光复合驱鸟系统

时间:2015-07-04 10:34来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是电力工程师论文,对目前常见的驱鸟方法进行了分类及详细介绍,并提出了一种将变频超声波与多种光驱鸟方法相结合的声光复合驱鸟方法。对垂直轴风机的国内外研究现状及产

第 1 章 绪论


1.1 课题研究的背景及意义
国民经济的飞速增长与对能源需求的不断加大,促成了我国电力工业的飞速发展,输电线路逐年增多。得益于我党始终坚持可持续发展战略,在经济发展的同时,生态环境也得到不断的改善。理想的生存环境使鸟类的数量逐年增多,活动范围也日趋扩大。输电杆塔与架空输电线路因其特殊的构造与广泛的分布成为了鸟类的理想栖息之处。鸟类在走廊内的活动会严重影响输电线路的安全运行,特别是对超高压输电线路。据近年来的统计资料,在我国由鸟类活动引起的输电线路故障占线路总故障数的第 3 位,仅次于雷害和外力破坏[1]。浙江供电公司 2000 年由鸟害引起的事故占该年总事故的 60%左右[2]。至 2002 年底,山东供电公司由鸟害引起的闪络事故占到线路闪络总数的 50%[3]。鸟害已严重影响到了电力工业的正常运营和人民的正常生活,给国民经济造成了重大的损失。因此,亟需找到一种有效的方法,既能有效的将鸟类驱离输电走廊又不会威胁到鸟类的生命。目前所采用的驱鸟方法多存在不足之处,本文在对各种驱鸟方法优劣分析的基础上提出了一种基于垂直轴风力发电机的声光复合驱鸟系统。垂直轴风机结构简单且可靠性高,可为整个系统提供电能,解决了常用驱鸟器在户外供电及维护困难的问题。驱鸟部分将超声波驱鸟和多种光驱鸟方法相复合,能够实现白天和夜间的不间断连续驱鸟,同时采用特殊的变频超声波发生方式,大大提升了驱鸟效果,将鸟类的适应性降至最低限度。该系统开创性的将垂直轴风机与驱鸟部分融为统一整体,整个装置随垂直轴风机旋转,可使原来固定的驱鸟机构旋转起来,使驱鸟范围扩大为整个立体空间,节约了相关元件的数量,降低成本。系统采用连续旋转控制策略,风力充足时系统旋转并将所发电能储存于蓄电池,风力不足时则通过将电池中的电能进行逆变供风机作为电动机运行维持系统旋转,从而达到了连续不间断驱鸟的目的。
………


1.2 驱鸟技术及垂直轴风机国内外研究现状
鸟类活动给电力系统输配电线路的维护工作造成了严峻的考验。输电杆塔绝缘子串的连接处是最容易受到鸟类影响的部分[4]。特别是 1000kV 特高压输电线路中,防止污闪的主要设备复合绝缘子经常被鸟类所啄食[5]。鸟类活动对输电线路的影响主要分为三个方面:鸟类在输电杆塔上筑巢,筑巢过程中的跌落物触碰到导线会引起短路事故;鸟类在输电线路及杆塔处栖息,其排泄物落于绝缘子和导线上时会引起闪络事故;大型的鸟类碰触带电导线可能引起输电线路短路跳闸[6]。由鸟类排泄粪便引起的闪络事故占到所有由鸟类引起事故的 87%[7]。鸟类排泄物引起的闪络事故是引起输电线路跳闸的主要原因[8]。鸟类活动引起的线路故障种类很多,需要对不同原因故障采取不同的驱鸟措施。既然输电线路及杆塔为鸟类提供了舒适便利的栖息环境,因此只需改变这种适宜鸟类栖息的环境,就可以要达到驱鸟目的。解决鸟害问题主要可以从两个思路出发,一是对容易受到鸟类活动影响的重要电力设备采取保护措施,鸟类依然可以在其他安全区域活动,从而达到设备和鸟类互不产生影响的目的。另一种方法是对鸟类进行驱赶,使鸟类不再接近输电杆塔及线路,该方法能够彻底解决鸟类对输电走廊的影响,也更加的有效。采取何种方法视具体情况而定,以下将对各种常见的驱鸟方法进行详细说明。常见的输电线路驱鸟方法很多,可分为物理方法和化学方法。物理方法主要是指利用物理手段如采用声音、光线和安装特殊结构设施等方法对鸟类进行惊吓和驱赶;化学方法则主要依靠各种化工合成的驱鸟剂产生特殊气味对鸟类进行驱赶。
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第 2 章 声光复合驱鸟方法及原理


2.1 超声波驱鸟相关理论
人耳朵无法听到超声波,但研究发现鸟类能够听见超声波。当超声波超过一定强度时,鸟类便会表现出烦躁不安[31]。超声波可以干扰、刺激和破坏鸟类的神经系统、生理系统,使其感觉不适后飞离作用区域,可利用超声波的这种特性进行驱鸟。并不是所有频率的超声波都能实现驱鸟效果,表 2-1 为不同频率的超声波与鸟类鼓膜振动幅度的关系[32]。表 2-2 为在实际情况中鸟类对不同频率下超声波的反应,从表中可以看出,鸟类对固定频率的超声波有反应,但适应性较强,经长时间作用鸟类会产生适应能力,使超声波失去驱鸟效果[33]。采用 20kHz 至 35kHz 扫频的方式能够大大削弱鸟类的适应性,因此采用变频超声波可以最大限度降低鸟类适应能力,驱鸟效果更佳有效。从表 2-1、2-2 中不难看出,并不是所有频率的超声波都可用来驱鸟,只有特定频率范围才会对鸟类产生作用,且在该频率范围内采用变频发声明显优于固定频率,可明显降低鸟类的适应能力,增强驱鸟效果。本文采用的变频超声波频率范围定为 20kHz 至 60kHz,通过控制电路产生多种频率多种发生规律的超声波,以针对不同鸟类具有不同的超声波段敏感范围和不同的发生规律敏感性。由于人听不到超声波,因此超声波方法在具有较强驱鸟能力的同时,不会给周围居民带来不必要的噪声污染。超声波具有很强的方向性,采用固定式发射超声波,不利于大范围传播,使驱鸟效果大打折扣,是超声波驱鸟的一个致命问题。本文所提系统借助于垂直轴风机的连续旋转可以很好的解决这个问题。


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2.2 光驱鸟原理
光驱鸟是利用光线刺激鸟类视觉神经,使鸟类受到惊吓并飞离光亮区域,以达到驱鸟目的。光驱鸟可分为自然光驱鸟和人造光驱鸟,自然光驱鸟是利用反射外界太阳光来达到驱鸟目的。人造光驱鸟是通过采用 LED、激光发生器等光源,将电能转化成可见强光,人造强光对鸟类具有极强的惊吓作用,可有效阻止鸟类在杆塔上栖息筑巢[34]。只要电能充足,主动光驱鸟方式就可以进行连续的驱鸟作业。本文采用 LED闪光的驱鸟方式,与超声波驱鸟相似,并不是只要产生光亮就能达到驱鸟的效果,要想达到驱鸟目的,对 LED 光的亮度、颜色和闪光频率都有一定的要求。闪光频率对鸟类的影响,如表 2-3 所示[33]。通过对表 2-3、2-4 和 2-5 的总结可以得出,光驱鸟的最佳频率为 10kHz,最佳光强为至少 300lm,最佳闪烁方式为变色闪光。本系统的 LED 光驱鸟部分就是基于此结论进行设计。反光驱鸟采用镜片反光方式,当光线充足时,通过镜片反射太阳光线来达到驱鸟的目的。该方法不需要消耗电能,且成本低廉。夜光图案驱鸟是利用画成特殊图案的夜光材料,如猛禽或鸟类惧怕的图形。该种材料可在光线充足时吸收太阳能量,当光线不足或黑夜时,发出夜光以达到驱鸟目的。
………….


第 3 章 复合驱鸟系统设计........16
3.1 复合驱鸟系统组成..... 16
3.2 连续复合驱鸟系统结构......... 17
3.3 驱鸟用垂直轴风机设计......... 18
3.4 关键电路设计....... 23
3.5 本章小结......... 31
第 4 章 连续旋转驱鸟控制策略及仿真......32
4.1 连续运行控制策略..... 32
4.2 控制策略仿真分析..... 33
4.2.1 系统发电模式运行仿真........ 33
4.2.2 系统电动模式运行仿真........ 35
4.2.3 发电/电动模式切换仿真....... 38
4.2.4 电动/发电模式切换仿真....... 41
4.3 本章小结......... 43


第 4 章 连续旋转驱鸟控制策略及仿真


4.1 连续运行控制策略
整个复合驱鸟系统主要具有两种工作状态,即发电状态和电动状态。外界风力充足时,整个系统随风机转子共同转动,单片机可通过转速测量电路测量出风机旋转速度。当整个系统转速达设定最小转速且未达到额定发电转速时,风机既不发电也不耗电,作为风轮自由旋转。当系统转速达到或超过风机额定转速时,整个系统运行于发电状态,垂直轴风机向整个系统提供电能,并将多余的电能利用蓄电池充储存起来。当系统转速低于设定值时,整个系统运行于电动状态,测控模块通过产生 SPWM 信号驱动逆变模使垂直轴风机作为电动机运行。通过这种控制方式,就可以实现整个系统的连续旋转。图 4-1 为系统控制策略的软件流程图,首先设定两个转速阈值,即最小发电转速 Nmax和最小持续转速 Nmin,当风机转速大于等于 Nmax时,系统工作于发电模式;当风机转速位于两阈值之间,系统既不工作在发电模式也不工作在发电模式,作为风轮自由旋转;当风机转速低于 Nmin,逆变部分介入,系统将工作在电动模式,并维持转速为 Nmin。
………


结论


本文通过对传统驱鸟方法的分析与比较提出了一种采用变频超声波和多种光驱鸟方法相结合的新型复合驱鸟方法,并将该复合驱鸟方法与小型垂直轴风机相结合,提出了一种基于垂直风机的声光复合驱鸟系统。设计采用了一种新型可连续运行的垂直轴风力发电/电动机,并对系统关键电路进行了设计。为了维持系统的连续运行,提出了一种连续旋转控制策略,并利用 MATLAB 对系统的多种运行方式进行了仿真。通过对所提系统的设计与研究,本文得到了以下结论:
1.提出了一种新型声光复合式驱鸟方法,将超声波驱鸟和多种光驱鸟方法进行复合,可实现相互增强驱鸟效果的目的。利用多个不同谐振频率超声波喇叭发射多种频率超声波和多种颜色的 LED,并通过软件实现多种组合驱鸟规律,可最大限度降低鸟类适应能力。光驱鸟部分则采用多种方式,包括镜片反光、LED 闪光和光致储能图三种驱鸟方法,能够实现全天候驱鸟作业,且更加节能。
2.设计了基于垂直轴风机的复合驱鸟系统,采用盘式旋转电枢式设计,可减少换向元件使用,同时为系统其他部分提供支撑,无论风力条件如何,都可以实现连续旋转。系统采用特殊结构的风机叶片,其上安装有驱鸟模块,驱鸟部分、控制部分和风机融为一整体结构,实现共同旋转,可最大限度扩大驱鸟范围,增强驱鸟效果。
3.为了实现系统的连续旋转功能,设计了特殊的电源变换模块,该模块同时具备整流和逆变功能。系统运行于发电模式时,电源变换模块整流部分工作,将风机所发电能进行变换,为系统和蓄电池供电。当整个系统运行于电动模式时,电源管理模块逆变部分工作,将蓄电池中的电能在测控模块的干预下进行逆变,为风机供电,通过电源变模块可保证系统不同运行状态的切换,实现系统连续旋转。
4.提出了一种使风机连续旋转的控制策略,将风机转速与所设定阈值相比较,从而判断风机转速所在区间,并控制系统运行于相应模式。该控制策略对单片机资源占用少,简单可行。利用 MATLAB 对系统各运行模式进行了建模与仿真,仿真结果证明了该控制策略的可行性。
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参考文献(略) 

(责任编辑:gufeng)
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