风光互补发电系统实训平台

 

JGXNY-WS01 风光互补发电系统实训平台

一、 概述

风光互补发电实训平台主要由 模拟光源跟踪装置、模拟风能装置、模拟能源控制系统、能源转换储存控制系统、并网逆变控制系统和能源监控管理系统六个部分组成，各部分通过电缆连接，可组成一套既能演示又能动手设计、安装、调试的风光互补发电实训系统。

二、 风光互补发电实训设备组成

风光互补发电实训平台主要 由 模拟光源跟踪装置、模拟风能装置、模拟能源控制系统、能源转换储存控制系统、并网逆变控制系统和能源监控管理系统六个部分组成 ，如图 1 所示。

风光互补发电实训平台采用模块式结构，各装置和系统具有独立的功能，可以组合成光伏发电实训平台、风力发电实训平台。

(1)、 设备尺寸： 模拟光源跟踪装置 2000mm × 1500mm × 2000mm

模拟风能装置 1300mm × 1100mm × 2600mm

实训柜（ 4 个） 3200mm × 650mm × 2000mm

(2)、 场地面积： 25 平方米

三、 各单元介绍

a) 模拟光源跟踪装置

(1)、 模拟光源跟踪装置的组成

模拟光源跟踪装置主要由光伏电池组件、投射灯、光线传感器、光线传感器控制盒、水平方向和俯仰方向运动机构、摆杆、摆杆减速箱、摆杆支架、单相交流电动机、电容器、直流电动机、接近开关、微动开关、底座支架等设备与器件组成，如图 2 所示。

4 块光伏电池组件并联组成光伏电池方阵，光线传感器安装在光伏电池方阵中央。 2 盏 300W 的投射灯安装在摆杆支架上，摆杆底端与减速箱输出端连接，减速箱输入端连接单相交流电动机。电动机旋转时，通过减速箱驱动摆杆作圆周摆动。摆杆底端与底座支架连接部分安装了接近开关和微动开关，用于摆杆位置的限位和保护。

平和俯仰方向运动机构由水平运动减速箱、俯仰运动减速箱、直流电动机、接近开关和微动开关组成。直流电动机旋转时，水平运动减速箱驱动光伏电池方阵作向东方向或向西方向的水平移动、俯仰运动减速箱驱动光伏电池方阵作向北方向或向南方向的俯仰移动，接近开关和微动开关用于光伏电池方阵位置的限位和保护。

(2)、 光伏电池组件

光伏电池组件的主要参数为：

额定功率 10W

额定电压 17.2V

额定电流 1.17A

开路电压 21.4V

短路电流 1.27A

尺寸 320mm × 320mm × 28mm

b) 模拟风能装置

(1)、 模拟风能装置的组成

模拟风能装置主要由叶片、轮毂、发电机、机舱、尾舵、侧风偏航控制机构、直流电动机、塔架和基础、测速仪、测速仪支架、轴流风机、轴流风机支架、轴流风机框罩、单相交流电动机、电容器、连杆、滚轮、万向轮、微动开关和接近开关等设备与器件组成。

叶片、轮毂、发电机、机舱、尾舵和侧风偏航控制机构组装成水平轴永磁同步风力发电机，安装在塔架上。轴流风机支架、轴流风机框罩、测速仪、测速仪支架、传动齿轮链机构、单相交流电动机、滚轮和万向轮等组成。轴流风机和轴流风机框罩安装在风场运动机构箱体上部，传动齿轮链机构、单相交流电动机、滚轮和万向

组成风场运动机构。

风力发电机利用尾舵实现被动偏航迎风，使风力发电机输出最大电能。测速仪检测风场的风量，当风场的风量超过安全值时，侧风偏航控制机构动作，使尾舵侧风 45 º，风力发电机叶片转速变慢。当风场的风量过大时，尾舵侧风 90 º，风力发电机处于制动状态。

c) 模拟能源控制系统

2.1 光伏供电单元

(1)、 系统的组成

模拟能源控制系统主要由光伏电源控制单元、光伏输出显示单元、触摸屏、光伏供电控制单元、 ARM 控制单元、接口单元、西门子 S7-200PLC 、继电器组、接线排、蓄电池组、可调电阻、断路器、 12V 开关电源、网孔架等组成。如图 3 所示。

(2)、 控制方式

光伏供电控制单元的追日功能有手动控制盒自动控制两个状态，可以进行手动或自动运行光伏电池组件双轴跟踪、灯状态、灯运动操作。

(3)、 ARM 控制单元和接口单元

蓄电池的充电过程及充电保护由 ARM 控制单元、接口单元及程序完成，蓄电池的放电保护由 ARM 控制单元、接口单元及继电器完成，当蓄电池放电电压低于规定值， ARM 控制单元输出信号驱动继电器工作，继电器常闭触点断开，切断蓄电池的放电回路。

2.2 风力供电单元

(1)、 风力供电单元的组成

风力供电单元主要由风电电源控制单元、风电输出显示单元、触摸屏、风力供电控制单元、 ARM 控制单元、接口单元、西门子 S7-200PLC 、继电器组、接线排、可调电阻、断路器、网孔架等组成。

(2)、 控制方式

风力供电控制单元的偏航功能有手动和自动两个状态，可以进行手动或自动可变风向操作。

可变风量是由变频器控制轴流风机实现。手动操作变频器操作面板上的有关按键，使变频器的输出频率在 0-50Hz 之间变化，轴流风机转速在 0 至额定转速范围内变化，实现可变风量输出。

(3)、 ARM 控制单元和侧风偏航

风力发电机风轮叶片在气流作用下产生力矩驱动风轮转动，通过轮毂将扭矩输入到传动系统。当风速增加超过额定风速时，风力发电机风轮转速过快，发电机可能因超负荷而烧毁。

对于定桨距风轮，当风速增加超过额定风速时，如果气流与叶片分离，风轮叶片将处于“失速”状态，风力发电机不会因超负荷而烧毁。

对于变桨距风轮，当风速增加时，可根据风速的变化调整气流对叶片的攻角。当风速超过额定风速时，输出功率可稳定地保持在额定功率上。特别是在大风的情况下，风力机处于顺桨状态，使桨叶和整机的受力状况大为改善。

小型风力发电机多数是定桨距风轮，在大风的情况下，采用侧风偏航控制使气流与叶片分离，使风轮叶片处于“失速”状态，安全地保护风力发电机。另外，还可以通过侧风偏航控制风力发电机保持恒定功率输出。

2.3 风力供电单元

（ 1 ） 风力供电单元的组成

风力供电单元主要由风电电源控制单元、风电输出显示单元、触摸屏、风力供电控制单元、 ARM 控制单元、接口单元、西门子 S7-200PLC 、继电器组、接线排、可调电阻、断路器、网孔架等组成。

（ 2 ） 控制方式

风力供电控制单元的偏航功能有手动和自动两个状态，可以进行手动或自动可变风向操作。

可变风量是由变频器控制轴流风机实现。手动操作变频器操作面板上的有关按键，使变频器的输出频率在 0-50Hz 之间变化，轴流风机转速在 0 至额定转速范围内变化，实现可变风量输出。

（ 3 ） ARM 控制单元和侧风偏航

风力发电机风轮叶片在气流作用下产生力矩驱动风轮转动，通过轮毂将扭矩输入到传动系统。当风速增加超过额定风速时，风力发电机风轮转速过快，发电机可能因超负荷而烧毁。

对于定桨距风轮，当风速增加超过额定风速时，如果气流与叶片分离，风轮叶片将处于“失速”状态，风力发电机不会因超负荷而烧毁。

对于变桨距风轮，当风速增加时，可根据风速的变化调整气流对叶片的攻角。当风速超过额定风速时，输出功率可稳定地保持在额定功率上。特别是在大风的情况下，风力机处于顺桨状态，使桨叶和整机的受力状况大为改善。

小型风力发电机多数是定桨距风轮，在大风的情况下，采用侧风偏航控制使气流与叶片分离，使风轮叶片处于“失速”状态，安全地保护风力发电机。另外，还可以通过侧风偏航控制风力发电机保持恒定功率输出。

2.4 蓄电池组

蓄电池组选用 4 节阀控密封式铅酸蓄电池，主要参数：

容量 12V 24Ah

重量 1.9kg

尺寸 345mm × 195mm × 20mm

d) 并网逆变、负载控制系统

(1)、 系统的组成

逆变与负载系统主要由逆变电源控制单元、逆变输出显示单元、逆变器、逆变器参数检测模块、变频器、三相交流电机、发光管舞台灯光模块、警示灯、接线排、断路器、网孔架等组成。

1)、 逆变电源控制单元

逆变电源控制单元主要由断路器、 +24V 开关电源、 AC220V 电源插座、指示灯、接线端子等组成。

2)、 逆变输出显示单元

逆变输出显示单元主要由交流电流表、交流电压表、接线端等组成。

3)、 逆变与负载系统主电路

逆变与负载系统主要由逆变器、交流调速系统、逆变器测试模块、发光管舞台灯光模块和警示灯组成。

逆变器的输入由光伏发电系统、风力发电系统或蓄电池提供，逆变器输出单相 220V 、 50Hz 的交流电源。交流调速系统由变频器和三相交流电动机组成，逆变器的输出 AC220V 电源是变频器的输入电源，变频器将单相 AC220V 变换为三相 AC220V 供三相交流电动机使用。逆变电源控制单元的 AC220V 电源由逆变器提供，逆变电源控制单元输出的 DC24V 供发光管舞台灯光模块使用。逆变器测试模块用于检测逆变器的死区、基波、 SPWM 波形。

(2)、 逆变器

逆变器是将低压直流电源变换成高压交流电源的装置，逆变器的种类很多 , 各自的具体工作原理、工作过程不尽相同。本实训装置使用的逆变器由 DC-DC 升压 PWM 控制芯片单元、驱动 + 升压功率 MOS 管单元、升压变压器、 SPWM 芯片单元、高压驱动芯片单元、全桥逆变功率 MOS 管单元、 LC 滤波器组成。

e) 能源监控管理系统

(1)、 能源监控管理系统

能源监控与管理系统主要由一体机、键盘、鼠标、接线排、电源插座、通信线、微软操作系统软件、力控组态软件组成。

(2)、 监控系统功能

1)、 通信

监控系统与控制器、 PLC 、仪表进行通信。

2)、 界面

①、 监控系统具有主界面，模拟能源控制系统界面，风力供电单元界面，逆变与负载系统界面，风光互补能量转换界面，分别显示各自的运行状态参数。

②、 模拟能源控制系统界面设置相应的按钮，实现光伏电池方阵自动跟踪。

③、 风力供电单元界面设置相应的按钮，实现风力发电机侧风偏航控制。

④、 具有光伏发电采集报表和风力发电集报表，记录光伏输出电压、电流，风力发电机的输出电压、电流；逆变与负载系统的逆变输出电压、电流、功率等数据并打印数据报表。

3 ）嵌入式多功能网络虚拟仪器（要求一体嵌入式，不需电脑配套使用，规格： 28*25*20CM ，与开放实验室信息管理系统配套使用）

A 、终端部分采用 7 寸彩色触摸屏（装学生实验屏上）同时配有虚拟示波器、虚拟逻辑分折仪、虚拟频谱仪、虚拟三用表、虚拟数字量输入输出模块。

B 、基于 LabVIEW 虚拟仪器程序的编程方法，学生可自行设计各种虚拟仪器。

C 、仪器包括

1 ）、双踪存贮示波器，多种同步方式，存贮深度可编程；

通道数： 2 路

带宽： 20MHZ

分辨率： 8 位

电压范围： -10~+10V
存贮深度： 64K

2 ）、频谱分折仪；

3 ）、数字三用表，可测电阻、电流、电压等；
数字 IO 口
通道数： 8 路 IO
输入电平： TTL

输出电平： TTL
电流驱动： 20mA/ 通道
4 ）、四路智能远程电源控制
5 ）、数据具有上传与保存功能并能通过服务器显示
6) 、提供 LabVIEW 虚拟仪器软件（拷贝版）

★ 4 ） 新能源教学系统仿真软件

一、软件概述

1 、通过该软件可以系统性学习太阳能光伏硅材料、电池片、光伏组件、光伏组件附属材料、光伏应用产品等全部系列光伏知识内容。

2 、配备文字与动画展示并介绍从原材料至成品包括中间环节加工工艺等与使用方法。

3 、多媒体系统自带语音讲解，图、文、声并茂展示讲解、与系统所述文字同步播放，帮助教师对光伏发电课程教案的快速编写，提高学生对新能源专业知识快速掌握和快速学习。

4 、软件组成

(1) 太阳能光伏硅材料讲解与展示系统

主要功能

1 、可以展示各种太阳能光伏光伏组件附属材料；

2 、配备文字与动画展示各种光伏组件附属材料的生产工艺与使用方法

3 、目录（约 7 课时）

² 太阳能组件附属设施情况介绍

² 太阳能组件对钢化玻璃的具体要求

² 太阳能组件对支架铝型材的具体要求

² 太阳能组件对 EVA 封胶的具体要求

² 太阳能组件对 TPT 背板的具体要求

² 太阳能组件附属设施检测方法

² 太阳能组件附属设施测试标准

* 二、展示与讲解内容目录（图、文、声并茂）

2.1 太阳能光伏应用产品讲解与展示系统（ 约 5 课时）

2.1.1 太阳能发电系统：

2.1.2 家用太阳能发电机直流系统多媒体电视机

2.1.3 太阳能便携电源：

2.1.4 太阳能杀虫灯

2.1.5 太阳能警示灯

2.1.6 太阳能野营灯

2.2 太阳能光伏发电基本原理

2.3 太阳能光伏发电系统组成部分介绍

2.4 太阳能光伏发电系统设计方法

2.5 太阳能光伏电站施工建设方法

2.5.1 、项目前期考察

2.5.2 、项目建设前期资料及批复文件

第一阶段：可研阶段

第二阶段：获得省级 / 市级相关部门的批复文件

第三阶段：获得开工许可

2.5.3 、项目施工图设计

2.5.4 、项目实施建设

2.5.5 、带电前的必备条件

2.6 太阳能光伏并网电站介绍

2.6.1 、光伏并网电站简要描述

2.6.2 、光伏并网电站设备组成

2.6.2 、光伏并网电站设备功能

2.7 家用型太阳能电站建设方案

2.7.1 、项目概述

2.7.2 、方案设计 （附详细方案设计）

（一）用户负载信息

（二）系统方案设计

（三）效益计算：

2.8 逆变器基本原理介绍

2.9 控制器基本原理介绍

四、 主要实验实训内容

4.1 太阳能电池板追日跟踪系统

4.2 光伏组件伏安特性测试

4.3 太阳能电池组件与蓄电池选择

4.4 风力机特性仿真

4.5 光伏阵列最大功率跟踪算法

4.6 逆变器工作原理实训

4.7 逆变器参数设置与电能质量分析

4.8 太阳能发电系统运行与调试

4.9 风光互补发电系统运行与调试

4.10 能源监控管理系统组态设计

五、 主要技术参数

一、模拟风能装置
序号	名称	技术参数	数量
1	水平轴永磁同步风力发电机	输出功率： 300W 输出（整流）电压：＞ +12V 叶片旋转直径： 1.2m 叶片数量： 3 个 叶片材质：玻璃纤维 启动风速： 2.5m/s 切入风速： 1.5m/s 安全风速： 25 m/s	1
2	风速仪	输出电压： 0-5V 风碗数： 3 个	1
3	风力模拟装置	电机功率： 0.75KW 额定电压： AC220V 传动方式：皮带 / 链条 安全防护框罩：有机玻璃 / 铁皮	1
二、光伏供电、模拟光源跟踪装置
序号	名称	技术参数	数量
1	电池组件	功率： 10W 误差： ±5% 输出电压： 17.2V 输出电流： 1.17A 开路电压： 21.4V 短路电流： 1.27A 工作环境温度： 45℃±2℃ 尺寸： 320×320×28mm	4
2	追日传感器	输出电压： 0-5V 跟踪精度： 1 度 结构： 4 电桥	1
3	投射灯	摆臂机构：涡轮蜗杆结构（ 2 个减速箱） 电压： 220V 频率： 50Hz 电流： 1.36A 最大功率： 300W	2
4	追日机构	结构：涡轮蜗杆结构（减速箱） 驱动：直流电机 轴数：双轴二维	1
三、模拟能源控制系统
序号	名称	技术参数	数量
1	电源控制单元	含漏电保护断路器， AC220V 和 DC24V 状态指示灯、电源插座	2
2	风电控制电源单元	含漏电保护断路器， AC220V 和 DC24V 状态指示灯	2
3	触摸屏	7", 彩色	2
4	功能模块	ARM 核心板 2812 ，通信控制板，风力发电主电路板	2
5	直流输入单元	电流表： DC 0-5A 电压表： DC 0-500V 接口： RS485	2
6	风力供电控制单元	风场运动方向：顺时、逆时 轴流风机控制：给风 偏航控制：偏航、停止 自动控制：启动、急停	1
7	光伏供电控制单元	电池板跟踪方向：东、南、西、北 投光灯控制：灯 1 、灯 2 投光灯运动方向：东西、西东、停止 自动控制：启动、急停
8	PLC	S7-200 CPU224	2
9	变频器	MM420-0.37Kw
10	可调电阻	范围： 0-1000Ω ，无级可调（有刻度）	2
四、并网逆变负载、控制系统
序号	名称	技术参数	数量
1	逆变输出显示单元	电流表： AC 0-5A 电压表： AC 0-500V 接口： RS485	1
2	逆变控制电源单元	含漏电保护断路器， AC220V 和 DC24V 状态指示灯	1
3	离网逆变器	输入电压： DC12V 输入电压范围： DC9.5V-15.5V 输出电压： AC220V ± 5% 额定输出电流： 1.4A 输出频率： 50Hz ± 0.5Hz 额定功率： 300VA 输出波形：正弦波 波形失真：＜ 5% 转换效率：＞ 85% 实验模块：正弦波逆变器原理模块
4	并网逆变器	输出功率： 400Watt 输入工作电压范围： 10~28VDC 最大输出功率因数： 0.99 输入反压保护： FUSE 输出电压范围：（ 80~260VAC ） 应用频率范围： 45-53Hz/55Hz~63Hz 输出总谐波失真： THDIAC <5% 交流电相位差： <0.5% 孤岛效应保护： VAC ； f AC 输出短路保护 : 电流限制 LED 显示方式 : 功率指示；电压指示； AC 频率指示；过压指示 待机功耗 :<1W 夜间功率 :<1W 环境温度范围 :-25 ℃ ~60 ℃	1
5	开关电源	型号： DR-120-24 输入电压： AC 220V 输出电压： DC 24V 输出电流： 5A	1
6	变频器	MM420-0.37Kw	1
7	电机负载	功率： 40W 电压： AC220V 转速： 1350rpm	1
8	模拟舞台灯光负载	采用 LED 球泡灯代替	1
9	阀控密封式铅酸蓄电池	容量 12V 24Ah 重量 1.9kg 尺寸 345mm × 195mm × 20mm	4
六、能源监控管理系统
序号	名称	技术参数	数量
1	直流电机负载	直流单片机负载	1
2	工控机	6 个串口，含键盘鼠标	1
3	组态软件	力控 / 组态王	1
4	打印机	HP Deskjt 1000	1
七、实验台
序号	名称	技术参数	数量
1	网孔板实验台	竖式网孔板基本结构：下方为工具箱 +4 个轮子，上方为竖式网孔板 尺寸： 800( 长 )×600 （宽 ×2000( 高 ) 外框架构成：铝合金型材； 内嵌喷塑钢板 钢板尺寸： 1200mm×820mm 钢板厚度： 2mm 钢板孔规格：上方孔尺寸 6×10mm ，孔左右间距为 6mm ，上下间距为 6mm 且错位 8mm ； 网孔板配有推拉式抽屉，抽屉采用型材外框、 2mm 钢板底部； 网孔架底部装有滑轮。	4
2	操作系统软件	Window XP	1
	通讯电缆
	使用说明书	风光互补发电系统使用说明书

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