风光互补发电实训系统

一、产品要求

风光互补发电实训系统平台要求采用单元化独立网孔面板结构，模块化功能设计，既可以组成独立的光伏发电系统或风力发电系统，也可以组成风光互补发电系统，成为学习光伏发电和风力发电的综合性实训平台。风力发电由模拟风场与带有尾舵偏航装置的风力发电机组成，尾舵偏航控制与风场运动均由三菱PLC自动化控制实现。光伏发电由模拟光源与跟踪系统组成，模拟光源采用摆臂式，手动或自动化模拟太阳从升起到日落过程，电池板采用4块独立单晶电池组件组成，跟踪装置采用双轴二维跟踪系统，既可手动跟踪，也可PLC自动传感器跟踪，使光伏组件正对光源输出最大功率；环境采集模块可以实时采集电池组件表面的光照强度、温度及湿度，方便测试环境变化对光伏发电性能的影响；仪表单元实时采集系统发用电信息，并传递给组态触摸屏，进行综合监测；汇流单元将电池组件串并后汇成一路输出，并具有防反、过流与防雷功能；光伏控制器、风机控制器与离网逆变器采用原理与结构外露的形式，核心驱动板采用STM32F103ZET6的高性能ARM处理器进行控制，控制器采用先进的PWM充电技术，逆变器采用高频隔离的全桥正弦逆变拓扑结构，所有驱动信号波形可在线进行测试，方便学生更加深入了解控制器和逆变器的结构与原理。上位机采用17寸的工业控制计算机，通过上位机软件对系统发用电数据进行报表存储、查询和打印。

二、系统主要参数要求

（1）系统供电电源：AC220V±10%、50HZ、<1.2KVA；带电源指示，急停控制及漏电保护。

（2）系统辅助电源：明纬DC24V/3A×2；明纬DC5V/2A×2。

（3）太阳能电池组件：单晶组件，最大输出功率20W，工作电压17.6V，工作电流1.14A，数量4块，尺寸(450×430×25mm）。

（4）模拟光源：飞利浦500W卤钨灯×2，由紫光蜗杆减速机摆动，模拟太阳升起至日落运动，运动角度110±5°。

（5）模拟光源拖动电机：紫光交流电机，电源AC220V±10%、50HZ；额定输出功率90W、额定转速1350rpm。

（6）模拟光源拖动减速机：紫光减速机，减速比3000:1。

（7）光伏跟踪传感器：采用四象限高精度光敏传感器结构，6路模拟量信号输出，输出电压0-5V。跟踪传感器探头采用无色透明外壳，方便学生观察学习。

（8）太阳能跟踪系统：采用双轴二维跟踪方式，水平270±5°，俯仰75±5°，精度±0.5°；DC24V直流同步电机驱动，额定转速10rpm。

（9）太阳能跟踪控制单元：手动/自动模拟光源运动与光伏跟踪控制采用三菱PLC主控模块。

（10）光照及温湿度传感器模块：光照度0-20K(LUX)、精度1%，温度-40-80℃、精度±0.5℃，湿度0-99.9%RH、精度±3%RH，隔离RS485信号输出。

（11）水平轴永磁同步风力发电机：最大输出功率310W、输出电压12V、叶片直径1.3m、叶片数量3片、启动风速2m/s、额定风速13m/s、安全风速40m/s。

（12）尾舵偏航系统：风力发电机采用尾舵迎风与侧风偏航控制，偏航角度为45°和90°；偏航采用DC24V直流同步电机驱动，额定转速10rpm。

（13）模拟风源：采用变频轴流通风机，额定电压380V、额定频率50HZ、额定功率0.37KW、额定转速1400rpm；电机采用三菱FR-D720S-0.4K-CHT变频器驱动。

（14）模拟风场：模拟风源在电机拖动下绕风力发电机做圆弧运动，运动角度60±5°。

（15）模拟风场拖动电机：电源AC220V±10%、额定频率50HZ、额定输出功率100W、额定转速1400rpm、减速比140：1。

（16）模拟风场控制单元：手动/自动风场运动与尾舵偏航控制采用三菱PLC主控模块。

（17）风速传感器：测量模拟风源风速，脉冲输出，电源DC5V，输出1.5脉冲m/s。

（18）光伏汇流单元：2路光伏输入1路光伏输出；具有防反、防雷、过载保护等。

（19）仪表显示单元：2个直流电压表DC0-50V；2个直流电流表DC0-5A；1个交流电压表AC0-300V；1个交流电流表AC0-2A；隔离RS485信号输出。

（20）蓄电池组：天能铅酸电池12V/12AH ×2（块）。

（21）太阳能控制器：额定电压DC12V、额定电流DC5A、PWM(脉冲宽度调制)方式充电；微控制器采用ARM内核32位高性能大容量STM32F103ZET6芯片；软件基于C语言嵌入式实时操作系统（RTOS）开发，电路模块化开放设计，方便进行充电波形与电路电气测试；具有充放电指示、电池状态指示、温度补偿等功能；具有蓄电池反接、夜间防反冲、防雷、光伏限流、过充、过放、负载过载、短路等保护功能；具有RS485隔离通讯和RS232通讯功能。

（22）风机控制器：额定电压DC12V(整流)、最大电流25A、PWM(脉冲宽度调制)方式充电；微控制器采用ARM内核32位高性能大容量STM32F103ZET6芯片；软件基于C语言嵌入式实时操作系统（RTOS）开发，电路模块化开放设计，方便进行充电波形与相关电路电气测试；具有风速检测、偏航控制信号或刹车信号输出功能；具有充放电指示、电池状态指示、温度补偿等功能；具有蓄电池反接、防雷、风机限流、过充、过放、负载过载、短路等保护功能；具有RS485隔离通讯和RS232通讯功能。

▲   （23）离网逆变器：输入电压DC12V；输出AC220V±10%、50HZ、300VA、纯正弦波；输入输出采用高频变压器隔离；微控制器采用ARM内核32位高性能大容量STM32F103ZET6芯片；软件基于C语言嵌入式实时操作系统（RTOS）开发，电路模块化开放设计，方便进行升压驱动波形、SPWM逆变驱动波形、逆变输出电压电流波形与相关电路电气测试；具有过欠压关断、过载等保护功能。具有RS485隔离通讯和RS232通讯功能。

（24）负载

直流阻性负载：3W高亮度LED灯。

直流感性负载：2.8W直流风扇。

交流阻性负载：15W交流警示灯。

交流感性负载：三菱FR-D720S-0.4K-CHT变频器驱动25W交流调速电机。

功率电阻模块：0-2000欧连续可调,功率120W,带刻度盘，数量2个。

（25）组态触摸屏：采用三菱触摸屏GT2310-VTBA；实时监测系统发电、用电与环境参数等信息；具有历史曲线显示。

（26）工控机：采用台湾威强电17〞电阻式触摸屏工控一体机；1.6G主频、1G内存、300G硬盘、内置无线WiFi、WindowsXP/Windows7操作系统；具有4路USB输出、2路RS232接口、1路RS232/RS485接口。

（27）工控机监控软件：基于C#语言开发，采用嵌入式SQLite数据库实时存储数据；实时监测并存储系统发电、用电与环境参数等信息，实时对模拟光源、光伏跟踪、模拟风场与侧风偏航进行遥控；具有曲线显示、历史报表查询、EXCEL文档输出、打印等功能。

电源分析系统：

光伏电池模块和风力轮机产生的能量通过功率调节器后直流电将转换为交流电。蓄电池的充电控制单元对电能进行转换，最大限度降低这些转换中的损耗可以提升整个能源系统的效率。能够提供多个通道的功率输入，可以测量每个转换器之前和之后的电压、电流、功率和( 交流) 频率，以及转换器效率和充电效率。

（27）系统安全：具有漏电、过载、短路、接地等保护功能。

（28）外形尺寸：158×110×155mm(光伏跟踪装置)/ 2700×1800×1600mm（模拟风场装置）/940×620×1940mm（网孔单元装置×4组)

三、主要实验实训内容

（1) 离网型风光互补发电系统规划；

（2) 根据功率要求，光伏电池组件的选择、安装和连接；

（3) 根据功率要求，风力发电机的选择、安装和连接；

（4) 光伏电池组件最大功率跟踪程序设计；

（5) 风力发电机最大功率跟踪的程序设计；

（6) 蓄电池容量匹配计算与选型；；

（7) 蓄电池充放电参数设置、保护参数设置；

（8) 逆变器参数设置；

（9) 监控系统组态及操作；

（10)    光伏供电系统的调试；

（11)    风力供电系统的调试；

（12)    风光互补发电系统的调试；

（13)    电能质量的监测、调试和分析。