JG-SWP03 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

一、 概述
JG-SWP03風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)主要由光伏供電裝置、風(fēng)力供電系統(tǒng)、逆變 與 負(fù)載系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)組成，
風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)采用模塊式結(jié)構(gòu)，各裝置和系統(tǒng)具有獨(dú)立的功能，可以組合成光伏發(fā)電實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。
二、 設(shè)備組成
JG-SWP03風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)主要由光伏供電裝置、光伏供電系統(tǒng)、風(fēng)力供電裝置、風(fēng)力供電系統(tǒng)、逆變與負(fù)載系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)組成。
JG-SWP03風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)采用模塊式結(jié)構(gòu)，各裝置和系統(tǒng)具有獨(dú)立的功能，可以組合成光伏發(fā)電實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。
(1)、 設(shè)備尺寸：光伏供電裝置1610×1010×1550mm
風(fēng)力供電裝置1578×1950×1540mm
實(shí)訓(xùn)柜   3200×650×2000mm
(2)、 場(chǎng)地面積：20平方米

三、 各單元介紹
1、 光伏供電裝置
(1)、 光伏供電裝置的組成
光伏供電裝置主要由光伏電池組件、投射燈、光線傳感器、光線傳感器控制盒、水平方向和俯仰方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、擺桿、擺桿減速箱、擺桿支架、單相交流電動(dòng)機(jī)、電容器、直流電動(dòng)機(jī)、接近開關(guān)、微動(dòng)開關(guān)、底座支架等設(shè)備與器件組成，如圖2所示。
   

圖2  光伏供電裝置
4塊光伏電池組件并聯(lián)組成光伏電池方陣，光線傳感器安裝在光伏電池方陣*。2盞300W的投射燈安裝在擺桿支架上，擺桿底端與減速箱輸出端連接，減速箱輸入端連接單相交流電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)減速箱驅(qū)動(dòng)擺桿作圓周擺動(dòng)。擺桿底端與底座支架連接部分安裝了接近開關(guān)和微動(dòng)開關(guān)，用于擺桿位置的限位和保護(hù)。水平和俯仰方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由水平運(yùn)動(dòng)減速箱、俯仰運(yùn)動(dòng)減速箱、直流電動(dòng)機(jī)、接近開關(guān)和微動(dòng)開關(guān)組成。直流電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，水平運(yùn)動(dòng)減速箱驅(qū)動(dòng)光伏電池方陣作向東方向或向西方向的水平移動(dòng)、俯仰運(yùn)動(dòng)減速箱驅(qū)動(dòng)光伏電池方陣作向北方向或向南方向的俯仰移動(dòng)，接近開關(guān)和微動(dòng)開關(guān)用于光伏電池方陣位置的限位和保護(hù)。
(2)、 光伏電池組件
光伏電池組件的主要參數(shù)為：
額定功率  20W
額定電壓  17.2V
額定電流  1.17A
開路電壓  21.4V
短路電流  1.27A
尺寸  430mm×430mm×28mm
2、 光伏供電系統(tǒng)
(1)、 光伏供電系統(tǒng)的組成
光伏供電系統(tǒng)主要由光伏電源控制單元、光伏輸出顯示單元、觸摸屏、光伏供電控制單元、DSP控制單元、接口單元、西門子S7-200PLC、繼電器組、接線排、蓄電池組、可調(diào)電阻、斷路器、12V開關(guān)電源、網(wǎng)孔架等組成。如圖3所示。
(2)、 控制方式
光伏供電控制單元的追日功能有手動(dòng)控制盒自動(dòng)控制兩個(gè)狀態(tài)，可以進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)運(yùn)行光伏電池組件雙軸跟蹤、燈狀態(tài)、燈運(yùn)動(dòng)操作。
(3)、 DSP控制單元和接口單元
蓄電池的充電過(guò)程及充電保護(hù)由DSP控制單元、接口單元及程序完成，蓄電池的放電保護(hù)由DSP控制單元、接口單元及繼電器完成，當(dāng)蓄電池放電電壓低于規(guī)定值，DSP控制單元輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)繼電器工作，繼電器常閉觸點(diǎn)斷開，切斷蓄電池的放電回路。
(4)、 蓄電池組
蓄電池組選用4節(jié)閥控密封式鉛酸蓄電池，主要參數(shù)：
容量   12V 18Ah/20HR
重量   1.9kg
尺寸   345mm×195mm×20mm

3、 風(fēng)力供電裝置
(1)、 風(fēng)力供電裝置的組成
風(fēng)力供電裝置主要由葉片、輪轂、發(fā)電機(jī)、機(jī)艙、尾舵、側(cè)風(fēng)偏航控制機(jī)構(gòu)、直流電動(dòng)機(jī)、塔架和基礎(chǔ)、測(cè)速儀、測(cè)速儀支架、軸流風(fēng)機(jī)、軸流風(fēng)機(jī)支架、軸流風(fēng)機(jī)框罩、單相交流電動(dòng)機(jī)、電容器、風(fēng)場(chǎng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)箱、護(hù)欄、連桿、滾輪、萬(wàn)向輪、微動(dòng)開關(guān)和接近開關(guān)等設(shè)備與器件組成，如圖3所示。
               

圖3  風(fēng)力供電裝置
葉片、輪轂、發(fā)電機(jī)、機(jī)艙、尾舵和側(cè)風(fēng)偏航控制機(jī)構(gòu)組裝成水平軸永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，安裝在塔架上。風(fēng)場(chǎng)由軸流風(fēng)機(jī)、軸流風(fēng)機(jī)支架、軸流風(fēng)機(jī)框罩、測(cè)速儀、測(cè)速儀支架、風(fēng)場(chǎng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)箱體、傳動(dòng)齒輪鏈機(jī)構(gòu)、單相交流電動(dòng)機(jī)、滾輪和萬(wàn)向輪等組成。軸流風(fēng)機(jī)和軸流風(fēng)機(jī)框罩安裝在風(fēng)場(chǎng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)箱體上部，傳動(dòng)齒輪鏈機(jī)構(gòu)、單相交流電動(dòng)機(jī)、滾輪和萬(wàn)向輪組成風(fēng)場(chǎng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。當(dāng)風(fēng)場(chǎng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的單相交流電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，傳動(dòng)齒輪鏈機(jī)構(gòu)帶動(dòng)滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)場(chǎng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)箱體圍繞風(fēng)力發(fā)電機(jī)的塔架作圓周旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)軸流風(fēng)機(jī)輸送可變風(fēng)量風(fēng)時(shí)，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)周圍形成風(fēng)向和風(fēng)速可變的風(fēng)場(chǎng)。
在可變風(fēng)場(chǎng)中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)利用尾舵實(shí)現(xiàn)被動(dòng)偏航迎風(fēng)，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出大電能。測(cè)速儀檢測(cè)風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)量，當(dāng)風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)量超過(guò)安全值時(shí)，側(cè)風(fēng)偏航控制機(jī)構(gòu)動(dòng)作，使尾舵?zhèn)蕊L(fēng)45º，風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片轉(zhuǎn)速變慢。當(dāng)風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)量過(guò)大時(shí)，尾舵?zhèn)蕊L(fēng)90º，風(fēng)力發(fā)電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)。
4、 風(fēng)力供電系統(tǒng)
(1)、 風(fēng)力供電系統(tǒng)的組成
風(fēng)力供電系統(tǒng)主要由風(fēng)電電源控制單元、風(fēng)電輸出顯示單元、觸摸屏、風(fēng)力供電控制單元、DSP控制單元、接口單元、西門子S7-200PLC、繼電器組、接線排、可調(diào)電阻、斷路器、網(wǎng)孔架等組成。
(2)、 控制方式
風(fēng)力供電控制單元的偏航功能有手動(dòng)和自動(dòng)兩個(gè)狀態(tài)，可以進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)可變風(fēng)向操作。
可變風(fēng)量是由變頻器控制軸流風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)。手動(dòng)操作變頻器操作面板上的有關(guān)按鍵，使變頻器的輸出頻率在0-50Hz之間變化，軸流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速在0至額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)變化，實(shí)現(xiàn)可變風(fēng)量輸出。
(3)、 DSP控制單元和側(cè)風(fēng)偏航
風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪葉片在氣流作用下產(chǎn)生力矩驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)輪轂將扭矩輸入到傳動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)風(fēng)速增加超過(guò)額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速過(guò)快，發(fā)電機(jī)可能因超負(fù)荷而燒毀。
對(duì)于定槳距風(fēng)輪，當(dāng)風(fēng)速增加超過(guò)額定風(fēng)速時(shí)，如果氣流與葉片分離，風(fēng)輪葉片將處于“失速”狀態(tài)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)不會(huì)因超負(fù)荷而燒毀。
對(duì)于變槳距風(fēng)輪，當(dāng)風(fēng)速增加時(shí)，可根據(jù)風(fēng)速的變化調(diào)整氣流對(duì)葉片的攻角。當(dāng)風(fēng)速超過(guò)額定風(fēng)速時(shí)，輸出功率可穩(wěn)定地保持在額定功率上。特別是在大風(fēng)的情況下，風(fēng)力機(jī)處于順槳狀態(tài)，使槳葉和整機(jī)的受力狀況大為改善。
小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)多數(shù)是定槳距風(fēng)輪，在大風(fēng)的情況下，采用側(cè)風(fēng)偏航控制使氣流與葉片分離，使風(fēng)輪葉片處于“失速”狀態(tài)，安全地保護(hù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)。另外，還可以通過(guò)側(cè)風(fēng)偏航控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)保持恒定功率輸出。
5、 逆變與負(fù)載系統(tǒng)
(1)、 逆變與負(fù)載系統(tǒng)的組成
逆變與負(fù)載系統(tǒng)主要由逆變電源控制單元、逆變輸出顯示單元、逆變器、逆變器參數(shù)檢測(cè)模塊、變頻器、三相交流電機(jī)、發(fā)光管舞臺(tái)燈光模塊、警示燈、接線排、斷路器、網(wǎng)孔架等組成。
1)、 逆變電源控制單元
逆變電源控制單元面板如圖19所示，逆變電源控制單元主要由斷路器、+24V開關(guān)電源、AC220V電源插座、指示燈、接線端子DT14和DT15等組成。
2)、 逆變輸出顯示單元
逆變輸出顯示單元主要由交流電流表、交流電壓表、接線端子DT16和DT17等組成。
3)、 逆變與負(fù)載系統(tǒng)主電路
逆變與負(fù)載系統(tǒng)主要由逆變器、交流調(diào)速系統(tǒng)、逆變器測(cè)試模塊、發(fā)光管舞臺(tái)燈光模塊和警示燈組成。
逆變器的輸入由光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)或蓄電池提供，逆變器輸出單相220V、50Hz的交流電源。交流調(diào)速系統(tǒng)由變頻器和三相交流電動(dòng)機(jī)組成，逆變器的輸出AC220V電源是變頻器的輸入電源，變頻器將單相AC220V變換為三相AC220V供三相交流電動(dòng)機(jī)使用。逆變電源控制單元的AC220V電源由逆變器提供，逆變電源控制單元輸出的DC24V供發(fā)光管舞臺(tái)燈光模塊使用。逆變器測(cè)試模塊用于檢測(cè)逆變器的死區(qū)、基波、SPWM波形。
(2)、 逆變器
逆變器是將低壓直流電源變換成高壓交流電源的裝置，逆變器的種類很多, 各自的具體工作原理、工作過(guò)程不盡相同。本實(shí)訓(xùn)裝置使用的逆變器由DC-DC升壓PWM控制芯片單元、驅(qū)動(dòng)+升壓功率MOS管單元、升壓變壓器、SPWM芯片單元、高壓驅(qū)動(dòng)芯片單元、全橋逆變功率MOS管單元、LC濾波器組成。
6、 監(jiān)控系統(tǒng)
(1)、 監(jiān)控系統(tǒng)組成
監(jiān)控系統(tǒng)主要由一體機(jī)、鍵盤、鼠標(biāo)、接線排、電源插座、通信線、微軟操作系統(tǒng)軟件、力控組態(tài)軟件組成。
(2)、 監(jiān)控系統(tǒng)功能
1)、 通信
監(jiān)控系統(tǒng)與控制器、PLC、儀表進(jìn)行通信。
2)、 界面
①、 監(jiān)控系統(tǒng)具有主界面，光伏供電系統(tǒng)界面，風(fēng)力供電系統(tǒng)界面，逆變與負(fù)載系統(tǒng)界面，風(fēng)光互補(bǔ)能量轉(zhuǎn)換界面，分別顯示各自的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。
②、 光伏供電系統(tǒng)界面設(shè)置相應(yīng)的按鈕，實(shí)現(xiàn)光伏電池方陣自動(dòng)跟蹤。
③、 風(fēng)力供電系統(tǒng)界面設(shè)置相應(yīng)的按鈕，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)側(cè)風(fēng)偏航控制。
④、 具有光伏發(fā)電采集報(bào)表和風(fēng)力發(fā)電集報(bào)表，記錄光伏輸出電壓、電流，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出電壓、電流；逆變與負(fù)載系統(tǒng)的逆變輸出電壓、電流、功率等數(shù)據(jù)并打印數(shù)據(jù)報(bào)表。
四、 主要實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容
1)、 離網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)規(guī)劃；
2)、 根據(jù)功率要求，光伏電池組件的選擇、安裝和連接；
3)、 根據(jù)功率要求，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的選擇、安裝和連接；
4)、 基于MCU的光伏電池組件大功率跟蹤程序設(shè)計(jì)；
5)、 基于MCU的風(fēng)力發(fā)電機(jī)大功率跟蹤的程序設(shè)計(jì)；
6)、 蓄電池容量匹配計(jì)算與選型；；
7)、 蓄電池充放電參數(shù)設(shè)置、保護(hù)參數(shù)設(shè)置；
8)、 逆變器參數(shù)設(shè)置；
9)、 監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)及操作；
10)、 光伏供電系統(tǒng)的調(diào)試；
11)、 風(fēng)力供電系統(tǒng)的調(diào)試；
12)、 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的調(diào)試；
13)、 電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)、調(diào)試和分析。
主要技術(shù)參數(shù)