TH-403S型風光互補發電實訓系統

一、設備組成

TH-403S型風光互補發電實訓系統主要由光伏供電裝置、光伏供電系統、風力供電裝置、風力供電系統、逆變與負載系統、監控系統組成，採用模塊式結構，各裝置和系統具有獨立的功能，可以組合成光伏發電實訓系統、風力發電實訓系統。

設備尺寸：光伏供電裝置1610×1010×1550mm；風力供電裝置1578×1950×1540mm；實訓櫃3200×650×2000mm

二、各單元介紹

光伏供電裝置

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動機構、擺杆、擺杆減速箱、擺杆支架、單相交流電動機、電容器、直流電動機、接近開關、微動開關、底座支架等設備與器件組成。

4塊光伏電池組件並聯組成光伏電池方陣，光線傳感器安裝在光伏電池方陣中央。2盞300W的投射燈安裝在擺杆支架上，擺杆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機。電動機旋轉時，通過減速箱驅動擺杆作圓周擺動。擺杆底端與底座支架連接部分安裝了接近開關和微動開關，用於擺杆位置的限位和保護。水平和俯仰方向運動機構由水平運動減速箱、俯仰運動減速箱、直流電動機、接近開關和微動開關組成。直流電動機旋轉時，水平運動減速箱驅動光伏電池方陣作向東方向或向西方向的水平移動、俯仰運動減速箱驅動光伏電池方陣作向北方向或向南方向的俯仰移動，接近開關和微動開關用於光伏電池方陣位置的限位和保護。

光伏電池組件

光伏電池組件的主要參數為：

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

光伏供電系統

光伏供電系統的組成

光伏供電系統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、可調電阻、斷路器、12V開關電源、網孔架等組成。

控制方式

光伏供電控制單元的追日功能有手動控制盒自動控制兩個狀態，可以進行手動或自動運行光伏電池組件雙軸跟蹤、燈狀態、燈運動操作。

DSP控制單元和接口單元

蓄電池的充電過程及充電保護由DSP控制單元、接口單元及程序完成，蓄電池的放電保護由DSP控制單元、接口單元及繼電器完成，當蓄電池放電電壓低於規定值，DSP控制單元輸出信號驅動繼電器工作，繼電器常閉觸點斷開，切斷蓄電池的放電迴路。

蓄電池組

蓄電池組選用4節閥控密封式鉛酸蓄電池，主要參數：

容量   12V 18Ah/20HR

重量   1.9kg

尺寸   345mm×195mm×20mm

風力供電裝置

風力供電裝置的組成

風力供電裝置主要由葉片、輪轂、發電機、機艙、尾舵、側風偏航控制機構、直流電動機、塔架和基礎、測速儀、測速儀支架、軸流風機、軸流風機支架、軸流風機框罩、單相交流電動機、電容器、風場運動機構箱、護欄、連杆、滾輪、萬向輪、微動開關和接近開關等設備與器件組成，如圖3所示。

    葉片、輪轂、發電機、機艙、尾舵和側風偏航控制機構組裝成水平軸永磁同步風力發電機，安裝在塔架上。風場由軸流風機、軸流風機支架、軸流風機框罩、測速儀、測速儀支架、風場運動機構箱體、傳動齒輪鏈機構、單相交流電動機、滾輪和萬向輪等組成。軸流風機和軸流風機框罩安裝在風場運動機構箱體上部，傳動齒輪鏈機構、單相交流電動機、滾輪和萬向輪組成風場運動機構。當風場運動機構中的單相交流電動機旋轉時，傳動齒輪鏈機構帶動滾輪轉動，風場運動機構箱體圍繞風力發電機的塔架作圓週旋轉運動，當軸流風機輸送可變風量風時，在風力發電機週圍形成風向和風速可變的風場。

在可變風場中，風力發電機利用尾舵實現被動偏航迎風，使風力發電機輸出最大電能。測速儀檢測風場的風量，當風場的風量超過安全值時，側風偏航控制機構動作，使尾舵側風45º，風力發電機葉片轉速變慢。當風場的風量過大時，尾舵側風90º，風力發電機處於制動狀態。

風力供電系統

風力供電系統的組成

風力供電系統主要由風電電源控制單元、風電輸出顯示單元、觸摸屏、風力供電控制單元、DSP控制單元、接口單元、西門子S7-200PLC、繼電器組、接線排、可調電阻、斷路器、網孔架等組成。

控制方式

風力供電控制單元的偏航功能有手動和自動兩個狀態，可以進行手動或自動可變風向操作。

可變風量是由變頻器控制軸流風機實現。手動操作變頻器操作面板上的有關按鍵，使變頻器的輸出頻率在0-50Hz之間變化，軸流風機轉速在0至額定轉速範圍內變化，實現可變風量輸出。

DSP控制單元和側風偏航

風力發電機風輪葉片在氣流作用下產生力矩驅動風輪轉動，通過輪轂將扭矩輸入到傳動系統。當風速增加超過額定風速時，風力發電機風輪轉速過快，發電機可能因超負荷而燒燬。

對於定槳距風輪，當風速增加超過額定風速時，如果氣流與葉片分離，風輪葉片將處於“失速”狀態，風力發電機不會因超負荷而燒燬。

對於變槳距風輪，當風速增加時，可根據風速的變化調整氣流對葉片的攻角。當風速超過額定風速時，輸出功率可穩定地保持在額定功率上。特別是在大風的情況下，風力機處於順槳狀態，使槳葉和整機的受力狀況大為改善。

小型風力發電機多數是定槳距風輪，在大風的情況下，採用側風偏航控制使氣流與葉片分離，使風輪葉片處於“失速”狀態，安全地保護風力發電機。另外，還可以通過側風偏航控制風力發電機保持恆定功率輸出。

逆變與負載系統

逆變與負載系統的組成

逆變與負載系統主要由逆變電源控制單元、逆變輸出顯示單元、逆變器、逆變器參數檢測模塊、變頻器、三相交流電機、發光管舞臺燈光模塊、警示燈、接線排、斷路器、網孔架等組成。

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開關電源、AC220V電源插座、指示燈、接線端子DT14和DT15等組成。

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。

逆變與負載系統主電路

逆變與負載系統主要由逆變器、交流調速系統、逆變器測試模塊、發光管舞臺燈光模塊和警示燈組成。

逆變器的輸入由光伏發電系統、風力發電系統或蓄電池提供，逆變器輸出單相220V、50Hz的交流電源。交流調速系統由變頻器和三相交流電動機組成，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供三相交流電動機使用。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供發光管舞臺燈光模塊使用。逆變器測試模塊用於檢測逆變器的死區、基波、SPWM波形。

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、工作過程不盡相同。本實訓裝置使用的逆變器由DC-DC升壓PWM控制芯片單元、驅動+升壓功率MOS管單元、升壓變壓器、SPWM芯片單元、高壓驅動芯片單元、全橋逆變功率MOS管單元、LC濾波器組成。

監控系統

監控系統組成

監控系統主要由一體機、鍵盤、鼠標、接線排、電源插座、通信線、微軟操作系統軟件、力控組態軟件組成。

監控系統功能

通信

監控系統與控制器、PLC、儀表進行通信。

界面

監控系統具有主界面，光伏供電系統界面，風力供電系統界面，逆變與負載系統界面，風光互補能量轉換界面，分別顯示各自的運行狀態參數。

光伏供電系統界面設置相應的按鈕，實現光伏電池方陣自動跟蹤。

風力供電系統界面設置相應的按鈕，實現風力發電機側風偏航控制。

具有光伏發電採集報表和風力發電集報表，記錄光伏輸出電壓、電流，風力發電機的輸出電壓、電流；逆變與負載系統的逆變輸出電壓、電流、功率等數據並打印數據報表。

三、主要實驗實訓內容

1)        離網型風光互補發電系統規劃；

2)        根據功率要求，光伏電池組件的選擇、安裝和連接；

3)        根據功率要求，風力發電機的選擇、安裝和連接；

4)        基於MCU的光伏電池組件最大功率跟蹤程序設計；

5)        基於MCU的風力發電機最大功率跟蹤的程序設計；

6)        蓄電池容量匹配計算與選型；；

7)        蓄電池充放電參數設置、保護參數設置；

8)        逆變器參數設置；

9)        監控系統組態及操作；

10)     光伏供電系統的調試；

11)     風力供電系統的調試；

12)     風光互補發電系統的調試；

13)     電能質量的監測、調試和分析。

四、主要技術參數

序號	名稱	技術參數	數量
1	永磁同步風力發電機	輸出功率：300W；輸出（整流）電壓：＞ +12V；葉片旋轉直徑：1.2m；葉片數量：3個；葉片材質：玻璃纖維；啟動風速：1m/s；切入風速：1.5m/s；安全風速：25 m/s；偏航：程序控制自動偏航；偏航電機：工作電壓（DC 24V）、轉速（25rpm）	1
2	風速儀	輸出電壓：0-5V；風碗數：3個	1
3	軸流通風機	流量：2100m3/h；電壓：380V（由變頻器控制）；全壓：215Pa；頻率：50Hz；功率：0.37Kw；轉速：1400r/min；軸流風機支架；軸流風機框罩	1
4	風向控制電機	減速比：1：40；電壓：AC220V；和運動機構的鏈接機構：鏈輪	1
5	電池組件	功率：20W；誤差：±5%；輸出電壓：17.2V；輸出電流：1.17A 開路電壓：21.4V；短路電流：1.27A；工作環境溫度：45℃±2℃；尺寸：430×430×28mm	4
6	追日傳感器	輸出電壓：0-5V；跟蹤精度：1度；結構：4電橋	1
7	投射燈	擺臂機構：渦輪蝸杆結構（2個減速箱）；電壓：220V；頻率：50Hz；電流：1.36A；最大功率：300W	2
8	追日機構	結構：渦輪蝸杆結構（減速箱）；驅動：直流電機；軸數：雙軸二維	1
9	電源控制單元	含漏電保護斷路器，AC220V和DC24V狀態指示燈、電源插座	1
10	風電控制電源單元	含漏電保護斷路器，AC220V和DC24V狀態指示燈	1
11	觸摸屏	7",彩色	1
12	功能模塊	DSP核心板2812，通信控制板，風力發電主電路板	1
13	直流輸入單元	電流表：   DC 0-5A；電壓表： DC 0-500V；接口：RS485	1
14	風力供電控制單元	風場運動方向：順時、逆時；軸流風機控制：給風；偏航控制：偏航、停止；自動控制：啟動、急停	1
15	PLC	S7-200 CPU224	1
16	變頻器	MM420-0.37Kw
17	可調電阻	範圍：0-1000Ω，無級可調（有刻度）	1
18	電源控制單元	含漏電保護斷路器，AC220V和DC24V狀態指示燈、電源插座	1
19	光伏控制電源單元	含漏電保護斷路器，AC220V和DC24V狀態指示燈	1
20	觸摸屏	7",彩色	1
21	功能模塊	DSP核心板2812，通信控制板，光伏發電主電路板	1
22	直流輸入單元	電流表：PA1951-AK1G，DC 0-5A；電壓表：PZ195U-AK1G，DC 0-500V；接口：RS485	1
23	光伏供電控制單元	電池板跟蹤方向：東、南、西、北；投光燈控制：燈1、燈2 投光燈運動方向：東西、西東、停止；自動控制：啟動、急停	1
24	PLC	S7-200 CPU226	1
25	可調電阻	範圍：0-1000Ω，無級可調（有刻度）	1
26	逆變輸出顯示單元	電流表：AC 0-5A；電壓表：AC 0-500V；接口：RS485	1
27	逆變控制電源單元	含漏電保護斷路器，AC220V和DC24V狀態指示燈	1
28	逆變器	輸入電壓：DC12V；輸入電壓範圍：DC9.5V-15.5V；輸出電壓：AC220V±5%；額定輸出電流：1.4A；輸出頻率：50Hz±0.5Hz 額定功率：300VA；輸出波形：正弦波；波形失真：＜5%；轉換效率：＞85%；實驗模塊：正弦波逆變器原理模塊
29	開關電源	型號：DR-120-24；輸入電壓：AC 220V；輸出電壓：DC 24V；輸出電流：5A	1
30	變頻器	MM420-0.37Kw	1
31	電機負載	功率：40W；電壓：AC220V；轉速：1350rpm	1
32	模擬舞臺燈光負載	二極管字樣為“TH”的發光模塊	1
33	閥控密封式鉛酸蓄電池	容量：12V 18Ah/20HR；重量1.9kg；尺寸345mm×195mm×20mm	4
34	直流電機負載	直流單片機負載	1
35	工控機	6個串口，含鍵盤鼠標	1
36	組態軟件	力控	1
37	打印機	HP Deskjt 1000	1
38	網孔板實驗台	豎式網孔板基本結構：下方為工具箱+4個輪子，上方為豎式網孔板；尺寸：800(長)×600（寬×2000(高)；外框架構成：鋁合金型材；內嵌噴塑鋼板；鋼板尺寸：1200mm×820mm；鋼板厚度：2mm；鋼板孔規格：上方孔尺寸6×10mm，孔左右間距為6mm，上下間距為6mm且錯位8mm；；網孔板配有推拉式抽屜，抽屜採用型材外框、2mm鋼板底部；網孔架底部裝有滑輪。	4
39	微軟操作系統軟件	Window XP	1
40	通訊電纜		1
41	實驗指導書	風光互補發電系統實訓指導書	1