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SB-SWP01型風光互補發電實訓裝置

一、概述

風光互補發電實訓系統"風光互補發電系統""制氫儲氫發電系統""智能微電網控制系統""智能充電站監控系統"等，可實現風力發電系統控制監測、光伏發電系統控制監測、制氫儲氫發電系統控制監測、智能充電站控制監測等諸多項目。

風光互補發電實訓系統通過實驗實訓，課加深學生對專業課程的理解，提高學生動手實踐能力，為培養合格的電氣工程、智能電網信息工程、能源動力工程類畢業生打下基礎，為培養應用型人才提供堅實保障。

風光互補發電實訓裝置主要由光伏供電裝置、風力供電系統、逆變與負載系統、監控系統組成。系統采用模塊式結構，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。

可開設實驗項目包括光伏電池方陣的安裝、光伏供電裝置的組裝、光線傳感器的安裝與調試、光伏電池組件光源跟蹤控制程序設計、光伏電池的輸出特性、蓄電池的充電特性和放電保護、水平軸永磁同步風力發電機的組裝、模擬風場裝置的組裝、風力發電機輸出特性的測試、逆變器的測試、逆變器的負載安裝與調試等，也可供科研及創新創業支持服務。

圖1  風光互補發電系統（圖片僅供參考）

二、設備組成

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，如圖1所示。SB-SWP01型風光互補發電實訓系統采用模塊式結構，各裝置和系統具有獨立的功能，可做為獨立光伏發電系統、風力發電系統、或組合成風光互補發電實訓系統運行。

（1）設備尺寸：光伏供電裝置1610×1010×1550mm

風力供電裝置1578×1950×1540mm

實   訓   柜 3200×650×2000mm

（2）場地面積：25平方米

三、各單元介紹

3.1  光伏供電裝置

3.1.1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動機構、擺桿、擺桿減速箱、擺桿支架、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，如圖2所示。

圖2  光伏供電裝置

4塊光伏電池組件并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機。電動機旋轉時，通過減速箱驅動擺桿作圓周擺動。擺桿底端與底座支架連接部分安裝了接近開關和微動開關，用于擺桿位置的限位和保護。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于光伏電池方陣位置的限位和保護。

3.1.2 光伏電池組件

光伏電池組件的主要參數為：

2額定功率  20W

2額定電壓  17.2V

2額定電流  1.17A

2開路電壓  21.4V

2短路電流  1.27A

2尺寸 430mm×430mm×28mm

3.2  光伏供電系統

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SMART S7-200、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。

3.2.1 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。

3.2.2 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于規定值，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，切斷蓄電池的放電回路。

3.2.3 蓄電池組

蓄電池組選用2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

3.3  風力供電裝置

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、連桿、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。

圖3  風力供電裝置

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周旋轉運動，當軸流風機輸送可變風量風時，在風力發電機周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45?，風力發電機葉片轉速變慢。當風場的風量過大時，尾舵側風90?，風力發電機處于制動狀態。

3.4  風力供電系統

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SMART S7-200、繼電器組、接線排、可調電阻、斷路器、網孔架等組成。

3.4.1 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至額定轉速范圍內變化，實現可變風量輸出。

3.4.2 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毀。

對于定槳距風輪，當風速增加超過額定風速時，如果氣流與葉片分離，風輪葉片將處于"失速"狀態，風力發電機不會因超負荷而燒毀。

對于變槳距風輪，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，風力機處于順槳狀態，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，采用側風偏航控制使氣流與葉片分離，使風輪葉片處于"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恒定功率輸出。

3.5逆變與負載系統

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。

3.5.1 逆變電源控制單元

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。

3.5.2 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。

3.5.3 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。逆變器測試模塊用于檢測逆變器的死區、基波、SPWM波形。

3.5.4 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。

3.6  監控系統

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。

3.6.1 監控系統功能

（1）通信：

監控系統與控制器、PLC、儀表進行通信。

（2）界面

a.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。

b.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。

c.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。

d.具有光伏發電采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、功率等數據并打印數據報表。

3.6.2 分布式光伏仿真規劃軟件

基于Unity3D軟件，使用C#語言進行開發，采用My Sql作為后臺數據庫，通過FTP協議與數據庫進行通信。軟件使用者通過使用光伏、風力、地熱、生物質4種能源設計多能互補方案，完成區域能源的供能結構改造方案設計，并結合區域的氣候數據，模擬區域內實時能耗與供能數據，從而優化出合理的能源結構。

用戶管理功能：

1.注冊：支持學生或教師按照學校名稱和手機號碼注冊用戶

2.登錄：支持學生或教師根據手機號碼或用戶名登錄系統。

3.找回密碼：支持學生或教師根據手機號碼找回密碼

4.權限管理：支持主用戶添加或刪除子用戶

5.用戶信息管理：支持用戶信息查看，包括用戶名、學校、真實姓名、學號、上級用戶等

6.異地登錄：同一個賬號24小時內只能在同一臺電腦上登錄，無法在其他電腦上登錄。

組件數據庫

1.支持查看市面上超過15家光伏組件廠商的實際數據

2.涵蓋了至少500種規格型號的光伏組件數據。

3.每種光伏組件的型號常規參數均可查看：價格、功率、組件類型、峰值電壓、開路電壓、最大允許電壓、電壓溫度系數、峰值電流、短路電流、電流溫度系數、光電轉化效率、長度、重量等

逆變器數據庫

1.支持查看市面上超過6家逆變器廠商的實際數據。

2.涵蓋了至少40種規格型號的逆變器數據。

3.每種型號的逆變器常規參數均可查看：價格、最大直流輸入、額定交流輸出、最大效率、歐洲效率、最小電壓、mppt電壓、MPPT數量、最大直流電壓、最大直流電流、尺寸、重量等。

氣象數據庫

1.支持查看全國超過32個城市的模擬地圖氣候數據。

2.支持查看2013-2016年的精確到天的模擬地圖氣候數據，可自由設置日期進行查看。

3.每個城市的氣候數據均可查看：平均氣溫、最高最低氣溫、濕度、降水量、輻照量、氣壓、風速、土地濕度攝氏度等。

3D地圖功能

支持教師通過3D地圖上的模擬能耗布置相應學習任務，同時可以修改多種參數以最大化的適應不同實際情況，最后可以根據學生完成情況進行相應的評分。

1.根據項目及學習任務需要規劃設計的區域面積大小，選擇對應面積以及地形相似度高的區域，并定期更新可用的區域3d地圖

2.加載在3D地圖上的是真實的地形地貌，包含設計成虛擬的地形地貌、3D地圖模型、山川、河流與樹木；

3.支持修改光伏發電的相關評分參數：整機效率、最佳傾角、除組件和逆變器以外的其他成本參數等。

4.支持修改風力發電的相關評分參數：整機效率、風力波動（自定義風速的每小時波動數據以體現出風力發電機組隨著每小時風速數據的變化，發電量在1天24小時內隨機波動的特點；）

5.支持修改地熱能的相關評分參數：換熱能力、熱協調參數、成本單價

6.支持修改生物質能的相關評分參數：生物質年供應、整機效率、生物質殘余物平均能源折算系數、生物質平均谷草比系數、生物質殘余物能源利用可獲得系數、建設成本、燃料成本、運維成本等。同時可自動根據公司計算得出每年最大可建設的電站功率作為評分準則。

（最大生物質電站功率=年供應量*1000*平均能源折算系數*谷草比系數*殘余物能源利用可獲得系數/ 3600/365/24）

7.設計區域內的5種用能建筑模型（底層住宅、交通樞紐、酒店、小高層、寫字樓），通過設置每個建筑模型的最大功率、制冷制熱能耗占比、每小時實際用電系數、日能耗時長，可以獲得區域內建筑每小時、每天、全年的耗電情況以及制冷制熱能耗需求；

8.可選擇全國任意地區（精確城市）、任意氣候時段作為區域能源模擬的目標區域，通過對比數據庫可以得出當地經緯度、光伏組件全年最高、最低工作溫度，并可以自動計算最大、最小電壓、最大開路電壓、最大直流電流等數據

9.可以自行比較同一模型不同規劃方案的優劣，通過比較傾角偏差、組件逆變器功率比、間距誤差、逆變器數量、生物質電站容量、淺層地熱容量、風力電站布局、外部電力輸入、外部電力波動、建設總成本等，可以對同一模型下的方案進行自動評分

10.命名：教師可以自行命名模型的名字

11.刪除：教師可以對模型進行刪除操作

學生登錄

支持學生通過設置3D地圖上的各種能源搭配的方案來解答教師給出的學習任務，并給出相應的數據報表

1.在3d地圖上，根據模擬的每小時用能數據，合理布局"光伏發電""風力發電""生物質發電""淺層地熱設施"設置各種產能模塊的產能參數，滿足區域用能需求，以完成需求側區域能源規劃方案的設計；

2.使用光伏、風力、生物質、地熱4種新能源并結合外部電力輸入以進行能源供應模擬并能自動計算產能。

3.根據設施地區經緯度與氣候參數，通過選擇不同型號規格的逆變器與光伏組件，來完成光伏組件方陣的設計，主要包含參數有：方陣行數、方陣列數、組件安裝方式設計、傾角設計、逆變器數量、組件間距設計、組串串并聯的數量等完成區域光伏電站設置

4.根據每小時的用電情況，實現戶式/小型分布式光伏電站的模擬設計，并根據所選光伏組件與逆變器估算該電站的建設成本以及模擬該分布式電站與負載的合并運行情況

5.可設置不同容量大小的風機，模擬風力發電功率

6.根據模擬時段內的氣溫數據，判斷當日是否存在制冷制熱需求，并根據當日的冷熱程度模擬制冷制熱能耗情況。

7.模擬淺層地熱換熱能力與埋管面積的關系；同時學生根據模擬數據需要，設置生物質能建設所需面具，以滿足模擬建筑制冷制熱能耗需求；

8.學習生物質發電過程中，通過生物質能電站的一系列參數，強化學生對于生物質能轉化公式學習。（最大生物質電站功率=年供應量*1000*平均能源折算系數*谷草比系數*殘余物能源利用可獲得系數/ 3600/365/24）

9.模擬白天時段，光伏發電設施每小時發電數據，體現出白天每小時光伏發電量隨光照強度變化、夜晚光伏沒有發電的量的特點；

10.根據逆變器、光伏組件的價格，風機機組價格，地熱電站價格，生物質電站價格對所設計的多能互補方案的建設總成本自動統計

11.在初始化并部署完成后，展示整個區域能源狀態，并根據預設值進行計算和輸出，根據輸出結果形成各類報表。包括總數據和日數據；

12.能源數據報表中，通過模擬時間過程，以及設計好的方案，可以顯示各種能源的產能情況，包括：總產能、光伏發電量、風力發電量、淺層地熱能量、生物質能發電量以及外部電力輸入等。

13.根據用能模塊預設的用能參數，模擬計算出用能情況實時曲線與各類產能設施的產能占比，并同步圖表顯示，包括總能耗、一般能耗、制冷制熱能耗等，有助于學生進行相應能源的設計配比。

14.命名：學生可自行對設計方案進行命名或重命名

15.刪除：教師或學生可刪除方案

七、其他小工具

光伏陣列間距計算器：可通過計算器自動計算出最佳傾角下的方陣最佳間距。涵蓋了全國32個城市。可查詢的數據有：經緯度、不同光伏陣列傾角下的日平均輻射、年度總太陽輻射等。同時根據選擇的組件尺寸，根據傾角自動計算出方陣最佳間距。

3.6.3 新能源教學系統仿真軟件

* 一、軟件概述

1、通過該軟件可以系統性學習太陽能光伏硅材料、電池片、光伏組件、光伏組件附屬材料、光伏應用產品等全部系列光伏知識內容。

2、配備文字與動畫展示并介紹從原材料至成品包括中間環節加工工藝等與使用方法。

3、多媒體系統自帶語音講解，圖、文、聲并茂展示講解、與系統所述文字同步播放，幫助教師對光伏發電課程教案的快速編寫，提高學生對新能源專業知識快速掌握和快速學習。

4、軟件組成

(1)太陽能光伏硅材料講解與展示系統

主要功能

1、可以展示各種太陽能光伏電池使用的硅材料實物；

2、配備文字與動畫展示各種材料的生產工藝與使用方法

3、目錄（約11課時）

2光伏硅產品基本情況介紹

2硅單質性質：包括硅的物理性質、化學性質、硅的分類與應用

2硅化合物性質：包括二氧化硅、一氧化硅、硅的鹵化物、三氯氫硅、硅烷等

2硅的生長原理及定型

2硅的提純方法：包括化學提純與物理提純方法

2多晶硅的制備及其缺陷和雜質：包括冶金硅級制備、高純多晶硅制備、鑄造多晶硅制備

2單晶硅的制備及其缺陷和雜質：包括單晶硅生長、單晶硅的雜質與缺陷

2單晶硅與多晶硅加工方法

2硅薄膜材料：包括非晶硅薄膜材料、多晶硅薄膜材料

2硅材料的測試與分析方法：包括導電型號測量、電阻率測量、少子壽命測量、霍爾系數的測定、遷移率的測量、化2學性能分析、晶體結構分析等

2硅材料測試與分析依據標準（GB標準、UL標準、IEC標準、SEMI標準）

(2)太陽能光伏電池片講解與展示系統

主要功能

1、可以展示各種太陽能光伏電池片；

2、配備文字與動畫展示各種電池片的生產工藝與使用方法

3、目錄（約9課時）

2太陽能電池片基本情況介紹

2太陽能電池片基本結構分析

2太陽能電池片分類

2晶體硅太陽能電池片生產工藝：包括生產方法與生產設備介紹

2晶體硅太陽能電池片生產主要原材料

2太陽能電池片測試技術與方法：包括測試方法與測試設備介紹

2太陽能電池片測試依據標準

(3)太陽能光伏組件講解與展示系統

1、可以展示各種太陽能光伏光伏組件；

2、配備文字與動畫展示各種光伏組件的生產工藝與使用方法

3、目錄（約10課時）

2太陽能電池組件基本介紹

2太陽能電池組件的分類及各種組件的優缺點

2太陽能電池組件的生產工藝介紹及相關設備

2太陽電池組件的評定標準

2太陽能電池組件的測試方法與測試設備

2太陽能電池組件的發展方向

(4)太陽能光伏組件附屬材料講解與展示系統

主要功能

1、可以展示各種太陽能光伏光伏組件附屬材料；

2、配備文字與動畫展示各種光伏組件附屬材料的生產工藝與使用方法

3、目錄（約7課時）

2太陽能組件附屬設施情況介紹

2太陽能組件對鋼化玻璃的具體要求

2太陽能組件對支架鋁型材的具體要求

2太陽能組件對EVA封膠的具體要求

2太陽能組件對TPT背板的具體要求

2太陽能組件附屬設施檢測方法

2太陽能組件附屬設施測試標準

* 二、展示與講解內容目錄（圖、文、聲并茂）

2.1 太陽能光伏應用產品講解與展示系統（約5課時）

2.1.1 太陽能發電系統：

2.1.2 家用太陽能發電機直流系統多媒體電視機

2.1.3 太陽能便攜電源：

2.1.4 太陽能殺蟲燈

2.1.5 太陽能警示燈

2.1.6 太陽能野營燈

2.2 太陽能光伏發電基本原理

2.3 太陽能光伏發電系統組成部分介紹

2.4 太陽能光伏發電系統設計方法

2.5 太陽能光伏電站施工建設方法

2.5.1、項目前期考察

2.5.2、項目建設前期資料及批復文件

第一階段：可研階段

第二階段：獲得省級/市級相關部門的批復文件

第三階段：獲得開工許可

2.5.3、項目施工圖設計

2.5.4、項目實施建設

2.5.5、帶電前的必備條件

2.6太陽能光伏并網電站介紹

2.6.1、光伏并網電站簡要描述

2.6.2、光伏并網電站設備組成

2.6.2、光伏并網電站設備功能

2.7 家用型太陽能電站建設方案

2.7.1、項目概述

2.7.2、方案設計 （附詳細方案設計）

（一）用戶負載信息

（二）系統方案設計

（三）效益計算： 

2.8 逆變器基本原理介紹

2.9 控制器基本原理介紹

四、 主要實驗實訓內容

（1）光伏供電裝置及系統的安裝、接線與調試；

（2）光伏電池方陣輸出特性測試；

（3）風力供電裝置及系統的安裝、接線與調試；

（4）逆變與負載系統的安裝、接線與調試以及相關參數測定；

（5）蓄電池組充放電檢測及參數的測量；

（6）DSP控制器對蓄電池的脈寬調制充電過程控制以及放電保護控制；

（7）MCGS觸摸屏以及力控軟件與各單元的通信測試；

（8）MCGS觸摸屏組態界面操作；

（9）力控軟件操作練習；

（10）Rs232和rs485等通訊連接線的焊接練習；

（11）太陽能電池組件方陣設計及安裝、測試；

（12）光伏供電裝置及系統的組成與控制實訓；

（13）PLC編程手動、自動控制光伏電池追蹤太陽實訓；

（14）光伏電池的I-U特性及輸出功率測試；

（15）風力發電機及供電系統安裝及輸出特性測試；

（16）風力發電機被動偏航與主動偏航性能調試；

（17）風力供電系統電氣控制原理實驗；

（18）PLC編程手動、自動控制風力發電機偏航實訓；

（19）通過LCD人機對話模塊設置逆變器輸出電壓與頻率相關參數、死區時間、通訊地址實訓；

（20）逆變器不同負載設計連接實訓；

（21）上位機與各單元通信方式與連接、協議設定實訓；

（22）三維組態力控軟件的應用及開發流程實實訓。

五、 主要技術參數