TW-SNY05型光伏發電實訓系統

一、設備組成

TW-SNY05型光伏發電實訓系統主要由光伏供電裝置、光伏供電系統、逆變與負載系統、監控系統四個部分組成，如圖1所示。

1、設備尺寸：光伏供電裝置1610×1010×1550mm

實訓柜1000×1000×2000mm

2、場地面積：12平方米

二、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，如下圖所示。

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。

2、光伏供電系統

(1)、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、ARM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。

（2）、控制方式

光伏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DT1和DT2等組成。

光伏輸出顯示單元主要由直流電流表、直流電壓表、接線端子DT3和DT4等組成。

光伏供電控制單元主要由選擇開關、急停按鈕、帶燈按鈕、接線端子DT5、DT6和DT7等組成。

（3）充、放電控制單元和接口單元

蓄電池的充電過程及充電保護由ARM控制單元、接口單元及程序完成，蓄電池的放電保護由ARM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，ARM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。

該單元設置有一套蓄電池充、放電管理及模擬系統，正常使用時按照設置參數對蓄電池進行充電和放電，無需要人工干預；模擬操作時，蓄電池和光電池各工作點需要手動設置，每設置完畢一種工作模式后可在軟件界面觀察充電及放電的運行過程，以實現光伏充、放電模擬仿真實驗的目的。

★  控制器基本原理介紹（多媒體展示）

主要作用：

在小型光伏系統中，用來保護蓄電池；在大中型系統中，起平衡光伏系統能量、保護蓄電池及整個系統正常運行等；

光伏控制器應具有以下功能：

①防止蓄電池過充電和過放電，延長蓄電池壽命；

②防止太陽能電池板或電池方陣、蓄電池極性接反；

③防止負載、控制器、逆變器和其他設備內 部短路；

④具有防雷擊引起的擊穿保護；

⑤具有溫度補償的功能

⑥顯示光伏發電系統的 各種工作狀態，包括：蓄電池（組）電壓、負載狀態、電池方陣工作狀態、輔助電源狀態、 環境溫度狀態、故障報警等。

?光伏控制器按電路方式的不同，可分為并聯型、串聯型、脈寬調制型、多路控制型等；

?按組件輸入功率分：小功率型、 中功率型、大功率型及專用控制器（如草坪燈控制器）等；

?光伏控制電路的基本工作原理圖：

1）并聯型控制器：也叫旁路型控制器，它是利用并聯在太陽能電池兩端的機械或電子開關器 件控制充電過程。一般用于小型、小功率系統。

2）串聯型控制器：是利用串聯在充電回路中的機械或電子開關器件控制充電過程。

控制器的檢測控制電路：

是蓄電池過欠電壓的檢測控制電路，主要是對蓄電池的電壓隨時進行取樣檢測，并根據檢測結果向過充電、過放電開關器件發出 接通或關斷的控制信號。

3）脈寬調制（ PWM：Pulse Width Modulation）型控制器：以脈沖方式開關光伏組件 的輸入，充電過程能形成較完整的充電狀態, 其平均充電電流的瞬時變化更符合蓄電池當前的充電狀況，能夠增加光伏系統的充電效率并 延長蓄電池的總循環壽命。

5）智能型控制器：采用CPU或MCU等微處理器進行控制。除了具有過充電、過放電、短路、過載、.防反接等保護功能外，還利用蓄電池放電率高準確性的進行放電控制。并具有高精度的溫度補償功能。

6）最大功率點跟蹤型控制器：使太陽能電池方陣始終保持在最大功率點狀態，以充分利用太陽能電池 方陣的輸出能量。采用PWM調制方式，使充電電流成為脈沖電流，以減少蓄電池的 極化，提高充電效率。

（4）、蓄電池組

蓄電池組選用2節閥控密封式鉛酸蓄電池

容量： 12V 18Ah/20HR

重量： 1.9kg

尺寸： 175mm×170mm×75mm（單節）

3、逆變與負載系統

（1）、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。

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。

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。

（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。

逆變的工作過程是將蓄電池的12V直流電通過DC-DC和DC-AC變換，轉變成正弦波220/50Hz的純正弦波交流電。

逆變器多媒體教學展示

逆變器是通過半導體功率開關的開通和關斷作用，把直流電能轉變成交流電能的一種變換裝置，是整流變換的逆過程。

逆變概念

?逆變——與整流相對應，直流電變成交流電。

?交流側接電網，為有源逆變；

?交流側接負載，為無源逆變；

逆變電路的基本工作原理

單相橋式逆變電路為例

S1～S4是橋式電路的4個臂，由電力電子器件及輔助電路組成。

S1、S4閉合，S2、S3斷開時，負載電壓uo為正；

S1、S4斷開，S2、S3閉合時，uo為負。把直流電變成了交流電。

改變兩組開關切換頻率，可改變輸出交流電頻率；

電阻負載時，負載電流io和uo的波形相同，相位也相同；

阻感負載時，io相位滯后于uo，波形也不同（圖5-1b）

t1前：S1、S4通，uo和io均為正；

t1時刻斷開S1、S4，合上S2、S3，uo變負，但io不能立刻反向；

io從電源負極流出，經S2、負載和S3流回正極，負載電感能量向電源反饋，io逐漸減小，t2時刻降為零，之后io才反向并增大。

逆變電路按其直流電源性質不同分為兩種

?電壓型逆變電路或電壓源型逆變電路

?電流型逆變電路或電流源型逆變電路

電壓型逆變電路的特點：

(1)  直流側為電壓源或并聯大電容，直流側電壓基本無脈動；

(2)  輸出電壓為矩形波，輸出電流因負載阻抗不同而不同；

(3)  阻感負載時需提供無功。為了給交流側向直流側反饋的無功提供通道，逆變橋各臂并聯反饋二極管。

電路結構及工作情況

?兩個半橋電路的組合；

?1和4一對，2和3另一對，成對橋臂同時導通，兩對交替各導通180°；

?uo波形同圖5-6b半橋電路的uo，幅值高出一倍Um=Ud；

?io波形和圖5-6b中的io相同，幅值增加一倍；

?單相逆變電路中應用最多的；

輸出電壓定量分析

uo成傅里葉級數

基波幅值

基波有效值

當uo為正負各180°時，要改變輸出電壓有效值只能改變Ud來實現

移相調壓

?可采用移相方式調節逆變電路的輸出電壓，稱為移相調壓

?各柵極信號為180°正偏，180°反偏，且V1和V2互補，V3和V4互補關系不變

?但V3的基極信號只比V1落后q  ( 0

?uo成為正負各為q  的脈沖，改變q 即可調節輸出電壓有效值

單相全橋逆變電路的移相調壓方式

三相電壓型逆變電路

?三個單相逆變電路可組合成一個三相逆變電路

?應用最廣的是三相橋式逆變電路

?可看成由三個半橋逆變電路組成

?180°導電方式

?每橋臂導電180°，同一相上下兩臂交替導電，各相開始導電的角度差120 °

?任一瞬間有三個橋臂同時導通

?每次換流都是在同一相上下兩臂之間進行，也稱為縱向換流

4、監控系統

（1）、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。

（2）、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

①監控系統具有主界面，光伏供電系統界面，逆變與負載系統界面，光伏能量轉換界面，分別顯示各自的運行狀態參數。

②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。

③具有光伏發電采集報表，記錄光伏輸出電壓、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）智慧教室綜合測控系統

該系統采用一體化設計，要求以上功能集中在一塊核心控制器上，禁止采用多種模塊拼裝，確保使用人員的人身安全及設備安全的性能指標：

（一）、虛擬示波器所需實現的功能：

50MHz   2路波形測量功能；

（二）2路邏輯分析儀功能；

（三）1路任意波形信號發生器輸出；

200MSa/s高速實時采樣，50MHz帶寬，波形測量完全滿足教學實驗要求，波形平滑不失真。

（四）2路PWM脈沖信號發生器：可設置頻率、占空比。

（五）、萬用表功能

1、萬用表的電阻測量功能；

2、萬用表的直流電壓測量功能；

3、萬用表的交流電壓測量功能；

4、萬用表的交流電流測量功能；

（六）、人機界面功能

*1、人機界面顯示所測量的波形，并顯示相應的量測值；

*2、可通過點擊界面按鈕，將所測量的波形插入實驗報告模板中；

*3、學生的實驗報告結果可通過點擊界面按鈕，統一上傳到指定的教師電腦文件夾下；

（七）、實驗室安全監控功能

1、環境參數測量：可同時測量顯示溫濕度、CO2濃度和PM2.5；

2、電氣參數測量：可測量控制臺電壓電流，并計算出功率；

3、過流、過壓、欠壓（閥值可設置）報警跳閘保護；

4、安全防護：實驗室環境安全監控裝置（PM2.5、煙霧、可燃氣體、溫濕度及CO2濃度異常（火警）報警）；

5、節電功能：長期無人實驗時，自動關閉總閘開關，實現安全和節電效果；

★4）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）

?光伏硅產品基本情況介紹

?硅單質性質：包括硅的物理性質、化學性質、硅的分類與應用

?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

?硅的生長原理及定型

?硅的提純方法：包括化學提純與物理提純方法

?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

?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

?單晶硅與多晶硅加工方法

?硅薄膜材料：包括非晶硅薄膜材料、多晶硅薄膜材料

?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、化學性能分析、晶體結構分析等

?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）

?太陽能電池片基本情況介紹

?太陽能電池片基本結構分析

?太陽能電池片分類

?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

?晶體硅太陽能電池片生產主要原材料

?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

?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）

?太陽能電池組件基本介紹

?太陽能電池組件的分類及各種組件的優缺點

?太陽能電池組件的生產工藝介紹及相關設備

?太陽電池組件的評定標準

?太陽能電池組件的測試方法與測試設備

?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）

?太陽能組件附屬設施情況介紹

?太陽能組件對鋼化玻璃的具體要求

?太陽能組件對支架鋁型材的具體要求

?太陽能組件對EVA封膠的具體要求

?太陽能組件對TPT背板的具體要求

?太陽能組件附屬設施檢測方法

?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

三、主要實驗實訓內容

實驗實訓內容涉及光伏供電裝置、光伏供電系統、逆變與負載系統、監控系統的安裝、接線、調試和分析：

1）、光伏供電裝置的安裝與接線；

2）、光伏供電系統部分器件的安裝、接線與調試；

3）、光伏電池方陣輸出特性測試；

4）、蓄電池組充放電參數的測試；

5）、逆變與負載系統部分器件的安裝、接線與調試；

6）、逆變器相關參數測試、逆變器輸出參數測試；

7）、逆變器相關數據的下載設置與測試；

8）、相關電路模塊的焊接；

9）、監控系統與各單元的通信；

10）、監控系統組態界面的操作；

四、 主要技術參數

一、光伏供電裝置
序號	名稱	技術參數	數量
1	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
2	追日傳感器	輸出電壓：0-5V 跟蹤精度：1度 結構：4電橋	1
3	投射燈	擺臂機構：渦輪蝸桿結構（2個減速箱） 電壓：220V 頻率：50Hz 電流：1.36A 功率：300W	2
4	追日機構	結構：渦輪蝸桿結構（減速箱） 驅動：直流電機 軸數：雙軸二維	1
二、光伏供電系統
序號	名稱	技術參數	數量
1	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
2	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
3	觸摸屏	7",彩色	1
4	充、放電控制器	核心板，接口底板，信號處理板	1
5	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

5	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
6	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
8	PLC	S7-200 CPU226	1
9	可調電阻	范圍：0-1000Ω，無級可調（有刻度）	1
三、逆變與負載系統
序號	名稱	技術參數	數量
1	逆變輸出顯示單元	電流表：AC 0-5A 電壓表：AC 0-500V 接口：RS485	1
2	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
3	逆變裝置	輸入電壓：DC12V 輸入電壓范圍：DC9.5V-15.5V 輸出電壓：AC180~220V可調±5% 額定輸出電流：1.4A 輸出頻率：50Hz~60Hz可調±0.5Hz 額定功率：300VA 輸出波形：正弦波 波形失真：＜5% 轉換效率：＞85%	1
4	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
5	變頻器	FR-D720S-0.4K-CHT	1
6	電機負載	功率：20W 電壓：AC220V 轉速：1300rpm	1
7	模擬舞臺燈光負載	二極管字樣為“KNT”的發光模塊	1
8	閥控密封式鉛酸蓄電池	容量   12V 18Ah/20HR 重量   1.9kg 尺寸   345mm×195mm×20mm	2
四、監控系統
序號	名稱	技術參數	數量
1	工控機	5個串口，含鍵盤鼠標	1
2	組態軟件	力控6.1	1
五、實驗臺
序號	名稱	技術參數	數量

1	網孔板	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，抽屜采用型材外框、2mm鋼板底部； 網孔架底部裝有滑輪。	3合1
2	微軟操作系統軟件	Window XP	1
3	通訊電纜	0.3mm2雙芯屏蔽線	1
4	實驗指導書	光伏發電設備實訓指導書	1