TW-SNY28C 大型風力發電系統、光伏工程實訓平臺

（工程型）

概述

本實訓平臺參照兆瓦級風機控制系統設計，具有形象的物理仿真對象，創造了良好的實訓環境，包括一套風力發電機模擬對象和四臺控制柜。

1、風機對象模型（MW級見機結構，可實現主動偏航和獨立變槳功能）；

2、能源管理、監控管理及氣象站、偏航變槳控制系統、能源轉換儲存控制系統、風能變流器系統?？梢詫崿F風機變槳系統、電氣系統、偏航系統的控制過程實訓和風機的整機運行演示?？捎糜诼殬I院校學生的風力發電電動變槳偏航裝置電氣控制操作及電氣故障、風電并網控制技術培訓，也可用于風電檢修工技能鑒定培訓。

實訓平臺各部分通過電纜連接，可組成一套既能演示又能動手設計、安裝、調試的風力發電實訓系統。

設備組成

TW-SNY28 大型風力發電系統實訓平臺臺主要由模擬光源跟蹤裝置、模擬風能裝置、模擬能源控制系統、能源轉換儲存控制系統、并網逆變控制系統和能源監控管理系統六個部分組成，如圖1所示。

TW-SNY28 大型風力發電系統實訓平臺采用模塊式結構，各裝置和系統具有獨立的功能，可以組合成光伏發電實訓平臺、風力發電實訓平臺。

設備尺寸： 模擬光源跟蹤裝置 2000mm×1500mm×2000mm

模擬風能裝置 1300mm×1100mm×2600mm

實訓柜（4個）  3200mm×650mm×2000mm

場地面積：25平方米

圖1 TW-SNY28 大型風力發電系統實訓平臺（圖片僅供參考）

各單元介紹

模擬風能裝置

模擬風能裝置的組成

模擬風能裝置主要由葉片、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、連桿、滾輪、萬向輪、微動開關和接近開關等設備與器件組成。

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。軸流風機支架、軸流風機框罩、測速儀、測速儀支架、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。

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，風力發電機處于制動狀態。

模擬能源控制系統

2.1 光伏供電單元

系統的組成

模擬能源控制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。如圖3所示。

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。

ARM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。

2.2 風力供電單元

風力供電單元的組成

風力供電單元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、ARM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至額定轉速范圍內變化，實現可變風量輸出。

ARM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。

2.3 風力供電單元

（1） 風力供電單元的組成

風力供電單元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、ARM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。

（2） 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） ARM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。

2.4 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 24Ah

重量 1.9kg

尺寸 345mm×195mm×20mm

并網逆變、負載控制系統

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

逆變電源控制單元主要由斷路器、+24V開關電源、AC220V電源插座、指示燈、接線端子等組成。

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。逆變器測試模塊用于檢測逆變器的死區、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。

能源監控管理系統

能源監控管理系統

能源監控與管理系統主要由一體機、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，模擬能源控制系統界面，風力供電單元界面，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。

模擬能源控制系統界面設置相應的按鈕，實現光伏電池方陣自動跟蹤。

風力供電單元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。

主要實驗實訓內容

4.1風力發電機特性仿真

4.2 變槳原理及實訓

4.3 偏航原理及實訓

4.4 解纜系統原理實訓

4.5 并網逆變器工作原理實訓

4.6并網逆變器參數設置與電能質量分析

4.7風力發電系統運行與調試

4.8能源監控管理系統組態設計

光伏工程實訓系統

1.1光伏模擬裝置的組成

光伏模擬與跟蹤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1-1所示

1.2光伏供電系統

光伏供電系統主要由輔助電源控制單元、光伏輸出顯示單元、光伏跟蹤控制單元、光伏匯流單元、控制器模塊、接口單元、西門子PLC、繼電器組、接線端子、蓄電池組、功率可調電阻、斷路器、5V輔助開關電源、網孔面板、線槽、鋁型材等組成。如圖1-2所示。

2.5逆變與負載系統

逆變與負載系統主要由控制器輸出單元、逆變輸出顯示單元、逆變器、變頻器、三相交流電機、12V直流風扇、12V LED燈、警示燈、接線排、三孔插座、斷路器、網孔面板、線槽、鋁型材等組成。如圖1-5所示。

三、主要實驗實訓內容

（1）光伏模擬裝置實訓

1）光電池方陣的安裝

2）光伏供電裝置組裝

（2）光伏供電系統實訓

1）光伏供電系統接線

2）光線傳感器原量

3）光伏電池組件光源跟蹤控制程序設計

4）光伏電池的輸出特性

5）蓄電池的充電特性和放電保護

6）光伏供電系統的操作和使用注意事項

四、技術參數

1)太陽能電池組件：單晶組件，最大輸出功率20W，數量4塊；

2)模擬光源：2盞300W鹵鎢燈，由蝸桿減速機擺動，模擬太陽升起至日落運動；

3)模擬光源拖動電機：交流電機；模擬光源拖動減速機：減速機，減速比3000:1；

4)光伏跟蹤傳感器：采用四象限高精度光敏傳感器結構，6路模擬量信號輸出,跟蹤探頭采用無色透明外殼，方便學生觀察；

5)太陽能跟蹤系統：采用雙軸二維跟蹤方式，水平270±5°，俯仰75±5°，精度±0.5°；

6)跟蹤控制單元：手動/自動模擬光源運動與光伏跟蹤控制采用PLC主控模塊；

7)光照及溫濕度傳感器模塊：光照度0-20K(LUX)，溫度-40-80℃，濕度0-99.9%RH；

8)蓄電池：鉛酸電池12V/12AH*2；

9)太陽能控制器：DC12V、DC5A、PWM方式充電；電路模塊化開放設計，方便充電波形與電路測試；有充放電、電池狀態指示、溫度補償；蓄電池反接、夜間防反沖、防雷、限流、過充、過放、負載過載、短路等保護；

10)風機控制器：電壓DC12V(整流)、額定電流5A、PWM(脈沖寬度調制)方式充電；電路模塊化開放設計，方便充電波形與相關電路電氣測試；具有風速檢測、偏航控制信號或剎車信號輸出功能；有充放電指示等功能；具有蓄電池反接、防雷、風機限流、過充、過放、負載過載、短路等保護功能；

11)離網逆變器：輸入DC12V；輸出AC220V±10%、50HZ、50VA、純正弦波；工頻變壓器隔離；電路模塊化開放設計，可進行SPWM逆變驅動波形、逆變輸出電壓波形與電路電氣測試；可時行死區按鍵設置；具有軟啟動、過欠壓關斷、短路、過載等保護功能；

12)工控機：采用觸摸屏工控一體機；

13)監控軟件：實時監測并存儲系統發電、用電與環境參數等信息，實時對模擬光源、光伏跟蹤等進行控制；具有曲線顯示等功能；

五、配置清單

序號	名稱	技術參數	數量
1	光伏供電裝置臺架	長×寬×高:1800mm×1700mm×1600mm（運行安全占地尺寸）	1臺
2	電池組件	額定功率：20W 誤差：±5% 額定電壓：17.6V 額定電流：1.14A 開路電壓：21.7V 短路電流：1.26A 工作環境溫度：45℃±2℃ 尺寸：450*430*25mm	4個
3	追日傳感器	采用四象限高精度光敏傳感器結構， 6路模擬量信號輸出, 跟蹤探頭采用無色透明外殼，	1套
4	光照度傳感器	工作電源：DC 3.3V-5V； 工作電流：＜5ma； 光照度范圍：0-200000Lux； 分辨率：0.01 Lux； 精度：±5%； 工作環境：溫度-40°c-60°c 支持Modbus-RTU協議	1套
5	投射燈	電壓：220V 頻率：50Hz 電流：1.36A 最大功率：300W	2個
6	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 減速電機：DC24V rpm:10 減速比：80:1	1套
7	單相交流鍵槽感應電動機	輸入電壓：AC220V 輸出功率：90W 額定轉速：1350r/min	1個
8	匯流箱	參考尺寸：205*170*90mm； 輸入電池組數：2路； 輸出組數：1路；	1套
9	接近開關	介質耐壓：1000VAC 振動：10-55Hz 防護等級：IP40 使用溫度、濕度：-25℃- +80℃；＜80%	2個
二、光伏供電系統
序號	名稱	技術參數	數量
1	光伏供電系統臺架	長×寬×高:945mm×610mm×1900mm	1臺
2	光伏電源控制單元	含漏電保護斷路器，AC220V和DC24V狀態指示燈、AC220V電源插座，接線端子排	1套
3	光伏輸出顯示單元	含顯示單元面板、顯示單元盒體、控制盒側邊型材、直流電流表、直流電壓表、接線端子排等 1)精度等級：0.5級 2)顯示方式：LED 3)相數：單相 4)輸入方式：直流信號輸入 5)通信接口：RS485（Modbus RTU協議） 6）準確度：電壓電流0.5%； 7）接線方式：單相 8）電壓：DC 0~30V； 9) 電流：DC 0~5A； 10）電源工作范圍：AC、DC 80-270V；頻率50/60Hz；功率≤5VA	1套
4	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套
5	充、放電控制器	含核心板，接口底板，充電板 額定電壓DC12V、額定電流DC5A、PWM脈沖寬度調制）方式充電；微控制器采用ARM內核32位高性能大容量芯片；軟件基于C語言嵌入式實時操作系統RTOS開發，電路模塊化開放設計，方便進行充電波形與電路電氣測試；具有充放電指示、電池狀態指示、溫度補償等功能；具有蓄電池反接、夜間防反沖、防雷、光伏限流、過充、過放、負載過載、短路等保護功能。	1套
6	可調電阻	可調范圍：0~2000歐姆，連續可調 額定功率：100W 允許偏差：±5% 外型：圓盤	1個
7	繼電器組	線圈額定電壓：DC24V； 常開觸點：2路； 常閉觸點：2路； 帶有繼電器底座；	11個
8	鉛酸蓄電池	容量：12V/12Ah 單個重量：4kg 尺寸：150mm*100mm*100mm	2節
五、逆變與負載系統
序號	名稱	技術參數	數量
1	逆變與負載系統臺架	長×寬×高:945mm×610mm×1900mm	1臺
2	逆變輸出顯示單元	含顯示單元面板、顯示單元盒體、控制盒側邊型材、交流電流表、交流電壓表、接線端子排等 精度等級：0.5級 顯示方式：LED 相數：單相 輸入方式：交流信號輸入 通信接口：RS485（Modbus RTU協議） 1)精度等級：0.5級 2)顯示方式：LED 3)相數：單相 4)輸入方式：交流信號輸入 5)通信接口：RS485（Modbus RTU協議） 6）準確度：電壓電流0.5%； 7）電壓： AC0-300V； 9) 電流：AC0-3A； 10）電源工作范圍：AC、DC 80-270V；頻率50/60Hz；功率≤5VA	1套
3	報警燈	工作電壓：AC220V 功率：15W 顏色：紅色 工作方式：閃亮 安裝方式：螺桿安裝 防護等級：IP55防塵、防水	1個
4	逆變控制器	包含接口底板、核心板、升壓板、逆變板 輸入電壓DC12V；輸出AC220V±10%、50HZ、50VA、輸出純正弦波；輸出采用工頻隔離；微控制器采用ARM內核32位高性能大容量芯片；軟件基于C語言嵌入式實時操作系統RTOS開發，電路模塊化開放設計，方便進行SPWM逆變驅動波形、逆變輸出電壓波形與相關電路電氣測試；可時行死區按鍵設置；具有軟啟動、過欠壓關斷、短路、過載等保護功能。	1套
六、監控系統
序號	名稱	技術參數	數量
1	組態軟件	MCGS昆侖組態	1個