TW-SNY39風光互補發電系統實訓平臺

1. 概述

   TW-SNY39風光互補發電實訓平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，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、調試的風光互補發電實訓系統。

2. 設備組成

   TW-SNY39型風光互補發電實訓平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-SNY39型風光互補發電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。

1. 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

2. 場地面積：25平方米

   

   圖1 TW-SNY39型風光互補發電實訓系統（圖片僅供參考）

1. 各單元介紹

   1. 模擬光源跟蹤裝置

1. 模擬光源跟蹤裝置的組成

   模擬光源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2所示。

   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 320mm×320mm×28mm

1. 模擬風能裝置

1. 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。

1. 模擬能源控制系統
   2.1 光伏供電單元

1. 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。

2. 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. 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

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。

       2.3 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

1. 并網逆變、負載控制系統

1. 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、接線端等組成。

   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。

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。

1. 能源監控管理系統

1. 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。

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，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。

2. 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。

3. 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。

4. 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）智慧教室綜合測控系統

   該系統采用一體化設計，要求所有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

1. 主要實驗實訓內容

   4.1太陽能電池板追日跟蹤系統

   4.2光伏組件伏安特性測試

   4.3太陽能電池組件與蓄電池選擇

   4.4風力機特性仿真

   4.5光伏陣列最大功率跟蹤算法

   4.6逆變器工作原理實訓

   4.7逆變器參數設置與電能質量分析

   4.8太陽能發電系統運行與調試

   4.9風光互補發電系統運行與調試

   4.10能源監控管理系統組態設計

   五、 主要技術參數

一、模擬風能裝置
序號	名稱	技術參數	數量
1	水平軸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：2.5m/s 切入風速：1.5m/s 安全風速：25 m/s	1
2	風速儀	輸出電壓：0-5V 風碗數：3個	1
3	風力模擬裝置	電機功率：0.75KW 額定電壓：AC220V 傳動方式：皮帶/鏈條 安全防護框罩：有機玻璃/鐵皮	1
二、光伏供電、模擬光源跟蹤裝置
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：320×320×28mm	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 最大功率：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
三、模擬能源控制系統
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	2
2	風電控制電源單元	含漏電保護斷路器，AC220V和DC24V狀態指示燈	2
3	觸摸屏	7",彩色	2
4	功能模塊	ARM核心板2812，通信控制板，風力發電主電路板	2
5	直流輸入單元	電流表： DC 0-5A 電壓表： DC 0-500V 接口：RS485	2
6	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
7	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
8	PLC	S7-200 CPU224	2
9	變頻器	MM420-0.37Kw
10	可調電阻	范圍：0-1000Ω，無級可調（有刻度）	2
四、并網逆變負載、控制系統
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	離網逆變器	輸入電壓：DC12V 輸入電壓范圍：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
4	并網逆變器	輸出功率：400Watt 輸入工作電壓范圍：10~28VDC 最大輸出功率因數：0.99 輸入反壓保護：FUSE 輸出電壓范圍：（80~260VAC） 應用頻率范圍：45-53Hz/55Hz~63Hz 輸出總諧波失真：THDIAC <5% 交流電相位差：<0.5% 孤島效應保護：VAC；f AC 輸出短路保護:電流限制 LED顯示方式:功率指示；電壓指示；AC頻率指示；過壓指示 待機功耗:<1W 夜間功率:<1W 環境溫度范圍:-25 ℃~60℃	1
5	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
6	變頻器	MM420-0.37Kw	1
7	電機負載	功率：40W 電壓：AC220V 轉速：1350rpm	1
8	模擬舞臺燈光負載	采用LED球泡燈代替	1
9	閥控密封式鉛酸蓄電池	容量   12V 24Ah 重量   1.9kg 尺寸   345mm×195mm×20mm	4
六、能源監控管理系統
序號	名稱	技術參數	數量
1	直流電機負載	直流單片機負載	1
2	工控機	6個串口，含鍵盤鼠標	1
3	組態軟件	力控/組態王	1
4	打印機	HP Deskjt 1000	1
七、實驗臺
序號	名稱	技術參數	數量
1	網孔板實驗臺	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。	4
2	操作系統軟件	Window XP	1
	通訊電纜
	使用說明書	風光互補發電系統使用說明書