風(fēng)光互補發(fā)電實訓(xùn)系統(tǒng)

KCTF-23型風(fēng)光互補發(fā)電實訓(xùn)系統(tǒng)

一、概述：

KCKCTF-23型風(fēng)光互補發(fā)電實訓(xùn)系統(tǒng)主要由光伏供電裝置、風(fēng)力供電系統(tǒng)、逆變 與 負載系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)組成，風(fēng)光互補發(fā)電實訓(xùn)系統(tǒng)采用模塊式結(jié)構(gòu)，各裝置和系統(tǒng)具有獨立的功能，可以組合成光伏發(fā)電實訓(xùn)系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電實訓(xùn)系統(tǒng)。

二、設(shè)備組成：

KCTF-23型風(fēng)光互補發(fā)電實訓(xùn)系統(tǒng)主要由光伏供電裝置、光伏供電系統(tǒng)、風(fēng)力供電裝置、風(fēng)力供電系統(tǒng)、逆變與負載系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)組成，如圖1所示。風(fēng)光互補發(fā)電實訓(xùn)系統(tǒng)采用模塊式結(jié)構(gòu)，各裝置和系統(tǒng)具有獨立的功能，可以組合成光伏發(fā)電實訓(xùn)系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電實訓(xùn)系統(tǒng)。

1、設(shè)備尺寸：光伏供電裝置1610×1010×1550mm

2、風(fēng)力供電裝置：1578×1950×1540mm

3、實訓(xùn)柜：3200×650×2000mm

4、場地面積：25平方米

圖1：KCFG-T01型風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)（圖片僅供參考）

三、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(gòu)、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(guān)、微動開關(guān)、底座支架等設(shè)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(lián)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(zhuǎn)時，通過減速箱驅(qū)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(guān)和微動開關(guān)，用于擺桿位置的限位和保護。水平和俯仰方向運動機構(gòu)由水平運動減速箱、俯仰運動減速箱、直流電動機、接近開關(guān)和微動開關(guān)組成。直流電動機旋轉(zhuǎn)時，水平運動減速箱驅(qū)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(qū)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(guān)和微動開關(guān)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(shù)為：

1).額定功率  20W

2).額定電壓  17.2V

3).額定電流  1.17A

4).開路電壓  21.4V

5).短路電流  1.27A

6).尺寸  430mm×430mm×28mm

2、光伏供電系統(tǒng)

（1）光伏供電系統(tǒng)的組成

光伏供電系統(tǒng)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(diào)電阻、斷路器、12V開關(guān)電源、網(wǎng)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(tài)，可以進行手動或自動運行光伏電池組件雙軸跟蹤、燈狀態(tài)、燈運動操作。

（3）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(dāng)蓄電池放電電壓低于規(guī)定值，DSP控制單元輸出信號驅(qū)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。

（4）蓄電池組

蓄電池組選用4節(jié)閥控密封式鉛酸蓄電池，主要參數(shù)：

容量：12V 18Ah/20HR

重量：1.9kg

尺寸：345mm×195mm×20mm

3、風(fēng)力供電裝置

風(fēng)力供電裝置的組成

風(fēng)力供電裝置主要由葉片、輪轂、發(fā)電機、機艙、尾舵、側(cè)風(fēng)偏航控制機構(gòu)、直流電動機、塔架和基礎(chǔ)、測速儀、測速儀支架、軸流風(fēng)機、軸流風(fēng)機支架、軸流風(fēng)機框罩、單相交流電動機、電容器、風(fēng)場運動機構(gòu)箱、護欄、連桿、滾輪、萬向輪、微動開關(guān)和接近開關(guān)等設(shè)備與器件組成，如圖3所示。

圖3 風(fēng)力供電裝置

葉片、輪轂、發(fā)電機、機艙、尾舵和側(cè)風(fēng)偏航控制機構(gòu)組裝成水平軸永磁同步風(fēng)力發(fā)電機，安裝在塔架上。風(fēng)場由軸流風(fēng)機、軸流風(fēng)機支架、軸流風(fēng)機框罩、測速儀、測速儀支架、風(fēng)場運動機構(gòu)箱體、傳動齒輪鏈機構(gòu)、單相交流電動機、滾輪和萬向輪等組成。軸流風(fēng)機和軸流風(fēng)機框罩安裝在風(fēng)場運動機構(gòu)箱體上部，傳動齒輪鏈機構(gòu)、單相交流電動機、滾輪和萬向輪組成風(fēng)場運動機構(gòu)。當(dāng)風(fēng)場運動機構(gòu)中的單相交流電動機旋轉(zhuǎn)時，傳動齒輪鏈機構(gòu)帶動滾輪轉(zhuǎn)動，風(fēng)場運動機構(gòu)箱體圍繞風(fēng)力發(fā)電機的塔架作圓周旋轉(zhuǎn)運動，當(dāng)軸流風(fēng)機輸送可變風(fēng)量風(fēng)時，在風(fēng)力發(fā)電機周圍形成風(fēng)向和風(fēng)速可變的風(fēng)場。

在可變風(fēng)場中，風(fēng)力發(fā)電機利用尾舵實現(xiàn)被動偏航迎風(fēng)，使風(fēng)力發(fā)電機輸出最大電能。測速儀檢測風(fēng)場的風(fēng)量，當(dāng)風(fēng)場的風(fēng)量超過安全值時，側(cè)風(fēng)偏航控制機構(gòu)動作，使尾舵?zhèn)蕊L(fēng)45o，風(fēng)力發(fā)電機葉片轉(zhuǎn)速變慢。當(dāng)風(fēng)場的風(fēng)量過大時，尾舵?zhèn)蕊L(fēng)90o，風(fēng)力發(fā)電機處于制動狀態(tài)。

4、風(fēng)力供電系統(tǒng)

（1）風(fēng)力供電系統(tǒng)的組成

風(fēng)力供電系統(tǒng)主要由風(fēng)電電源控制單元、風(fēng)電輸出顯示單元、觸摸屏、風(fēng)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(diào)電阻、斷路器、網(wǎng)孔架等組成。

（2）控制方式

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

可變風(fēng)量是由變頻器控制軸流風(fēng)機實現(xiàn)。手動操作變頻器操作面板上的有關(guān)按鍵，使變頻器的輸出頻率在0-50Hz之間變化，軸流風(fēng)機轉(zhuǎn)速在0至額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)變化，實現(xiàn)可變風(fēng)量輸出。

（3）DSP控制單元和側(cè)風(fēng)偏航

風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)輪葉片在氣流作用下產(chǎn)生力矩驅(qū)動風(fēng)輪轉(zhuǎn)動，通過輪轂將扭矩輸入到傳動系統(tǒng)。當(dāng)風(fēng)速增加超過額定風(fēng)速時，風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)輪轉(zhuǎn)速過快，發(fā)電機可能因超負荷而燒毀。

對于定槳距風(fēng)輪，當(dāng)風(fēng)速增加超過額定風(fēng)速時，如果氣流與葉片分離，風(fēng)輪葉片將處于“失速”狀態(tài)，風(fēng)力發(fā)電機不會因超負荷而燒毀。

對于變槳距風(fēng)輪，當(dāng)風(fēng)速增加時，可根據(jù)風(fēng)速的變化調(diào)整氣流對葉片的攻角。當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時，輸出功率可穩(wěn)定地保持在額定功率上。特別是在大風(fēng)的情況下，風(fēng)力機處于順槳狀態(tài)，使槳葉和整機的受力狀況大為改善。

小型風(fēng)力發(fā)電機多數(shù)是定槳距風(fēng)輪，在大風(fēng)的情況下，采用側(cè)風(fēng)偏航控制使氣流與葉片分離，使風(fēng)輪葉片處于“失速”狀態(tài)，安全地保護風(fēng)力發(fā)電機。另外，還可以通過側(cè)風(fēng)偏航控制風(fēng)力發(fā)電機保持恒定功率輸出。

5、逆變與負載系統(tǒng)

（1）逆變與負載系統(tǒng)的組成

逆變與負載系統(tǒng)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(shù)檢測模塊、變頻器、三相交流電機、發(fā)光管舞臺燈光模塊、警示燈、接線排、斷路器、網(wǎng)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(guān)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。

3）.逆變與負載系統(tǒng)主電路

逆變與負載系統(tǒng)主要由逆變器、交流調(diào)速系統(tǒng)、逆變器測試模塊、發(fā)光管舞臺燈光模塊和警示燈組成。

逆變器的輸入由光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)或蓄電池提供，逆變器輸出單相220V、50Hz的交流電源。交流調(diào)速系統(tǒng)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(fā)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(qū)、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(xùn)裝置使用的逆變器由DC-DC升壓PWM控制芯片單元、驅(qū)動+升壓功率MOS管單元、升壓變壓器、SPWM芯片單元、高壓驅(qū)動芯片單元、全橋逆變功率MOS管單元、LC濾波器組成。

6、監(jiān)控系統(tǒng)

（1）監(jiān)控系統(tǒng)組成

監(jiān)控系統(tǒng)主要由一體機、鍵盤、鼠標(biāo)、接線排、電源插座、通信線、微軟操作系統(tǒng)軟件、力控組態(tài)軟件組成。

（2）監(jiān)控系統(tǒng)功能

1）.通信

監(jiān)控系統(tǒng)與控制器、PLC、儀表進行通信。

2）.界面

a.監(jiān)控系統(tǒng)具有主界面，光伏供電系統(tǒng)界面，風(fēng)力供電系統(tǒng)界面，逆變與負載系統(tǒng)界面，風(fēng)光互補能量轉(zhuǎn)換界面，分別顯示各自的運行狀態(tài)參數(shù)。

b.光伏供電系統(tǒng)界面設(shè)置相應(yīng)的按鈕，實現(xiàn)光伏電池方陣自動跟蹤。

c.風(fēng)力供電系統(tǒng)界面設(shè)置相應(yīng)的按鈕，實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機側(cè)風(fēng)偏航控制。

d.具有光伏發(fā)電采集報表和風(fēng)力發(fā)電集報表，記錄光伏輸出電壓、電流，風(fēng)力發(fā)電機的輸出電壓、電流；逆變與負載系統(tǒng)的逆變輸出電壓、電流、功率等數(shù)據(jù)并打印數(shù)據(jù)報表。

四、主要實驗實訓(xùn)內(nèi)容

1、離網(wǎng)型風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)規(guī)劃；

2、根據(jù)功率要求，光伏電池組件的選擇、安裝和連接；

3、根據(jù)功率要求，風(fēng)力發(fā)電機的選擇、安裝和連接；

4、基于MCU的光伏電池組件最大功率跟蹤程序設(shè)計；

5、基于MCU的風(fēng)力發(fā)電機最大功率跟蹤的程序設(shè)計；

6、蓄電池容量匹配計算與選型；；

7、蓄電池充放電參數(shù)設(shè)置、保護參數(shù)設(shè)置；

8、逆變器參數(shù)設(shè)置；

9、監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)及操作；

10、光伏供電系統(tǒng)的調(diào)試；

11、風(fēng)力供電系統(tǒng)的調(diào)試；

12、風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的調(diào)試；

13、電能質(zhì)量的監(jiān)測、調(diào)試和分析。

五、主要技術(shù)參數(shù)