ZY-SWP01 風光互補發(fā)電系統(tǒng)實訓平臺

一、概述
ZY-SWP01風光互補發(fā)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(tǒng)、能源轉(zhuǎn)換儲存控制系統(tǒng)、并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)和能源監(jiān)控管理系統(tǒng)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(shè)計、安裝、調(diào)試的風光互補發(fā)電實訓系統(tǒng)。
二、設(shè)備組成
ZY-SWP01型風光互補發(fā)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(tǒng)、能源轉(zhuǎn)換儲存控制系統(tǒng)、并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)和能源監(jiān)控管理系統(tǒng)六個部分組成，如圖1所示。
ZY-SWP01型風光互補發(fā)電實訓平臺采用模塊式結(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)電實訓平臺、風力發(fā)電實訓平臺。
1）設(shè)備尺寸： 模擬光源跟蹤裝置：約2000mm×1500mm×2000mm
模擬風能裝置：約1300mm×1100mm×2600mm
實訓柜（4個）：約3200mm×650mm×2000mm
2）場地面積： 約25平方米

（風光互補發(fā)電實訓系統(tǒng)參考圖片，具體以參數(shù)為準）

三、各單元介紹
3.1模擬光源跟蹤裝置
3.1.1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(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。
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。

3.1.2 光伏電池組件參數(shù)
光伏電池組件的主要參數(shù)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
3.2 模擬風能裝置
3.2.1 模擬風能裝置的組成
模擬風能裝置主要由葉片、輪轂、發(fā)電機、機艙、尾舵、側(cè)風偏航控制機構(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(guān)和接近開關(guān)等設(shè)備與器件組成。
葉片、輪轂、發(fā)電機、機艙、尾舵和側(cè)風偏航控制機構(gòu)組裝成水平軸永磁同步風力發(fā)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(gòu)、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(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場運動機構(gòu)。
風力發(fā)電機利用尾舵實現(xiàn)被動偏航迎風，使風力發(fā)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(cè)風偏航控制機構(gòu)動作，使尾舵?zhèn)蕊L45o，風力發(fā)電機葉片轉(zhuǎn)速變慢。當風場的風量過大時，尾舵?zhèn)蕊L90o，風力發(fā)電機處于制動狀態(tài)。

3.3 能源控制系統(tǒng)
3.3.1 光伏供電系統(tǒng)
（1）系統(tǒng)的組成
模擬能源控制系統(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、ARM控制單元、接口單元、西門子SMART 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）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(guī)定值，ARM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。
3.3.2 風力供電系統(tǒng)
（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SMART 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向操作。
可變風量是由變頻器控制軸流風機實現(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，軸流風機轉(zhuǎn)速在0至額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)變化，實現(xiàn)可變風量輸出。
（3）ARM控制單元和側(cè)風偏航
風力發(fā)電機風輪葉片在氣流作用下產(chǎn)生力矩驅(qū)動風輪轉(zhuǎn)動，通過輪轂將扭矩輸入到傳動系統(tǒng)。當風速增加超過額定風速時，風力發(fā)電機風輪轉(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(tài)，風力發(fā)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(jù)風速的變化調(diào)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(wěn)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(tài)，使槳葉和整機的受力狀況大為改善。
小型風力發(fā)電機多數(shù)是定槳距風輪，在大風的情況下，采用側(cè)風偏航控制使氣流與葉片分離，使風輪葉片處于“失速”狀態(tài)，安全地保護風力發(fā)電機。另外，還可以通過側(cè)風偏航控制風力發(fā)電機保持恒定功率輸出。
3.4 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SMART 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向操作。
可變風量是由變頻器控制軸流風機實現(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，軸流風機轉(zhuǎn)速在0至額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)變化，實現(xiàn)可變風量輸出。
（3） ARM控制單元和側(cè)風偏航
風力發(fā)電機風輪葉片在氣流作用下產(chǎn)生力矩驅(qū)動風輪轉(zhuǎn)動，通過輪轂將扭矩輸入到傳動系統(tǒng)。當風速增加超過額定風速時，風力發(fā)電機風輪轉(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(tài)，風力發(fā)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(jù)風速的變化調(diào)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(wěn)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(tài)，使槳葉和整機的受力狀況大為改善。
小型風力發(fā)電機多數(shù)是定槳距風輪，在大風的情況下，采用側(cè)風偏航控制使氣流與葉片分離，使風輪葉片處于“失速”狀態(tài)，安全地保護風力發(fā)電機。另外，還可以通過側(cè)風偏航控制風力發(fā)電機保持恒定功率輸出。
3.5 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 24Ah
重量:1.9kg
尺寸:約345mm×195mm×20mm
3.6 并網(wǎng)逆變、負載控制系統(tǒng)
（1）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(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。
3.7 能源監(jiān)控管理系統(tǒng)
3.7.1 能源監(jiān)控管理系統(tǒng)
能源監(jiān)控與管理系統(tǒng)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(tǒng)軟件、力控組態(tài)軟件組成。
3.7.2 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
監(jiān)控系統(tǒng)具有主界面，模擬能源控制系統(tǒng)界面，風力供電單元界面，逆變與負載系統(tǒng)界面，風光互補能量轉(zhuǎn)換界面，分別顯示各自的運行狀態(tài)參數(shù)。
模擬能源控制系統(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。
風力供電單元界面設(shè)置相應(yīng)的按鈕，實現(xiàn)風力發(fā)電機側(cè)風偏航控制。
具有光伏發(fā)電采集報表和風力發(fā)電集報表，記錄光伏輸出電壓、電流，風力發(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。
★3.7.3）光伏仿真規(guī)劃軟件
基于Unity3D軟件，使用C#語言進行開發(fā)，采用My Sql作為后臺數(shù)據(jù)庫，通過FTP協(xié)議與數(shù)據(jù)庫進行通信。軟件使用者通過使用光伏、風力、地熱、生物質(zhì)4種能源設(shè)計多能互補方案，完成區(qū)域能源的供能結(jié)構(gòu)改造方案設(shè)計，并結(jié)合區(qū)域的氣候數(shù)據(jù)，模擬區(qū)域內(nèi)實時能耗與供能數(shù)據(jù)，從而優(yōu)化出合理的能源結(jié)構(gòu)。
1、用戶管理功能：
注冊：支持學生或教師按照學校名稱和手機號碼注冊用戶
登錄：支持學生或教師根據(jù)手機號碼或用戶名登錄系統(tǒng)。
找回密碼：支持學生或教師根據(jù)手機號碼找回密碼
權(quán)限管理：支持主用戶添加或刪除子用戶
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
異地登錄：同一個賬號24小時內(nèi)只能在同一臺電腦上登錄，無法在其他電腦上登錄。
2、組件數(shù)據(jù)庫
支持查看市面上超過15家光伏組件廠商的實際數(shù)據(jù)
涵蓋了至少500種規(guī)格型號的光伏組件數(shù)據(jù)。
每種光伏組件的型號常規(guī)參數(shù)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(shù)、峰值電流、短路電流、電流溫度系數(shù)、光電轉(zhuǎn)化效率、長度、重量等
3、逆變器數(shù)據(jù)庫
支持查看市面上超過6家逆變器廠商的實際數(shù)據(jù)。
涵蓋了至少40種規(guī)格型號的逆變器數(shù)據(jù)。
每種型號的逆變器常規(guī)參數(shù)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(shù)量、最大直流電壓、最大直流電流、尺寸、重量等。
4、氣象數(shù)據(jù)庫
支持查看全國超過32個城市的模擬地圖氣候數(shù)據(jù)。
支持查看2013-2016年的精確到天的模擬地圖氣候數(shù)據(jù)，可自由設(shè)置日期進行查看。
每個城市的氣候數(shù)據(jù)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。
5、3D地圖功能
5.1）支持教師通過3D地圖上的模擬能耗布置相應(yīng)學習任務(wù)，同時可以修改多種參數(shù)以最大化的適應(yīng)不同實際情況，最后可以根據(jù)學生完成情況進行相應(yīng)的評分。
根據(jù)項目及學習任務(wù)需要規(guī)劃設(shè)計的區(qū)域面積大小，選擇對應(yīng)面積以及地形相似度高的區(qū)域，并定期更新可用的區(qū)域3d地圖
加載在3D地圖上的是真實的地形地貌，包含設(shè)計成虛擬的地形地貌、3D地圖模型、山川、河流與樹木；
支持修改光伏發(fā)電的相關(guān)評分參數(shù)：整機效率、最佳傾角、除組件和逆變器以外的其他成本參數(shù)等。
支持修改風力發(fā)電的相關(guān)評分參數(shù)：整機效率、風力波動（自定義風速的每小時波動數(shù)據(jù)以體現(xiàn)出風力發(fā)電機組隨著每小時風速數(shù)據(jù)的變化，發(fā)電量在1天24小時內(nèi)隨機波動的特點；）
支持修改地熱能的相關(guān)評分參數(shù)：換熱能力、熱協(xié)調(diào)參數(shù)、成本單價
支持修改生物質(zhì)能的相關(guān)評分參數(shù)：生物質(zhì)年供應(yīng)、整機效率、生物質(zhì)殘余物平均能源折算系數(shù)、生物質(zhì)平均谷草比系數(shù)、生物質(zhì)殘余物能源利用可獲得系數(shù)、建設(shè)成本、燃料成本、運維成本等。同時可自動根據(jù)公司計算得出每年最大可建設(shè)的電站功率作為評分準則。
（最大生物質(zhì)電站功率=年供應(yīng)量*1000*平均能源折算系數(shù)*谷草比系數(shù)*殘余物能源利用可獲得系數(shù)/ 3600/365/24）
設(shè)計區(qū)域內(nèi)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(shè)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(shù)、日能耗時長，可以獲得區(qū)域內(nèi)建筑每小時、每天、全年的耗電情況以及制冷制熱能耗需求；
可選擇全國任意地區(qū)（精確城市）、任意氣候時段作為區(qū)域能源模擬的目標區(qū)域，通過對比數(shù)據(jù)庫可以得出當?shù)亟?jīng)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(shù)據(jù)
可以自行比較同一模型不同規(guī)劃方案的優(yōu)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(shù)量、生物質(zhì)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(shè)總成本等，可以對同一模型下的方案進行自動評分
命名：教師可以自行命名模型的名字
刪除：教師可以對模型進行刪除操作
5.2）支持學生通過設(shè)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(wù)，并給出相應(yīng)的數(shù)據(jù)報表
在3d地圖上，根據(jù)模擬的每小時用能數(shù)據(jù)，合理布局“光伏發(fā)電”“風力發(fā)電”“生物質(zhì)發(fā)電”“淺層地熱設(shè)施”設(shè)置各種產(chǎn)能模塊的產(chǎn)能參數(shù)，滿足區(qū)域用能需求，以完成需求側(cè)區(qū)域能源規(guī)劃方案的設(shè)計；
使用光伏、風力、生物質(zhì)、地熱4種新能源并結(jié)合外部電力輸入以進行能源供應(yīng)模擬并能自動計算產(chǎn)能。
根據(jù)設(shè)施地區(qū)經(jīng)緯度與氣候參數(shù)，通過選擇不同型號規(guī)格的逆變器與光伏組件，來完成光伏組件方陣的設(shè)計，主要包含參數(shù)有：方陣行數(shù)、方陣列數(shù)、組件安裝方式設(shè)計、傾角設(shè)計、逆變器數(shù)量、組件間距設(shè)計、組串串并聯(lián)的數(shù)量等完成區(qū)域光伏電站設(shè)置
根據(jù)每小時的用電情況，實現(xiàn)戶式/小型分布式光伏電站的模擬設(shè)計，并根據(jù)所選光伏組件與逆變器估算該電站的建設(shè)成本以及模擬該分布式電站與負載的合并運行情況
可設(shè)置不同容量大小的風機，模擬風力發(fā)電功率
根據(jù)模擬時段內(nèi)的氣溫數(shù)據(jù)，判斷當日是否存在制冷制熱需求，并根據(jù)當日的冷熱程度模擬制冷制熱能耗情況。
模擬淺層地熱換熱能力與埋管面積的關(guān)系；同時學生根據(jù)模擬數(shù)據(jù)需要，設(shè)置生物質(zhì)能建設(shè)所需面具，以滿足模擬建筑制冷制熱能耗需求；
學習生物質(zhì)發(fā)電過程中，通過生物質(zhì)能電站的一系列參數(shù)，強化學生對于生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化公式學習。（最大生物質(zhì)電站功率=年供應(yīng)量*1000*平均能源折算系數(shù)*谷草比系數(shù)*殘余物能源利用可獲得系數(shù)/ 3600/365/24）
模擬白天時段，光伏發(fā)電設(shè)施每小時發(fā)電數(shù)據(jù)，體現(xiàn)出白天每小時光伏發(fā)電量隨光照強度變化、夜晚光伏沒有發(fā)電的量的特點；
根據(jù)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(zhì)電站價格對所設(shè)計的多能互補方案的建設(shè)總成本自動統(tǒng)計
在初始化并部署完成后，展示整個區(qū)域能源狀態(tài)，并根據(jù)預(yù)設(shè)值進行計算和輸出，根據(jù)輸出結(jié)果形成各類報表。包括總數(shù)據(jù)和日數(shù)據(jù)；
能源數(shù)據(jù)報表中，通過模擬時間過程，以及設(shè)計好的方案，可以顯示各種能源的產(chǎn)能情況，包括：總產(chǎn)能、光伏發(fā)電量、風力發(fā)電量、淺層地熱能量、生物質(zhì)能發(fā)電量以及外部電力輸入等。
根據(jù)用能模塊預(yù)設(shè)的用能參數(shù)，模擬計算出用能情況實時曲線與各類產(chǎn)能設(shè)施的產(chǎn)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(yīng)能源的設(shè)計配比。
命名：學生可自行對設(shè)計方案進行命名或重命名
刪除：教師或?qū)W生可刪除方案
四、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�？刹樵兊臄�(shù)據(jù)有：經(jīng)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(jù)選擇的組件尺寸，根據(jù)傾角自動計算出方陣最佳間距。
五、主要實驗實訓內(nèi)容
4.1太陽能電池板追日跟蹤系統(tǒng)
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(shù)設(shè)置與電能質(zhì)量分析
4.8太陽能發(fā)電系統(tǒng)運行與調(diào)試
4.9風光互補發(fā)電系統(tǒng)運行與調(diào)試
4.10能源監(jiān)控管理系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計
六、 主要配置技術(shù)參數(shù)