TW-SNY28C 大型風力發(fā)電系統(tǒng)、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(tǒng)設計，具有形象的物理仿真對象，創(chuàng)造了良好的實訓環(huán)境，包括一套風力發(fā)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(xiàn)主動偏航和獨立變槳功能）；
2、能源管理、監(jiān)控管理及氣象站、偏航變槳控制系統(tǒng)、能源轉換儲存控制系統(tǒng)、風能變流器系統(tǒng)?？梢詫崿F(xiàn)風機變槳系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)的控制過程實訓和風機的整機運行演示?？捎糜诼殬I(yè)院校學生的風力發(fā)電電動變槳偏航裝置電氣控制操作及電氣故障、風電并網(wǎng)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(diào)試的風力發(fā)電實訓系統(tǒng)。
設備組成
TW-SNY28 大型風力發(fā)電系統(tǒng)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(tǒng)、能源轉換儲存控制系統(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。
TW-SNY28 大型風力發(fā)電系統(tǒng)實訓平臺采用模塊式結構，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。
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(fā)電系統(tǒng)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(fā)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(fā)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(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、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(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，側風偏航控制機構動作，使尾舵?zhèn)蕊L45o，風力發(fā)電機葉片轉速變慢。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)。
模擬能源控制系統(tǒng)
2.1 光伏供電單元
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S7-200PLC、繼電器組、接線排、蓄電池組、可調(diào)電阻、斷路器、12V開關電源、網(wǎng)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(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。
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(diào)電阻、斷路器、網(wǎng)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(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(nèi)變化，實現(xiàn)可變風量輸出。
ARM控制單元和側風偏航
風力發(fā)電機風輪葉片在氣流作用下產(chǎn)生力矩驅動風輪轉動，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，還可以通過側風偏航控制風力發(fā)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(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(nèi)變化，實現(xiàn)可變風量輸出。
（3） ARM控制單元和側風偏航
風力發(fā)電機風輪葉片在氣流作用下產(chǎn)生力矩驅動風輪轉動，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，還可以通過側風偏航控制風力發(fā)電機保持恒定功率輸出。
2.4 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 24Ah
重量 1.9kg
尺寸 345mm×195mm×20mm
并網(wǎng)逆變、負載控制系統(tǒng)
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。
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(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。
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(jiān)控管理系統(tǒng)
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。
監(jiān)控系統(tǒng)功能
通信
監(jiān)控系統(tǒng)與控制器、PLC、儀表進行通信。
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)界面設置相應的按鈕，實現(xiàn)光伏電池方陣自動跟蹤。
風力供電單元界面設置相應的按鈕，實現(xiàn)風力發(fā)電機側風偏航控制。
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。
主要實驗實訓內(nèi)容
4.1風力發(fā)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(tǒng)原理實訓
4.5 并網(wǎng)逆變器工作原理實訓
4.6并網(wǎng)逆變器參數(shù)設置與電能質(zhì)量分析
4.7風力發(fā)電系統(tǒng)運行與調(diào)試
4.8能源監(jiān)控管理系統(tǒng)組態(tài)設計
光伏工程實訓系統(tǒng)
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(tǒng)
光伏供電系統(tǒng)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(diào)電阻、斷路器、5V輔助開關電源、網(wǎng)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(tǒng)
逆變與負載系統(tǒng)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(wǎng)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(nèi)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(tǒng)實訓
1）光伏供電系統(tǒng)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(tǒng)的操作和使用注意事項
四、技術參數(shù)
1)太陽能電池組件：單晶組件，最大輸出功率20W，數(shù)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(tǒng)：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(tài)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(diào)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(wǎng)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(qū)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(jiān)控軟件：實時監(jiān)測并存儲系統(tǒng)發(fā)電、用電與環(huán)境參數(shù)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(shù)
|
數(shù)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(huán)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(huán)境：溫度-40°c-60°c
支持Modbus-RTU協(xié)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(shù)：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(shù)：2路；
輸出組數(shù)：1路；
|
1套
|
|
9
|
接近開關
|
介質(zhì)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(tǒng)
|
|
序號
|
名稱
|
技術參數(shù)
|
數(shù)量
|
|
1
|
光伏供電系統(tǒng)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(tài)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(shù)：單相
4)輸入方式：直流信號輸入
5)通信接口：RS485（Modbus RTU協(xié)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(diào)制）方式充電；微控制器采用ARM內(nèi)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(tǒng)RTOS開發(fā)，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(tài)指示、溫度補償?shù)裙δ?；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(diào)電阻
|
可調(diào)范圍：0~2000歐姆，連續(xù)可調(diào)
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(jié)
|
|
五、逆變與負載系統(tǒng)
|
|
序號
|
名稱
|
技術參數(shù)
|
數(shù)量
|
|
1
|
逆變與負載系統(tǒng)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(shù)：單相
輸入方式：交流信號輸入
通信接口：RS485（Modbus RTU協(xié)議）
1)精度等級：0.5級
2)顯示方式：LED
3)相數(shù)：單相
4)輸入方式：交流信號輸入
5)通信接口：RS485（Modbus RTU協(xié)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(nèi)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(tǒng)RTOS開發(fā)，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(qū)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(jiān)控系統(tǒng)
|
|
序號
|
名稱
|
技術參數(shù)
|
數(shù)量
|
|
1
|
組態(tài)軟件
|
MCGS昆侖組態(tài)
|
1個
|
