TW-SNY28C 大型風力發電係統、光伏工程實訓平台

（工程型）

概述

本實訓平台參照兆瓦級風機控製係統設計，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台控製櫃。

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、偏航變槳控製係統、能源轉換儲存控製係統、風能變流器係統。可以實現風機變槳係統、電氣係統、偏航係統的控製過程實訓和風機的整機運行演示。可用於職業院校學生的風力發電電動變槳偏航裝置電氣控製操作及電氣故障、風電並網控製技術培訓，也可用於風電檢修工技能鑒定培訓。

實訓平台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係統。

設備組成

TW-SNY28 大型風力發電係統實訓平台台主要由模擬光源跟蹤裝置、模擬風能裝置、模擬能源控製係統、能源轉換儲存控製係統、並網逆變控製係統和能源監控管理係統六個部分組成，如圖1所示。

TW-SNY28 大型風力發電係統實訓平台采用模塊式結構，各裝置和係統具有獨立的功能，可以組合成光伏發電實訓平台、風力發電實訓平台。

設備尺寸： 模擬光源跟蹤裝置 2000mm×1500mm×2000mm

模擬風能裝置 1300mm×1100mm×2600mm

實訓櫃（4個）  3200mm×650mm×2000mm

場地麵積：25平方米

圖1 TW-SNY28 大型風力發電係統實訓平台（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、側風偏航控製機構、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、連杆、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、尾舵和側風偏航控製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，側風偏航控製機構動作，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，風力發電機處於製動狀態。

模擬能源控製係統

2.1 光伏供電單元

係統的組成

模擬能源控製係統主要由光伏電源控製單元、光伏輸出顯示單元、觸摸屏、光伏供電控製單元、ARM控製單元、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。

控製方式

光伏供電控製單元的追日功能有手動控製盒自動控製兩個狀態，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控製單元和接口單元

蓄電池的充電過程及充電保護由ARM控製單元、接口單元及程序完成，蓄電池的放電保護由ARM控製單元、接口單元及繼電器完成，當蓄電池放電電壓低於規定值，ARM控製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製單元、風電輸出顯示單元、觸摸屏、風力供電控製單元、ARM控製單元、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。

控製方式

風力供電控製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製軸流風機實現。手動操作變頻器操作麵板上的有關按鍵，使變頻器的輸出頻率在0-50Hz之間變化，軸流風機轉速在0至額定轉速範圍內變化，實現可變風量輸出。

ARM控製單元和側風偏航

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係統。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。

對於定槳距風輪，當風速增加超過額定風速時，如果氣流與葉片分離，風輪葉片將處於“失速”狀態，風力發電機不會因超負荷而燒毀。

對於變槳距風輪，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，風力機處於順槳狀態，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，采用側風偏航控製使氣流與葉片分離，使風輪葉片處於“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製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製單元、風電輸出顯示單元、觸摸屏、風力供電控製單元、ARM控製單元、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） 控製方式

風力供電控製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製軸流風機實現。手動操作變頻器操作麵板上的有關按鍵，使變頻器的輸出頻率在0-50Hz之間變化，軸流風機轉速在0至額定轉速範圍內變化，實現可變風量輸出。

（3） ARM控製單元和側風偏航

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係統。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。

對於定槳距風輪，當風速增加超過額定風速時，如果氣流與葉片分離，風輪葉片將處於“失速”狀態，風力發電機不會因超負荷而燒毀。

對於變槳距風輪，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，風力機處於順槳狀態，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，采用側風偏航控製使氣流與葉片分離，使風輪葉片處於“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製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

並網逆變、負載控製係統

係統的組成

逆變與負載係統主要由逆變電源控製單元、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、發光管舞台燈光模塊、警示燈、接線排、斷路器、網孔架等組成。

逆變電源控製單元

逆變電源控製單元主要由斷路器、+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。

逆變與負載係統主電路

逆變與負載係統主要由逆變器、交流調速係統、逆變器測試模塊、發光管舞台燈光模塊和警示燈組成。

逆變器的輸入由光伏發電係統、風力發電係統或蓄電池提供，逆變器輸出單相220V、50Hz的交流電源。交流調速係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。逆變電源控製單元的AC220V電源由逆變器提供，逆變電源控製單元輸出的DC24V供發光管舞台燈光模塊使用。逆變器測試模塊用於檢測逆變器的死區、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控製芯片單元、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。

能源監控管理係統

能源監控管理係統

能源監控與管理係統主要由一體機、鍵盤、鼠標、接線排、電源插座、通信線、微軟操作係統軟件、力控組態軟件組成。

監控係統功能

通信

監控係統與控製器、PLC、儀表進行通信。

界麵

監控係統具有主界麵，模擬能源控製係統界麵，風力供電單元界麵，逆變與負載係統界麵，風光互補能量轉換界麵，分別顯示各自的運行狀態參數。

模擬能源控製係統界麵設置相應的按鈕，實現光伏電池方陣自動跟蹤。

風力供電單元界麵設置相應的按鈕，實現風力發電機側風偏航控製。

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；逆變與負載係統的逆變輸出電壓、電流、功率等數據並打印數據報表。

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 解纜係統原理實訓

4.5 並網逆變器工作原理實訓

4.6並網逆變器參數設置與電能質量分析

4.7風力發電係統運行與調試

4.8能源監控管理係統組態設計

光伏工程實訓係統

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、光線傳感器控製盒、水平方向和俯仰方向運動機構、擺杆、擺杆減速箱、擺杆支架、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光伏供電係統

光伏供電係統主要由輔助電源控製單元、光伏輸出顯示單元、光伏跟蹤控製單元、光伏彙流單元、控製器模塊、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、網孔麵板、線槽、鋁型材等組成。如圖1-2所示。

2.5逆變與負載係統

逆變與負載係統主要由控製器輸出單元、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、網孔麵板、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）光伏供電係統實訓

1）光伏供電係統接線

2）光線傳感器原量

3）光伏電池組件光源跟蹤控製程序設計

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）光伏供電係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，由蝸杆減速機擺動，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)太陽能跟蹤係統：采用雙軸二維跟蹤方式，水平270±5°，俯仰75±5°，精度±0.5°；

6)跟蹤控製單元：手動/自動模擬光源運動與光伏跟蹤控製采用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)太陽能控製器：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、夜間防反衝、防雷、限流、過充、過放、負載過載、短路等保護；

10)風機控製器：電壓DC12V(整流)、額定電流5A、PWM(脈衝寬度調製)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、偏航控製信號或刹車信號輸出功能；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：實時監測並存儲係統發電、用電與環境參數等信息，實時對模擬光源、光伏跟蹤等進行控製；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	光伏供電裝置台架	長×寬×高:1800mm×1700mm×1600mm（運行安全占地尺寸）	1台
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； 光照度範圍：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：渦輪蝸杆結構（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	彙流箱	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、光伏供電係統
序號	名稱	技術參數	數量
1	光伏供電係統台架	長×寬×高:945mm×610mm×1900mm	1台
2	光伏電源控製單元	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	含顯示單元麵板、顯示單元盒體、控製盒側邊型材、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）電源工作範圍：AC、DC 80-270V；頻率50/60Hz；功率≤5VA	1套
4	光伏供電控製單元	電池板跟蹤方向：東、南、西、北 投光燈控製：燈1、燈2 投光燈運動方向：東西、西東、停止 自動控製：啟動、急停	1套
5	充、放電控製器	含核心板，接口底板，充電板 額定電壓DC12V、額定電流DC5A、PWM脈衝寬度調製）方式充電；微控製器采用ARM內核32位高性能大容量芯片；軟件基於C語言嵌入式實時操作係統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、夜間防反衝、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	可調範圍：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、逆變與負載係統
序號	名稱	技術參數	數量
1	逆變與負載係統台架	長×寬×高:945mm×610mm×1900mm	1台
2	逆變輸出顯示單元	含顯示單元麵板、顯示單元盒體、控製盒側邊型材、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）電源工作範圍：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：螺杆安裝 防護等級：IP55防塵、防水	1個
4	逆變控製器	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；微控製器采用ARM內核32位高性能大容量芯片；軟件基於C語言嵌入式實時操作係統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、監控係統
序號	名稱	技術參數	數量
1	組態軟件	MCGS昆侖組態	1個