高职院校光伏专业实训方案.docx
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高职院校光伏专业实训方案
第一部分风光互补发电实训系统
（一、概述
全国职业院校技能大赛高职组“风光互补发电系统安装与调试”赛项使用的大赛设备是由南京康尼科技实业有限公司研发生产的产品“KNT-SPV01型风光互补发电实训系统”。
（二、设备组成
风光互补发电实训系统主要由光伏供电装置、光伏供电系统、风力供电装置、风力供电系统、逆变与负载系统、监控系统组成。
风光互补发电实训系统采用模块式结构，各装置和系统具有独立的功能，可以组合成光伏发电实训系统、风力发电实训系统。
（1）、设备尺寸：
光伏供电装置1610×1010×1550mm
风力供电装置1578×1950×1540mm
实训柜3200×650×2000mm
（2）、比赛场地面积：
20平方米
（三、各单元介绍
1、光伏供电装置
（1）、光伏供电装置的组成
光伏供电装置主要由光伏电池组件、投射灯、光线传感器、光线传感器控制盒、水平方向和俯仰方向运动机构、摆杆、摆杆减速箱、摆杆支架、单相交流电动机、电容器、直流电动机、接近开关、微动开关、底座支架等设备与器件组成，如图1所示。
图1光伏供电装置
4块光伏电池组件并联组成光伏电池方阵，光线传感器安装在光伏电池方阵中央。
2盏300W的投射灯安装在摆杆支架上，摆杆底端与减速箱输出端连接，减速箱输入端连接单相交流电动机。
电动机旋转时，通过减速箱驱动摆杆作圆周摆动。
摆杆底端与底座支架连接部分安装了接近开关和微动开关，用于摆杆位置的限位和保护。
水平和俯仰方向运动机构由水平运动减速箱、俯仰运动减速箱、直流电动机、接近开关和微动开关组成。
直流电动机旋转时，水平运动减速箱驱动光伏电池方阵作向东方向或向西方向的水平移动、俯仰运动减速箱驱动光伏电池方阵作向北方向或向南方向的俯仰移动，接近开关和微动开关用于光伏电池方阵位置的限位和保护。
（2）、光伏电池组件
光伏电池组件的主要参数为：
额定功率20W
额定电压17.2V
额定电流1.17A
开路电压21.4V
短路电流1.27A
尺寸430mm×430mm×28mm
2、光伏供电系统
（1）、光伏供电系统的组成
光伏供电系统主要由光伏电源控制单元、光伏输出显示单元、触摸屏、光伏供电控制单元、充/放电控制单元、信号处理单元、西门子S7-200PLC、继电器组、接线排、蓄电池组、可调电阻、断路器、12V开关电源、网孔架等组成。
如图3所示。
（2）、控制方式
光伏供电控制单元的追日功能有手动控制盒自动控制两个状态，可以进行手动或自动运行光伏电池组件双轴跟踪、灯状态、灯运动操作。
（3）、充、放电控制单元和信号处理单元
蓄电池的充电过程及充电保护由充电控制单元、信号处理单元及程序完成，蓄电池的放电保护由放电控制单元、信号处理单元完成，当蓄电池放电电压低于规定值，放电控制单元输出信号驱动继电器工作，继电器常闭触点断开，切断蓄电池的放电回路。
（3）、蓄电池组
蓄电池组选用4节阀控密封式铅酸蓄电池，主要参数：
容量12V18Ah/20HR
重量1.9kg
尺寸345mm×195mm×20mm
3、风力供电装置
（1）、风力供电装置的组成
风力供电装置主要由叶片、轮毂、发电机、机舱、尾舵、侧风偏航控制机构、直流电动机、塔架和基础、测速仪、测速仪支架、轴流风机、轴流风机支架、轴流风机框罩、单相交流电动机、电容器、风场运动机构箱、护栏、连杆、滚轮、万向轮、微动开关和接近开关等设备与器件组成，如图2所示。
图2风力供电装置
叶片、轮毂、发电机、机舱、尾舵和侧风偏航控制机构组装成水平轴永磁同步风力发电机，安装在塔架上。
风场由轴流风机、轴流风机支架、轴流风机框罩、测速仪、测速仪支架、风场运动机构箱体、传动齿轮链机构、单相交流电动机、滚轮和万向轮等组成。
轴流风机和轴流风机框罩安装在风场运动机构箱体上部，传动齿轮链机构、单相交流电动机、滚轮和万向轮组成风场运动机构。
当风场运动机构中的单相交流电动机旋转时，传动齿轮链机构带动滚轮转动，风场运动机构箱体围绕风力发电机的塔架作圆周旋转运动，当轴流风机输送可变风量风时，在风力发电机周围形成风向和风速可变的风场。
在可变风场中，风力发电机利用尾舵实现被动偏航迎风，使风力发电机输出最大电能。
测速仪检测风场的风量，当风场的风量超过安全值时，侧风偏航控制机构动作，使尾舵侧风45º，风力发电机叶片转速变慢。
当风场的风量过大时，尾舵侧风90º，风力发电机处于制动状态。
4、风力供电系统
（1）、风力供电系统的组成
风力供电系统主要由风电电源控制单元、风电输出显示单元、触摸屏、风力供电控制单元、充/放电控制单元、信号处理单元、西门子S7-200PLC、继电器组、接线排、可调电阻、断路器、网孔架等组成。
（2）、控制方式
风力供电控制单元的偏航功能有手动和自动两个状态，可以进行手动或自动可变风向操作。
可变风量是由变频器控制轴流风机实现。
手动操作变频器操作面板上的有关按键，使变频器的输出频率在0-50Hz之间变化，轴流风机转速在0至额定转速范围内变化，实现可变风量输出。
（3）、充、放电控制单元和信号处理单元
蓄电池的充电过程及充电保护由充电控制单元、信号处理单元及程序完成，蓄电池的放电保护由放电控制单元、信号处理单元完成，当蓄电池放电电压低于规定值，放电控制单元输出信号驱动继电器工作，继电器常闭触点断开，切断蓄电池的放电回路。
（4）、测风偏航
风力发电机风轮叶片在气流作用下产生力矩驱动风轮转动，通过轮毂将扭矩输入到传动系统。
当风速增加超过额定风速时，风力发电机风轮转速过快，发电机可能因超负荷而烧毁。
对于定桨距风轮，当风速增加超过额定风速时，如果气流与叶片分离，风轮叶片将处于“失速”状态，风力发电机不会因超负荷而烧毁。
对于变桨距风轮，当风速增加时，可根据风速的变化调整气流对叶片的攻角。
当风速超过额定风速时，输出功率可稳定地保持在额定功率上。
特别是在大风的情况下，风力机处于顺桨状态，使桨叶和整机的受力状况大为改善。
小型风力发电机多数是定桨距风轮，在大风的情况下，采用侧风偏航控制使气流与叶片分离，使风轮叶片处于“失速”状态，安全地保护风力发电机。
另外，还可以通过侧风偏航控制风力发电机保持恒定功率输出。
5、逆变与负载系统
（1）、逆变与负载系统的组成
逆变与负载系统主要由逆变电源控制单元、逆变输出显示单元、逆变控制单元、直流升压单元、全桥逆变单元、逆变器参数检测模块、变频器、三相交流电机、发光管舞台灯光模块、警示灯、接线排、断路器、网孔架等组成。
1）、逆变电源控制单元
逆变电源控制单元主要由断路器、+24V开关电源、AC220V电源插座、指示灯、接线端子DT14和DT15等组成。
2）、逆变输出显示单元
逆变输出显示单元主要由交流电流表、交流电压表、接线端子DT16和DT17等组成。
3）、逆变与负载系统主电路
逆变与负载系统主要由逆变器、交流调速系统、逆变器测试模块、发光管舞台灯光模块和警示灯组成。
逆变器的输入由光伏发电系统、风力发电系统或蓄电池提供，逆变器输出单相220V、50Hz的交流电源。
交流调速系统由变频器和三相交流电动机组成，逆变器的输出AC220V电源是变频器的输入电源，变频器将单相AC220V变换为三相AC220V供三相交流电动机使用。
逆变电源控制单元的AC220V电源由逆变器提供，逆变电源控制单元输出的DC24V供发光管舞台灯光模块使用。
逆变器测试模块用于检测逆变器的死区、基波、SPWM波形。
（2）、逆变装置
逆变器是将低压直流电源变换成高压交流电源的装置，逆变器的种类很多,各自的具体工作原理、工作过程不尽相同。
本实训装置使用的逆变装置由DC-DC升压单元、逆变控制单元、全桥逆变单元组成，逆变的工作过程是将蓄电池的12V直流电通过DC-DC和DC-AC变换，转变成正弦波220/50Hz（可调）的工频交流电。
本逆变器有很多优点，升压部分由SG3525驱动两个升压MOS管，SG3525脉宽调试控制器，不仅具有可调整的死区时间控制功能，而且还具有可编程式软启动，脉冲控制锁保护等功能。
全桥逆变部分采用具有DSP性能的嵌入式微处理器TMS320F2812实现SPWM的调制，同时能够与上位机的远程通讯，实现数据的上载与下载等功能。
6、监控系统
（1）、监控系统组成
监控系统主要由一体机、键盘、鼠标、接线排、电源插座、通信线、微软操作系统软件、力控组态软件组成。
（2）、监控系统功能
4）、通信
监控系统与光伏充、放电控制器，风能充、放电控制器，逆变控制器、仪表、PLC、变频器通信。
5）、界面
1、监控系统具有主界面，光伏供电系统界面，风力供电系统界面，逆变与负载系统界面，风光互补能量转换界面，分别显示各自的运行状态参数。
2、光伏供电系统界面设置相应的按钮，实现光伏电池方阵自动跟踪。
3、风力供电系统界面设置相应的按钮，实现风力发电单元变频器控制和测风偏航控制。
4、具有光伏发电采集报表和风力发电集报表，记录光伏输出电压、电流，风力发电机的输出电压、电流；逆变与负载系统的逆变输出电压、电流、功率等数据并打印数据报表。
（四、主要实验实训内容
1）、单晶硅光伏电池单体的工作原理实验
2）、太阳能电池组件方阵设计实验
3）、光伏供电装置的组成与控制实验
4）、PLC编程手动、自动控制光伏电池追踪太阳实验
5）、光敏电阻、电压比较器的工作特性实验
6）、光线传感器工作原理实验
7）、光伏供电系统电气控制原理设计
8）、光伏电池的I-U特性测试实验
9）、光伏电池的输出功率特性实验
10）、DSP控制器对蓄电池的脉宽调制充电过程实验
11）、DSP控制器对蓄电池的放电保护实验
12）、蓄电池实际充电检测实验
13）、蓄电池模拟充电实验
14）、水平轴永磁同步风力发电机的组成安装实验
15）、模拟风场的设计与搭建实验
16）、风力发电机被动偏航与主动偏航原理实验
17）、水平轴永磁同步风力发电机被动偏航中侧风偏航机构设计
18）、风力供电系统的组成及工作原理
19）、可变风向和可变风量控制实验
20）、风力供电系统电气控制原理实验
21）、风力发电机偏航手动、自动控制方式实验
22）、风力发电机输出特性测试
23）、逆变器工作原理实验
24）、SG3525实验
25）、逆变器基波、SPWM、死区等波形检测实验
26）、上位机下载逆变几波频率、死去时间、调制比等参数实验
27）、逆变器不同负载设计连接实验
28）、上位机与各单元通信方式与连接实验
29）、通信协议设定实验
30）、三维组态力控软件的应用实验
31）、力控软件的基本开发流程实验
五、主要技术参数
一、风力供电装置
序号
名称
技术参数
数量
1
水平轴永磁同步风力发电机
输出功率：
300W
输出（整流）电压：
＞+12V
叶片旋转直径：
1.2m
叶片数量：
3个
叶片材质：
玻璃纤维
启动风速：
1m/s
切入风速：
1.5m/s
安全风速：
25m/s
偏航：
程序控制自动偏航
偏航电机：
工作电压（DC24V）、转速（25rpm）
1
2
风速仪
输出电压：
0-5V
风碗数：
3个
1
3
轴流通风机
流量：
2100m3/h
电压：
380V（由变频器控制）
全压：
215Pa
频率：
50Hz
功率：
0.37Kw
转速：
1400r/min
轴流风机支架
轴流风机框罩
1
4
风向控制电机
减速比：
1：
40
电压：
AC220V
和运动机构的链接机构：
链轮
1
二、光伏供电装置
序号
名称
技术参数
数量
1
电池组件
功率：
20W
误差：
±5%
输出电压：
17.2V
输出电流：
1.17A
开路电压：
21.4V
短路电流：
1.27A
工作环境温度：
45℃±2℃
尺寸：
430×430×28mm
4
2
追日传感器
输出电压：
0-5V
跟踪精度：
1度
结构：
4电桥
1
3
投射灯
摆臂机构：
涡轮蜗杆结构（2个减速箱）
电压：
220V
频率：
50Hz
电流：
1.36A
最大功率：
300W
2
4
追日机构
结构：
涡轮蜗杆结构（减速箱）
驱动：
直流电机
轴数：
双轴二维
1
三、风力供电系统
序号
名称
技术参数
数量
1
电源控制单元
含漏电保护断路器，AC220V和DC24V状态指示灯、电源插座
1
2
风电控制电源单元
含漏电保护断路器，AC220V和DC24V状态指示灯
1
3
触摸屏
7",彩色
1
4
充、放电控制器
核心板，接口底板，信号处理板
1
5
直流输入单元
电流表：
DC0-5A
电压表：
DC0-500V
接口：
RS485
1
6
风力供电控制单元
风场运动方向：
顺时、逆时
轴流风机控制：
给风
偏航控制：
偏航、停止
自动控制：
启动、急停
1
7
PLC
S7-200CPU224
1
8
变频器
MM420-0.37Kw
9
可调电阻
范围：
0-1000Ω，无级可调（有刻度）
1
四、光伏供电系统
序号
名称
技术参数
数量
1
电源控制单元
含漏电保护断路器，AC220V和DC24V状态指示灯、电源插座
1
2
光伏控制电源单元
含漏电保护断路器，AC220V和DC24V状态指示灯
1
3
触摸屏
7",彩色
1
4
充、放电控制器
核心板，接口底板，信号处理板
1
5
直流输入单元
电流表：
PA1951-AK1G，DC0-5A
电压表：
PZ195U-AK1G，DC0-500V
接口：
RS485
1
6
光伏供电控制单元
电池板跟踪方向：
东、南、西、北
投光灯控制：
灯1、灯2
投光灯运动方向：
东西、西东、停止
自动控制：
启动、急停
1
8
PLC
S7-200CPU226
1
9
可调电阻
范围：
0-1000Ω，无级可调（有刻度）
1
五、逆变与负载系统
序号
名称
技术参数
数量
1
逆变输出显示单元
电流表：
AC0-5A
电压表：
AC0-500V
接口：
RS485
1
2
逆变控制电源单元
含漏电保护断路器，AC220V和DC24V状态指示灯
1
3
逆变装置
输入电压：
DC12V
输入电压范围：
DC9.5V-15.5V
输出电压：
AC180~220V可调±5%
额定输出电流：
1.4A
输出频率：
50Hz~60Hz可调±0.5Hz
额定功率：
300VA
输出波形：
正弦波
波形失真：
＜5%
转换效率：
＞85%
4
开关电源
型号：
DR-120-24
输入电压：
AC220V
输出电压：
DC24V
输出电流：
5A
1
5
变频器
MM420-0.37Kw
1
6
电机负载
功率：
25W
电压：
AC220V
转速：
1300rpm
1
7
模拟舞台灯光负载
二极管字样为“KNT”的发光模块
1
8
阀控密封式铅酸蓄电池
容量12V18Ah/20HR
重量1.9kg
尺寸345mm×195mm×20mm
4
六、监控系统
序号
名称
技术参数
数量
1
工控机
6个串口，含键盘鼠标
1
2
组态软件
力控6.1
1
3
打印机
HPDeskjt1000
1
七、实验台
序号
名称
技术参数
数量
1
网孔板实验台
竖式网孔板基本结构：
下方为工具箱+4个轮子，上方为竖式网孔板
尺寸：
800（长）×600（宽×2000（高）
外框架构成：
铝合金型材；
内嵌喷塑钢板
钢板尺寸：
1200mm×820mm
钢板厚度：
2mm
钢板孔规格：
上方孔尺寸6×10mm，孔左右间距为6mm，上下间距为6mm且错位8mm；
网孔板配有推拉式抽屉，抽屉采用型材外框、2mm钢板底部；
网孔架底部装有滑轮。
4
2
微软操作系统软件
WindowXP
1
3
通讯电缆
0.3mm²双芯屏蔽线
1
4
实验指导书
风光互补发电系统实训指导书
1
第二部分：
1KW光伏智能（离）并网发电实训系统
一、概述
本项目结合光伏离网发电和并网发电开发的光伏发电实验平台，进行相关的科研与教学实验。
该光伏系统总装机装机容量为1kWp，采用4块250Wp光伏组件及1.58kwh蓄电池储能单元，通过1台1kW的并网逆变器接入就近低压配电室（单相220VAC）交流电网，或通过1台1kw光伏离网控制和逆变器直接接入离网用户负载系统。
4块电池组件采用固定支架安装，并网发电时采取串联方式接入并网发电系统，离网发电时采取2串2并接入离网发电系统。
重要负载由智能ATS能量管理系统控制供电，实现公网断电续航功能。
工控机可连接智能控制器，采集智能仪表，控制器和逆变器等设备数据，对单个独立系统进行一体化监控控制。
多个实训系统可以组成分布式以太网网络。
由工控机、监控软件、以太网交换机、远程软件和环境侦测等设备和软件组成，可以实现数据采集（包括光伏电站、储能系统、负载、环境），数据处理，系统安全和权限管理，统计和报表，历史数据查询与分析，数据储存，图表化分析，对负载运行状态进行管理、经济运行分析、故障检测与保护等方面的功能，实现对整个系统的集中监控。
二、技术方案
（一）设计规范
①GB/T19939-2005《光伏系统并网技术要求》
②GB/T19064-2003《家用太阳能发电系统技术条件》
③GB/T9535-1998《地面用晶体硅光伏组件设计鉴定和定型》
④GB/T18479-2001Eqv.IEC61277（1995）《地面用光伏发电系统-概述及导则》
⑤GB/T20046-2006《光伏系统电网接口特性》
⑥GB/T2297-1989《太阳能光伏能源系统术语》
⑦GB50052——95《供配电系统设计规范》
⑧GB50054——95《低压配电设计规范》
⑨GB50057-94《建筑物防雷设计规范》
（二）技术原理
在有公共电网的地区，一般将光伏发电与电网并联，采用并网运行方式，这种方式结构简单，同时增加了蓄电池储能离网发电系统单元，保证了系统最大效率和可靠性，同时具有更好的先进性、经济性、实用性。
光伏离网发电系统原理图
光伏并网发电系统原理图
（三）技术方案
①电站接入选择
本工程按照用户侧并网光伏发电站设计，并入电网用电。
优先采用太阳能光伏发电，余电上网，不足部分可由外部电网供给。
②安装容量选择
根据现场勘查，安装太阳能组件数量4块，峰值功率250Wp，总装机容量1kWp。
③光伏系统构成
⑴光伏并网发电系统主要由光伏组件、并网逆变器、光伏支架、线缆、汇流箱、交直流配电柜及监控系统等组成；增加离网发电系统由光伏组串切换系统、离网控制器逆变器、储能管理单元、负载切换控制管理单元。
其中交直流配电柜及监控系统可根据用户实际情况选择安装。
⑵此光伏并网发电系统将采用分布式并网的设计方案，将1kWp光伏系统通过1台1kW的并网逆变器接入就近低压配电室（单相220VAC）交流电网，实现并网发电。
离网发电时，先将组件组串方式切换为离网系统电压等级，通过离网控制器逆变器输出到离网负载。
⑶根据常用规格并网逆变器的MPPT工作电压范围（50～400V），4个电池串列接入并网逆变器；根据离网系统电压等级，4个电池组件2串2并接入系统。
④系统安装方式
4.1该项目电站安装于地面上，采用混凝土基座式安装方式，安装时在地面上预留若干的基础支墩，置于地面，在支墩表面预留钢板法兰。
4.2为了减少光伏电池组件到逆变器之间的连接线，以及方便维护操作，直流侧采用分段连接、逐级汇流的方式连接，即通过光伏防雷汇流箱将光伏阵列进行汇流，再通过专用线缆桥架接入配电室内的光伏逆变器。
⑤系统防雷配置
此系统还要配置直流防雷配电柜，该配电柜包含了直流防雷配电单元。
其中：
直流防雷配电单元是将汇流箱进行配电汇流，分别接入就近光伏设备室的光伏逆变器，经逆变后的交流电通过计量表并入配电箱低压侧，向照明设备及其它负载提供电力。
⑥方阵最佳倾角设计
一般为水平上的太阳辐射量，换算成光伏阵列倾斜面的辐射量，才能进行光伏系统发电量的计算，以上数据都是来源于气象监测站。
光伏电站的倾角以固定方式安装太阳能光伏阵列。
在夏天太阳的辐射能是最强最多的时候，冬天太阳的辐射能量相对于来较少，故在设计离网电站时，考虑电站月平均最大发电量，根据当地全年倾角与辐射量，确定安装并网型太阳能电池阵列倾角。
⑦光伏组件的安装固定：
用热镀锌型材。
⑧储能系统1.58KWh
⑴对离网管理系统和储能电池的实时运行信息、报警信息进行全面的监视，并对储能进行多方面的统计和分析，实现对储能的全方面掌控。
⑵储能监控主要实现以下功能：
可实时显示离网系统运行状态、告警信息等；可对离网系统的管理参数进行远方查询、修改。
可显示电池管理系统的实时信息，可分组查询各组电池电压、电流等参数，可查询各单体电池的工况。
可实时显示储能系统当前可放电量、可充电量、最大放电功率、当前放电功率、可放电时间、今日总充电量、今日总放电量。
能对电池充放电时间、充放电电流、电池保护电压进行控制，实现对离网控制器相关参数的调节。
⑨负载系统：
5WLed照明灯，数量2个；5W风扇，数量2个.
⑩主要设备选型
（1）电池组件
太阳能组件性能：
太阳能路灯系统根据系统输出功率要求将一定数量的晶体硅太阳能电池组件按照系统电压的要求串联后方可输出系统要求的电压。
太阳能电池组件是光伏系统的关键部件，由其将接受到的太阳光能量直接转换为电能。
选择太阳能电池组件，主要考虑光电转换效率和使用年限，这主要和太阳能电池板组件采用的原材料及封装工艺有关，应采用专业定制的高效硅太阳能电池、高透光率的钢化玻璃、抗腐蚀铝合金边框等材料。
由于硅晶片采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，因此其坚固耐用，使用寿命一般在25年以上。
防护等级IP65。
太阳能电池组件结构图（见下图）
组件选用晶体硅250Wp,有关技术参数如下：
峰值功率Pm：
250Wp
短路电流Isc：
8.8A
开路电压Uoc：
38.1V
最佳工作电流：
8.15A
最佳工作电压：
30.7V
转换效率＞17%
绝缘电阻大于200MΩ
使用寿命大于25年（25年时，效率不低于初期80%）
（2）并网逆变器
逆变器的原理和功能介绍：
逆变器也称逆变电源，是将直流电能转变成交流电能的交流装备，是太阳能光伏发电系统的一个重要部件。
由于太阳能电池发出的是直流电，当进行光伏并网和负载是交流负载时，逆变器是不可缺少的。
逆变器的基本要求：
①能输出一个电压稳定地交流电。
无论是输入电压出现波动，还是负载发生变化，它都能达到一定的电压稳定精度，静态时一般为±2％。
②能输出一个频率稳定的交流电。
要求该交流电能达到一定的频率稳定精度，静态时一般为±0.5％。
③输出的电压及频率在一定范围内可以调试。
一般输出可调电压范围为±5％，输出频率可调范围为±2Hz。
④具有一定的过载能力，一般能过载125％-150％。
当过载150％时，能持续30s；当过载125％时，应能持续1min及以上。
⑤输出电压波形含谐波成分应尽量小。
一般输出波形的失真率应控制在7％以内，以利于缩小滤波器的体积。
⑥具有短路、过载、过热、过电、欠电压等保护功能和报
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