任務(wù)一　掌握風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)

一、風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)由能量產(chǎn)生、存儲(chǔ)和消耗三部分組成。太陽能、風(fēng)能發(fā)電部分屬于能量產(chǎn)生環(huán)節(jié)，將具有不確定性的太陽能、風(fēng)能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的能源。為了最大可能地消除由于天氣等因素引起的能量供應(yīng)與需求之間的不平衡，引入蓄電池來調(diào)節(jié)和平衡能量匹配，系統(tǒng)中的蓄電池用來承擔(dān)能量的儲(chǔ)存。能量消耗是指各種用電負(fù)載，有直流負(fù)載和交流負(fù)載兩類。工作電壓匹配的直流負(fù)載可以直接接入電路，工作電壓不匹配的直流負(fù)載通過直流變換器后接入電路。交流負(fù)載接入電路時(shí)需要配備逆變器。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)如圖2-1-1所示。

通過太陽能光伏組件，將太陽能轉(zhuǎn)換為直流電能，太陽能光伏組件安裝方式采用雙軸追日跟蹤系統(tǒng)。光伏陣列有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，可精確跟蹤日光，保證光線垂直照射光伏組件。為了減少光伏組件與控制器之間連接線，方便維護(hù)，提高可靠性，一般需要在光伏組件與控制器之間增加直流匯流裝置和直流配電箱。

光伏陣列經(jīng)匯流后可與MPPT控制系統(tǒng)相連，通過MPPT控制系統(tǒng)調(diào)整DC-DCBoost變換器的占空比（調(diào)節(jié)等效阻抗），實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。也可直接與直流負(fù)載相連，用于測試光伏特性。DC-DCBoost變換器的輸出端與智能充放電控制器相連，用于實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)。

通過變頻器控制風(fēng)速，輸出功率經(jīng)智能充放電控制器轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)到蓄電池。

蓄電池可直接帶直流負(fù)載，或經(jīng)過逆變裝置處理轉(zhuǎn)換為交流電能，再經(jīng)變壓器輸入電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。

監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)了解整個(gè)電站工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)控制與顯示功能，如光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度、光伏電池?cái)?shù)據(jù)監(jiān)控，逆變器狀態(tài)監(jiān)控，發(fā)電數(shù)據(jù)監(jiān)控等。

二、風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.結(jié)構(gòu)與組成

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)由模擬光源跟蹤裝置、模擬風(fēng)能裝置、模擬能源控制系統(tǒng)、能源轉(zhuǎn)換儲(chǔ)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)6個(gè)部分組成，各部分通過通信電纜和連接電纜連接，可形成一套能夠展示并可動(dòng)手設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。如圖2-1-2所示。

①模擬光源跟蹤裝置由4塊太陽能電池板、模擬光源、太陽能模擬追日跟蹤傳感器、太陽能電池板二維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和支架組成。

②模擬風(fēng)能裝置由原動(dòng)機(jī)及風(fēng)力發(fā)電機(jī)、連接模塊、三相整流模塊、傳動(dòng)裝置及基礎(chǔ)塔架組成。

③模擬能源控制系統(tǒng)由可編程序控制器（PLC）、三菱變頻器、筆記本電腦（用戶自配）、交流接觸器、開關(guān)電源、按鈕、繼電器和端子排等低壓電器組成。

④能源轉(zhuǎn)換儲(chǔ)存控制系統(tǒng)主要由光伏陣列匯流模塊、直流電壓電流采集模塊、溫度告警模塊、PWM驅(qū)動(dòng)模塊、CPU核心模塊、人機(jī)交互模塊、通信接口模塊、防雷器、智能型充放電控制器、蓄電池組、開關(guān)電源、直流電壓表、直流電流表等組成。

⑤并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)由核心模塊、接口模塊、液晶顯示模塊、鍵盤接口模塊、驅(qū)動(dòng)電路模塊、Boost電路模塊、母線電壓采樣模塊、電網(wǎng)電壓采樣模塊、電流采樣模塊、溫度告警模塊、通信接口模塊、開關(guān)電源、直流電機(jī)、方形指示燈、直流電壓表、直流電流表、多功能諧波表、隔離變壓器等組成。

⑥能源監(jiān)控管理系統(tǒng)由系統(tǒng)控制器模塊、繼電器模塊、通信接口模塊、15in平板電腦、鍵盤、鼠標(biāo)、組態(tài)軟件和開關(guān)電源等組成。

設(shè)備采用三相四線交流電源供電，設(shè)有漏電保護(hù)器、指示燈和保險(xiǎn)絲等，具有過載保護(hù)、短路保護(hù)和漏電保護(hù)裝置，在電壓異常或出現(xiàn)短路情況時(shí)自動(dòng)切斷電源，保護(hù)人身和設(shè)備安全。

設(shè)備采用實(shí)訓(xùn)專用鋁合金型材控制柜，金屬網(wǎng)孔板、面板，所有材料均符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。

2.基本配置

系統(tǒng)基本配置見表2-1-1。

三、模擬風(fēng)能控制單元的組成

模擬風(fēng)能控制單元的電路框圖如圖2-1-3所示。

模擬風(fēng)能控制單元主要由模擬風(fēng)能裝置、變頻器、交流接觸器、繼電器、控制開關(guān)、連接模塊、三相整流模塊和阻容吸收模塊組成。

①模擬風(fēng)能裝置　模擬風(fēng)能裝置主要由一臺(tái)原動(dòng)機(jī)和一臺(tái)發(fā)電機(jī)組成，原動(dòng)機(jī)通過同步帶帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，來模擬風(fēng)力發(fā)電的過程。

②變頻器　改變交流電機(jī)供電的頻率和幅值，達(dá)到平滑控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

③交流接觸器　在模擬風(fēng)能系統(tǒng)中配合電磁繼電器和控制開關(guān)控制變頻器啟動(dòng)和停止。

④電磁繼電器　可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的隔離、自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等功能，在模擬風(fēng)能系統(tǒng)中配合交流接觸器及控制開關(guān)控制變頻器啟動(dòng)和停止。

⑤控制開關(guān)　主要完成啟動(dòng)或停止變頻器。

⑥連接模塊　在控制對(duì)象與控制器之間起連接作用，方便插拔連接線。

⑦三相整流模塊　將發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相交流電整流為直流電輸出。

⑧阻容吸收模塊　濾除交流接觸器和繼電器吸合及斷開時(shí)產(chǎn)生的干擾脈沖。

1.模擬風(fēng)能裝置

模擬風(fēng)能裝置的結(jié)構(gòu)圖如圖2-1-4所示，主要由原動(dòng)機(jī)、同步帶和發(fā)電機(jī)構(gòu)成。

（1）原動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

名稱　變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)

型號(hào)　YVP802-4

額定電壓　AC 380V

額定電流　2A

額定功率　0.75kW

（2）發(fā)電機(jī)技術(shù)參數(shù)

名稱　MLH型風(fēng)力發(fā)電機(jī)

型號(hào)　MLH-300W

額定轉(zhuǎn)速　400r/min

額定功率　300W

輸出電壓　AC 24V

（3）同步帶技術(shù)參數(shù)

名稱　橡膠同步帶

型號(hào)　424XL

節(jié)線長　1076.90mm

齒數(shù)　212

2.變頻器

改變交流電機(jī)供電的頻率和幅值，達(dá)到平滑控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，變頻器可以優(yōu)化電機(jī)運(yùn)行，所以也能起到增效節(jié)能的作用。見圖2-1-5。

（1）技術(shù)參數(shù)

功率范圍0.4～0.75kW。通用矢量控制，1Hz時(shí)150％的轉(zhuǎn)矩輸出。采用長壽命元器件。內(nèi)置modbus-RTU協(xié)議。內(nèi)置制動(dòng)晶體管。擴(kuò)充PID，三角波功能，帶安全停止功能。

（2）變頻器結(jié)構(gòu)

變頻器結(jié)構(gòu)見圖2-1-6。

（3）變頻器參數(shù)設(shè)置

①操作面板　各部分名稱見圖2-1-7。

②基本操作　見圖2-1-8。

3.斷路器

斷路器是能接通、分?jǐn)喑休d線路正常電流，也能在規(guī)定的異常電路條件下（例如短路）和一定時(shí)間內(nèi)接通、分?jǐn)喑休d電流的機(jī)械式開關(guān)電器，適用于照明配電系統(tǒng)或電動(dòng)機(jī)的配電系統(tǒng)。主要用于交流50Hz/60Hz，單極230V，二、三、四極400V線路的過載、短路保護(hù)，同時(shí)也可以在正常情況下不頻繁地通斷電器裝置和照明線路。

各設(shè)備開關(guān)順序如表2-1-2所示。

4.交流接觸器

在模擬風(fēng)能裝置中配合電磁繼電器和控制開關(guān)控制變頻器啟動(dòng)和停止。如圖2-1-9所示。

（1）技術(shù)參數(shù)

①型號(hào)　LC1-D1810M5N 220V

②品牌　施耐德電氣-TE電器

③額定電壓　220V

④額定工作電流　18A

⑤額定功率　4kW

⑥觸點(diǎn)類型　1NC

⑦線圈控制電壓　AC 220V

⑧線圈頻率　50Hz

（2）端口定義

各端口定義如表2-1-3所示。

5.電磁繼電器及底座

可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的隔離、自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用，在模擬風(fēng)能系統(tǒng)中配合交流接觸器及控制開關(guān)控制變頻器啟動(dòng)和停止。如圖2-1-10所示。

（1）技術(shù)參數(shù)

①型號(hào)　ARM2F-L

②線圈電壓　AC 220V

③觸點(diǎn)容量　5A/28V DC/240V AC

④安裝方式　插拔式（帶燈指示）

（2）端口定義

各端口定義如表2-1-4所示。

6.控制開關(guān)

控制變頻器啟動(dòng)和停止。“綠色”按鈕為啟動(dòng)，“紅色”按鈕為停止。如圖2-1-11所示。

7.連接模塊

在控制對(duì)象與控制器之間起連接作用，方便插拔連接線。一個(gè)連接模塊提供兩個(gè)10芯連接器，最多可使用20根連接線。見圖2-1-12。

8.三相整流模塊

將發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相交流電整流為直流電輸出。

（1）原理圖

原理圖如圖2-1-13所示。

（2）端口定義

各端口定義如圖2-1-14和表2-1-5所示。

9.阻容吸收模塊

濾除交流接觸器和繼電器吸合及斷開時(shí)產(chǎn)生的干擾脈沖。

（1）原理圖

原理圖見圖2-1-15和圖2-1-16。

（2）端口定義

各端口定義如表2-1-6所示。

10.旋轉(zhuǎn)編碼器

（1）型號(hào)說明

型號(hào)說明如表2-1-7所示。

（2）電氣參數(shù)

電氣參數(shù)如表2-1-8所示。

（3）機(jī)械及環(huán)境參數(shù)

機(jī)械及環(huán)境參數(shù)如表2-1-9所示。

（4）接線表

接線表如表2-1-10所示。

11.三菱模塊FXON-3A

（1）三菱模塊介紹

FXON-3A模擬特殊功能塊有兩個(gè)輸入通道和一個(gè)輸出通道，輸入通道接收模擬信號(hào)并將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字值，輸出通道采用數(shù)字值并輸出等量模擬信號(hào)。FXON-3A的最大分辨率為8位。

（2）端子布局和接線

端子布局和接線如圖2-1-17所示。

當(dāng)使用電流輸入時(shí)，確保標(biāo)記為［VIN*1］和［IIN*1］的端子連接了。當(dāng)使用電流輸出時(shí)，不要連接［VOUT］和［IOUT］端子。*1此處識(shí)別端子編號(hào)1或2。

如果電壓輸入/輸出方面出現(xiàn)任何電壓波動(dòng)或者有過多的電噪聲，則要在位置*2連接一個(gè)額定值大約在25V，0.1～0.47μF的電容器。

四、風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)步驟

為了順利完成風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，確保實(shí)訓(xùn)時(shí)設(shè)備的安全、可靠及長期的運(yùn)行，實(shí)訓(xùn)人員要嚴(yán)格遵守如下安全規(guī)程。

1.實(shí)訓(xùn)前的準(zhǔn)備

①實(shí)訓(xùn)前仔細(xì)閱讀使用說明書，熟悉系統(tǒng)的相關(guān)部分。

②實(shí)訓(xùn)前仔細(xì)閱讀系統(tǒng)操作說明及實(shí)訓(xùn)的注意事項(xiàng)。

③實(shí)訓(xùn)前仔細(xì)閱讀變頻器的用戶手冊，了解變頻器的用法。

④實(shí)訓(xùn)前確保各系統(tǒng)控制柜電源處于斷開狀態(tài)。

⑤實(shí)訓(xùn)前根據(jù)實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書中相關(guān)內(nèi)容，熟悉此次實(shí)訓(xùn)的操作步驟。

2.實(shí)訓(xùn)中注意事項(xiàng)

①嚴(yán)格按照正確的操作步驟給系統(tǒng)通電和斷電，以免誤操作給系統(tǒng)帶來損壞。

②在操作系統(tǒng)的過程中，能源轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)控制系統(tǒng)蓄電池開關(guān)打開之后，有一個(gè)等待智能充放電控制器自檢初始化的過程，必須等到智能充放電控制器的“紅燈”滅掉后才能進(jìn)行下一步操作。

③在實(shí)訓(xùn)過程中，實(shí)訓(xùn)照明燈、模擬光源、電池板及周圍的金屬固件在光源的（長時(shí)間）照射下溫度會(huì)上升，操作者不要用手指直接去觸摸它們，以免燙傷。

④在實(shí)訓(xùn)過程中，有“危險(xiǎn)”標(biāo)志的地方為強(qiáng)電注意安全。

⑤在實(shí)訓(xùn)過程中，模擬能源控制系統(tǒng)變頻器的頻率設(shè)置不能過高（不大于20Hz）。

3.實(shí)訓(xùn)程序

（1）預(yù)習(xí)報(bào)告詳細(xì)完整，熟悉設(shè)備

實(shí)訓(xùn)開始前，指導(dǎo)教師要對(duì)學(xué)生的預(yù)習(xí)報(bào)告做檢查，要求學(xué)生了解本次實(shí)訓(xùn)的目的、內(nèi)容和安全實(shí)訓(xùn)操作步驟，只有滿足此要求后，方能允許開始實(shí)訓(xùn)。

指導(dǎo)教師要對(duì)實(shí)訓(xùn)裝置做詳細(xì)介紹，學(xué)生必須熟悉該次實(shí)訓(xùn)所用的各種設(shè)備，明確這些設(shè)備的功能與使用方法。

（2）建立小組，合理分工

每次實(shí)訓(xùn)都以小組為單位進(jìn)行，每組由2～3人組成。

（3）試運(yùn)行

在正式實(shí)訓(xùn)開始之前，先熟悉裝置的操作，然后按一定安全操作規(guī)范接通電源，觀察設(shè)備是否正常。如果設(shè)備出現(xiàn)異常，應(yīng)立即切斷電源并排除故障。如果一切正常，即可正式開始實(shí)訓(xùn)。

（4）認(rèn)真負(fù)責(zé)，實(shí)訓(xùn)有始有終

實(shí)訓(xùn)完畢后，應(yīng)請(qǐng)指導(dǎo)教師檢查實(shí)訓(xùn)資料。經(jīng)指導(dǎo)教師認(rèn)可后，按照安全操作步驟關(guān)閉所有電源，并把實(shí)訓(xùn)中所用的物品整理好，放回原位。

4.實(shí)訓(xùn)總結(jié)

這是實(shí)訓(xùn)的最后、最重要階段，應(yīng)分析實(shí)訓(xùn)現(xiàn)象并撰寫實(shí)訓(xùn)習(xí)題。每位實(shí)訓(xùn)參與者要獨(dú)立完成一份實(shí)訓(xùn)習(xí)題。實(shí)訓(xùn)習(xí)題的編寫應(yīng)持嚴(yán)肅認(rèn)真、實(shí)事求是的態(tài)度。

實(shí)訓(xùn)習(xí)題是根據(jù)實(shí)訓(xùn)中觀察發(fā)現(xiàn)的問題，經(jīng)過自己分析研究或組員之間分析討論后寫出的實(shí)訓(xùn)總結(jié)和心得體會(huì)，應(yīng)簡明扼要、字跡清楚、結(jié)論明確。

實(shí)訓(xùn)習(xí)題應(yīng)包括以下內(nèi)容：

①實(shí)訓(xùn)名稱、專業(yè)、班級(jí)、學(xué)號(hào)、姓名、同組者姓名、實(shí)訓(xùn)日期、室溫等；

②實(shí)訓(xùn)目的、實(shí)訓(xùn)內(nèi)容、實(shí)訓(xùn)步驟；

③實(shí)訓(xùn)設(shè)備的型號(hào)、規(guī)格、銘牌數(shù)據(jù)及設(shè)備編號(hào)；

④實(shí)訓(xùn)資料的整理；

⑤用理論知識(shí)對(duì)實(shí)訓(xùn)結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)，得出正確的結(jié)論；

⑥對(duì)實(shí)訓(xùn)中出現(xiàn)的現(xiàn)象、遇到的問題進(jìn)行分析討論，寫出心得體會(huì)，并提出自己的建議和改進(jìn)措施；

⑦實(shí)訓(xùn)習(xí)題應(yīng)寫在一定規(guī)格的報(bào)告紙上，保持整潔；

⑧每次實(shí)訓(xùn)每人獨(dú)立完成一份報(bào)告，按時(shí)送交指導(dǎo)教師批閱。

【練習(xí)題】

（1）學(xué)習(xí)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)基本組成，繪制風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)圖。

（2）學(xué)習(xí)系統(tǒng)的組成，列表并說明系統(tǒng)各部分的功能。

（3）學(xué)習(xí)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)安全注意事項(xiàng)，描述實(shí)訓(xùn)實(shí)施過程的4個(gè)程序。