风光互补发电实训系统实训方案.doc

风光互补发电实训系统实训方案KNT-WP01型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，如图1所示。KNT-WP01型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。一、 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2所示。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 430mm430mm28mm2、 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 12V 18Ah/20HR重量 1.9kg尺寸 345mm195mm20mm3、 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3所示。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45，风力发电机叶片转速变慢。当风场的风量过大时，尾舵侧风90，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、 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。、 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。、 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。、 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。二、 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风力发电机组虚拟仿真系统实训方案1仿真系统总体结构仿真系统软件包括计算机操作系统软件、仿真支撑系统平台软件、仿真模型软件、3D虚拟现实仿真软件、教练员功能软件、虚拟平台软件、电网计算分析软件、网络I/O通讯软件、音响仿真软件、一次设备三维交互式虚拟场景系统软件、远程仿真教学管理软件等；要求各软件开放性好，易于员工的后期开发与维护。2.仿真范围2.1 仿真对象按物理原理建立风力发电场模型，仿真风力发电场的静态特性和动态特性，及其对电网的影响。仿真其并网和调节方式。仿真其实际控制功能，控制策略和运行。风力发电场仿真范围为主设备及重要辅助设备，包括风电发变机组、母线系统、升压变电站、风电发电机组并网系统（含变流器控制）、控制系统、偏航系统、监控系统、继电保护系统、PLC安全自动装置系统、变桨系统、齿轮箱及传动系统、液压控制系统、安全链系统、润滑油系统、风机制动、润滑油系统、箱式变电站、场用电系统、AGC/AVC、SVG无功补偿装置等系统。建立风力发电场三维虚拟现场，仿真就地操作、设备巡视、设备异常及其处理。风力发电场主要设备交互式三维模型，如MW级风力发电机组、变桨系统、齿轮箱等。满足结构认知、安装、检修等三维仿真。2.2 仿真范围、标准 被仿真的个风电场的风电集控中心包含能实现集控中心系统所有功能的仿真，仿真系统能实时、准确、有效地仿真风电场的集中监视和控制。上级调度中心可以对风电集控中心、风电场和风电机组直接控制，上级调度中心不在仿真范围之内，但作为外部参数可以直接作用于集控中心、风电场、风电机组。2.2.1集控中心的仿真范围、仿真标准概述被仿真的风电集控中心包含能实现集控中心系统所有功能的仿真，仿真系统能实时、准确、有效地仿真风电场的集中监视和控制。上级调度中心可以对风电集控中心、风电场和风电机组直接控制，上级调度中心不在仿真范围之内，但作为外部参数可以直接作用于集控中心、风电场、风电机组。、正常情况下，各风电场同时和集控中心、上级调度中心直接通讯，集控中心向上级调度中心自动化系统传送各风电场及升压站的运行参数和信息数据，并接受上级调度命令和要求，实现集控中心与上级调度中心之间的数据传输和监控通讯，当集控中心与某个风电场通讯中断时，由风电场及升压站通过电力调度数据网向上级调度中心传送实时数据及主要运行参数。、集控中心设有其监控范围内各风电场完整的数据和历史数据，包括风机、风电场气象信息、风电场功率、数值天气预报、风电场升压站数据。、各风电场及升压站设置一套完整的监控系统，风机机组配有各自监控系统，风电场及升压站采用全计算机监控方式，集控中心正常运行时，各风电场及升压站计算机监控系统接受集控中心的远程监视和控制指令，实现遥控、遥信、遥测、遥调和管理功能。、风电场实现无人或少人值守的运行方式，所有调控指令均由集控中心发出，按电力系统调度命令，各风电场值守人员只负责监视和巡查，仅在特殊情况下才进行必要的操作。、在风电场侧设置风电综合通讯管理终端，实现风机信息采集和历史数据存储功能，为了实现实时数据和历史数据的混合传送即数值天气预报文件、风电功率预测结构上传下达，按国家规定通讯传输规约，应用于终端和主站系统的通讯。、远程监控系统采用开放式分层分布式结构，全分布数据库，整个系统分为集控中心主控级和各风电场分控级个主要层次，通过不同的软硬件体现结构，统一的网络通讯程序和运行控制模式，实现集控中心主控级对各风电场的实时监控功能2.3.3 仿真系统的基本功能（1） 人机联系（2） 正常监视（3）异常监视与处理当系统模拟发生事故或某些重要故障时，系统则自动转入故障、事故处理状态，自动推出相应故障、事故环境画面或指导画面，自动记录相应故障、事故信号，记录学员的事故处理操作。当进行某项设备操作时，自动推出相应操作控制画面与过程监视画面。（4）设备操作与控制受训人员可在仿真系统终端上在监控画面上、3D现场仿真软件的场景中进行各种设备的操作与控制。（5）防误操作系统具有完善的防误操作功能，自动对计算机系统的各项指令进行条件判断，满足条件则执行，不满足条件则闭锁，并给培训人员进行闭锁原因提示（需根据教员站功能设置是否解锁确定推出原因提示）或声光报警提示。（6）自动发电/电压控制系统进行AGC/AVC仿真。根据系统对集控中心对风电场的要求，如调功、调频等运行方式，对系统的频率、稳定极限进行监视，自动进行机组有功功率自动调整，对气候瞬间变化来判断风电机组是否起停。（7）模拟事故事故题库及场景需预先输入数据库服务器，教员通过教员工作站的事故模拟画面触发模拟事故，并通过该事故处理的有关监视画面监视学员操作处理情况，对学员的事故处理情况进行监视和考核。 （8）场景数据库仿真系统可将一些典型的运行方式场景或典型的历史场景保存下来，作为场景历史数据库。可以这些典型场景或历史场景为应用环境。培训人员在培训过程中如对某设备进行操作，相应的培训程序被启动，对运行和操作过程进行仿真模拟。（9）操作追忆操作追忆功能是学员可以通过仿真系统提供的人机界面，在某一场景画面上（比如“开机流程画面” ），回放过去某一段时间内本仿真系统的运行变化过程。（10）运行指导将风电场的一些重要而又复杂的操作条件以及进行这些操作形成的专家经验输入计算机，当进行这些操作时，仿真系统根据当前场景的状态进行条件判断，提出操作指导意见，在仿真系统中可让运行人员熟悉这些重要操作，在运行系统中的运用可以大大减轻运行人员的紧张程度，提高风电场的安全操作水平。（11）打印制表仿真系统可自动打印记录风电场运行的各种操作、故障、事故等各类报警语句，自动生成并自动定时或召唤打印各类报表、全天记录及运行日志等。系统同时保存一年的报表和报警历史数据，可随时查询及打印。运行日志可由工具软件定制。（12）控制权与控制区域管理1）控制权管理系统对不同的用户如系统管理员、教师、运行操作员、一般监视人员建立用户，进行授权管理，如运行操作员具有对现场设备的操作控制权。2） 控制区管理对于集控中心和风电场涉及的具体设备及操作员学员可将被控对象按区域授予控制权，如终端#站只能控制号风电场等，终端#站只能控制号风电场等。（13）教员站功能教员担负仿真运行控制及监视仿真过程的任务，丰富、方便、实用的教员站功能，是仿真系统能力得以发挥的重要手段，用户可以使用鼠标或键盘方便地完成各种仿真机的控制和监视。控制仿真机的启动，停止和工况变化；监视和控制学员的操作；设置和解锁流程断点、事故点；隐藏或开放事故原因分析指导或正常启动运行条件闭锁的部分或全部；增、删、改闭锁条件；改变仿真系统所有设备的运行状态、开关指示、模拟量（包含电气量、非电气量）数据显示、参数定值设置；（14）初始条件及参数选择用户可以方便选择设置几种典型运行方式和运行参数，装入或存贮任意初始运行工况，仿真装置出厂前应为用户提供部分初始条件。教员台可以控制学员机的工作状态。仿真机应能提供用于不同教学目的初始条件，教员可以从教员台上选择这些初始条件，并根据需要加入、修改或删除初始条件。（15）仿真机运行控制仿真机启动后，教员可对仿真机进行以下控制：1）运行2）冻结3）复位4）停止5）重操6）重演7）快存8）慢速9）快速（16）故障设置功能教员根据教学需要任意设置各种简单故障、复合故障和设备异常工况。在用户需要时刻，可以加入或取消教员站配置好的故障。可将故障进行合理的组合，以构成复杂故障。（17）系统状态监视通过各种图形画面及运行曲线监视仿真风电场的运行状态；通过列表查看历史及当前故障和操作记录。（18） 事件管理系统的事件来源大约有以下几种：学员站的操作事件；学员误操作引发导致的事件教员站的操作事件，包括设置、操作、模拟事故以及对仿真器的操作等；仿真器自动生成的各种事件，包括状态信号、过程信号、故障信号、事故信号、越限报警信号等；监控系统的各种诊断信号。上述事