室內外風光互補發電實訓系統

一、項目概述

室內外風光互補發電實訓系統為科研創新理念與實驗、實訓型相結合的集風力發電，光伏發電、鉛酸電池儲能（磷酸鐵鋰電池儲能）、的多元化“風、光混合型新能源發電實訓系統"。

室內外風光互補發電實訓系統由風力發電機組、太陽能電池方陣、風力及光伏控制系統、儲能控制系統所組成的微網發電系統。

其工作原理是風力、光伏發電系統發電，并由電池儲能，由儲能逆變系統轉換成交流電后接入電網，可離網運行亦可并網運行，在網端能耗負荷內完成削峰填谷功能。

在天氣晴朗的白天，系統運行在微網模式并在補充儲能電池容量的同時將多余電量通過逆變系統送入電網，到夜間再將儲能電池電能通過儲能逆變器送入電網以彌補由于夜間網端負荷過大造成的電網電壓過低，在儲能電池不夠用時，系統將轉入正常模式，一邊自行彌補儲能電池的虧空，一邊通過系統向負載供電。

圖1   系統拓撲圖

1.2 功能特點

①整套系統的各個模塊預留了CANRS485RS232USBTCPIP通訊接口，可以通過該通訊接口對系統中各個模塊進行監控，便于未來項目開發使用。

②系統實驗平臺集成了室內溫/濕度儀，風速測量、光照度測量系統，讓使用者操作起來更直觀；

③系統DC-AC并網同步電源，采用高頻脈沖調制技術，具有小體積、高效率及高功率因數輸出；

④系統面板上采用直觀的數字表和液晶顯示，讓用戶了解當前系統工作狀態；

⑤實訓系統，可以讓實訓學生自行拆裝移動，使用簡便、無噪音、無污染；

⑥系統增加市電與風光互補發電切換模塊，讓實驗更具操作性；

⑦增加分布式供電原理與實驗電路，讓學生增加對新知識的理解；

⑧增設直流母線單元，方便系統各模塊之間連接及實驗；

⑨獨立的后備膠體蓄電池及充放電管理單元；
二、方案參數概述
2.1風力發電系統的組成

風力發電機是利用風力帶動風車葉片旋轉、轉換為機械功，機械功帶動發電機轉子旋轉，最終輸出交流電的電力設備，是風力發電系統中的核心部件。

風力發電系統由一臺2KW垂直軸風力發電機組、尾翼、葉片、風機控制器塔架等組成。

注：此圖為垂直軸發電機組，用戶可選擇水平軸機組

廣義地說，風能也是太陽能，所以也可以說風力發電機，是一種以太陽為熱源，以大氣為工作介質的熱能利用發電機。
風力發電機參數：

安裝場地選擇

選擇土質堅實的平地作為安裝場地，安裝風力發電機的組位置應該至少遠離房屋及人員活動場所50米，務必在選定安裝場地時考慮到風葉的光影影響及風力發電機組運行時產生的噪音影響（正常工作時噪音約為65dbA）。同時避免周圍有高大的樹木、建筑物等影響風速風向的障礙物。

禁止安裝在松軟的沙地、高低不平的場地、有下陷或塌方可能的場地、洼地及其他容易受氣候影響而發生地質變化的場地。同時需要考慮從風力發電機的電機部分到您的蓄電池組的距離，距離越短，所用傳輸電纜越短，因而傳輸過程中的耗能也越少，如果必須得有較長的距離,則盡量選用粗些的標準電纜。
風力發電控制器

專為風力發電機控制和蓄電池充電而設計，能有效提升風力發電的效能。風能充電控制器，能有效防止風速過快時的失控，和發生強風時對風力發電機所產生的危險。

風力發電控制器是對風力發電機所發的電能進行調節和控制，一方面把調整后的能量送往直流負載或交流負載，另一方面把多余的能量按蓄電池的特性曲線對蓄電池組進行充電，當所發的電不能滿足負載需要時，控制器又把蓄電池的電能送往負載。蓄電池充滿電后，控制器要控制蓄電池不被過充。當蓄電池所儲存的電能放完時，控制器要控制蓄電池不被過放電，保護蓄電池。

控制器采用PWM無級卸載方式控制風機對蓄電池進行智能充電。在風力發電機所發出的電能超過蓄電池存儲量時，控制系統必須將多余的能量消耗掉。在正常卸載情況下，可確保蓄電池電壓始終穩定在浮充電壓點，而只是將多余的電能釋放到卸荷器上。從而保證了最佳的蓄電池充電特性，使得電能得到充分利用。
風力發電控制器參數：

2.2光伏發電系統

5KW太陽能電池組件采用標準鋼結構件固定在C型定制鋼件上，呈40度正面朝向正南方，整體支架系統放置在地面或者屋頂；經電纜輸送至室內實驗設備，可實現分布式屋頂發電相關實驗，所發電能與風力發電相結合，經DC-AC逆變成正弦波220V交流電，多余電能經儲能逆變器送入電網。

地面固定式方陣及支架
所有系統的設計、安裝與實際工程一樣，可在老師的指導下做為學生練習拆卸、組裝實習樣機來用。
太陽能光電池組

太陽能電池組是本實訓臺的核心組成部分亦是光伏發電系統的核心部件，是將光能轉換為電能并通過光伏控制系統儲存在儲能電池當中做為直流總線電源供給DC-AC并網同步電源。

太陽能電池組為多晶硅或單晶硅，是由高效晶體硅太陽能電池片、超白布紋鋼化玻璃、EVA、透明TPT背板以及鋁合金邊框組成。
其規格如下：

1、抗鹽霧和氨腐蝕等國際測試；
2、可承受風壓2400Pa,雪壓7200Pa；
3、優秀的弱光環境發電性能，陰天也能發電；
4、輸出功率年衰減率小于0.7%，第25年不低于組件初始功率的80.70%
1.組件型號：BY260P-29b  多晶
2.最大功率（W）：260
3.開路電壓（V）：35.9
4.短路電流（A）：7.27
5.最大功率點的工作電壓（V）：28.1
6.最大功率點的工作電流（Ａ）：6.7
7.轉化效率：17.12%
8.開路電壓溫度系數：-0.292%/K
9.短路電流溫度系數：+0.045%/K
10.功率溫度系統：-0.408%/K
11.最大系統電壓（V）：1000
12.組件尺寸（長×寬×高）：1640×992×40mm
13.重量：19.1kg
14.框架：陽極氧化鋁
15.玻璃：白色鋼化安全玻璃3.2mm
16.電池片封裝：EVA
17.背板：復合薄膜
18.太陽能電池片：6×10片多晶硅太陽能電池片（156mm×156mm）
19.接線盒
1)6個旁路二極管
2)絕緣材料：PPO
3)防水等級：IP65
?連接器
1)常規額定電流：30A
2)耐電壓：DC1000V
3)接觸電阻：<2mΩ
4)絕緣電阻：＞500MΩ
5)適用單芯電纜截面：2.5-6mm2
6)電纜外徑范圍：Φ5mm～Φ 7mm
7)環境溫度：-40℃～+ 105℃
8)防護等級：IP67
9)安全等級：Ⅱ
10)殼體：PC料，黑色
11)接觸件：紫銅CN，鍍錫SN
12)接線方式：壓接  MC4
20.電纜
1)長度：450mm,
2)規格：1×4mm2
3)顏色：紅、黑
?溫度范圍系數：-40°C to+85°C
?抗冰雹系數：最大直徑25mm,撞擊速度23m/s(51.2mph)
?最大表面負荷：7200pa
5KW光伏儲能逆變器

逆變器外觀圖

產品主電路

主電路框圖

產品主電路采用雙向PWM逆變電路及相應的控制電路、保護和監控電路。直流側由緩沖電阻、防反二極管和直流接觸器組成了直流側緩沖電路，當初始連接各種電池時對直流母線電容進行緩沖。主電路電源可有交直兩用供電，以使系統在電池或電網有電時都可以工作。
產品特點
5KW光伏儲能逆變器介紹

產品主電路采用雙向PWM逆變電路及相應的控制電路、保護和監控電路。直流側由緩沖電阻、防反二極管和直流接觸器組成了直流側緩沖電路，當初始連接各種電池時對直流母線電容進行緩沖。主電路電源可有交直兩用供電，以使系統在電池或電網有電時都可以工作。

產品特點

1）技術優越，全面滿足電網或負荷的接入與控制要求

①具有并網充放電、獨立逆變功能，適合各種應用場合

②具有并網和離網并聯功能，良好的擴容性

③可與多種蓄電池接口，具有多種充放電工作模式

④可以實時接受系統調度指令和BMS指令，通訊方式有RS485、CAN、以太網

⑤無功功率可調，功率因數范圍超前0.9至滯后0.9

⑥直流電壓范圍，支持低壓48V蓄電池輸入

⑦110%額定輸出功率可實現長時間運行
2）高效節能，更集成，更好的客戶體驗

①正面維護，可靠墻安裝，安裝維護更方便，降低維護成本

②防護等級為IP21，具有防滴水功能，具備防凝露功能

③高效PWM調制算法，降低開關損耗
3）更多優點

①雙電源冗余供電方案提升系統可靠性

②完善的保護及故障告警系統，更加安全可靠

③采用動態圖形液晶界面，提供友好的操作體驗

④-25℃~+55℃可連續滿功率運行

⑤適應高海拔惡劣環境，可長期連續、可靠運行

⑥支持離網主動運行功能

⑦適合共直流母線系統和共交流母線系統

產品技術指標
工作邏輯架構

a.并網發電、離網備用功能

1.電網供電時，儲能逆變器并網工作在恒壓模式，維持蓄電池SOC在一定水平，光伏逆變器并網發電

2.微網供電時，儲能逆變器工作在獨立逆變模式建網，光伏逆變器并網工作，光伏發電大于負載時，光伏優先供負載供電，剩余電力給電池充電；光伏發電小于負載時，儲能和光伏共同為負載供電。

3.可選擇電網優先或微網優先，根據選擇的模式進行供電邏輯切換

4.觸摸屏控制啟動、停止和參數設置

b.電網（或柴油機）、微網切換功能

1.電網供電時，當電池組SOC超過設定值時，儲能逆變器和光伏逆變器不工作；當電池組SOC不足時，儲能逆變器獨立逆變建網，光伏逆變器并網工作，給電池組充電。

2.微網供電時，儲能逆變器工作在獨立逆變模式建網，光伏逆變器并網工作，光伏發電大于負載時，光伏優先供負載供電，剩余電力給電池充電；光伏發電小于負載時，儲能和光伏共同為負載供電。

3.可選擇電網優先或微網優先，根據選擇的模式進行供電邏輯切換

4.觸摸屏控制啟動、停止和參數設置 
儲能蓄電池

蓄電池的作用主要是儲存能量，在晚上或多云等氣候情況下，光伏陣列不能提供足夠的能量時，蓄電池供給負載，保證系統的正常運行。

采用磷酸鐵鋰電池，安全性高適合長期充放電循環模塊化設計，電壓、容量按需配置。
系統由1個主控模塊和多個電池模塊組成，通過48V電池模塊串聯組成不同電壓等級系統，通過多個機柜并聯，可以在同一個電壓平臺上擴展容量定制化電池管理系統（BMS），實時進行數據采集、狀態監控及控制，保證系統安全可靠運行。
規格參數：

4）雙向DC-DC電源模塊
雙向DC-DC變換器(Bi-directional?DC/DC?Converter,?BDC)是能夠根據能量的需要調節能量雙向傳輸、是可雙象限運行的直流-直流變換器。該變換器能夠根據實際需要調節能量的流動方向，在功能上相當于兩個單向直流-直流變換器。
一、雙向DCDC變換器的工作模式

二、性能特點

①全數字化，各種參數及信號全部數字化處理，由數字處理器智能靈活地管理。性能和可控性均遠優于普通的模擬式雙向DC-DC變換器。

②模塊化設計，單模塊額定輸出功率5KW，可多臺雙向DC-DC變換器并聯運行。

③雙向變換都采用零電壓變換軟開關控制，使得轉換效率達到95%以上。

④能工作于恒流、恒壓、MPPT和壓控電流源等多種工作模式，并可在線快速頻繁地切換工作模式。

⑤運用多相交錯技術，有效地抑制了紋波，減弱了大電流了對器件的沖擊。

⑥空載功耗低于20W，處于監控待機狀態功耗低于12W。

⑦雙向變換的電流大小和方向，既可用數字方式設定，也可用模擬量方式控制。

⑧高低電壓側的工作電壓可單獨設定。

⑨高低電壓側的過壓保護電壓可單獨設定，保護兩側的設備不至于過壓損壞。

⑩高低電壓側的限壓也可單獨設定，保護兩側的電壓不至于過放電。

?高低電壓任何一側加電，均可使模塊啟動。

?開機軟啟動，防止產生過強的電壓電流沖擊兩端的電源。

?模塊帶有LED顯示面板，可實時顯示兩側電流，電壓，設定兩側工作電流，最高限壓。

?帶RS485串口通信功能，遵循MODBUS-RTU協議，方便計算機或監控終端遠程監測和設置的參數和工作狀態。

?RS485串口利用光耦隔離，可以有效防止雷擊對遠程監控計算機或者監控終端的影響。

?掉電狀態恢復功能：即使關斷雙向DC-DC變換器的供電，下次開機時也能恢復掉電前的設置和狀態。

?輸入極性防反接功能，電源極性接反不會有電流流過。

?各種異常情況保護功能：帶有過壓，過流，過熱，短路保護功能，故障撤銷后自動恢復工作。

?小體積：外殼尺寸360mm X160mm X 94mm，模塊尺寸295mm X142mm X 85mm。

?帶外殼整機重量3.8Kg，模塊重量為2.5Kg 。

2.6顯示單元
系統配置有方陣電壓、電流；逆變電壓、電流、功率；實驗室溫度和濕度、實驗記時時鐘、逆向電量計量表等。方便在沒有與PC機聯機狀況下查看系統工作狀態和各項參數。
可以通過教師機進行信息共享至大屏幕，實現教室內局域網計算機數據交換與共享。

2.7主控系統
主控系統是整個微網的監測、控制核心單元。通過內置的數據采集、通訊傳輸等模塊，實現對微網系統的可視化監測及控制。