任务一 掌握风光互补发电系统与结构
一、风光互补发电系统
风光互补发电系统由能量产生、存储和消耗三部分组成。太阳能、风能发电部分属于能量产生环节，将具有不确定性的太阳能、风能转化为稳定的能源。为了最大可能地消除由于天气等因素引起的能量供应与需求之间的不平衡，引入蓄电池来调节和平衡能量匹配，系统中的蓄电池用来承担能量的储存。能量消耗是指各种用电负载，有直流负载和交流负载两类。工作电压匹配的直流负载可以直接接入电路，工作电压不匹配的直流负载通过直流变换器后接入电路。交流负载接入电路时需要配备逆变器。风光互补发电系统如图2-1-1所示。
图2-1-1 风光互补发电系统图
通过太阳能光伏组件，将太阳能转换为直流电能，太阳能光伏组件安装方式采用双轴追日跟踪系统。光伏阵列有两个旋转自由度，可精确跟踪日光，保证光线垂直照射光伏组件。为了减少光伏组件与控制器之间连接线，方便维护，提高可靠性，一般需要在光伏组件与控制器之间增加直流汇流装置和直流配电箱。
光伏阵列经汇流后可与MPPT控制系统相连，通过MPPT控制系统调整DC-DCBoost变换器的占空比（调节等效阻抗），实现最大功率跟踪。也可直接与直流负载相连，用于测试光伏特性。DC-DCBoost变换器的输出端与智能充放电控制器相连，用于实现能量的存储。
通过变频器控制风速，输出功率经智能充放电控制器转换存储到蓄电池。
蓄电池可直接带直流负载，或经过逆变装置处理转换为交流电能，再经变压器输入电网，实现并网发电。
监控系统，可实时了解整个电站工作状态，实现控制与显示功能，如光照强度、环境温度、光伏电池数据监控，逆变器状态监控，发电数据监控等。
二、风光互补发电系统结构
1.结构与组成
风光互补发电系统由模拟光源跟踪装置、模拟风能装置、模拟能源控制系统、能源转换储存控制系统、并网逆变控制系统和能源监控管理系统6个部分组成，各部分通过通信电缆和连接电缆连接，可形成一套能够展示并可动手设计、安装、调试的风光互补发电实训系统。如图2-1-2所示。
图2-1-2 风光互补发电系统结构图
①模拟光源跟踪装置由4块太阳能电池板、模拟光源、太阳能模拟追日跟踪传感器、太阳能电池板二维运动机构和支架组成。
②模拟风能装置由原动机及风力发电机、连接模块、三相整流模块、传动装置及基础塔架组成。
③模拟能源控制系统由可编程序控制器（PLC）、三菱变频器、笔记本电脑（用户自配）、交流接触器、开关电源、按钮、继电器和端子排等低压电器组成。
④能源转换储存控制系统主要由光伏阵列汇流模块、直流电压电流采集模块、温度告警模块、PWM驱动模块、CPU核心模块、人机交互模块、通信接口模块、防雷器、智能型充放电控制器、蓄电池组、开关电源、直流电压表、直流电流表等组成。
⑤并网逆变控制系统由核心模块、接口模块、液晶显示模块、键盘接口模块、驱动电路模块、Boost电路模块、母线电压采样模块、电网电压采样模块、电流采样模块、温度告警模块、通信接口模块、开关电源、直流电机、方形指示灯、直流电压表、直流电流表、多功能谐波表、隔离变压器等组成。
⑥能源监控管理系统由系统控制器模块、继电器模块、通信接口模块、15in平板电脑、键盘、鼠标、组态软件和开关电源等组成。
设备采用三相四线交流电源供电，设有漏电保护器、指示灯和保险丝等，具有过载保护、短路保护和漏电保护装置，在电压异常或出现短路情况时自动切断电源，保护人身和设备安全。
设备采用实训专用铝合金型材控制柜，金属网孔板、面板，所有材料均符合环保标准。
2.基本配置
系统基本配置见表2-1-1。
表2-1-1 系统整体配件表
三、模拟风能控制单元的组成
模拟风能控制单元的电路框图如图2-1-3所示。
图2-1-3 模拟风能控制单元电路框图
模拟风能控制单元主要由模拟风能装置、变频器、交流接触器、继电器、控制开关、连接模块、三相整流模块和阻容吸收模块组成。
①模拟风能装置 模拟风能装置主要由一台原动机和一台发电机组成，原动机通过同步带带动发电机转动，来模拟风力发电的过程。
②变频器 改变交流电机供电的频率和幅值，达到平滑控制电动机转速的目的。
③交流接触器 在模拟风能系统中配合电磁继电器和控制开关控制变频器启动和停止。
④电磁继电器 可以实现信号的隔离、自动调节、安全保护、转换电路等功能，在模拟风能系统中配合交流接触器及控制开关控制变频器启动和停止。
⑤控制开关 主要完成启动或停止变频器。
⑥连接模块 在控制对象与控制器之间起连接作用，方便插拔连接线。
⑦三相整流模块 将发电机发出的三相交流电整流为直流电输出。
⑧阻容吸收模块 滤除交流接触器和继电器吸合及断开时产生的干扰脉冲。
1.模拟风能装置
模拟风能装置的结构图如图2-1-4所示，主要由原动机、同步带和发电机构成。
图2-1-4 模拟风能装置（图片仅供参考，以实物为准）
（1）原动机技术参数
名称 变频调速三相异步电动机
型号 YVP802-4
额定电压 AC 380V
额定电流 2A
额定功率 0.75kW
（2）发电机技术参数
名称 MLH型风力发电机
型号 MLH-300W
额定转速 400r/min
额定功率 300W
输出电压 AC 24V
（3）同步带技术参数
名称 橡胶同步带
型号 424XL
节线长 1076.90mm
齿数 212
2.变频器
改变交流电机供电的频率和幅值，达到平滑控制电动机转速的目的，变频器可以优化电机运行，所以也能起到增效节能的作用。见图2-1-5。
图2-1-5 变频器
（1）技术参数
功率范围0.4～0.75kW。通用矢量控制，1Hz时150％的转矩输出。采用长寿命元器件。内置modbus-RTU协议。内置制动晶体管。扩充PID，三角波功能，带安全停止功能。
（2）变频器结构
变频器结构见图2-1-6。
图2-1-6 变频器结构图
（3）变频器参数设置
①操作面板 各部分名称见图2-1-7。
图2-1-7 变频器的操作面板
②基本操作 见图2-1-8。
图2-1-8 变频器的基本操作
3.断路器
断路器是能接通、分断承载线路正常电流，也能在规定的异常电路条件下（例如短路）和一定时间内接通、分断承载电流的机械式开关电器，适用于照明配电系统或电动机的配电系统。主要用于交流50Hz/60Hz，单极230V，二、三、四极400V线路的过载、短路保护，同时也可以在正常情况下不频繁地通断电器装置和照明线路。
各设备开关顺序如表2-1-2所示。
表2-1-2 各设备开关顺序
4.交流接触器
在模拟风能装置中配合电磁继电器和控制开关控制变频器启动和停止。如图2-1-9所示。
图2-1-9 交流接触器
（1）技术参数
①型号 LC1-D1810M5N 220V
②品牌 施耐德电气-TE电器
③额定电压 220V
④额定工作电流 18A
⑤额定功率 4kW
⑥触点类型 1NC
⑦线圈控制电压 AC 220V
⑧线圈频率 50Hz
（2）端口定义
各端口定义如表2-1-3所示。
表2-1-3 各设备开关顺序
5.电磁继电器及底座
可以实现信号的隔离、自动调节、安全保护、转换电路等作用，在模拟风能系统中配合交流接触器及控制开关控制变频器启动和停止。如图2-1-10所示。
图2-1-10 电磁继电器及底座
（1）技术参数
①型号 ARM2F-L
②线圈电压 AC 220V
③触点容量 5A/28V DC/240V AC
④安装方式 插拔式（带灯指示）
（2）端口定义
各端口定义如表2-1-4所示。
表2-1-4 各设备开关顺序
6.控制开关
控制变频器启动和停止。“绿色”按钮为启动，“红色”按钮为停止。如图2-1-11所示。
图2-1-11 控制开关
7.连接模块
在控制对象与控制器之间起连接作用，方便插拔连接线。一个连接模块提供两个10芯连接器，最多可使用20根连接线。见图2-1-12。
图2-1-12 连接模块
8.三相整流模块
将发电机发出的三相交流电整流为直流电输出。
（1）原理图
原理图如图2-1-13所示。
图2-1-13 三相整流模块原理图
（2）端口定义
各端口定义如图2-1-14和表2-1-5所示。
图2-1-14 三相整流模块
表2-1-5 各设备开关顺序
9.阻容吸收模块
滤除交流接触器和继电器吸合及断开时产生的干扰脉冲。
（1）原理图
原理图见图2-1-15和图2-1-16。
图2-1-15 阻容吸收模块原理图
图2-1-16 阻容吸收模块
（2）端口定义
各端口定义如表2-1-6所示。
表2-1-6 阻容吸收模块端口定义
10.旋转编码器
（1）型号说明
型号说明如表2-1-7所示。
表2-1-7 旋转编码器的型号说明
（2）电气参数
电气参数如表2-1-8所示。
表2-1-8 旋转编码器的电气参数
（3）机械及环境参数
机械及环境参数如表2-1-9所示。
表2-1-9 旋转编码器的机械及环境参数
（4）接线表
接线表如表2-1-10所示。
表2-1-10 旋转编码器的接线表
11.三菱模块FXON-3A
（1）三菱模块介绍
FXON-3A模拟特殊功能块有两个输入通道和一个输出通道，输入通道接收模拟信号并将模拟信号转换成数字值，输出通道采用数字值并输出等量模拟信号。FXON-3A的最大分辨率为8位。
（2）端子布局和接线
端子布局和接线如图2-1-17所示。
图2-1-17 FXON-3A模块的接线
当使用电流输入时，确保标记为［VIN*1］和［IIN*1］的端子连接了。当使用电流输出时，不要连接［VOUT］和［IOUT］端子。*1此处识别端子编号1或2。
如果电压输入/输出方面出现任何电压波动或者有过多的电噪声，则要在位置*2连接一个额定值大约在25V，0.1～0.47μF的电容器。
四、风光互补发电系统实训步骤
为了顺利完成风光互补发电系统的实训项目，确保实训时设备的安全、可靠及长期的运行，实训人员要严格遵守如下安全规程。
1.实训前的准备
①实训前仔细阅读使用说明书，熟悉系统的相关部分。
②实训前仔细阅读系统操作说明及实训的注意事项。
③实训前仔细阅读变频器的用户手册，了解变频器的用法。
④实训前确保各系统控制柜电源处于断开状态。
⑤实训前根据实训指导书中相关内容，熟悉此次实训的操作步骤。
2.实训中注意事项
①严格按照正确的操作步骤给系统通电和断电，以免误操作给系统带来损坏。
②在操作系统的过程中，能源转换存储控制系统蓄电池开关打开之后，有一个等待智能充放电控制器自检初始化的过程，必须等到智能充放电控制器的“红灯”灭掉后才能进行下一步操作。
③在实训过程中，实训照明灯、模拟光源、电池板及周围的金属固件在光源的（长时间）照射下温度会上升，操作者不要用手指直接去触摸它们，以免烫伤。
④在实训过程中，有“危险”标志的地方为强电注意安全。
⑤在实训过程中，模拟能源控制系统变频器的频率设置不能过高（不大于20Hz）。
3.实训程序
（1）预习报告详细完整，熟悉设备
实训开始前，指导教师要对学生的预习报告做检查，要求学生了解本次实训的目的、内容和安全实训操作步骤，只有满足此要求后，方能允许开始实训。
指导教师要对实训装置做详细介绍，学生必须熟悉该次实训所用的各种设备，明确这些设备的功能与使用方法。
（2）建立小组，合理分工
每次实训都以小组为单位进行，每组由2～3人组成。
（3）试运行
在正式实训开始之前，先熟悉装置的操作，然后按一定安全操作规范接通电源，观察设备是否正常。如果设备出现异常，应立即切断电源并排除故障。如果一切正常，即可正式开始实训。
（4）认真负责，实训有始有终
实训完毕后，应请指导教师检查实训资料。经指导教师认可后，按照安全操作步骤关闭所有电源，并把实训中所用的物品整理好，放回原位。
4.实训总结
这是实训的最后、最重要阶段，应分析实训现象并撰写实训习题。每位实训参与者要独立完成一份实训习题。实训习题的编写应持严肃认真、实事求是的态度。
实训习题是根据实训中观察发现的问题，经过自己分析研究或组员之间分析讨论后写出的实训总结和心得体会，应简明扼要、字迹清楚、结论明确。
实训习题应包括以下内容：
①实训名称、专业、班级、学号、姓名、同组者姓名、实训日期、室温等；
②实训目的、实训内容、实训步骤；
③实训设备的型号、规格、铭牌数据及设备编号；
④实训资料的整理；
⑤用理论知识对实训结果进行分析总结，得出正确的结论；
⑥对实训中出现的现象、遇到的问题进行分析讨论，写出心得体会，并提出自己的建议和改进措施；
⑦实训习题应写在一定规格的报告纸上，保持整洁；
⑧每次实训每人独立完成一份报告，按时送交指导教师批阅。
【练习题】
（1）学习风光互补系统基本组成，绘制风光互补发电系统图。
（2）学习系统的组成，列表并说明系统各部分的功能。
（3）学习实训系统安全注意事项，描述实训实施过程的4个程序。