新能源发电实验教学装置

新能源发电实验教学设备

新能源发电实验教学设备是掌握新能源转换与利用原理、新能源教学设备及系统运行技术、风能、太阳能、生物质能等方面的新能源科学领域专业知识，培养在风能、太阳能、地热、生物质能等新能源教学设备领域从事相关工程技术领域的开发研究、工程设计、优化运行及生产管理工作的跨学科复合型高级工程技术人才，和具有较强工程实践和创新能力的专门人才，掌握新能源教学设备必需的制图、计算、实验、测试、计算机应用等的基本能力，有较强的自学能力、实践和创新能力，能解决一般工程实际问题。

太阳能光伏发电系统实验实训装置

一、太阳能光伏发电系统实验实训装置简述：

1．太阳能光伏发电系统实验实训装置分别为太阳能光伏电板、太阳能控制器模块、太阳能逆变器模块、仪表显示部分四个部分组成；

2．各控制系统集成于光伏发电为一体的教学实验台；

3．各系统通过连接电缆进行连接，形成一套可完成光伏发电站、同步并网、离网电源的实验及教学演示。帮助学生理解太阳能并网、离网发电系统的原理，从而起到学习工程实际应用技能的作用。

二、太阳能光伏发电实验实训装置系统配制及技术参数：

1.太阳能电池组件

1）峰值功率：10W

2）最大功率电压：17.5V

3）最大功率电流：1.95A

4）开路电压：22V

5）短路电流：2.2A

6）安装尺寸：622*550*18mm

2.太阳能控制器

1）使用单片机和专用软件，实现智能控制，自动识别24V系统。

2）采用串联式PWM充电控制方式，使充电回路的电压损失较原二极管充电方式降低一半，充电效率较非PWM高3－6%;过放恢复的提升充电，正常的直充，浮充自动控制方式有利于提高蓄电池寿命。

3）多种保护功能，包括蓄电池反接、蓄电池过、欠压保护、太阳能电池组件短路保护，具有自动恢的输出过流保护功能，输出短路保护功能。

4）具有丰富的工作模式，如光控，光控＋延时，通用控制等模式。具有直流输出或1Hz频闪输出2种输出选择，频闪输出特别适用于LED交通警示灯等。在频闪输出模式，负载可以使用感性负载。

5）浮充电温度补偿功能。

6）使用了数字LED显示及设置，一键式操作即可完成所有设置，方便直观。

7）控制面板具有5个检测端口（电板输入2个口，蓄电池2个口，直流输出2个口共计6个），分别测试控制器的充电，放电状态下的直流电压变化和直流电流变化。

3.蓄电池（12V7AH）：一般为铅酸电池，具有如下特点：

1）自放电率低

2）使用寿命长

3）深放电能力强

4）充电效率高

5）工作温度范围宽

4.离网逆变器：正弦波逆变器

1）纯正弦波输出(失真率<4%)

2）输入输出完全隔离设计

3）能快速并行启动电容、电感负载

4）三色指示灯显示，输入电压,输出电压，

5）负载水准和故障情形

6）负载控制风扇冷却

7）过压/欠压/短路/过载/超温保护

8）控制面板设置13处接线端口（直流输入2个口，交流输出2个口，输入直流电流2个口，PWM控制信号5个口，逆变滤波前信号2个），用来测试逆变系统的技术指标，包括：直流电压，直流电流的变化；DC转变AC逆变过程的变化曲线的显示（使用示波器检测）等。

5.负载：

1）直流负载包括：LED灯，风机等；

2）交流负载包括：节能灯和交流电机等

6.并网逆变器：

1）并网逆变器具有DC－DC和DC－AC两级能量变换的结构。

2）DC－DC变换环节调整光伏阵列的工作点使其跟踪最大功率点。

3）DC－AC逆变环节主要使输出电流与电网电压同相位，同时获得单位功率因数。

4）控制面板设置多处接线端口（直流输入2个口，交流输出2个口，输入直流电流2个口，PWM控制信号2个口，电网波形测试端2个口），用来测试逆变系统的技术指标，包括：直流电压，直流电流的变化；逆变过程的变化曲线的显示，并网逆变波形与电网波形的比较。

7.监测仪表（面板式交流仪表1只（可显示电压电流功率），直流电压仪表1只，直流电流表1只）：

完成实验时数据的读取，可监测太阳能电池组的电压和电流；并网逆变器输出的电压和电流；离网逆变器输出的电压和电流。

燃料电池教学实验台

一、燃料电池教学实验台介绍：

燃料电池发电系统控制单元是整个实验装置的核心部分，通过控制燃料电池堆的温度、氢气压力、空气风量和尾气排放，实现燃料电池发电系统的热管理和水管理。针对不同负载，可研究恒电流、恒电压、恒功率、恒电阻等多种方式下的电堆特性，绘制相应的特性曲线。

通过调整和优化控制变量，确定最优操作条件，获得最佳的系统输出性能。针对不同类型电堆，通过比较电堆特性曲线，评价电堆性能。

实验台外观尺寸：160cm*75cm*150cm

二、燃料电池教学实验台特点：

1、实现燃料电池系统的电压、电流、功率、氢气流量、氢气压力、电堆温度、风扇电压、环境温度的检测与显示。

2、实现电堆温度和尾气排放控制。

3、制定燃料电池性能测试规则，建立电堆性能评价模型。

4、设计制作全检测型燃料电池性能分析实验系统平台。

5电堆功率100W，仪表由系统独立12V供电，系统耗氢1.5L/min，Labview显示界面编程。

6、线性负载60W、可选电子负载300W、阻性负载（LED阵列）50W。

三、燃料电池教学实验台热管理和水管理：

针对风冷型燃料电池堆，通过调节风扇电压，改变风扇转速，控制电堆温度；针对水冷型燃料电池堆，通过调节循环水泵电压，改变冷却水流量，控制电堆温度，实现电堆的热管理。设定电磁阀开闭周期和占空比，调节尾气排放量，控制电堆内部湿度，实现电堆水管理。

四、SHYL-XY133燃料电池教学实验台特性研究

应用所提供的线形负载（变阻器）和灯泡负载，通过观察显示仪表，初步了解电堆的电流、电压和功率特性。利用所提供的电子负载，进行恒电流、恒电压、恒功率和恒电阻实验，绘制不同负载变化下的V－I和P－I曲线，研究电堆的输出特性。燃料电池堆V－I曲线绘制，空冷型燃料电池堆V－I曲线。

五、燃料电池教学实验台性能评价

对于不同类型的燃料电池堆，在确定最优操作条件基础上，比较最佳性能输出曲线，划分功率输出段，分析计算极化压降、欧姆压降和浓差压降的形状、斜率和变化幅值，确定各功率段性能曲线的陡降点。检测各曲线陡降点V-I值，利用所建立的电堆性能评价模型，评价电堆各功率段性能。电堆最佳性能曲线比较结果和性能评价模型。

六、燃料电池教学实验台性能优化

调节精密减压阀，控制氢气进气压力；调节风扇电压或冷却水流量，控制电堆温度；调节尾气排放量。控制电堆湿度。通过比较不同功率变化下的V－I曲线，确定最优操作条件，获得相同系列电堆的最佳系统输出性能曲线

七、燃料电池教学实验台主要实验项目：

1、线形负载和灯泡负载电堆性能实验

2、恒值负载电堆性能实验

3、不同温度电堆性能曲线实验

4、不同压力电堆性能曲线实验

5、不同尾气排放量电堆性能曲线实验

6、最佳电堆性能曲线实验

7、不同类型电堆性能评价实验

风力发电系统实验台

1、风力发电系统实验台简介：

风力发电系统实验台采用铝合金设计，桌面为防火、防水、耐磨高密度板,结构坚固，造形美观大方；设有吊柜，用于放置工具、存放挂箱及资料等。桌面用于安装电源控制屏并提供一个宽敞舒适的工作台面。

2.风力发电系统实验台配置：

电源控制屏：

电源控制屏提供单相220V交流电源和380V交流电源、1路0-30V直流稳压电源（1A）、铅酸蓄电池（蓄电池组选用2节阀控密封式铅酸蓄电池，主要参数：容量 12V 12Ah）、900Ω×2/0.41A的双层瓷盘可调电阻。光源控制模块（控制早、中、晚的光源）。

网孔板及安装模块：

提供网孔板、直流仪表模块（电压表、电流表、具有通信接口）、交流仪表模块（电压表、电流表、功率表三合一、具有通信接口）、光照计、直流负载（警示灯、节能灯）、交流负载（白炽灯、风机）、触摸屏、离网逆变器、并网逆变器、并离网逆变器实验模块、物联网监控实验系统、风光互补控制器。

1）直流仪表参数如下：

具有通信接口、具有手动自动量程、工业级柜装、精度：不低于5位，1000V档位显示格式：999.99（带2个小数点），显示单位：V；100V档位显示：99.999（带3个小数点），显示单位：V；10V档位显示：9.9999（带4个小数点），显示单位：V；5A档位：4999.9（带1个小数点），显示单位：mA；1000mA档位：999.99(带2个小数点)，显示单位：mA；100mA档位：99.999(带3个小数点)，显示单位：mA。

2）交流仪表参数

由24位专用DSP、16位高精度AD转换器和高速MPU单元设计而成，通过键控、数显窗口实现人机对话功能控制模式。软件上采用RTOS设计思路，同时配有PC监控软件来加强分析能力。能测量电路的功率、功率因数。功率测量精度为1.0级，功率因数测量范围0.3～1.0，电压电流量程为450V和5A。

4）触摸屏

采用昆仑通态7寸彩色触摸屏TPC7062KX，带通信线与开发环境。

5）可编程控制系统

采用兼容西门子可编程控制器CPU224，配下载线与开发环境。

6）并网逆变器

采用GTI系列并网逆变器，DC输入电压：Vpv 10.5V-28VDC，带反极性保护，交流180-260V输出，频率45—53HZ。

7）离网逆变器

采用APS系列离网逆变器，DC输入电压：Vpv 24VDC，带限流保护，交流220V输出，频率50HZ。

8）风光互补控制器

采用专业MCU微处理器控制，真正实现充电、放电的智能化控制；采用低损耗、长寿命的MOSFET作为控制器的主要开关器件；风力发电机自动刹车、手动停机功能；光伏充电（PWM）技术，充电效率更高；运行状态、故障指示灯指示；多种控制模式：光控开光控关模式/光控开时控关模式/无光控时控的自动模式；输出吸收回路，可带感性负载；记忆功能，控制器失电重新上电后，自动按失电前的模式工作；完善的保护功能；蓄电池防反接

9)负载系统的组成

设备配置有直流负载（警示灯、节能灯）和交流220V负载（白炽灯、风机）

并离网逆变器实验模块：

采用DSP2812控制，能完成编程基础实验，离网逆变器实验，并网逆变器、各种保护实验等，提供源代码。

5.物联网监控实验系统

采用ZIGBEE协议，能对实验平台的温度与湿度进行实时监控，并实时与系统无线智能网关（7寸触摸屏，采用ARM11设计，WINCE系统）通信，智能网关能实时显示当前的数据。

6.监控系统

1)监控系统组成

监控系统主要由主机、键盘、鼠标、接线排、电源插座、通信线、微软操作系统软件、组态软件组成。

2)监控系统功能

2)、通信

触摸屏、PLC之间进行通信，监控自动跟踪过程和主机与PLC、仪表等之间进行通信。

3.风力发电系统实验台整体情况

1）风力发电机需带变频调速系统，与风机整合在一起，可360度旋转。

2）整体尺寸：1280mm*550mm*1670mm，网孔板不小于1200mm*600mm

3)带吊柜用于防置实验器材。

4.风力发电系统实验台实验项目

基础实验

1、控制器工作原理实验

2、控制器充放电保护实验

3、太阳能路灯实验

4、太阳能警示灯实验

5、离网逆变器逆变实验

6、并网逆变器逆变实验

7、风力发电机实验

8、风速仪测试实验

9、自动偏航实验

太阳能光伏逆变器实验系列

1．DSP2812的PWM编程实验

2.并离网逆变电源的原理

3.逆变电源的接线实验

4.离网逆变器实验

5.并网逆变器实验

可编程控制器系统实验

1.基本指令练习

2.组态通信测试

3.系统跟踪软件测试

风光互补发电系统实验台

一、风光互补发电系统实验台简介：

风光互补发电系统实验台采用铝合金设计，桌面为防火、防水、耐磨高密度板,结构坚固，造形美观大方；设有吊柜，用于放置工具、存放挂箱及资料等。桌面用于安装电源控制屏并提供一个宽敞舒适的工作台面。

二、风光互补发电系统实验台配置及功能：

电源控制屏：

电源控制屏提供单相220V交流电源和380V交流电源、1路0-30V直流稳压电源（1A）、铅酸蓄电池（蓄电池组选用2节阀控密封式铅酸蓄电池，主要参数：容量 12V、18Ah）、900Ω×2/0.41A的双层瓷盘可调电阻。光源控制模块（控制早、中、晚的光源）。

网孔板及安装模块

提供网孔板、直流仪表模块（电压表、电流表、具有通信接口）、交流仪表模块（电压表、电流表、功率表三合一、具有通信接口）、光照计、直流负载（警示灯、节能灯）、交流负载（白炽灯、风机）、触摸屏、离网逆变器、并网逆变器、物联网监控实验系统、风光互补控制器。

1）直流仪表参数如下：

具有通信接口、具有手动自动量程、工业级柜装、精度：不低于5位，1000V档位显示格式：999.99（带2个小数点），显示单位：V；100V档位显示：99.999（带3个小数点），显示单位：V；10V档位显示：9.9999（带4个小数点），显示单位：V；5A档位：4999.9（带1个小数点），显示单位：mA；1000mA档位：999.99(带2个小数点)，显示单位：mA；100mA档位：99.999(带3个小数点)，显示单位：mA。

2）交流仪表参数

有16型创力面板表组成，能显示电压、电流、有功功率等。

0V（由变频器控制）、215Pa、3Kw1400r/min（带轴流风机支架）；风向风速仪个。风向控制电机：减速比1：40、电压AC220V、运动机构的链轮

6）并网逆变器

采用GTI系列并网逆变器，DC输入电压：Vpv 10.5V-28VDC，带反极性保护，交流180-260V输出，频率45—53HZ。200W功率。

7）离网逆变器

采用APS系列离网逆变器，DC输入电压：Vpv 10-28VDC，带限流保护，交流220V输出，频率50HZ。200W功率。

8）触摸屏

采用昆仑通态7寸彩色触摸屏TPC7062KX，带通信线与开发环境。界面如下：

8）风光互补控制器

采用专业MCU微处理器控制，真正实现充电、放电的智能化控制；采用低损耗、长寿命的MOSFET作为控制器的主要开关器件；风力发电机自动刹车、手动停机功能；光伏充电（PWM）技术，充电效率更高；运行状态、故障指示灯指示；多种控制模式：光控开光控关模式/光控开时控关模式/无光控时控的自动模式；输出吸收回路，可带感性负载；记忆功能，控制器失电重新上电后，自动按失电前的模式工作；完善的保护功能；蓄电池防反接；自动刹车功能；数字显示等功能

9)负载系统的组成

设备配置有直流负载（警示灯、节能灯）和交流220V负载（白炽灯、风机）

三、风光互补发电系统实验台整体情况

1）采用发光（光谱）接近太阳光的灯来模拟太阳光。使得实验项目随时都可以进行。从而不需要受天气变化的限制。

2）强调工程实用性，采用电池板（40W）、智能控制器、蓄电池、要求均与现场应用中一样，使学生深刻理解太阳能光伏发电的现场应用。

3）各个部分是完全独立的，学生在实验过程中可根据自己对太阳能光伏发电应用的理解自己动手连接。

4）采用标准工业用电池板，可置于户内和户外，角度可以调节。

5）提供多种模拟应用实验：太阳能路灯、太阳能警示灯和逆变器等。

6）风力发电机需带变频调速系统，与风机整合在一起，可旋转。

7）整体尺寸：1280mm*550mm*1670mm，网孔板不小于1200mm*600mm

8)带吊柜用于防置实验器材。

四、风光互补发电系统实验台实验项目

基础实验

1、太阳能电池发电原理实验

2、太阳能电池板能量转换实验

3、环境对光伏转换影响实验

4、太阳能电池组件和蓄电池的选择（蓄电池容量匹配计算与选型）

5、控制器工作原理实验

专业实验

1、根据功率要求，光伏电池组件的选择、安装和连接实验；

2、太阳能光伏板能量转换（包含光伏电池组件最大功率跟踪程序设计）

3、直接接负载实验（太阳能路灯实验、太阳能警示灯实验）

4、蓄电池充放电参数、保护参数设置实验；

5、控制器对蓄电池过充、过放保护实验；

6、控制器对蓄电池过放保护实验监控界面设计。

7、风力发电机起动风速测定、输出信号测试实验及供电系统的调试。

8、离网型及并网型逆变器工作原理实验（包括参数设置、效率测试、孤岛保护等）；

9、独立光伏发电、

10、独立风力发电

11、互补发电实验。

12、电能质量的监测、调试和分析（小型风机）。

双馈风力发电机模拟系统实验装置

一、双馈风力发电机模拟系统实验装置介绍:

双馈风力发电机模拟系统主要用于教学实训，系统采用异步变频拖动单元，宽范围模拟风力发电机运行转速，用户可根据需要调节拖动单元转速来达到模拟风速变化引起的发电机转速变化。可模拟实际风力发电机运行的工艺特点和控制要求。通过开放式主控系统，可通过对控制系统和模拟系统的PLC编程，实现对不同类型风机的模拟以及控制仿真，实现变速恒频风力机组发电状态的模拟，包括转速、转矩、发电量及有功、无功调节。达到变速恒频风力机组的并网发电等过程各参数的实验研究。

二、双馈风力发电机模拟系统实验装置特点：

1）先进性，满足目前主流的1.5～3兆瓦级变速恒频风机控制系统的要求；

2）开放性，PLC可自主编程，满足学生学习的要求；

3）适应性，可满足不同功率、不同类型的风机测试和模拟。

4）高可靠性：保护及通讯不受电磁干扰；风电主控制器背板背面全部接地，有效抵抗脉冲群干扰；具备良好的电磁兼容性，现场与系统、通道与通道间采用隔离措施。

5）开放性强：支持多种现场总线协议，如Modbus、Profibus-DP等，同时提供多种接口方式选择，满足风力发电机上通讯设备的需求。

6）环境适应性：宽温型设计，存储温度-40℃～70℃，运行温度-25℃～60℃；具有三防工艺，防盐雾、防湿热、防霉菌。

7）具有冗余和自诊断功能：有自诊断功能，DO模块具有回读功能，进行数据比较自检；具有掉电检测和超量程及超限报警功能；支持电源冗余、CPU冗余、通讯冗余，满足高可靠性要求。

8）安全链：过压、超速、超压、电网故障等故障保护系统，避免系统失控。

三、双馈风力发电机模拟系统实验装置主要功能：

1）学习主控系统的配置、特点和工艺要求；

2）学习主控软件编写和调试；

3）模拟不同风机的运行特点；

4）调试风机核心控制算法；

5）测试完整的主控系统，实现主控系统电气、软件等测试

四、双馈风力发电机模拟系统实验装置主要配置：

实验系统分为拖动单元、控制单元、发电单元、测量单元。

（1）拖动单元：模拟系统因风速变化而引起的转速变化

（2）控制单元：分析系统状态，控制系统运行，实现数据模拟

（3）并网发电单元：双馈发电机与并网变流器实现风机并网过程。

（4）测量单元：系统各信号采集传输到主控系统中。

双馈风力发电机整机模拟系统包括实验台柜、PLC、驱动变频器、双PWM变流器、负载测试柜，按钮、指示灯、测控仪表、监控系统等。风力发电机内部模拟控制信号可通过PLC编程控制，也可在现有硬件基础上自行开发控制软件，实现对各种自然风的模拟，完成对风力发电机控制算法的研究。

五、双馈风力发电机模拟系统实验装置实验内容

（1）风力发电机接线形式实训；

（2）空载运转实训；

（3）并网过程实训；

（4）并网连续运行实训；

（5）风速模拟实验；

（6）转距模拟实验；

（7）发电功率模拟实验；

（8）其它相关发电性能及测量实验；

（9）脱网保护模拟实训；

（10）控制策略模拟实验；

（11）主控系统的配置、特点和工艺要求实训；

（12）主控软件编写和调试实训；

（13）研究和调试风机核心控制算法实验；

（14）自主编程应用实训；

 

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