一种开放式风光互补发电系统实训平台的制作方法

本实用新型涉及电力实验领域，尤其涉及一种开放式风光互补发电系统实训平台。

背景技术：

近年来，现代风力发电技术和太阳能发电技术日臻完善、成本日趋下降，市场份额正不断扩大，在一些地区己风光已成为与常规能源具有一定竞争力的新能源发电方式。

目前许多风光互补教学实验平台提供的实验功能主要以验证性教学为主，虽然接线简单方便存在直观性和可视性较差，学生无法了解电路结构和器件组成，这类实验平台难以完成综合性设计实验。

在中国实用新型专利201320722759.1中公开了一种多功能风光互补实验教学装置，包括PLC控制台、能量转换台和负载控制台，他们通过外引导线相连。对比文件中的装置包括风光互补发电还包括PLC控制部分，通过PLC的自主编程可以实现对外接模拟光源、太阳能光伏组件、可调风源的相关控制。对比文件的优点是能够充分的锻炼学生们的动手能力以及编程能力，但是装置功能单一，无法满足多种实验目的的需求。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题在于针对现有技术中功能单一的缺陷，提供一种能够对光源进行跟踪模拟太阳能发电，模拟风源进行风力发电，且能够对并离网发电进行实验的开放式风光互补发电系统实训平台。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

本实用新型提供一种开放式风光互补发电系统实训平台，包括支架，以及设置在支架上的风力发电单元、太阳能发电单元和双轴光源跟踪单元；太阳能发电单元与双轴光源跟踪单元固定连接，双轴光源跟踪单元根据光源的方向带动太阳能发电单元运动；

该装置还包括并离网控制单元和蓄电池，风力发电单元和太阳能发电单元与蓄电池相连，并离网控制单元一端与蓄电池相连，另一端与交流电输入相连。

进一步地，本实用新型的并离网控制单元包括并网逆变器和离网逆变器；并网逆变器与电网相连，离网逆变器给220V交流负载供电。

进一步地，本实用新型的装置还包括用于连接测量仪器和实验仪器的开放接口。

进一步地，本实用新型的装置还包括防止蓄电池过充的卸荷单元，卸荷单元与风光互补控制器相连。

进一步地，本实用新型的装置还包括风光互补控制器，风力发电单元和太阳能发电单元通过风光互补控制器与蓄电池相连。

进一步地，本实用新型的装置还包括可转动的模拟光源，模拟光源与风光互补控制器相连。

进一步地，本实用新型的装置还包括可调节大小的模拟风源，模拟风源与风光互补控制器相连。

进一步地，本实用新型的风力发电单元和太阳能发电单元与蓄电池之间设置有防止反充的阻断二极管。

进一步地，本实用新型的装置还包括用于显示电流、电压等实验信息的触摸显示屏。

本实用新型产生的有益效果是：本实用新型的开放式风光互补发电系统实训平台，通过设置与太阳能发电单元相连的双轴光源跟踪单元，能够实现太阳能发电单元随着光源的移动而对其进行跟踪的功能，能够模拟太阳在一天中不同位置时的情况；通过设置并离网控制单元，能够实现实验环境下对并网和离网情况下的电压、电流控制策略，满足多种实验条件的需求；另外，本装置采用模块化的设计理念，结构简单，为用户提供了较大的自由度，能够有效的提高学生的动手能力，开拓创新性思维。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型实施例的开放式风光互补发电系统实训平台的结构示意图；

图2是本实用新型实施例的开放式风光互补发电系统实训平台并离网控制单元的原理框图；

图3是本实用新型实施例的开放式风光互补发电系统风光互补控制器结构图；

图4是本实用新型实施例的开放式风光互补发电系统实训平台的控制电路设计图；

图5是本实用新型实施例的开放式风光互补发电系统实训平台外型结构图；

图中，1-支架，2-风力发电单元，3-太阳能发电单元，4-双轴光源跟踪单元，5-并离网控制单元，6-蓄电池，7-模拟光源，8-模拟风源，501-并网逆变器，502-离网逆变器，9-风光互补控制器，10-外形结构，11-触摸显示屏，12-状态指示灯。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，本实用新型实施例的开放式风光互补发电系统实训平台，包括支架1，以及设置在支架1上的风力发电单元2、太阳能发电单元3和双轴光源跟踪单元4；太阳能发电单元3与双轴光源跟踪单元4固定连接，双轴光源跟踪单元4根据光源的方向带动太阳能发电单元3运动；S1、S2、S3分别控制太阳能电池、风力发电、并离网控制单元的通断。

该装置还包括并离网控制单元5和蓄电池6，风力发电单元2和太阳能发电单元3与蓄电池6相连，并离网控制单元5一端与蓄电池6相连，另一端与交流电输入相连。

如图2所示，并离网控制单元5包括并网逆变器501和离网逆变器502；并网逆变器501与电网相连，离网逆变器502给220V交流负载供电。

该装置还包括用于连接测量仪器和实验仪器的开放接口，以及防止蓄电池6过充的卸荷单元，卸荷单元与风光互补控制器9相连。装置还包括风光互补控制器，风力发电单元和太阳能发电单元通过风光互补控制器与蓄电池相连。装置还包括可转动的模拟光源，模拟光源与风光互补控制器相连；还包括可调节大小的模拟风源，模拟风源与风光互补控制器相连。风力发电单元2和太阳能发电单元3与蓄电池6之间设置有防止反充的阻断二极管。蓄电池6还连接有防止深度放电的过放保护单元。

在本实用新型的另一个具体实施例中，本装置由模拟风源、风力发电机、双轴光源模拟跟踪平台，太阳能电池板、DSP控制器、电压电流检测板、光伏控制器、离网逆变器、蓄电池电源、交直流电压表、交直流负载器、7寸触摸屏等组成。整个实训装置的资源接口完全给用户开放，用户可自行接线进行二次开发。控制器有多种保护，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，输出短路保护等。

如图3所示，风光互补控制器为风光发电系统提供蓄电池充电、放电管理功能，太阳能输出的直流电和风力发电机输出的交流电(需整流)，经过控制器对蓄电池充电。

如图3所示，为了显示方便和操作方便，设计了方便快捷的人机界面，采用7寸触摸屏，开关机、电路功能选择、控制参数设定、输入输出参数等均可通过触摸屏设置，触摸屏显示风力发电机电压、太阳能电池电压、蓄电池电压、充/放电电流、温度检测等信息；同时还可以控制模拟光源及太阳能板角度。从而方便掌握基本实验方法与训练基本实验技能，并在此基础上充分运用实验设备对各种电路进行全方位深入研究，探究实际与理想情况产生差异的原因，并思考可能的解决方案。

如图3所示，控制器在本实施例中采用DSP处理器，系统采用TMS320F28335型数字信号处理器，该处理器是TI公司的一款TMS320C28X系列浮点DSP控制器。与以往的定点DSP相比，该处理器的精度高，成本低，功耗小，性能高，外设集成度高，数据以及程序存储量大，A/D转换更精确快速等。因此该处理器能集中控制整个风光互补系统的所有环节包括风力发电、光伏发电、蓄电池供电以及等双轴光源模拟跟踪平台电机转向控制功能。

在此基础上设计了并网、离网逆变器的电压、电流控制策略，DSP控制板根据电路功能不同可选发出驱动信号，最多可同时发出6路驱动信号，驱动信号通过驱动电路转换为隔离PWM驱动信号；多路PWM控制信号给并离网逆变器提供了充足的驱动接口信号。

如图4所示，在蓄电池未充满时，控制器的作用是最大限度地对蓄电池充电，当蓄电池被充满时，控制器自动卸荷，使太阳能与风力发电机所发出的电能通过卸荷电阻消耗掉，从而防止蓄电池过充而损坏，蓄电池此时处于浮充状态；当蓄电池放电至过放保护电压限时，控制器将发出蓄电池电量不足警告并切断蓄电池的放电回路，以防止蓄电池因过放电而损坏。

控制器的其它功能还包括风力发电机、光伏阵列以及蓄电池极性反接保护设计，蓄电池经过过充电与过放电之后的恢复延时设计，风机自动投入与卸载(刹车保护)，光控与时控调节负载输出，以及系统工作状态显示等。

控制电路主要由充电和放电回来组成，图4中F1，F2为熔断器；R1为风机卸荷负载，R2位蓄电池卸荷负载；Q1与Q2分别为太阳能电池与风力发电机对蓄电池进行充放电的开关器件。Q3为控制风力发电机卸荷负载的开关器件。G1、G2、G3为对应的开关器件驱动信号，其全部由DSP控制器控制驱动电路产生。

DSP实时检测蓄电池电压水平。当蓄电池电压处于正常范围内，风光互补系统对蓄电池充电的同时，蓄电池也对负载进行供电。当蓄电池处于欠压馈电状态，DSP发出指令信号，切除蓄电池负载，风光互补系统继续对蓄电池充电，使其电压不断升高。当蓄电池电压过高，能量过大时，DSP发出停止风光系统对蓄电池充电的指令，同时接入蓄电池输出端负载。

如图5所示，该装置外型柜体10主要由触摸显示屏11和状态指示灯12组成。

实训系统的硬件资源接口及代码完全给用户开放，用户可自行接线并在Code Composer Studio v5进行二次开发。

本实施例中的主要技术参数为：

1)模拟风源：轴流风机2.2kw、风速可调；

2)风力发电机：三相交流12V，额定功率100W，额定风速15m/s；

3)太阳能电池组件功率：DC12V/100W；

4)蓄电池电压：DC12V 24AH；

5)风光互补控制器：DC12V/400W；

6)模拟光源：光强可调0-500W，距离0-50cm可调；

7)跟踪系统：双轴跟踪，水平360度，俯仰180度，精度正负5度；

8)仪表单元:直流电压电流功率表；

9)触摸屏人机界面模块：控制模拟光源及太阳能板角度，以及显示光伏输入，控制器输出，蓄电池电压电流等；

该平台的优点为：

(1)经济性。目前国内教学仪器生产厂家实验仪器定价偏高，特别是专业实验设备生产厂家较少，价格更加昂贵，而且其功能不一定满足教学和科研需要。

(2)平台提供了相当大的自由度，可以根据设计的需要进行硬件设计和软件开发，直至最后的软硬件测试。能够有效的提高动手能力，开拓创新性思维。

(3)实验机组容量小，耗电小，配置齐全；装置经过特殊设计,其参数特性能模拟通用实验机组。

(4)装置布局合理，示意图明确、清晰、直观；实验连接线采用强、弱电分开,插头两者不能互插，避免强电接入弱电设备，造成该设备损坏；电路连接方式安全、可靠、迅速、简便。

开放式风光互补发电系统是面向高等院校电气信息类本、专科生深刻理解风能与太阳能的实验教学而设计的作品，具有风力和太阳能互补供电、光源跟踪、逆变器离网、并网等功能。可以掌握基本实验方法与训练基本技能，并在此基础上充分运用实验设备对相关电路进行全方位深入研究。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。