CN210295573U - 一种工业级模块化风光互补发电实训平台 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种工业级模块化风光互补发电实训平台，包括能源模块、风光互补发电控制模块及监控模块。其中，能源模块主要包括光伏发电单元、风力发电单元及底座；风光互补发电控制模块主要包括电源保护单元、触摸屏、按钮盘、PLC、风光互补控制器、离网逆变器、蓄电池、变频器、继电器组及交直流负载；监控模块主要包括智能电压电流表、工控一体机、环境参数传感器（总辐射、温湿度、光照度、风速）及通信模块。本实训装置所有零部件均可拆装，组装后可利用各个模块下端的滚轮移动，可在室内利用模拟能源供电，也可以在室外利用真实的太阳能和风能进行发电与实训。可满足学生练习离网风光互补发电系统安装与调试的需求。
Description
技术领域
本实用新型属于教学实训领域，属于新能源发电控制，具体地说是依托电子信息技术实现新能源发电的控制的实训教学系统。
背景技术
随着分布式能源的开发和利用，电力企业对分布式发电控制与微电网技术和光伏发电技术与应用方面的人才需求很大，就业前景广阔。各个企业展开对风光互补发电实训装置的研究，现存的实训装置一般采用整体式结构，而且实训台多数为单面结构，占地面积较大，运输和移动不便，学生实训参与度低。采用的传感器一般为实验室专用而非工业产品，不利于学生了解现场的实际应用情况。
实用新型内容
针对现有实训装置的不足，本实用新型提供了一种工业级模块化风光互补发电实训平台，本实训装置所有零部件均可拆装，组装后可利用各个模块下端的滚轮移动，可在室内利用模拟能源供电，也可以在室外利用真实的太阳能和风能进行发电与实训。可满足学生练习离网风光互补发电系统安装与调试的需求。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：
一种工业级模块化风光互补发电实训平台，其特征在于：能源模块中的光伏发电方阵（35）、光伏发电单元支架（36）及风力发电机（38）安装于能源模块的底座（37）上，模拟光源（34）及其支架（33）和岗位式轴流风机（39）放在地面上，模拟光源及岗位式轴流风机可随时移动。风光互补发电控制模块及监控模块安装于正面网孔板上和背面网孔板上，网孔板固定于实训台框架（39）上，实训台框架安装于实训台底座（40）上。能源模块可提供能量来源，光伏组件和风力发电机发出的电通过导线接入风光互补发电控制模块中的风光互补控制器，风光互补控制器可根据设定好的工作模式给蓄电池充电或直接给直流负载供电。可通过PLC控制能源和负载的导入时刻，完成风光互补控制和负载控制能源的导入，实现供用电平衡。监控模块中的智能电压电流表可测量各发电单元和用电单元发出的电能与消耗的电能，通过Modbus-RTU通信协议与工控一体机通信来完成数据监控。
本实用新型的有益效果及优点是：
实训平台结构紧凑，主要由两大部分组成，一个是能源模块，另一个是风光互补发电实训台（风光互补发电控制模块及监控模块），风光互补发电控制模块及监控模块分别安装在实训台的正反两面的网孔板上，占地面积较一般风光互补实训装置减少一半以上。每个模块上的实训装置均可拆装，提高学生实训的参与度，可有效提高教学效果。选用的PLC支持以太网通信，可支持PLC与上位机的超远距离通信，通信速度和通信距离都远优于传统的实训设备中PLC采用的RS485通信，选用的上位机为工控一体机，符合工业环境使用，符合工业4.0的发展方向。选用的环境参数传感器包括总辐射仪、温湿度传感器、光照度传感器、风速仪全部为工业级产品，可用于户外使用，向学生展示现场实际使用的情况。所用的环境参数传感器均支持RS485通信和ZigBee通信协议，可实现远距离无线通信，符合工业互联网的发展方向，同时，采用的总辐射表可以测量太阳能辐射功率，可支持学生研究不同辐射强度下的光伏组件发电效率，有利于培养学生的创新精神。
附图说明
图1为风光互补发电控制模块，其安装于实训台框架的正面。图中：
1--正面网孔板
2--电源保护单元
3--行线槽
4--触摸屏
5--按钮盘
6--风光互补控制器
7--变频器
8--直流负载灯
9--滑动变阻器
10--单相交流异步电机
11--继电器组
12--离网逆变器
13--接线端子排
14--导轨
15.--PLC模拟量扩展模块
16.--PLC
17.--开关电源
图2为监控模块，其安装于实训台框架的背面。图中：
18--单相交流电压表19.直流电压表
20--直流电流表
21--智能直流复合表1
22--接线端子排
23--工控一体机
24--总辐射表
25--风速仪
26--Zigbee通信模块
27--温湿度光照度仪
28--背面网孔板
29--智能直流复合表2
30--三相复合表1
31--单相交流电流表
32--三相复合表2
图3为能源模块，其独立的放在地面上，可靠滚轮移动。图中：
33--模拟光源支架
34--模拟光源
35--光伏发电方阵
36--光伏发电单元支架
37--能源模块底座
38--风力发电机
39--岗位式轴流风机
图4为实训台外观，风光互补发电控制模块和监控模块分别安装于实训台的框架的正面和背面上，底座上安装有四个轮子，可满足移动实训台的需求。
40--实训台框架
41--实训台底座
具体实施方式
一种工业级模块化风光互补发电实训平台，其特征在于：如图3所示，能源模块中的光伏发电方阵（35）、光伏发电单元支架（36）及风力发电机（38）安装于能源模块底座（37）上，模拟光源（34）及其支架（33）和岗位式轴流风机（39）放在地面上，模拟光源及岗位式轴流风机可随时移动。如图4所示，风光互补发电控制模块及监控模块安装于正面网孔板上和背面网孔板上，网孔板固定于实训台框架（40）上，实训台框架安装于实训台底座（41）上。能源模块可提供能量来源，光伏组件和风力发电机发出的电通过导线接入风光互补发电控制模块中的风光互补控制器，风光互补控制器可根据设定好的工作模式给蓄电池充电或直接给直流负载供电。监控模块中的智能电压电流表可测量各发电单元和用电单元发出的电能与消耗的电能，通过Modbus-RTU通信协议与工控一体机通信来完成数据监控。
请参阅图1，所述光伏发电方阵（35）由四块单晶硅光伏发电组件构成，其中每个光伏发电组件的峰值发电功率为20W，开路电压为18V。四块光伏组件采用并联的方式接入风光互补控制器。
所述光伏发电方阵（35）安装在光伏发电单元支架（36）上。光伏发电单元支架采用3030工业铝型材制成，与光伏发电组件采用内六角螺栓和T型螺母配合连接，光伏发电组件位置可调，光伏发电组件的与水平面的夹角（安装倾角）可通过铝型材连接件调节，满足不同地理位置的不同安装倾角要求，训练学生的光伏发电系统设计和安装能力。
所述模拟光源（34）及其支架（33）起到模拟太阳能的作用。其中模拟光源由5个功率为200W的交流碘钨灯组成，其支架由3030工业铝型材制成。
所述风力发电机（38）额定功率为10W，三相交流电压输出，是垂直轴永磁发电机，具有5片扇叶，最低起动风速小于2m/s，更适用于室内实验使用。三相输出电压接入风光互补控制器后可为蓄电池充电，为负载系统提供能源。
所述岗位式轴流风机（39）采用交流380V供电，可立于地面可移动，便于教学。在本实训系统中，岗位式轴流风机（39）由风光互补发电控制模块中的变频器（4）供电，通过PLC控制变频器的输出频率调节轴流风机的风速，进而调节风力发电机的输出电压，来模拟真实环境中的风力发电特性。学生可通过这种方式来研究风速与风力发电机的输出功率的关系，培养学生的研究能力和探索能力。
请参阅图1，所述正面网孔板（1）由2mm厚的镀锌钢板冲孔制成，孔的尺寸为20*5mm，采用两横两竖的排列方式，这种排列方式的好处在于，安装器件的时候可以灵活的上下左右挪动，不受制于器件的安装孔的位置，任何形状的器件都可以安装与该网孔板。
所述风光互补发电控制模块主要包括电源保护单元、触摸屏、按钮盘、PLC、风光互补控制器、离网逆变器、蓄电池、变频器、继电器组及交直流负载，以上模块均通过螺栓固定于正面网孔板（1）上。可实现能源的导入、逆变、交、直流负载的接入与运行控制。
具体的实现方式如下：
电源保护单元从墙上的插座取电后，分别给变频器和DC24V开关电源供电，24V开关电源为其余器件供电。
在风光互补发电控制模块中，学生可以选择多种控制模式，现以按钮盘和触摸屏发布命令控制举例说明实现方法。
按钮盘中的按钮接入PLC的输入，作为命令发布源。可通过PLC和小型电磁继电器实现能源模块中的模拟光源的点亮。
按钮盘可以通过PLC控制变频器调节轴流风机风速控制风力发电机的转速。
能量产生后，光伏发电方阵和风力发电机发出的电能通过电磁继电器接入风光互补控制器，通过PLC编程可以控制负载和能源的导入。风光互补控制器的输出可以直接带直流负载和为蓄电池充电。
蓄电池接入离网逆变器后可将直流12V逆变为交流220V，离网逆变器经继电器后可为交流负载供电。
所述直流负载包括滑动变阻器和直流负载灯，所述交流负载指的是单相交流异步电机。
PLC的扩展模块可实现变频器的模拟量控制方式下控制变频器的输出频率。
在实训过程中需要重复接线并且价格较高的器件上下两端布置了接线端子排，将常用的触点接到端子排上，学生实训过程中，从一个器件对应的接线端子排接到另外一个器件对应的接线端子排上。这样，高价的设备既得到了充分的利用，又不能过早损坏。
在网孔板上安装了行线槽，方便走线。
通过触摸屏与PLC通信同样可以实现按钮盘控制PLC实现的相应功能。PLC与触摸屏采用RS-485通信，通信波特率一般设置为9600。
所述电源保护模块采用的空开和所述开关电源为施耐德品牌的。触摸屏型号为昆仑通泰的TPC7062-TX。PLC及扩展模块品牌为厦门海为，支持RS-485通信和以太网通信，PLC与工控一体机通信采用以太网通信，可实现超远距离通信。风光互补控制器的型号为Rhea-V2.3，可采用Keil4软件进行开发。离网逆变器为浙江瑞亚能源科技有限公司生产的RY-V3.0离网逆变器。变频器采用的是杭州三科变频技术有限公司生产的型号为SKIV100A的单相电源输入的变频器。继电器组由10个型号为RXM4LB2BD的施耐德品牌的小型电磁继电器组成。线圈电压为直流24V，具有4对常开和4对常闭触点。直流负载灯由绿色、黄色、红色三个直流频闪灯组成，额定电压24V，额定功率1W。滑动变阻器的阻值范围为0-1000欧姆。单相异步电机的额定电压为220V，额定功率为6W。
请参阅图2，所述监控模块由单相交流电压表、直流电压表、直流电流表、智能直流复合表1、接线端子排、工控一体机、总辐射表、风速仪、Zigbee通信模块、温湿度光照度仪、背面网孔板、智能直流复合表2、三相复合表1、单相交流电流表、三相复合表2组成。其中直流电压变和直流电流表主要测量直流负载的电压和电流。单相交流电压表和单相交流电流表主要测量交流负载的电压和电流。智能直流复合表1和智能直流复合表2可测量光伏发电方阵的发电电压和电流（光伏发电方阵可两两并联后组成两个独立的光伏电站，分别由两块智能直流复合表来测量）。三相复合表1用来测量变频器的输出电压、电流及频率，三相复合表2用来测量风力发电机的输出电压、电流及频率。风速仪主要测量风力发电机获得的风速，总辐射表用来测量模拟光源或太阳的实时辐射功率，用来研究光伏组件的发电效率。温湿度光照度仪用来测量环境的温度、湿度和光照度。
8块仪表和3种环境传感器均可以通过Modbus-RTU通信协议或者ZigBee通信协议与工控一体机进行通信。
采用ZigBee通信协议通信时，需要将各个仪表和传感器的RS485通信线接在Zigbee通信模块上，经过通信模块的转换可以与工控一体机上连接的Zigbee通信模块通信。
工控一体机通过力控组态软件组态后可在屏幕上监测各个仪表和传感器的参数，通过程序计算后可显示发电量和负载的用电量及功率等参数，实现远程监控功能。在工控一体机上同样可以通过力控组态软件实现按钮盘和触摸屏的命令发布功能。
综上所述，本实用新型所提供的实训平台结构紧凑，主要由两大部分组成，一个是能源模块，另一个是风光互补发电实训台（风光互补发电控制模块及监控模块），风光互补发电控制模块及监控模块分别安装在实训台的正反两面的网孔板上，占地面积较一般风光互补实训装置减少一半以上。每个模块上的实训装置均可拆装，提高学生实训的参与度，可有效提高教学效果。选用的PLC支持以太网通信，可支持PLC与上位机的超远距离通信，通信速度和通信距离都远优于传统的实训设备中PLC采用的RS485通信，选用的上位机为工控一体机，符合工业环境使用，符合工业4.0的发展方向。选用的环境参数传感器（总辐射仪、温湿度、光照度、风速仪）全部为工业级产品，可用于户外使用，向学生展示现场实际使用的情况。所用的环境参数传感器均支持RS485通信和ZigBee通信协议，可实现远距离无线通信，符合工业互联网的发展方向，同时，采用的总辐射表可以测量太阳能辐射功率，可支持学生研究不同辐射强度下的光伏组件发电效率，有利于培养学生的创新精神。
Claims (10)
1.一种工业级模块化风光互补发电实训平台，其特征在于：能源模块中的光伏发电方阵（35）、光伏发电单元支架（36）及风力发电机（38）安装于能源模块底座（37）上，模拟光源（34）及其支架（33）和岗位式轴流风机（39）放在地面上，模拟光源及岗位式轴流风机可随时移动；风光互补发电控制模块及监控模块安装于正面网孔板上和背面网孔板上，网孔板固定于实训台框架（40）上，实训台框架安装于实训台底座（41）上；能源模块可提供能量来源，光伏组件和风力发电机发出的电通过导线接入风光互补发电控制模块中的风光互补控制器，风光互补控制器可根据设定好的工作模式给蓄电池充电或直接给直流负载供电；监控模块中的智能电压电流表可测量各发电单元和用电单元发出的电能与消耗的电能，通过Modbus-RTU通信协议与工控一体机通信来完成数据监控；本实训装置所有零部件均可拆装，组装后可利用各个模块下端的滚轮移动，可在室内利用模拟能源供电，也可以在室外利用真实的太阳能和风能进行发电与实训；可满足学生练习离网风光互补发电系统安装与调试的需求。
2.如权利要求1所述的工业级模块化风光互补发电实训平台，其特征在于：所述能源模块，包括光伏发电单元、风力发电单元及底座，是整个系统的能量来源。
3.如权利要求1所述的工业级模块化风光互补发电实训平台，其特征在于：所述光伏发电方阵（35）由四块单晶硅光伏发电组件构成，其中每个光伏发电组件的峰值发电功率为20W，开路电压为18V；四块光伏组件采用并联的方式接入风光互补控制器。
4.如权利要求1所述的工业级模块化风光互补发电实训平台，其特征在于：所述光伏发电方阵（35）安装在光伏发电单元支架（36）上；光伏发电单元支架采用3030工业铝型材制成，与光伏发电组件采用内六角螺栓和T型螺母配合连接，光伏发电组件位置可调，光伏发电组件的与水平面的夹角可通过铝型材连接件调节，满足不同地理位置的不同安装倾角要求，训练学生的光伏发电系统设计和安装能力。
5.如权利要求1所述的工业级模块化风光互补发电实训平台，其特征在于：所述模拟光源（34）及其支架（33）起到模拟太阳能的作用；其中模拟光源由5个功率为200W的交流碘钨灯组成，其支架由3030工业铝型材制成。
6.如权利要求1所述的工业级模块化风光互补发电实训平台，其特征在于：所述风力发电机（38）额定功率为10W，三相交流电压输出，是垂直轴永磁发电机，具有5片扇叶，最低起动风速小于2m/s，更适用于室内实验使用；三相输出电压接入风光互补控制器后可为蓄电池充电，为负载系统提供能源。
7.如权利要求1所述的工业级模块化风光互补发电实训平台，其特征在于：所述岗位式轴流风机（39）采用交流380V供电，可立于地面可移动，便于教学；在本实训系统中，岗位式轴流风机（39）由风光互补发电控制模块中的变频器（4）供电，通过PLC控制变频器的输出频率调节轴流风机的风速，进而调节风力发电机的输出电压，来模拟真实环境中的风力发电特性；学生可通过这种方式来研究风速与风力发电机的输出功率的关系，培养学生的研究能力和探索能力。
8.如权利要求1所述的工业级模块化风光互补发电实训平台，其特征在于：所述正面网孔板（1）由2mm厚的镀锌钢板冲孔制成，孔的尺寸为20*5mm，采用两横两竖的排列方式，这种排列方式的好处在于，安装器件的时候可以灵活的上下左右挪动，不受制于器件的安装孔的位置，任何形状的器件都可以安装与该网孔板。
9.如权利要求1所述的工业级模块化风光互补发电实训平台，其特征在于：所述风光互补发电控制模块主要包括电源保护单元、触摸屏、按钮盘、PLC、风光互补控制器、离网逆变器、蓄电池、变频器、继电器组及交直流负载，以上模块均通过螺栓固定于正面网孔板（1）上；可实现能源的导入、逆变、交、直流负载的接入与运行控制。
10.如权利要求1所述的工业级模块化风光互补发电实训平台，其特征在于：所述监控模块主要包括智能电压电流表、工控一体机、总辐射仪、温湿度传感器、光照度传感器、风速仪及通信模块；以上模块均通过螺栓固定于背面网孔板（28）上，可实现能源模块发电量、负载用电量和环境参数的测量及上位机的监控。
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Applications Claiming Priority (1)
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023115189A1 (pt) * | 2021-12-21 | 2023-06-29 | Fernandes Fernando | Sistema híbrido e compacto de geração de energia e método de gerenciamento e operação do sistema |
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2019
- 2019-01-10 CN CN201920039468.XU patent/CN210295573U/zh active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| WO2023115189A1 (pt) * | 2021-12-21 | 2023-06-29 | Fernandes Fernando | Sistema híbrido e compacto de geração de energia e método de gerenciamento e operação do sistema |
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| GR01 | Patent grant | ||
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