可移動式風光互補發電實驗實訓系統設計與研究

姚 吉，陳子堅，馮紅巖，孫天航

可移動式風光互補發電實驗實訓系統設計與研究

姚 吉，陳子堅，馮紅巖，孫天航

（天津中德應用技術大學 新能源系，天津 300350）

設計了可移動式風光互補發電實驗實訓系統，分析了該系統的機械結構、供電線路、控制線路及實驗效果。該系統的光伏發電模塊的年發電量約為每年345.5 kWh，風力發電模塊的年發電量約為每年466.8 kWh，總發電量為812.3 kWh。系統具備可開發性，配備了光敏傳感器、風速傳感器，可以基于信號處理板和觸摸屏自行開發風光互補控制方式，進行系統設計方面的實驗實訓。系統具備可移動性，可以依靠模擬光源模塊、模擬風源模塊、量角器、調節支架在室內室外進行模擬實際環境風光互補發電系統的實驗實訓。

風光互補發電；實驗實訓；可移動式；控制系統

1 風光互補發電研究概述

近年來，風能和太陽能以資源豐富、清潔能源等獨特優點成為人們關注的熱點。風力發電與太陽能發電作為可再生能源中的主流發電技術，在許多方面存在互補性，兩者結合所產生的風光互補發電系統逐漸成為學者研究的重點。張旭等[1]通過已經投入運行的國內外典型風光互補發電系統實例，分析了應用于風光互補發電系統的各種儲能裝置的技術參數、優缺點以及適用范圍。馬燕等[2]采用擾動觀察法，對風光互補發電系統進行最大功率跟蹤控制，并設計了模糊控制器，其仿真結果表明，控制策略可以隨著條件的變化進行實時地跟蹤控制。張建良等[3]基于Matlab建立了光伏、風機等單元的模型及模塊控制構成微電網底層單元，構建了微電網仿真實驗平臺。靳丹等[4]針對大型并網型風光互補發電系統，采用分級遞階控制結構對風力發電子系統和光伏發電子系統的輸出功率進行協調控制，有效地優化了子系統的發電功率。齊志遠等[5]建立了以系統發電成本最低為目標和以負載失電率為約束條件的優化函數，用改進和聲搜索算法對目標函數進行優化，最終優化配置后的風光互補發電系統能夠滿足負載供電需求，并降低建設成本。寧鐸等[6]設計了離網型風光互補逆變電源系統，提出了基于PIC16F73系列單片機的蓄電池三階段智能充電。陳景龍等[7]將風光互補發電系統的輸出作為WPT諧振電路的輸入端，利用無線電能傳輸技術對負載供電，利用了綠色能源的同時又能節約電力運輸成本。肖俊明等[8]針對微電網中分布式電源出力的優化管理問題，提出了改進基于分解的多目標進化算法（MOEA/ D）對風光互補系統的帶約束多目標數學模型進行優化，制定了風光互補系統中分布式可控電源的控制和管理策略。袁小平等[9]研制了一個新能源利用綜合演示實驗平臺，包括光伏發電、風力發電及光熱利用，并進行了該實驗平臺的數據采集和分析。郭棟等[10]設計基于MPPT控制技術的風光互補發電的實驗系統，采用模擬的風光能源比較不同工況條件下的最大功率跟蹤（MPPT）控制策略。肖文波等[11]研究了如何借助光伏效應實驗儀開展光伏電池特性實驗。陳子堅等[12]研究了如何改進現有風光互補發電系統以實現實際環境的實驗實訓。K Prompinit等[13]設計了可移動式混合發電系統，Eroglu等[14]試驗了一種基于太陽能、風能、化石燃料等混合發電的可移動式小屋。Zhang等[15]設計了一種可移動式光伏光熱一體化系統并測算了轉換效率，提出了不同面積情況下光伏光熱一體化系統的綜合轉換效率的修正方法。

上述研究表明，風光互補發電系統的研究主要存在兩個問題，一是關于該方向的實驗實訓系統開發較少，對培養該方向的工程技術人才助力不足；二是該方向的研究多采用模擬研究，這導致技術人員在使用該類實驗實訓系統培訓時無法了解真實條件下的風光互補發電情況。

本文提出了一種可移動式風光互補發電實驗實訓系統，通過使風光互補發電實驗實訓系統具備移動性和可開發性，可分別測量并對比模擬風光互補發電系統及真實風光互補發電系統的發電過程并自行設計風光互補發電控制方式，有效地提高了實驗實訓系統的真實性、準確性，對風光互補發電過程的數據監測、風光互補發電策略選擇等起到了卓有成效的作用。

2 系統可移動式結構設計

2.1 發電模塊設計

本系統由可移動式光伏發電模塊、可移動式風力發電模塊、模擬光源模塊、模擬風源模塊和可移動式監控模塊組成。可移動式光伏發電模塊和可移動式風力發電模塊通過可移動的監控模塊為蓄電池或外部負載供電，可移動式監控模塊獲取本系統的電流、電壓實時信號和外部氣象實時信號，監控充放電狀態和風光互補發電模式。學員可以通過可移動式監控模塊根據氣象條件對電能的產生源進行優化選擇，并可控制所產生電能的傳輸、儲存、逆變與輸出。在室內進行實驗實訓時，可借助模擬光源和模擬風源進行仿真實驗實訓；在室外使用時，可移動式光伏發電模塊等移至室外，完全依靠蓄電池供電，無需外接電源。

可移動式光伏發電模塊結構見圖1，由光伏組件、光敏傳感器、光伏組件支架、固定器、滾輪、量角器、調節支架和光伏發電模塊底座組成，光伏組件安裝在光伏組件支架上，光敏傳感器安裝在光伏組件一側，用于監測照射在光伏組件上的光照強度。光伏組件支架安裝在光伏發電模塊底座上，可通過量角器和調節支架來定量改變光伏組件的傾角，用于傾角計算方面的實驗對比。光伏發電模塊底座下方安裝了滾輪和固定器，可用于將該模塊在室內室外進行移動或固定。

1—光伏組件支架；2—光敏傳感器；3—光伏組件；4—光伏發電模塊底座；5—固定器；6—滾輪；7—量角器；8—調節支架。

可移動式風力發電模塊見圖2，由葉片、風速傳感器、整流器、風力發電機、尾翼、固定器、滾輪和風力發電模塊底座組成，葉片安裝在風力發電機上，其吸收風能水平旋轉，將風能轉化為機械能，風速傳感器安裝在風力發電機的垂直主旋轉軸上，可隨風力發電機的旋轉而旋轉，尾翼安裝在風力發電機的后部，當風向改變時，尾翼會垂直旋轉風力發電機使之正對風，風速傳感器因為安裝在風力發電機的垂直主旋轉軸上也會隨之旋轉并正對風。整流器安裝在風力發電機后部，用于將風力發電機產生的交流電整流成直流電。風力發電機安裝在風力發電模塊底座之上，風力發電模塊底座下方安裝了滾輪和固定器，可用于將該模塊在室內室外進行移動或固定。

1—葉片；2—風速傳感器；3—風力發電模塊底座；4—固定器；5—滾輪；6—尾翼；7—風力發電機；8—整流器。

2.2 模擬光源和風源模塊設計

模擬光源模塊結構見圖3，由模擬光源、模擬光源框架、模擬光源控制盒和固定器組成，模擬光源用于在室內模擬太陽能光，安裝在模擬光源框架上。模擬光源控制盒放置在模擬光源框架上，通過控制模擬光源亮燈數來控制模擬光源的光強。固定器在模擬光源框架下用于固定。

1—模擬光源；2—控制盒；3—模擬光源框架；4—固定器。

模擬風源模塊由圖4所示，由模擬風源、模擬風源框架、模擬風源控制盒和固定架組成。模擬風源用于在室內模擬風，安裝在模擬風源框架上。模擬風源控制盒可通過盒中的變頻器來控制模擬風源的風速變化，產生不同風速的風場。模擬風源控制盒放置在模擬風源框架上，固定器在模擬風源框架下用于固定。

2.3 監控模塊設計

可移動式監控模塊如圖5所示，包括光伏發電電流/電壓表、風力發電電流/電壓表、蓄電池電流/電壓表、監控觸摸屏、充放電控制信號處理板、電位器、逆變器、直流供電端口、交流供電端口、交流電插座、端子排、空氣開關組、繼電器組、蓄電池及滾輪。光伏發電模塊與風力發電模塊產生電能進入監控系統，經端子排、空氣開關組、繼電器組等，對蓄電池、外接負載及系統本身供電，當風光較弱時由蓄電池對外接負載及系統本身供電。該充放電過程中，相關電流/電壓值由光伏發電電流/電壓表、風力發電電流/電壓表及蓄電池電流/電壓表分別顯示，相關電流/電壓信號進入充放電控制信號處理板，并傳至監控觸摸屏進行人機互動，由充放電控制信號處理板和監控觸摸屏對整個系統的充放電狀態進行監控。輸出電能可為直流供電端口直接供能，也可經逆變器后為交流供電端口及交流電插座供能。電位器可用于測量本裝置光伏發電模塊的相關曲線。監控觸摸屏會獲取到充放電控制信號處理板的相關信號，包括光伏發電模塊的光敏傳感器信號和風力發電模塊和風速傳感器信號。監控觸摸屏可根據這些信號通過充放電控制信號處理板控制風光互補發電及蓄電池充放電模式。

1—模擬風源；2—風源控制盒；3—固定器；4—風源框架。

1—風力發電電流/電壓表；2—蓄電池電流/電壓表；3—熔斷器組；4—電位器；5—繼電器組；6—直流供電端口；7—交流供電端口；8—交流電插座；9—蓄電池組；10—固定器；11—端子排；12—逆變器；13—空氣開關組；14—充放電控制信號處理板；15—監控觸摸屏；16—光伏發電電流/電壓表。

3 供電及控制設計

3.1 供電設計

本系統產生的電能主要是24 V直流電，其供電設計圖見圖6。光伏組件為多晶硅光伏組件，最佳工作電壓為31.5 V，輸出功率為250 W。其受光照產生電能，經繼電器KA1和空氣開關QF8來控制其供電。當繼電器KA1和空氣開關QF1斷開且空氣開關QF8閉合時，調節電位器，繪制光伏發電模塊的伏安特性曲線圖。風力發電機為水平軸永磁同步風力發電機，葉片直徑為120 mm，啟動風速為1.5 m/s，輸出功率為300 W。其自帶整流器產生直流電能，經繼電器KA2和空氣開關QF2控制其供能。蓄電池組按照先串聯再并聯的方式連接，由繼電器KA3和空氣開關QF3來控制其充放電。光伏組件及風力發電機所產生的電能可為蓄電池組充電，產生或儲存的直流電能可直接為24 V直流負載供電，或經過繼電器KA4、空氣開關QF4和熔斷器一到逆變器，將直流24 V轉化成交流220 V。本系統產生的24 V直流電可為本系統的光敏傳感器和風速傳感器供電，同時也通過空氣開關QF5為充放電控制信號處理板供電，通過空氣開關QF6為監控觸摸屏供電。本系統產生的220 V交流電可為交流供電端口及交流電插座供電。

3.2 控制設計

本系統的控制設計見圖7。光敏傳感器連接充放電控制信號處理板的AI1端口，傳輸光強信號；風速傳感器連接充放電控制信號處理板的AI2端口，傳輸風速信號；光伏發電電流/電壓表連接充放電控制信號處理板的AI3、AI4端口，傳輸光伏發電電壓電流信號；風力發電電流/電壓表連接充放電控制信號處理板的AI5、AI6端口，傳輸風力發電電壓/電流信號；蓄電池電流電壓表連接充放電控制信號處理板的AI5、AI6端口，傳輸蓄電池電壓及充放電電流信號；充放電控制信號處理板根據這些信號與監控觸摸屏進行通信，根據信號實現控制。充放電控制信號處理板的D01端口控制繼電器KA1的線圈，從而控制光伏發電的供能；充放電控制信號處理板的D02端口控制繼電器KA2的線圈，從而控制風力發電的供能；充放電控制信號處理板的D03端口控制繼電器KA3的線圈，控制蓄電池的充放電過程；充放電控制信號處理板的D04端口控制繼電器KA4的線圈，控制逆變器將24 V直流電逆變成220 V交流電，為外接交流負載供電。

PV—光伏組件；QF—空氣開關；KA—繼電器；WT—風力發電機；FU—熔斷器；LS—光敏傳感器；WS—風速傳感器；EC—充放電控制信號處理板；HMI—監控觸摸屏；M1—光伏發電電流電壓表；M2—風力發電電流電壓表；M3—蓄電池電流電壓表；BA—蓄電池組。

LS—光敏感器；WS—風速傳感器；M1—光伏發電電流/電壓表；M2—風力發電電流/電壓表；M3—蓄電池電流/電壓表；KA—繼電器；HMI—監控觸摸屏；EC—充放電控制信號處理板。

4 系統測試及分析

4.1 監控界面

本系統監控及數據采集依賴于MCGSE觸摸屏組態技術，通過和充放電控制信號處理板進行通信，監控模塊可獲取本系統的電流/電壓實時信號和外部氣象實時信號，實時監控本系統的工作狀態并采集實時數據。學生可以根據氣象條件操作監控模塊對電能的產生源進行優化選擇，并可控制所產生電能的傳輸、儲存、逆變與輸出。通過監控可以監視光伏發電模塊和風力發電模塊的工作狀態，可以采集光強信號，風速信號，光伏發電的電流、電壓和功率，風力發電的電流、電壓和功率的實時數據與歷史數據。監控系統的數據顯示界面如圖8所示。

圖8 系統的觸摸屏參數顯示界面

4.2 實驗數據及分析

測得本系統的光伏發電模塊的伏安特性曲線、功率輸出曲線見圖9，可以找到光伏發電模塊的最大功率點。光伏發電模塊的發電量由下式計算：

式中：P為光伏發電模塊年發電量，kWh；P為光伏發電模塊瞬時電壓，V；P為光伏發電模塊瞬時電流，A；為時間，s。

通過計算可知光伏發電模塊的年發電量每年約為345.5 kWh。

本系統的風力發電模塊的功率輸出曲線如圖10所示，在風速大于4 m/s后定槳風力發電機進入失速情況，發電功率不斷變化。

圖9 光伏發電模塊的伏安特性曲線、功率輸出曲線

圖10 風力發電模塊的功率輸出曲線

風力發電模塊的發電量由下式估算：

式中：W為風力發電模塊年發電量，kWh；W為風力發電模塊功率，W；為年有效風時數，h。

通過估算可知風力發電模塊的年發電量約為每年466.8 kWh。

本系統在室內進行實驗實訓時，借助模擬光源模塊和模擬風源模塊進行實驗曲線的測試。本系統可推至室外使用，進行真實氣象條件下的光伏發電及風力發電方面的實驗實訓。

5 結語

本系統配備了光敏傳感器、風速傳感器，可以基于本系統的信號處理板和觸摸屏自行開發風光互補控制方式，進行系統設計方面的實驗實訓；本系統可以依靠模擬光源模塊、模擬風源模塊、量角器、調節支架在室內、室外進行模擬實際環境風光互補發電系統的實驗實訓及不同太陽入射角度的實驗實訓。

[1] 張旭，張楠，趙冬梅.風光互補發電系統應用實例對比分析[J].電源技術，2014, 38(7): 1399–1401.

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Design and research of experimental training system for mobile wind-solar hybrid power generation

YAO Ji, CHEN Zijian, FENG Hongyan, SUN Tianhang

(New Energy Department, Tianjin Sino-German University of Applied Sciences, Tianjin 300350, China)

A experimental training system for mobile wind-solar hybrid power generation is designed, and the mechanical structure, power supply circuit, control circuit and experimental results of the system are analyzed. The annual power generation of photovoltaic module is about 345.5 kWh per year, and that of wind power module is about 466.8 kWh per year. The total power generation is 812.3 kWh. This system is exploitable and equipped with photosensitive sensors and wind speed sensors, which can develop the wind-solar complementary control mode based on signal processing board and touch screen and carry out experimental training in system design. This system has mobility, which can rely on analog light source module, analog wind source module, protractor and adjusting bracket to carry out indoor and outdoor experimental training of wind-solar complementary power generation system simulating actual environment and different solar incidence angles.

wind-solar hybrid power generation; experimental training; movable type; control system

TM61；G484

A

1002-4956(2019)07-0087-06

10.16791/j.cnki.sjg.2019.07.022

2018-12-13

天津市科技計劃項目技術革新與引導專項科技特派員項目（18JCTPJC49400）；天津市科技發展戰略研究計劃項目（18ZLZXZF00260）；天津市教委科研計劃項目（2017KJ043）；天津市科技計劃項目技術創新引導專項優秀特派員項目（18JCTPJC52500）

姚吉（1966—），男（回族），河北文安，本科，副教授，天津中德應用技術大學新能源系系主任，工業和信息化職業教育教學指導委員會自動化專指委秘書長，研究方向為新能源控制系統研究.E-mail: yeying8882011@163.com