湘西土家族苗族自治州GC-WS02风力发电教学实验系统

                                                      GC-WS02风力发电教学实验系统

一、系统概述

风力发电教学实验系统为小型水平轴永磁同步风力发电实验系统，采用模块化结构设计，电气测试点均采用安全的实验插孔与实验导线连接。模拟风源采用变频器实时控制大功率调速电动机，通过轴流风洞模拟自然风； 风力发电机在模拟风源的吹动下向外输送电能；多路仪表可实时显示系统发用电信息，集成通讯接口，可将数据远程传递给上位机，进行远程综合监测，并可进行数据报表存储、查询；平台内集成了风机控制器、蓄电池、离网逆变器以及交直流负载，可以组成离网型风力发电系统。

二、主要参数

2.1、系统辅助电源

Ø电源1：输入：AC220V、输出：DC24V/2.5A

Ø电源2：输入：AC220V、输出：DC12V/2.0A

Ø电源3：输入：AC220V、输出：DC5V/2.0A

2.2 模拟风源采用轴流通风机，额定电压220V、额定频率50HZ、额定功率0.75KW、额定转速960rpm；风速可调（0-10m/s）、风速控制精度：0.1m/s、风向控制精度：0.1°

Ø风量：12069 mз/h

Ø风压：188Pa

Ø转速：960 r/min

Ø功率：0.75kW    

Ø可调风速：0～10级连续可调

2.3 风力发电机

Ø额定功率：300(W)

Ø额定电压：12(V)

Ø额定电流：33.3

Ø风轮直径：1.24(m)

Ø启动风速：2.5(m/s)

Ø额定风速：9.6(m/s)

Ø安全风速：35(m/s)

Ø工作形式：永磁同步发电机

Ø风叶旋转方向：顺时针

Ø风叶数量：3（片）   

Ø风叶材料：玻璃增强聚丙烯材料

Ø电机材料：铝合金

2.4、测风系统

Ø测量范围： 风速：0～60m/s

Ø精    度： ±0.1m/s  ± 3° 

Ø工作电源： DC12V、5V或其他供电。

Ø记录间隔：1分钟～240分钟连续可设置

Ø通讯接口：  RS-485通讯

Ø环境温度：   -40℃～50℃  

Ø转速传感器：0～5000 风力发电机转速检测显示（室内）

2.5、风力发电控制系统：

Ø工作电压：12VDC

Ø充电功率Pmax ：600W

Ø光伏功率Pmax ：150W

Ø风机功率Pmax ：450W

Ø充电方式：PWM脉宽调制

Ø充电*电流 35A

Ø过放保护电压 11V 

Ø过放恢复电压 12.6V

Ø输出保护电压 16V  

Ø卸载开始电压（出厂值）15.5V

Ø卸载开始电流（出厂值） 15A

Ø控制器设有蓄电池过充、过放电保护、蓄电池开路保护、负载过电压保护、夜间防反充电保护、输出短路保护、电池接反保护、欠压和过压防震荡保护、均衡充电、温度补偿、光控开关功能；

Ø负载为100W以下的12V直流负载，控制单元一通道为常开输出，另一通道为多类定时输出（光控开、光控关，定时开、定时关，）。

Ø使用32位高速单片机，实现智能控制，自动识别12/24V系统。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。

Ø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。

Ø具有丰富的工作模式，如光控，光控＋定时，通用控制等模式。

2.6、离网逆变器

Ø直流输入电压：9.7～16VDC 电压可选

Ø额定蔬出功率：300W

Ø输出电压：110/220VAC

Ø输出波形：纯正弦波

Ø输出频率：50Hz

Ø工作效率：85%

Ø功率因数：>0.88

Ø波形失真率≤5%

Ø工作环境：温度-20℃～50℃

Ø相对湿度：﹤90﹪（25℃）

Ø保护功能：极性反接、短路、过热、过载保护具有输出短路、过温、过载、欠压保护及保护具有自动恢复功能，采用风机冷却方式，输入输出完全隔离设计，能快速并行启动电容、电感负载，三色指示灯显示，输入电压,输出电压，负载水准和故障情形，负载控制风扇冷却，过压/欠压/短路/过载/超温保护

2.7、监控系统（工业触摸屏）

Ø尺寸(英寸) 7

Ø液晶屏：TFT液晶显示，LED背光

Ø显示颜色：真彩，65535色

Ø分辨率：800×480

Ø液晶屏亮度：200cd/㎡

Ø触摸屏：电阻式

Ø供电电源：24VDC

Ø额定功率：5W

ØCPU主板：ARM CPU，400MHz

Ø内存：64M

Ø存储设备：128M FLASH

Ø组态软件：MCGS嵌入式组态软件（运行版）

环境条件 　

Ø工作温度：0℃~45℃

Ø工作湿度：5%~90%

Ø储存温度：-10℃~60℃

Ø振动频率：10-57Hz 57-150Hz

Ø振动加速度：0.075mm 9.8 m/s2

Ø振动扫频速率：Oct/min ≤1

外部接口：　

Ø串口：1×RS232、1×RS485   USB ：1主1从

2.8、仪表显示单元

Ø三相交流电压表：AC0-100V

Ø三相交流电流表：AC0-5A

Ø直流电压表：DC0-100V

Ø直流电流表：DC0-5A

Ø交流电压表：AC0-300V

Ø交流电流表：AC0-5A

Ø隔离RS485信号输出、标准Modbus协议

2.9、仿真规划软件基于Unity3D软件，使用C#语言进行开发，采用My Sql作为后台数据库，通过FTP协议与数据库进行通信。软件使用者通过使用光伏、风力、地热、生物质4种能源设计多能互补方案，完成区域能源的供能结构改造方案设计，并结合区域的气候数据，模拟区域内实时能耗与供能数据，从而优化出合理的能源结构。

Ø用户管理功能：

注册：支持学生或教师按照学校名称和手机号码注册用户

登录：支持学生或教师根据手机号码或用户名登录系统。

找回密码：支持学生或教师根据手机号码找回密码

权限管理：支持主用户添加或删除子用户

用户信息管理：支持用户信息查看，包括用户名、学校、真实姓名、学号、上级用户等

异地登录：同一个账号24小时内只能在同一台电脑上登录，无法在其他电脑上登录。

Ø气象数据库支持查看全国超过32个城市的模拟地图气候数据。支持查看2013-2016年的精确到天的模拟地图气候数据，可自由设置日期进行查看。每个城市的气候数据均可查看：平均气温、最高最低气温、湿度、降水量、辐照量、气压、风速、土地湿度摄氏度等。

Ø3D地图功能支持教师通过3D地图上的模拟能耗布置相应学习任务，同时可以修改多种参数以*化的适应不同实际情况，最后可以根据学生完成情况进行相应的评分。

根据项目及学习任务需要规划设计的区域面积大小，选择对应面积以及地形相似度高的区域，并定期更新可用的区域3d地图、加载在3D地图上的是真实的地形地貌，包含设计成虚拟的地形地貌、3D地图模型、山川、河流与树木；

支持修改光伏发电的相关评分参数：整机效率、最佳倾角、除组件和逆变器以外的其他成本参数等。

支持修改风力发电的相关评分参数：整机效率、风力波动（自定义风速的每小时波动数据以体现出风力发电机组随着每小时风速数据的变化，发电量在1天24小时内随机波动的特点；）

支持修改地热能的相关评分参数：换热能力、热协调参数、成本单价

支持修改生物质能的相关评分参数：生物质年供应、整机效率、生物质残余物平均能源折算系数、生物质平均谷草比系数、生物质残余物能源利用可获得系数、建设成本、燃料成本、运维成本等。同时可自动根据公司计算得出每年*可建设的电站功率作为评分准则。

（*生物质电站功率=年供应量*1000*平均能源折算系数*谷草比系数*残余物能源利用可获得系数/ 3600/365/24）

设计区域内的5种用能建筑模型（底层住宅、交通枢纽、酒店、小高层、写字楼），通过设置每个建筑模型的*功率、制冷制热能耗占比、每小时实际用电系数、日能耗时长，可以获得区域内建筑每小时、每天、全年的耗电情况以及制冷制热能耗需求；

可选择全国任意地区（精确城市）、任意气候时段作为区域能源模拟的目标区域，通过对比数据库可以得出当地经纬度、光伏组件全年最高、最低工作温度，并可以自动计算*、最小电压、*开路电压、*直流电流等数据，可以自行比较同一模型不同规划方案的优劣，通过比较倾角偏差、组件逆变器功率比、间距误差、逆变器数量、生物质电站容量、浅层地热容量、风力电站布局、外部电力输入、外部电力波动、建设总成本等，可以对同一模型下的方案进行自动评分

命名：教师可以自行命名模型的名字

删除：教师可以对模型进行删除操作

支持学生通过设置3D地图上的各种能源搭配的方案来解答教师给出的学习任务，并给出相应的数据报表

在3d地图上，根据模拟的每小时用能数据，合理布局"光伏发电""风力发电""生物质发电""浅层地热设施"设置各种产能模块的产能参数，满足区域用能需求，以完成需求侧区域能源规划方案的设计；

使用光伏、风力、生物质、地热4种新能源并结合外部电力输入以进行能源供应模拟并能自动计算产能。

根据设施地区经纬度与气候参数，通过选择不同型号规格的逆变器与光伏组件，来完成光伏组件方阵的设计，主要包含参数有：方阵行数、方阵列数、组件安装方式设计、倾角设计、逆变器数量、组件间距设计、组串串并联的数量等完成区域光伏电站设置。

根据每小时的用电情况，实现户式/小型分布式光伏电站的模拟设计，并根据所选光伏组件与逆变器估算该电站的建设成本以及模拟该分布式电站与负载的合并运行情况可设置不同容量大小的风机，模拟风力发电功率

根据模拟时段内的气温数据，判断当日是否存在制冷制热需求，并根据当日的冷热程度模拟制冷制热能耗情况。

模拟浅层地热换热能力与埋管面积的关系；同时学生根据模拟数据需要，设置生物质能建设所需面具，以满足模拟建筑制冷制热能耗需求；

学习生物质发电过程中，通过生物质能电站的一系列参数，强化学生对于生物质能转化公式学习。（*生物质电站功率=年供应量*1000*平均能源折算系数*谷草比系数*残余物能源利用可获得系数/ 3600/365/24）并模拟白天时段，光伏发电设施每小时发电数据，体现出白天每小时光伏发电量随光照强度变化、夜晚光伏没有发电的量的特点；

根据逆变器、光伏组件的价格，风机机组价格，地热电站价格，生物质电站价格对所设计的多能互补方案的建设总成本自动统计在初始化并部署完成后，展示整个区域能源状态，并根据预设值进行计算和输出，根据输出结果形成各类报表。包括总数据和日数据；

能源数据报表中，通过模拟时间过程，以及设计好的方案，可以显示各种能源的产能情况，包括：总产能、光伏发电量、风力发电量、浅层地热能量、生物质能发电量以及外部电力输入等。

根据用能模块预设的用能参数，模拟计算出用能情况实时曲线与各类产能设施的产能占比，并同步图表显示，包括总能耗、一般能耗、制冷制热能耗等，有助于学生进行相应能源的设计配比。

命名：学生可自行对设计方案进行命名或重命名

删除：教师或学生可删除方案

2.10、蓄电池组：铅酸电池12V/12AH

2.11、负载单元

（1）DC12V直流负载五组。（感性负载3组，阻性负载2组）

1）感性负载有：12V直流风扇、12V直流电机、12V蜂鸣器

2）阻性负载有：12V交通灯、3W 高亮度LED灯

（2）AC220V交流负载四组。（感性负载1组，阻性负载2组）

1）感性负载有：220V直流风扇

2）阻性负载：220V交通灯.220V 3W高亮度LED灯

（3）可调稳压电源（0-12V，0-2A）。

（4）可调电阻箱技术参数如下：

1）阻值范围：0-2000欧连续可调,功率100W

2）误差范围：±1%

三、可完成实验项目

3.1）小型风力发电机结构与原理

3.2）小型风力发电机输出特性

3.3）风力发电系统的组成

3.4）蓄电池的充放电特性

3.5）风机控制器的原理与功能

3.6）离网逆变器的原理与功能

四、主要设备清单