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【摘 要】针对风光互补发电教学示范系统的建设要求，采用风机和太阳能电池板互补的方式发电，风机输出三相交流电经整流装置整流后给蓄电池组充电，太阳能电池板输出直流电经太阳能控制器调整后给蓄电池充电，蓄电池组选用40个12V蓄电池，采用每10个串联再并联的方式构成120V储电装置，蓄电池输出的直流电经逆变器逆变后，变为交流电给负载供电。负载控制系统采用触摸屏和PLC结合的方式，实现对发电系统重要参数的监视，以及对校园瀑布的实时监控、定时控制等功能。系统发挥教学示范功能，学生参与日常检测、维修和维护，也作为相关课程的实践教学现场和学生毕业设计项目。系统已投入使用，运行良好。
【关键词】风光互补发电；整流；逆变器；教学示范功能
风光互补发电系统是一种利用了风能和太阳能等可再生能源的互补性，具有较高性价比的一种新型能源发电系统。该系统不产生废弃物、无污染，是利用新兴清洁能源的代表，也是未来人们获得能源的重要渠道之一。该系统把风能、光能转换成电能储存在蓄电池组中，供负载使用。风光互补发电系统推动了我国节能环保事业的发展，促进资源节约型和环境友好型社会的建设。
一、课题的目的和意义
（一）生态理念
项目的建设不仅体现了国家生态文明建设的思想，而且能够提高学生的生态文明意识，符合学校的德育教育理念。
（二）发电系统
系统通过吸收自然界的风能和光能，将其转换成电能，供负载使用或者储存在蓄电池组内备用，能够真正起到发电、节电的作用。
（三）教学示范
作为一套完整的电气控制系统，项目涵盖了光伏发电、电力电子、PLC、单片机、变频器、组态技术等多门课程的知识，既能够发挥每门课的教学示范作用，又能作为一个整体，把所有课程有机结合。达到实践教学的作用，能够提高学生的实践能力。
二、发电系统建设
（一）整体设计
在校园采光较好的位置安装光伏组件采集太阳能，即太阳能板，共30块，每块太阳能板的工作电压为33.5V，将其中5块串联成一组，共6组，再将每两组并联成一路，共三路信号输送到光伏控制器，每一路的输出电压为33.5*5=167.5V，电流为6A，光伏控制器将三路信号处理后给蓄电池组充电。
在校园风源充足的位置安装四台风力发电机采集风能，输出三相交流电，每一路都输送到一个对应的风机控制器上，风机控制器主要进行信号整流，输出交流电给蓄电池组充电，并在每个风机控制器上安装卸荷器进行卸荷。
控制系统的负载为校园瀑布景观中的四台潜水泵，潜水泵为三相交流电机，因此蓄电池组的电需要由逆变器进行逆变，转换为交流电，再由单相转三相的变频器输出三相220V交流电给负载。其中逆变器上带有电源切换功能，当蓄电池组电压低于100V的时候，停止使用蓄电池电量，自动切换到市电，从而保证电池电量不足时负载的正常运行。
负载控制部分采用可编程控制器（PLC）与触摸屏相结合的方式，由PLC采集信息和实现控制，触摸屏进行监视和操作，整个风光互补发电原理图如图1所示。
图1 风光互补发电原理图
（二）多功能逆变器
系统所用逆变器，不仅实现逆变功能，将蓄电池的电转换为交流电，同时有变压、检测、信号切换和报警等功能。将逆变电压通过变压器转换为220V进行输出，通过传感器检测蓄电池电压，当电压过低时实现自动切换，将输出信号由逆变信号切换到市电信号，当蓄电池电压达到130V时，将输出信号由市电信号切换到逆变信号。（注：120V蓄电池最高充电可达到140V）
除以上功能外，逆变器还能进行状态显示、故障检测、声音报警功能，逆变器监控面板如图2所示。显示屏中可显示蓄电池电压、输入市电和输出信号的电压及频率、输出电流，并有六个指示灯分别显示输入、市电、逆变、输出、DC、故障的状态。发生报警时FAULT灯亮并发出报警声，长按消音按钮5s即可消除报警声，长按复位按钮5s可完成系统复位。另外，面板上还有ON、OFF、DATA、STATE四个按键，ON和OFF分别用来启动和停止逆变器，DATA和STATE分别显示某些数据和状态。
（三）负载控制部分
负载控制部分选用欧姆龙PLC作为核心控制器，型号为CP1E，并扩展模拟量模块。PLC的作用是控制四个潜水泵电机的启停和采集模拟量信号，而水泵电机有变频器启动，因此PLC输出控制信号到变频器。变频器的电源来自逆变器输出的220V单相交流电，并输出三相220V交流电到水泵电机，并接热继电器进行过热保护。系统安装台达触摸屏与PLC进行串口通信，触摸屏上组态控制画面，设置四台水泵的启停开关，以及水泵定时控制，其中定时可设四个时间区间，在任何一个时间区间范围内，如果开关在启动状态，水泵将自动启动，而区间范围外自动停止。负载控制箱如图3所示。
三、教学示范系统
本项目作为一套完整的电气控制系统，它涵盖了光伏发电、电力电子、PLC、单片机、变频器、组态技术等多门课程的知识，既能够发挥每门课的教学示范作用，又能作为一个整体，把所有课程有机结合。系统所涉及课程如图4所示。
图3 负载控制箱 图4 系统所涉及课程
教学示范系统实现功能如下：
1）实现相关课程的现场授课；2）作为一个整体系统，以讲座或选修课的形式授课；3）作为学生毕业设计的研究对象；4）开发相关实验、为学生实践提供机会。
四、结论
在校园内建设风光互补发电教学示范系统能够倡导清洁能源理念，培养学生的环保意识，同时为相关课程提供实践教学的场所和设施，提高实践教学的质量和效果。项目符合国家培养应用型人才的战略方针，具有很好的经济效益和社会效益，意义深远。
参考文献：
[1]周志敏.太阳能光伏逆变器设计与工程应用.北京：电子工业出版社，2013.
[2]赵宏娟.光伏发电系统中逆变电源的原理与实现.科技论坛.2007年第7期.
[3]刘恩科.光伏电池及其应用.北京：科学出版社，1991.8
[4]吴作明.工控组态软件与PLC应用技术.北京：北京航空航天大学出版社，2007.
[5]赵书安.太阳能光伏发电及应用技术.南京：东南大学出版社，2011.
[6]徐世许.可编程控制器原理及其应用.北京：人民邮电出版社，2010
【关键词】风光互补发电；整流；逆变器；教学示范功能
风光互补发电系统是一种利用了风能和太阳能等可再生能源的互补性，具有较高性价比的一种新型能源发电系统。该系统不产生废弃物、无污染，是利用新兴清洁能源的代表，也是未来人们获得能源的重要渠道之一。该系统把风能、光能转换成电能储存在蓄电池组中，供负载使用。风光互补发电系统推动了我国节能环保事业的发展，促进资源节约型和环境友好型社会的建设。
一、课题的目的和意义
（一）生态理念
项目的建设不仅体现了国家生态文明建设的思想，而且能够提高学生的生态文明意识，符合学校的德育教育理念。
（二）发电系统
系统通过吸收自然界的风能和光能，将其转换成电能，供负载使用或者储存在蓄电池组内备用，能够真正起到发电、节电的作用。
（三）教学示范
作为一套完整的电气控制系统，项目涵盖了光伏发电、电力电子、PLC、单片机、变频器、组态技术等多门课程的知识，既能够发挥每门课的教学示范作用，又能作为一个整体，把所有课程有机结合。达到实践教学的作用，能够提高学生的实践能力。
二、发电系统建设
（一）整体设计
在校园采光较好的位置安装光伏组件采集太阳能，即太阳能板，共30块，每块太阳能板的工作电压为33.5V，将其中5块串联成一组，共6组，再将每两组并联成一路，共三路信号输送到光伏控制器，每一路的输出电压为33.5*5=167.5V，电流为6A，光伏控制器将三路信号处理后给蓄电池组充电。
在校园风源充足的位置安装四台风力发电机采集风能，输出三相交流电，每一路都输送到一个对应的风机控制器上，风机控制器主要进行信号整流，输出交流电给蓄电池组充电，并在每个风机控制器上安装卸荷器进行卸荷。
控制系统的负载为校园瀑布景观中的四台潜水泵，潜水泵为三相交流电机，因此蓄电池组的电需要由逆变器进行逆变，转换为交流电，再由单相转三相的变频器输出三相220V交流电给负载。其中逆变器上带有电源切换功能，当蓄电池组电压低于100V的时候，停止使用蓄电池电量，自动切换到市电，从而保证电池电量不足时负载的正常运行。
负载控制部分采用可编程控制器（PLC）与触摸屏相结合的方式，由PLC采集信息和实现控制，触摸屏进行监视和操作，整个风光互补发电原理图如图1所示。
图1 风光互补发电原理图
（二）多功能逆变器
系统所用逆变器，不仅实现逆变功能，将蓄电池的电转换为交流电，同时有变压、检测、信号切换和报警等功能。将逆变电压通过变压器转换为220V进行输出，通过传感器检测蓄电池电压，当电压过低时实现自动切换，将输出信号由逆变信号切换到市电信号，当蓄电池电压达到130V时，将输出信号由市电信号切换到逆变信号。（注：120V蓄电池最高充电可达到140V）
除以上功能外，逆变器还能进行状态显示、故障检测、声音报警功能，逆变器监控面板如图2所示。显示屏中可显示蓄电池电压、输入市电和输出信号的电压及频率、输出电流，并有六个指示灯分别显示输入、市电、逆变、输出、DC、故障的状态。发生报警时FAULT灯亮并发出报警声，长按消音按钮5s即可消除报警声，长按复位按钮5s可完成系统复位。另外，面板上还有ON、OFF、DATA、STATE四个按键，ON和OFF分别用来启动和停止逆变器，DATA和STATE分别显示某些数据和状态。
（三）负载控制部分
负载控制部分选用欧姆龙PLC作为核心控制器，型号为CP1E，并扩展模拟量模块。PLC的作用是控制四个潜水泵电机的启停和采集模拟量信号，而水泵电机有变频器启动，因此PLC输出控制信号到变频器。变频器的电源来自逆变器输出的220V单相交流电，并输出三相220V交流电到水泵电机，并接热继电器进行过热保护。系统安装台达触摸屏与PLC进行串口通信，触摸屏上组态控制画面，设置四台水泵的启停开关，以及水泵定时控制，其中定时可设四个时间区间，在任何一个时间区间范围内，如果开关在启动状态，水泵将自动启动，而区间范围外自动停止。负载控制箱如图3所示。
三、教学示范系统
本项目作为一套完整的电气控制系统，它涵盖了光伏发电、电力电子、PLC、单片机、变频器、组态技术等多门课程的知识，既能够发挥每门课的教学示范作用，又能作为一个整体，把所有课程有机结合。系统所涉及课程如图4所示。
图3 负载控制箱 图4 系统所涉及课程
教学示范系统实现功能如下：
1）实现相关课程的现场授课；2）作为一个整体系统，以讲座或选修课的形式授课；3）作为学生毕业设计的研究对象；4）开发相关实验、为学生实践提供机会。
四、结论
在校园内建设风光互补发电教学示范系统能够倡导清洁能源理念，培养学生的环保意识，同时为相关课程提供实践教学的场所和设施，提高实践教学的质量和效果。项目符合国家培养应用型人才的战略方针，具有很好的经济效益和社会效益，意义深远。
参考文献：
[1]周志敏.太阳能光伏逆变器设计与工程应用.北京：电子工业出版社，2013.
[2]赵宏娟.光伏发电系统中逆变电源的原理与实现.科技论坛.2007年第7期.
[3]刘恩科.光伏电池及其应用.北京：科学出版社，1991.8
[4]吴作明.工控组态软件与PLC应用技术.北京：北京航空航天大学出版社，2007.
[5]赵书安.太阳能光伏发电及应用技术.南京：东南大学出版社，2011.
[6]徐世许.可编程控制器原理及其应用.北京：人民邮电出版社，2010