王碩南 孫榮霞

摘 要：根據(jù)本地區(qū)新能源區(qū)域經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)及人才需求，新開(kāi)設(shè)了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電綜合實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)。主要圍繞光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、逆變控制開(kāi)展綜合實(shí)訓(xùn)。學(xué)生自主搭建基于PLC或單片機(jī)的光伏發(fā)電自跟蹤控制、風(fēng)力偏航控制系統(tǒng)，通過(guò)MATLAB軟件對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)后，在上位機(jī)控制界面進(jìn)行控制組態(tài)，進(jìn)行實(shí)物平臺(tái)調(diào)試和數(shù)據(jù)測(cè)試，通過(guò)優(yōu)化控制算法，獲得最佳功率轉(zhuǎn)換輸出。實(shí)驗(yàn)有助于鍛煉學(xué)生實(shí)踐開(kāi)發(fā)能力，為京津冀地區(qū)培養(yǎng)新能源方面的高級(jí)工程技師應(yīng)用人才。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；風(fēng)力發(fā)電；風(fēng)光互補(bǔ)；綜合實(shí)訓(xùn)

1 概述

根據(jù)國(guó)家大力發(fā)展新能源的產(chǎn)業(yè)政策，結(jié)合本地新能源區(qū)域經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)，新開(kāi)設(shè)了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電控制綜合實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)課。讓學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、逆變控制的基本原理，完成風(fēng)光互補(bǔ)綜合實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)。學(xué)生通過(guò)自主搭建PLC或嵌入式單片機(jī)控制系統(tǒng)平臺(tái)、系統(tǒng)仿真、控制算法優(yōu)化，實(shí)物調(diào)試和數(shù)據(jù)測(cè)試綜合實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，完成風(fēng)光互補(bǔ)綜合實(shí)訓(xùn)，提高學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)由單片機(jī)、PLC控制系統(tǒng)構(gòu)成，采用MCGS軟件完成上位機(jī)監(jiān)控，通過(guò)SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并對(duì)模擬光源、光伏跟蹤、模擬風(fēng)場(chǎng)與側(cè)風(fēng)偏航進(jìn)行遙控。實(shí)驗(yàn)軟件具有曲線顯示、歷史查詢報(bào)表、EXCEL文檔輸出、打印等功能。

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

3.1 光伏發(fā)電測(cè)試

光伏電池動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)Set PG/PC Interface查找和設(shè)置通訊模式，選擇PC/PPI電纜，包含串口和USB，通常選擇與主機(jī)相同的串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；編寫和調(diào)試程序，最終在工控機(jī)上達(dá)到控制光電池追蹤光源的效果。

通過(guò)太陽(yáng)能發(fā)電重點(diǎn)跟蹤控制系統(tǒng)，為光伏發(fā)電自跟蹤控制系統(tǒng)搭建測(cè)試平臺(tái)。檢查設(shè)備通訊正常，打開(kāi)光伏發(fā)電燈泡負(fù)載實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)選擇自動(dòng)跟蹤狀態(tài)。

本地光伏發(fā)電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以通過(guò)工控平臺(tái)上曲線選擇欄，選擇在工控機(jī)界面顯示光伏輸入電壓、光伏功率等曲線。本地光伏發(fā)電自跟蹤控制經(jīng)緯度數(shù)據(jù)采集監(jiān)控，記錄包括年平均最大輻射量、月平均輻射量。

3.2 風(fēng)力發(fā)電測(cè)試

通過(guò)STEP設(shè)置與光伏發(fā)電類參數(shù)，編程調(diào)試；通過(guò)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)監(jiān)控界觀察風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、功率轉(zhuǎn)速等實(shí)時(shí)曲線，通過(guò)手動(dòng)操作變頻器按鍵，實(shí)現(xiàn)可變風(fēng)量輸出。通過(guò)對(duì)風(fēng)力動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行測(cè)試，搭建風(fēng)力自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)，觀察實(shí)時(shí)風(fēng)速曲線圖，記錄各時(shí)刻風(fēng)量值，輸出電壓值。通過(guò)工控機(jī)上觀察風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝置的各項(xiàng)實(shí)時(shí)參數(shù)。

3.3 逆變系統(tǒng)測(cè)試

通過(guò)Matlab/Simulink電路仿真軟件，完成逆變控制系統(tǒng)仿真。模擬逆變器仿真輸出結(jié)果，此時(shí)經(jīng)過(guò)逆變器后產(chǎn)生的占空比按正弦規(guī)律變化的方波。最后點(diǎn)擊經(jīng)過(guò)RLC濾波電路之后的仿真圖形，通過(guò)優(yōu)化控制算法得到逆變和濾波之后的輸出波形為380V 50Hz的正弦波。當(dāng)實(shí)物系統(tǒng)平臺(tái)連接電源和蓄電池開(kāi)關(guān)，接通逆變器輸入開(kāi)關(guān)，逆變器主控板上電工作時(shí)，觀察蓄電池電壓，在蓄電池電壓正常狀況下，啟動(dòng)升壓板開(kāi)關(guān)；正常升壓后，逆變器開(kāi)始工作。

MCGS上位機(jī)控制系統(tǒng)組態(tài)軟件，為實(shí)測(cè)交流電壓表顯示的數(shù)據(jù)，通過(guò)MATLAB優(yōu)化控制算法，得到逆變器最佳實(shí)際輸出測(cè)試曲線。

通過(guò)本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)，讓學(xué)生學(xué)習(xí)光伏發(fā)電及風(fēng)力系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理，掌握由IGBT等大功率開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成整流及逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及電路設(shè)計(jì)方法，掌握PWM控制算法及多種逆變器控制策略，以及正弦脈寬調(diào)制、鎖相環(huán)控制的設(shè)計(jì)方法。

通過(guò)本實(shí)驗(yàn)學(xué)生綜合運(yùn)用自動(dòng)控制原理、單片機(jī)原理及應(yīng)用、傳感器原理及應(yīng)用、過(guò)程控制、計(jì)算機(jī)控制、電力電子技術(shù)等所學(xué)知識(shí)，完成太陽(yáng)電池的輸出特性、太陽(yáng)電池自跟蹤控制設(shè)計(jì)、模擬風(fēng)場(chǎng)控制設(shè)計(jì)、風(fēng)力發(fā)電偏航控制設(shè)計(jì)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出特性、風(fēng)光互補(bǔ)綜合實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

4 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)光伏和風(fēng)力動(dòng)態(tài)特性設(shè)計(jì)集建模、控制和優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，融合實(shí)物和虛擬仿真技術(shù)，支持自定義的高級(jí)控制和優(yōu)化算法，搭建的風(fēng)光互補(bǔ)控制系統(tǒng)，不僅可在模擬仿真器上進(jìn)行高級(jí)算法的研究，也可針對(duì)實(shí)物平臺(tái)進(jìn)行風(fēng)光互補(bǔ)控制算法的研究。系統(tǒng)具有虛實(shí)結(jié)合、模塊化的開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)。開(kāi)設(shè)的實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，有助于提高學(xué)生在新能源應(yīng)用方面的綜合設(shè)計(jì)、探索創(chuàng)新的能力。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不僅用于加深學(xué)生對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)控制原理相關(guān)知識(shí)的綜合運(yùn)用，提高對(duì)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，還可用于京津冀地區(qū)風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電等新能源公司的員工培訓(xùn)。

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