可移动式风光互补发电实验实训系统设计与研究

姚 吉，陈子坚，冯红岩，孙天航

可移动式风光互补发电实验实训系统设计与研究

姚 吉，陈子坚，冯红岩，孙天航

（天津中德应用技术大学 新能源系，天津 300350）

设计了可移动式风光互补发电实验实训系统，分析了该系统的机械结构、供电线路、控制线路及实验效果。该系统的光伏发电模块的年发电量约为每年345.5 kWh，风力发电模块的年发电量约为每年466.8 kWh，总发电量为812.3 kWh。系统具备可开发性，配备了光敏传感器、风速传感器，可以基于信号处理板和触摸屏自行开发风光互补控制方式，进行系统设计方面的实验实训。系统具备可移动性，可以依靠模拟光源模块、模拟风源模块、量角器、调节支架在室内室外进行模拟实际环境风光互补发电系统的实验实训。

风光互补发电；实验实训；可移动式；控制系统

1 风光互补发电研究概述

近年来，风能和太阳能以资源丰富、清洁能源等独特优点成为人们关注的热点。风力发电与太阳能发电作为可再生能源中的主流发电技术，在许多方面存在互补性，两者结合所产生的风光互补发电系统逐渐成为学者研究的重点。张旭等[1]通过已经投入运行的国内外典型风光互补发电系统实例，分析了应用于风光互补发电系统的各种储能装置的技术参数、优缺点以及适用范围。马燕等[2]采用扰动观察法，对风光互补发电系统进行最大功率跟踪控制，并设计了模糊控制器，其仿真结果表明，控制策略可以随着条件的变化进行实时地跟踪控制。张建良等[3]基于Matlab建立了光伏、风机等单元的模型及模块控制构成微电网底层单元，构建了微电网仿真实验平台。靳丹等[4]针对大型并网型风光互补发电系统，采用分级递阶控制结构对风力发电子系统和光伏发电子系统的输出功率进行协调控制，有效地优化了子系统的发电功率。齐志远等[5]建立了以系统发电成本最低为目标和以负载失电率为约束条件的优化函数，用改进和声搜索算法对目标函数进行优化，最终优化配置后的风光互补发电系统能够满足负载供电需求，并降低建设成本。宁铎等[6]设计了离网型风光互补逆变电源系统，提出了基于PIC16F73系列单片机的蓄电池三阶段智能充电。陈景龙等[7]将风光互补发电系统的输出作为WPT谐振电路的输入端，利用无线电能传输技术对负载供电，利用了绿色能源的同时又能节约电力运输成本。肖俊明等[8]针对微电网中分布式电源出力的优化管理问题，提出了改进基于分解的多目标进化算法（MOEA/ D）对风光互补系统的带约束多目标数学模型进行优化，制定了风光互补系统中分布式可控电源的控制和管理策略。袁小平等[9]研制了一个新能源利用综合演示实验平台，包括光伏发电、风力发电及光热利用，并进行了该实验平台的数据采集和分析。郭栋等[10]设计基于MPPT控制技术的风光互补发电的实验系统，采用模拟的风光能源比较不同工况条件下的最大功率跟踪（MPPT）控制策略。肖文波等[11]研究了如何借助光伏效应实验仪开展光伏电池特性实验。陈子坚等[12]研究了如何改进现有风光互补发电系统以实现实际环境的实验实训。K Prompinit等[13]设计了可移动式混合发电系统，Eroglu等[14]试验了一种基于太阳能、风能、化石燃料等混合发电的可移动式小屋。Zhang等[15]设计了一种可移动式光伏光热一体化系统并测算了转换效率，提出了不同面积情况下光伏光热一体化系统的综合转换效率的修正方法。

上述研究表明，风光互补发电系统的研究主要存在两个问题，一是关于该方向的实验实训系统开发较少，对培养该方向的工程技术人才助力不足；二是该方向的研究多采用模拟研究，这导致技术人员在使用该类实验实训系统培训时无法了解真实条件下的风光互补发电情况。

本文提出了一种可移动式风光互补发电实验实训系统，通过使风光互补发电实验实训系统具备移动性和可开发性，可分别测量并对比模拟风光互补发电系统及真实风光互补发电系统的发电过程并自行设计风光互补发电控制方式，有效地提高了实验实训系统的真实性、准确性，对风光互补发电过程的数据监测、风光互补发电策略选择等起到了卓有成效的作用。

2 系统可移动式结构设计

2.1 发电模块设计

本系统由可移动式光伏发电模块、可移动式风力发电模块、模拟光源模块、模拟风源模块和可移动式监控模块组成。可移动式光伏发电模块和可移动式风力发电模块通过可移动的监控模块为蓄电池或外部负载供电，可移动式监控模块获取本系统的电流、电压实时信号和外部气象实时信号，监控充放电状态和风光互补发电模式。学员可以通过可移动式监控模块根据气象条件对电能的产生源进行优化选择，并可控制所产生电能的传输、储存、逆变与输出。在室内进行实验实训时，可借助模拟光源和模拟风源进行仿真实验实训；在室外使用时，可移动式光伏发电模块等移至室外，完全依靠蓄电池供电，无需外接电源。

可移动式光伏发电模块结构见图1，由光伏组件、光敏传感器、光伏组件支架、固定器、滚轮、量角器、调节支架和光伏发电模块底座组成，光伏组件安装在光伏组件支架上，光敏传感器安装在光伏组件一侧，用于监测照射在光伏组件上的光照强度。光伏组件支架安装在光伏发电模块底座上，可通过量角器和调节支架来定量改变光伏组件的倾角，用于倾角计算方面的实验对比。光伏发电模块底座下方安装了滚轮和固定器，可用于将该模块在室内室外进行移动或固定。

1—光伏组件支架；2—光敏传感器；3—光伏组件；4—光伏发电模块底座；5—固定器；6—滚轮；7—量角器；8—调节支架。

可移动式风力发电模块见图2，由叶片、风速传感器、整流器、风力发电机、尾翼、固定器、滚轮和风力发电模块底座组成，叶片安装在风力发电机上，其吸收风能水平旋转，将风能转化为机械能，风速传感器安装在风力发电机的垂直主旋转轴上，可随风力发电机的旋转而旋转，尾翼安装在风力发电机的后部，当风向改变时，尾翼会垂直旋转风力发电机使之正对风，风速传感器因为安装在风力发电机的垂直主旋转轴上也会随之旋转并正对风。整流器安装在风力发电机后部，用于将风力发电机产生的交流电整流成直流电。风力发电机安装在风力发电模块底座之上，风力发电模块底座下方安装了滚轮和固定器，可用于将该模块在室内室外进行移动或固定。

1—叶片；2—风速传感器；3—风力发电模块底座；4—固定器；5—滚轮；6—尾翼；7—风力发电机；8—整流器。

2.2 模拟光源和风源模块设计

模拟光源模块结构见图3，由模拟光源、模拟光源框架、模拟光源控制盒和固定器组成，模拟光源用于在室内模拟太阳能光，安装在模拟光源框架上。模拟光源控制盒放置在模拟光源框架上，通过控制模拟光源亮灯数来控制模拟光源的光强。固定器在模拟光源框架下用于固定。

1—模拟光源；2—控制盒；3—模拟光源框架；4—固定器。

模拟风源模块由图4所示，由模拟风源、模拟风源框架、模拟风源控制盒和固定架组成。模拟风源用于在室内模拟风，安装在模拟风源框架上。模拟风源控制盒可通过盒中的变频器来控制模拟风源的风速变化，产生不同风速的风场。模拟风源控制盒放置在模拟风源框架上，固定器在模拟风源框架下用于固定。

2.3 监控模块设计

可移动式监控模块如图5所示，包括光伏发电电流/电压表、风力发电电流/电压表、蓄电池电流/电压表、监控触摸屏、充放电控制信号处理板、电位器、逆变器、直流供电端口、交流供电端口、交流电插座、端子排、空气开关组、继电器组、蓄电池及滚轮。光伏发电模块与风力发电模块产生电能进入监控系统，经端子排、空气开关组、继电器组等，对蓄电池、外接负载及系统本身供电，当风光较弱时由蓄电池对外接负载及系统本身供电。该充放电过程中，相关电流/电压值由光伏发电电流/电压表、风力发电电流/电压表及蓄电池电流/电压表分别显示，相关电流/电压信号进入充放电控制信号处理板，并传至监控触摸屏进行人机互动，由充放电控制信号处理板和监控触摸屏对整个系统的充放电状态进行监控。输出电能可为直流供电端口直接供能，也可经逆变器后为交流供电端口及交流电插座供能。电位器可用于测量本装置光伏发电模块的相关曲线。监控触摸屏会获取到充放电控制信号处理板的相关信号，包括光伏发电模块的光敏传感器信号和风力发电模块和风速传感器信号。监控触摸屏可根据这些信号通过充放电控制信号处理板控制风光互补发电及蓄电池充放电模式。

1—模拟风源；2—风源控制盒；3—固定器；4—风源框架。

1—风力发电电流/电压表；2—蓄电池电流/电压表；3—熔断器组；4—电位器；5—继电器组；6—直流供电端口；7—交流供电端口；8—交流电插座；9—蓄电池组；10—固定器；11—端子排；12—逆变器；13—空气开关组；14—充放电控制信号处理板；15—监控触摸屏；16—光伏发电电流/电压表。

3 供电及控制设计

3.1 供电设计

本系统产生的电能主要是24 V直流电，其供电设计图见图6。光伏组件为多晶硅光伏组件，最佳工作电压为31.5 V，输出功率为250 W。其受光照产生电能，经继电器KA1和空气开关QF8来控制其供电。当继电器KA1和空气开关QF1断开且空气开关QF8闭合时，调节电位器，绘制光伏发电模块的伏安特性曲线图。风力发电机为水平轴永磁同步风力发电机，叶片直径为120 mm，启动风速为1.5 m/s，输出功率为300 W。其自带整流器产生直流电能，经继电器KA2和空气开关QF2控制其供能。蓄电池组按照先串联再并联的方式连接，由继电器KA3和空气开关QF3来控制其充放电。光伏组件及风力发电机所产生的电能可为蓄电池组充电，产生或储存的直流电能可直接为24 V直流负载供电，或经过继电器KA4、空气开关QF4和熔断器一到逆变器，将直流24 V转化成交流220 V。本系统产生的24 V直流电可为本系统的光敏传感器和风速传感器供电，同时也通过空气开关QF5为充放电控制信号处理板供电，通过空气开关QF6为监控触摸屏供电。本系统产生的220 V交流电可为交流供电端口及交流电插座供电。

3.2 控制设计

本系统的控制设计见图7。光敏传感器连接充放电控制信号处理板的AI1端口，传输光强信号；风速传感器连接充放电控制信号处理板的AI2端口，传输风速信号；光伏发电电流/电压表连接充放电控制信号处理板的AI3、AI4端口，传输光伏发电电压电流信号；风力发电电流/电压表连接充放电控制信号处理板的AI5、AI6端口，传输风力发电电压/电流信号；蓄电池电流电压表连接充放电控制信号处理板的AI5、AI6端口，传输蓄电池电压及充放电电流信号；充放电控制信号处理板根据这些信号与监控触摸屏进行通信，根据信号实现控制。充放电控制信号处理板的D01端口控制继电器KA1的线圈，从而控制光伏发电的供能；充放电控制信号处理板的D02端口控制继电器KA2的线圈，从而控制风力发电的供能；充放电控制信号处理板的D03端口控制继电器KA3的线圈，控制蓄电池的充放电过程；充放电控制信号处理板的D04端口控制继电器KA4的线圈，控制逆变器将24 V直流电逆变成220 V交流电，为外接交流负载供电。

PV—光伏组件；QF—空气开关；KA—继电器；WT—风力发电机；FU—熔断器；LS—光敏传感器；WS—风速传感器；EC—充放电控制信号处理板；HMI—监控触摸屏；M1—光伏发电电流电压表；M2—风力发电电流电压表；M3—蓄电池电流电压表；BA—蓄电池组。

LS—光敏感器；WS—风速传感器；M1—光伏发电电流/电压表；M2—风力发电电流/电压表；M3—蓄电池电流/电压表；KA—继电器；HMI—监控触摸屏；EC—充放电控制信号处理板。

4 系统测试及分析

4.1 监控界面

本系统监控及数据采集依赖于MCGSE触摸屏组态技术，通过和充放电控制信号处理板进行通信，监控模块可获取本系统的电流/电压实时信号和外部气象实时信号，实时监控本系统的工作状态并采集实时数据。学生可以根据气象条件操作监控模块对电能的产生源进行优化选择，并可控制所产生电能的传输、储存、逆变与输出。通过监控可以监视光伏发电模块和风力发电模块的工作状态，可以采集光强信号，风速信号，光伏发电的电流、电压和功率，风力发电的电流、电压和功率的实时数据与历史数据。监控系统的数据显示界面如图8所示。

图8 系统的触摸屏参数显示界面

4.2 实验数据及分析

测得本系统的光伏发电模块的伏安特性曲线、功率输出曲线见图9，可以找到光伏发电模块的最大功率点。光伏发电模块的发电量由下式计算：

式中：P为光伏发电模块年发电量，kWh；P为光伏发电模块瞬时电压，V；P为光伏发电模块瞬时电流，A；为时间，s。

通过计算可知光伏发电模块的年发电量每年约为345.5 kWh。

本系统的风力发电模块的功率输出曲线如图10所示，在风速大于4 m/s后定桨风力发电机进入失速情况，发电功率不断变化。

图9 光伏发电模块的伏安特性曲线、功率输出曲线

图10 风力发电模块的功率输出曲线

风力发电模块的发电量由下式估算：

式中：W为风力发电模块年发电量，kWh；W为风力发电模块功率，W；为年有效风时数，h。

通过估算可知风力发电模块的年发电量约为每年466.8 kWh。

本系统在室内进行实验实训时，借助模拟光源模块和模拟风源模块进行实验曲线的测试。本系统可推至室外使用，进行真实气象条件下的光伏发电及风力发电方面的实验实训。

5 结语

本系统配备了光敏传感器、风速传感器，可以基于本系统的信号处理板和触摸屏自行开发风光互补控制方式，进行系统设计方面的实验实训；本系统可以依靠模拟光源模块、模拟风源模块、量角器、调节支架在室内、室外进行模拟实际环境风光互补发电系统的实验实训及不同太阳入射角度的实验实训。

[1] 张旭，张楠，赵冬梅.风光互补发电系统应用实例对比分析[J].电源技术，2014, 38(7): 1399–1401.

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[3] 张建良，于淼，包哲静，等.微电网仿真实验平台的设计与实现[J].实验技术与管理，2018, 35(9): 150–153.

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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

天津市科技计划项目技术革新与引导专项科技特派员项目（18JCTPJC49400）；天津市科技发展战略研究计划项目（18ZLZXZF00260）；天津市教委科研计划项目（2017KJ043）；天津市科技计划项目技术创新引导专项优秀特派员项目（18JCTPJC52500）

姚吉（1966—），男（回族），河北文安，本科，副教授，天津中德应用技术大学新能源系系主任，工业和信息化职业教育教学指导委员会自动化专指委秘书长，研究方向为新能源控制系统研究.E-mail: yeying8882011@163.com