風光互補發(fā)電綜合實訓實驗教學探索

王碩南 孫榮霞

摘 要：根據(jù)本地區(qū)新能源區(qū)域經(jīng)濟特點及人才需求，新開設(shè)了風光互補發(fā)電綜合實訓實驗。主要圍繞光伏發(fā)電、風力發(fā)電、逆變控制開展綜合實訓。學生自主搭建基于PLC或單片機的光伏發(fā)電自跟蹤控制、風力偏航控制系統(tǒng)，通過MATLAB軟件對控制系統(tǒng)進行仿真實驗后，在上位機控制界面進行控制組態(tài)，進行實物平臺調(diào)試和數(shù)據(jù)測試，通過優(yōu)化控制算法，獲得最佳功率轉(zhuǎn)換輸出。實驗有助于鍛煉學生實踐開發(fā)能力，為京津冀地區(qū)培養(yǎng)新能源方面的高級工程技師應(yīng)用人才。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；風力發(fā)電；風光互補；綜合實訓

1 概述

根據(jù)國家大力發(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)濟特點，新開設(shè)了風光互補發(fā)電控制綜合實訓實驗課。讓學生通過學習光伏發(fā)電、風力發(fā)電、逆變控制的基本原理，完成風光互補綜合實訓實驗。學生通過自主搭建PLC或嵌入式單片機控制系統(tǒng)平臺、系統(tǒng)仿真、控制算法優(yōu)化，實物調(diào)試和數(shù)據(jù)測試綜合實驗等實驗環(huán)節(jié)，完成風光互補綜合實訓，提高學生分析問題、解決問題的能力。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

實驗系統(tǒng)平臺由單片機、PLC控制系統(tǒng)構(gòu)成，采用MCGS軟件完成上位機監(jiān)控，通過SQLite數(shù)據(jù)庫實時存儲數(shù)據(jù)并對模擬光源、光伏跟蹤、模擬風場與側(cè)風偏航進行遙控。實驗軟件具有曲線顯示、歷史查詢報表、EXCEL文檔輸出、打印等功能。

3 實驗內(nèi)容

3.1 光伏發(fā)電測試

光伏電池動態(tài)特性進行測試，通過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，通常選擇與主機相同的串口進行數(shù)據(jù)傳輸；編寫和調(diào)試程序，最終在工控機上達到控制光電池追蹤光源的效果。

通過太陽能發(fā)電重點跟蹤控制系統(tǒng)，為光伏發(fā)電自跟蹤控制系統(tǒng)搭建測試平臺。檢查設(shè)備通訊正常，打開光伏發(fā)電燈泡負載實時監(jiān)測系統(tǒng)，實驗選擇自動跟蹤狀態(tài)。

本地光伏發(fā)電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以通過工控平臺上曲線選擇欄，選擇在工控機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 風力發(fā)電測試

通過STEP設(shè)置與光伏發(fā)電類參數(shù)，編程調(diào)試；通過風力發(fā)電系統(tǒng)監(jiān)控界觀察風機轉(zhuǎn)速、功率轉(zhuǎn)速等實時曲線，通過手動操作變頻器按鍵，實現(xiàn)可變風量輸出。通過對風力動態(tài)特性進行測試，搭建風力自動跟蹤控制系統(tǒng)，觀察實時風速曲線圖，記錄各時刻風量值，輸出電壓值。通過工控機上觀察風力發(fā)電機裝置的各項實時參數(shù)。

3.3 逆變系統(tǒng)測試

通過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，此時經(jīng)過逆變器后產(chǎn)生的占空比按正弦規(guī)律變化的方波。最后點擊經(jīng)過RLC濾波電路之后的仿真圖形，通過優(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。當實物系統(tǒng)平臺連接電源和蓄電池開關(guān)，接通逆變器輸入開關(guān)，逆變器主控板上電工作時，觀察蓄電池電壓，在蓄電池電壓正常狀況下，啟動升壓板開關(guān)；正常升壓后，逆變器開始工作。

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

通過本實驗系統(tǒng)平臺，讓學生學習光伏發(fā)電及風力系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理，掌握由IGBT等大功率開關(guān)器件構(gòu)成整流及逆變電路拓撲結(jié)構(gòu)及電路設(shè)計方法，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)計方法。

通過本實驗學生綜合運用自動控制原理、單片機原理及應(yīng)用、傳感器原理及應(yīng)用、過程控制、計算機控制、電力電子技術(shù)等所學知識，完成太陽電池的輸出特性、太陽電池自跟蹤控制設(shè)計、模擬風場控制設(shè)計、風力發(fā)電偏航控制設(shè)計、風力發(fā)電機輸出特性、風光互補綜合實驗等實驗項目。

4 結(jié)論

本實驗通過對光伏和風力動態(tài)特性設(shè)計集建模、控制和優(yōu)化的實驗系統(tǒng)，融合實物和虛擬仿真技術(shù)，支持自定義的高級控制和優(yōu)化算法，搭建的風光互補控制系統(tǒng)，不僅可在模擬仿真器上進行高級算法的研究，也可針對實物平臺進行風光互補控制算法的研究。系統(tǒng)具有虛實結(jié)合、模塊化的開放性實驗特點。開設(shè)的實訓系統(tǒng)，有助于提高學生在新能源應(yīng)用方面的綜合設(shè)計、探索創(chuàng)新的能力。本實驗系統(tǒng)不僅用于加深學生對風光互補控制原理相關(guān)知識的綜合運用，提高對學生實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，還可用于京津冀地區(qū)風力發(fā)電和光伏發(fā)電等新能源公司的員工培訓。

參考文獻：

[1]夏益民，梅順良，江億.基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[J].微計算機信息，2012，5：136-137.

[2]彭瑜.無線通信網(wǎng)絡(luò)在工控領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景[J].現(xiàn)代制造，2012，3：38-41.

[3]孫宇.工業(yè)控制中可靠的專用無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯繄F[J].信息技術(shù)，2013，2：51-52.

[4]李文仲，段曹玉.無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實踐[J].計算機科學，2011：2-15.

[5]卓蘭.ZigBee技術(shù)及測試認證綜述[J].信息技術(shù)標準化，2011，1：44-48.