HKGF-2型风光互补并离网发电系统实验作业指导书

HKGF-2型风光互补并离网发电系统实验作业指导书实验一风光互补发电一、实验目的１、了解风能、太阳能间歇性的特点对其发电量的影响；２、最大功率跟踪在本系统中的运用。二、实验准备１、HKGF-2型风光互补并离网发电系统试验平台；2、计算机、MCGS上位机软件、RS232-485转换器一只、串口线1根、万用表。三、系统结构框图图1 风光互补系统框图四、实验原理1、风能发电部分风力发电机包括两个部分：其一是模拟风场，使用西门子MM440驱动德东品牌2.2kw/380V三相电机；其二是风力发电机部分，主要功能是将风能转换成电能。风力发电机启动时，需要一定的力矩来克服内部阻力，此力矩被称作启动力矩。启动力矩和传动机构的摩擦阻力有关，因而有一个最低的工作风速 Vfmin，只有风速大于 Vfmin风力发电机才能工作。而当风速超过某设定值时，基于安全方面的考虑，风力发电机应停止运转；所以也设置了最高工作风速 Vfmax，此值与风力发电机的材料强度有关。对位于Vfmin和Vfmax之间的风速称为工作风速，使风力机的输出功率达到标称功率时的风速称为额定风速。风力机只能从风能中获取小部分能量，吸收能量的程度可用风能利用系数Cp来衡量。对于一台实际的风力机，其机械功率Pm可以用下式表示Pm=CpPw=12ρ Αv3Cp=π8ρD2v3Cp其中Pw为通过风轮扫过面积的风的能量； D 是风轮直径；Cp为风能利用系数，它不是一个常数值，随着风速、风机转速以及风机叶片参数的变化而变化；υ是风轮远前方风速。2、太阳能发电部分太阳能光发电技术是指通过转换装置把太阳辐射能转换成电能，光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行，因此称为太阳能光伏技术。当光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差，产生这种电位差的原因有好几种，主要是由于阻挡层。有光照时，P-N结内将产生一个附加电流(光电流)Ip，其方向与P-N结反向和电流I0相同，一般Ip≥I0。此时开路电压V oc：光照下的P-N结外电路开路时P端对端的电压，即上述电流方程中I=0时的U值：，于是有短路电流 Isc：光照下的 P-N 结，外电路短路时，从P端流出，经过外电路，从 N 端流入的电流称为短路电流Isc。即上述电流方程(2.2)中U=0 时的I值，得Isc=Ip。Voc与Isc是光照下P-N结的两个重要参数，在一定温度下，Voc与光照度E成对数关系，但最大值不超过接触电势差UD。弱光照下，Isc与E有线性关系。太阳能电池单体是光电转换的最小单元，尺寸一般为4～100cm，太阳能单体的工作电压约为0.45～0.5V，工作电流为20～35mA；一般不单独作为电源使用。将太阳能单体进行串并联封装后，就成为太阳能电池组件，其功率为几瓦至几百瓦上千瓦；可以单独作为电源使用的最小单元，达到可以满足各类负载所需要的输出功率。五、实验内容和步骤1、设备连接和检查关闭总电源开关，关闭光源开关将光源控制旋钮调至最下刻度；将设备上RS-485端口与上位机USB口连接，确保通讯正常;根据实验连线图将各模块准确连接。2、启动实验装置1）检查连线是否正确，确保实验人员安全；2）启动计算机MCGS组态软件，进入相应实验；3）打开光源开关，调节光源旋钮，纪录仪表的值；4）启动风机变频器 ,调节 按钮，改变风速，纪录仪表的值；5）重复3）、4）步骤，并制作图表。六、实验报告要求1、绘制光伏发电、风力发现电响应曲线；2、定量分析风速对风力发电，光照强度对光伏发电的影响。实验二离网逆变一、实验目的1、了解逆变原理、逆变产生的波形；2、了解DC-DC变流器原理。二、实验准备1、HKGF-2型风光互补并离网发电系统实验平台；2、计算机、MCGS上位机软件、RS232-485转换器一只、串口线1根、示波器、万用表。三、系统结构框图图1 系统结构框图四、实验原理离网发电系统是指不与电网相连而独立运行的发电系统，一般安装在距离电网较远的偏远地区或者为一些便携式设备提供电源。它由光伏阵列、风电场、蓄电池组、电力变换装置（DC-DC ）、控制系统和用电负载（直流或交流）构成。其中，蓄电池组用来储存发出的电能；蓄电池组前面的DC-DC 电路负责将风光输出电压抬升并稳定到一定值，能够满足逆变所需的直流端电压，同时可实现最大功率点跟踪；DC-AC 逆变电路负责将直流电转换成可供负载使用的正弦交流电能；控制系统主要负责逆变控制，使逆变出的交流电能能高质量、宽范围地适应负载变化，同时控制系统还负责直流转换环节的最大功率点跟踪和稳压。1、DC-DC直流升压单元Boost 变换器的拓扑结构如图2所示。在图2中，R表示输出负载，C表示电容，Vo表示输出电压，L表示电感系数，Il表示电感电流，Vs表示输入电压。当开关管S导通且二极管D关断时，变换器工作在模态a；当开关管S断开且二极管D导通时，变换器工作在模态b；当开关管断开且电感电流Il≤0时，变换器工作于模态c。Boost变换器在不同工作阶段的等效工作模态如图2所示。从图2可以得到Boost变换器在三个工作模态的状态方程为：2BOOST升压电路Boost变换器在工作模态a时，电感L开始充电且电感电流Il>0；当Boost变换器在工作模态b时，电感L释放的能量和电源Vs开始对负载R进行供电，电容C开始充电同时电感电流逐渐减小；当Boost变换器工作在模态c时，电感电流Il=0同时电容C开始放电直到开关管闭合。2、DC-AC逆变器单元3是全桥逆变器，其结构简单、控制方便，得到了广泛的应用。图3 单相全桥逆变电路五、实验内容和步骤1、设备的连接和检查关闭总电源开关，关闭光源开关将光源控制旋钮调至最下刻度；将设备上RS-485端口与上位机USB口连接，确保通讯正常;根据实验连线图将各模块准确连接。2、启动实验装置1）检查连线是否正确，确保实验人员安全；2）启动计算机MCGS组态软件，进入相应实验；3）纪录各表数据；并制作相关图表。六、实验报告要求分析实验结果，逆变波形的特性，幅值、频率、相位等。实验三并网逆变一、实验目的１、了解逆变器的分类以及交变升压工作原理；２、掌握并网逆变器的特性与结果需求；3、体会并网逆变与离网逆变之间的区别。二、实验准备１、HKGF-2型风光互补并离网发电系统试验平台；2、计算机、MCGS上位机软件、RS232-485转换器一只、串口线1根、万用表。三、系统结构框图四、实验原理逆变器也被称为逆变电源，是将直流电能转化成为交流电能的交变装置，是新能源发电设备中的一个重要的部件。随着微电子技术与电力电子技术的发展，逆变技术也从通过支流电动机——交流电动机的旋转方式的逆变技术、发展到MOSFET、IGBT、GTO、MCT等多种先进而且易于控制的功率器件，控制电路也从以前的模拟电路发展到了单片机控制甚至采用数字信号处理器（DSP）控制。逆变器是通过半导体功率开关的开通和关断作用，把直流电能转变成为交流电能的一种交变装置，是整流变换的逆过程。逆变器的重要参数指标：额定容量；额定功率；输出功率因数；逆变效率；额定输入电压、电流；额定输出电压、电流；电压调整率；负载调整率；谐波因数。DC-DC、DC-AC部分与离网逆变器一样。五、实验内容和步骤1、设备的连接和检查1)关闭总电源开关，关闭光源开关将光源控制旋钮调至最下刻度