TW-SNY05型光伏发电实训系统
一、设备组成
TW-SNY05型光伏发电实训系统主要由光伏供电装置、光伏供电系统、逆变与负载系统、监控系统四个部分组成，如图1所示。
1、设备尺寸：光伏供电装置1610×1010×1550mm
实训柜1000×1000×2000mm
2、场地面积：12平方米
二、各单元介绍
1、 光伏供电装置
（1）、光伏供电装置的组成
光伏供电装置主要由光伏电池组件、投射灯、光线传感器、光线传感器控制盒、水平方向和俯仰方向运动机构、摆杆、摆杆减速箱、摆杆支架、单相交流电动机、电容器、直流电动机、接近开关、微动开关、底座支架等设备与器件组成，如下图所示。
图2 光伏供电装置
4块光伏电池组件并联组成光伏电池方阵，光线传感器安装在光伏电池方阵中央。2盏300W的投射灯安装在摆杆支架上，摆杆底端与减速箱输出端连接，减速箱输入端连接单相交流电动机。电动机旋转时，通过减速箱驱动摆杆作圆周摆动。摆杆底端与底座支架连接部分安装了接近开关和微动开关，用于摆杆位置的限位和保护。水平和俯仰方向运动机构由水平运动减速箱、俯仰运动减速箱、直流电动机、接近开关和微动开关组成。直流电动机旋转时，水平运动减速箱驱动光伏电池方阵作向东方向或向西方向的水平移动、俯仰运动减速箱驱动光伏电池方阵作向北方向或向南方向的俯仰移动，接近开关和微动开关用于光伏电池方阵位置的限位和保护。
2、光伏供电系统
(1)、光伏供电系统的组成
光伏供电系统主要由光伏电源控制单元、光伏输出显示单元、触摸屏、光伏供电控制单元、ARM控制单元、接口单元、西门子S7-200PLC、继电器组、接线排、蓄电池组、可调电阻、断路器、12V开关电源、网孔架等组成。
（2）、控制方式
光伏电源控制单元主要由断路器、+24V开关电源、AC220V电源插座、指示灯、接线端子DT1和DT2等组成。
光伏输出显示单元主要由直流电流表、直流电压表、接线端子DT3和DT4等组成。
光伏供电控制单元主要由选择开关、急停按钮、带灯按钮、接线端子DT5、DT6和DT7等组成。
（3）充、放电控制单元和接口单元
蓄电池的充电过程及充电保护由ARM控制单元、接口单元及程序完成，蓄电池的放电保护由ARM控制单元、接口单元及继电器完成，当蓄电池放电电压低于规定值，ARM控制单元输出信号驱动继电器工作，继电器常闭触点断开，切断蓄电池的放电回路。
该单元设置有一套蓄电池充、放电管理及模拟系统，正常使用时按照设置参数对蓄电池进行充电和放电，无需要人工干预；模拟操作时，蓄电池和光电池各工作点需要手动设置，每设置完毕一种工作模式后可在软件界面观察充电及放电的运行过程，以实现光伏充、放电模拟仿真实验的目的。
★ 控制器基本原理介绍（多媒体展示）
主要作用：
在小型光伏系统中，用来保护蓄电池；在大中型系统中，起平衡光伏系统能量、保护蓄电池及整个系统正常运行等；
光伏控制器应具有以下功能：
①防止蓄电池过充电和过放电，延长蓄电池寿命；
②防止太阳能电池板或电池方阵、蓄电池极性接反；
③防止负载、控制器、逆变器和其他设备内 部短路；
④具有防雷击引起的击穿保护；
⑤具有温度补偿的功能
⑥显示光伏发电系统的 各种工作状态，包括：蓄电池（组）电压、负载状态、电池方阵工作状态、辅助电源状态、 环境温度状态、故障报警等。
光伏控制器按电路方式的不同，可分为并联型、串联型、脉宽调制型、多路控制型等；
按组件输入功率分：小功率型、 中功率型、大功率型及专用控制器（如草坪灯控制器）等；
光伏控制电路的基本工作原理图：
1）并联型控制器：也叫旁路型控制器，它是利用并联在太阳能电池两端的机械或电子开关器 件控制充电过程。一般用于小型、小功率系统。
2）串联型控制器：是利用串联在充电回路中的机械或电子开关器件控制充电过程。
控制器的检测控制电路：
是蓄电池过欠电压的检测控制电路，主要是对蓄电池的电压随时进行取样检测，并根据检测结果向过充电、过放电开关器件发出 接通或关断的控制信号。
3）脉宽调制（ PWM：Pulse Width Modulation）型控制器：以脉冲方式开关光伏组件 的输入，充电过程能形成较完整的充电状态, 其平均充电电流的瞬时变化更符合蓄电池当前的充电状况，能够增加光伏系统的充电效率并 延长蓄电池的总循环寿命。
5）智能型控制器：采用CPU或MCU等微处理器进行控制。除了具有过充电、过放电、短路、过载、.防反接等保护功能外，还利用蓄电池放电率高准确性的进行放电控制。并具有高精度的温度补偿功能。
6）最大功率点跟踪型控制器：使太阳能电池方阵始终保持在最大功率点状态，以充分利用太阳能电池 方阵的输出能量。采用PWM调制方式，使充电电流成为脉冲电流，以减少蓄电池的 极化，提高充电效率。
（4）、蓄电池组
蓄电池组选用2节阀控密封式铅酸蓄电池
容量： 12V 18Ah/20HR
重量： 1.9kg
尺寸： 175mm×170mm×75mm（单节）
3、逆变与负载系统
（1）、逆变与负载系统的组成
逆变与负载系统主要由逆变电源控制单元、逆变输出显示单元、逆变器、逆变器参数检测模块、变频器、三相交流电机、发光管舞台灯光模块、警示灯、接线排、断路器、网孔架等组成。
①逆变电源控制单元
逆变电源控制单元主要由断路器、+24V开关电源、AC220V电源插座、指示灯、接线端子DT14和DT15等组成。
②逆变输出显示单元
逆变输出显示单元主要由交流电流表、交流电压表、接线端子DT16和DT17等组成。
（2）、逆变器
逆变器是将低压直流电源变换成高压交流电源的装置，逆变器的种类很多, 各自的具体工作原理、工作过程不尽相同。本实训装置使用的逆变器由DC-DC升压PWM控制芯片单元、驱动+升压功率MOS管单元、升压变压器、SPWM芯片单元、高压驱动芯片单元、全桥逆变功率MOS管单元、LC滤波器组成。
逆变的工作过程是将蓄电池的12V直流电通过DC-DC和DC-AC变换，转变成正弦波220/50Hz的纯正弦波交流电。
逆变器多媒体教学展示
逆变器是通过半导体功率开关的开通和关断作用，把直流电能转变成交流电能的一种变换装置，是整流变换的逆过程。
逆变概念
逆变——与整流相对应，直流电变成交流电。
交流侧接电网，为有源逆变；
交流侧接负载，为无源逆变；
逆变电路的基本工作原理
单相桥式逆变电路为例
S1～S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。
S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正；
S1、S4断开，S2、S3闭合时，uo为负。把直流电变成了交流电。
改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率；
电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同；
阻感负载时，io相位滞后于uo，波形也不同（图5-1b）
t1前：S1、S4通，uo和io均为正；
t1时刻断开S1、S4，合上S2、S3，uo变负，但io不能立刻反向；
io从电源负极流出，经S2、负载和S3流回正极，负载电感能量向电源反馈，io逐渐减小，t2时刻降为零，之后io才反向并增大。
逆变电路按其直流电源性质不同分为两种
电压型逆变电路或电压源型逆变电路
电流型逆变电路或电流源型逆变电路
电压型逆变电路的特点：
(1) 直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动；
(2) 输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同；
(3) 阻感负载时需提供无功。为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。
电路结构及工作情况
两个半桥电路的组合；
1和4一对，2和3另一对，成对桥臂同时导通，两对交替各导通180°；
uo波形同图5-6b半桥电路的uo，幅值高出一倍Um=Ud；
io波形和图5-6b中的io相同，幅值增加一倍；
单相逆变电路中应用最多的；
输出电压定量分析
uo成傅里叶级数
基波幅值
基波有效值
当uo为正负各180°时，要改变输出电压有效值只能改变Ud来实现
移相调压
可采用移相方式调节逆变电路的输出电压，称为移相调压
各栅极信号为180°正偏，180°反偏，且V1和V2互补，V3和V4互补关系不变
但V3的基极信号只比V1落后q ( 0<q p="" <180°)<="">
uo成为正负各为q 的脉冲，改变q 即可调节输出电压有效值
单相全桥逆变电路的移相调压方式
三相电压型逆变电路
三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路
应用最广的是三相桥式逆变电路
可看成由三个半桥逆变电路组成
180°导电方式
每桥臂导电180°，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120 °
任一瞬间有三个桥臂同时导通
每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流
4、监控系统
（1）、监控系统组成
监控系统主要由一体机、键盘、鼠标、接线排、电源插座、通信线、微软操作系统软件、力控组态软件组成。
（2）、监控系统功能
1）通信
监控系统与控制器、PLC、仪表进行通信。
2）界面
①监控系统具有主界面，光伏供电系统界面，逆变与负载系统界面，光伏能量转换界面，分别显示各自的运行状态参数。
②光伏供电系统界面设置相应的按钮，实现光伏电池方阵自动跟踪。
③具有光伏发电采集报表，记录光伏输出电压、电流；逆变与负载系统的逆变输出电压、电流、功率等数据并打印数据报表。
3）智慧教室综合测控系统
该系统采用一体化设计，要求以上功能集中在一块核心控制器上，禁止采用多种模块拼装，确保使用人员的人身安全及设备安全的性能指标：
（一）、虚拟示波器所需实现的功能：
50MHz 2路波形测量功能；
（二）2路逻辑分析仪功能；
（三）1路任意波形信号发生器输出；
200MSa/s高速实时采样，50MHz带宽，波形测量完全满足教学实验要求，波形平滑不失真。
（四）2路PWM脉冲信号发生器：可设置频率、占空比。
（五）、万用表功能
1、万用表的电阻测量功能；
2、万用表的直流电压测量功能；
3、万用表的交流电压测量功能；
4、万用表的交流电流测量功能；
（六）、人机界面功能
*1、人机界面显示所测量的波形，并显示相应的量测值；
*2、可通过点击界面按钮，将所测量的波形插入实验报告模板中；
*3、学生的实验报告结果可通过点击界面按钮，统一上传到指定的教师电脑文件夹下；
（七）、实验室安全监控功能
1、环境参数测量：可同时测量显示温湿度、CO2浓度和PM2.5；
2、电气参数测量：可测量控制台电压电流，并计算出功率；
3、过流、过压、欠压（阀值可设置）报警跳闸保护；
4、安全防护：实验室环境安全监控装置（PM2.5、烟雾、可燃气体、温湿度及CO2浓度异常（火警）报警）；
5、节电功能：长期无人实验时，自动关闭总闸开关，实现安全和节电效果；
★4）新能源教学系统仿真软件
* 一、软件概述
1、通过该软件可以系统性学习太阳能光伏硅材料、电池片、光伏组件、光伏组件附属材料、光伏应用产品等全部系列光伏知识内容。
2、配备文字与动画展示并介绍从原材料至成品包括中间环节加工工艺等与使用方法。
3、多媒体系统自带语音讲解，图、文、声并茂展示讲解、与系统所述文字同步播放，帮助教师对光伏发电课程教案的快速编写，提高学生对新能源专业知识快速掌握和快速学习。
4、软件组成
(1)太阳能光伏硅材料讲解与展示系统
主要功能
1、可以展示各种太阳能光伏电池使用的硅材料实物；
2、配备文字与动画展示各种材料的生产工艺与使用方法
3、目录（约11课时）
光伏硅产品基本情况介绍
硅单质性质：包括硅的物理性质、化学性质、硅的分类与应用
硅化合物性质：包括二氧化硅、一氧化硅、硅的卤化物、三氯氢硅、硅烷等
硅的生长原理及定型
硅的提纯方法：包括化学提纯与物理提纯方法
多晶硅的制备及其缺陷和杂质：包括冶金硅级制备、高纯多晶硅制备、铸造多晶硅制备
单晶硅的制备及其缺陷和杂质：包括单晶硅生长、单晶硅的杂质与缺陷
单晶硅与多晶硅加工方法
硅薄膜材料：包括非晶硅薄膜材料、多晶硅薄膜材料
硅材料的测试与分析方法：包括导电型号测量、电阻率测量、少子寿命测量、霍尔系数的测定、迁移率的测量、化学性能分析、晶体结构分析等
硅材料测试与分析依据标准（GB标准、UL标准、IEC标准、SEMI标准）
(2)太阳能光伏电池片讲解与展示系统
主要功能
1、可以展示各种太阳能光伏电池片；
2、配备文字与动画展示各种电池片的生产工艺与使用方法
3、目录（约9课时）
太阳能电池片基本情况介绍
太阳能电池片基本结构分析
太阳能电池片分类
晶体硅太阳能电池片生产工艺：包括生产方法与生产设备介绍
晶体硅太阳能电池片生产主要原材料
太阳能电池片测试技术与方法：包括测试方法与测试设备介绍
太阳能电池片测试依据标准
(3)太阳能光伏组件讲解与展示系统
1、可以展示各种太阳能光伏光伏组件；
2、配备文字与动画展示各种光伏组件的生产工艺与使用方法
3、目录（约10课时）
太阳能电池组件基本介绍
太阳能电池组件的分类及各种组件的优缺点
太阳能电池组件的生产工艺介绍及相关设备
太阳电池组件的评定标准
太阳能电池组件的测试方法与测试设备
太阳能电池组件的发展方向
(4)太阳能光伏组件附属材料讲解与展示系统
主要功能
1、可以展示各种太阳能光伏光伏组件附属材料；
2、配备文字与动画展示各种光伏组件附属材料的生产工艺与使用方法
3、目录（约7课时）
太阳能组件附属设施情况介绍
太阳能组件对钢化玻璃的具体要求
太阳能组件对支架铝型材的具体要求
太阳能组件对EVA封胶的具体要求
太阳能组件对TPT背板的具体要求
太阳能组件附属设施检测方法
太阳能组件附属设施测试标准
* 二、展示与讲解内容目录（图、文、声并茂）
2.1 太阳能光伏应用产品讲解与展示系统（约5课时）
2.1.1 太阳能发电系统：
2.1.2 家用太阳能发电机直流系统多媒体电视机
2.1.3 太阳能便携电源：
2.1.4 太阳能杀虫灯
2.1.5 太阳能警示灯
2.1.6 太阳能野营灯
2.2 太阳能光伏发电基本原理
2.3 太阳能光伏发电系统组成部分介绍
2.4 太阳能光伏发电系统设计方法
2.5 太阳能光伏电站施工建设方法
2.5.1、项目前期考察
2.5.2、项目建设前期资料及批复文件
第一阶段：可研阶段
第二阶段：获得省级/市级相关部门的批复文件
第三阶段：获得开工许可
2.5.3、项目施工图设计
2.5.4、项目实施建设
2.5.5、带电前的必备条件
2.6太阳能光伏并网电站介绍
2.6.1、光伏并网电站简要描述
2.6.2、光伏并网电站设备组成
2.6.2、光伏并网电站设备功能
2.7 家用型太阳能电站建设方案
2.7.1、项目概述
2.7.2、方案设计 （附详细方案设计）
（一）用户负载信息
（二）系统方案设计
（三）效益计算：
2.8 逆变器基本原理介绍
2.9 控制器基本原理介绍
三、主要实验实训内容
实验实训内容涉及光伏供电装置、光伏供电系统、逆变与负载系统、监控系统的安装、接线、调试和分析：
1）、光伏供电装置的安装与接线；
2）、光伏供电系统部分器件的安装、接线与调试；
3）、光伏电池方阵输出特性测试；
4）、蓄电池组充放电参数的测试；
5）、逆变与负载系统部分器件的安装、接线与调试；
6）、逆变器相关参数测试、逆变器输出参数测试；
7）、逆变器相关数据的下载设置与测试；
8）、相关电路模块的焊接；
9）、监控系统与各单元的通信；
10）、监控系统组态界面的操作；
四、 主要技术参数
一、光伏供电装置 | |||
序号 | 名称 | 技术参数 | 数量 |
1 | 电池组件 | 功率：20W | 4 |
2 | 追日传感器 | 输出电压：0-5V | 1 |
3 | 投射灯 | 摆臂机构：涡轮蜗杆结构（2个减速箱） 电压：220V | 2 |
4 | 追日机构 | 结构：涡轮蜗杆结构（减速箱） | 1 |
二、光伏供电系统 | |||
序号 | 名称 | 技术参数 | 数量 |
1 | 电源控制单元 | 含漏电保护断路器，AC220V和DC24V状态指示灯、电源插座 | 1 |
2 | 光伏控制电源单元 | 含漏电保护断路器，AC220V和DC24V状态指示灯 | 1 |
3 | 触摸屏 | 7",彩色 | 1 |
4 | 充、放电控制器 | 核心板，接口底板，信号处理板 | 1 |
5 | 直流输入单元 | 电流表：PA1951-AK1G，DC 0-5A | 1 |
5 | 直流输入单元 | 电流表：PA1951-AK1G，DC 0-5A | 1 |
6 | 光伏供电控制单元 | 电池板跟踪方向：东、南、西、北 | 1 |
8 | PLC | S7-200 CPU226 | 1 |
9 | 可调电阻 | 范围：0-1000Ω，无级可调（有刻度） | 1 |
三、逆变与负载系统 | |||
序号 | 名称 | 技术参数 | 数量 |
1 | 逆变输出显示单元 | 电流表：AC 0-5A | 1 |
2 | 逆变控制电源单元 | 含漏电保护断路器，AC220V和DC24V状态指示灯 | 1 |
3 | 逆变装置 | 输入电压：DC12V 输入电压范围：DC9.5V-15.5V 输出电压：AC180~220V可调±5% 额定输出电流：1.4A 输出频率：50Hz~60Hz可调±0.5Hz 额定功率：300VA 输出波形：正弦波 波形失真：＜5% 转换效率：＞85% | 1 |
4 | 开关电源 | 型号：DR-120-24 | 1 |
5 | 变频器 | FR-D720S-0.4K-CHT | 1 |
6 | 电机负载 | 功率：20W | 1 |
7 | 模拟舞台灯光负载 | 二极管字样为“KNT”的发光模块 | 1 |
8 | 阀控密封式铅酸蓄电池 | 容量 12V 18Ah/20HR 重量 1.9kg 尺寸 345mm×195mm×20mm | 2 |
四、监控系统 | |||
序号 | 名称 | 技术参数 | 数量 |
1 | 工控机 | 5个串口，含键盘鼠标 | 1 |
2 | 组态软件 | 力控6.1 | 1 |
五、实验台 | |||
序号 | 名称 | 技术参数 | 数量 |
1 | 网孔板 | 竖式网孔板基本结构：下方为工具箱+4个轮子，上方为竖式网孔板 | 3合1 |
2 | 微软操作系统软件 | Window XP | 1 |
3 | 通讯电缆 | 0.3mm²双芯屏蔽线 | 1 |
4 | 实验指导书 | 光伏发电设备实训指导书 | 1 |