一、项目概述

风光氢互补发电实训系统为科研创新理念与实验、实训型相结合的集风力发电，光伏发电、铅酸电池储能（磷酸铁锂电池储能）的多元化"风、光、氢（燃料电池）互补混合型新能源发电实训系统"。

由风力发电机组、太阳能电池方阵、风力及光伏控制系统、燃料电池发电单元、储能控制系统所组成的微网发电系统。

其工作原理是风力、光伏发电系统发电，并由电池储能，由储能逆变系统转换成交流电后接入电网，燃料电池单元所发的电能经DC-DC转换后送入直流总线作后备储能；系统可离网运行亦可并网运行，在网端能耗负荷内完成削峰填谷功能。

在天气晴朗的白天，系统运行在微网模式并在补充储能电池容量的同时将多余电量通过逆变系统送入电网，到夜间再将储能电池电能通过储能逆变器送入电网以弥补由于夜间网端负荷过大造成的电网电压过低，在储能电池不够用时，系统将转入正常模式，一边自行弥补储能电池的亏空，一边通过系统向负载供电。

1.1系统拓扑图

图1系统拓扑图

1.2  功能特点

整套系统的各个模块预留了CAN\RS485\RS232\USB\TCPIP通讯接口，可以通过该通讯接口对系统中各个模块进行监控，便于未来项目开发使用。

系统实验平台集成了室内温/湿度仪，风速测量、光照度测量系统，让使用者操作起来更直观；

系统DC-AC并网同步电源，采用高频脉冲调制技术，具有小体积、高效率及高功率因数输出；

系统面板上采用直观的数字表和液晶显示，让用户了解当前系统工作状态；

实训系统，可以让实训学生自行拆装移动，使用简便、无噪音、无污染；

系统增加市电与风光互补发电切换模块，让实验更具操作性；

增加分布式供电原理与实验电路，让学生增加对新知识的理解；

增设直流母线单元，方便系统各模块之间连接及实验；

独立的后备胶体蓄电池及充放电管理单元；

二、方案参数概述

2.1风力发电系统的组成

风力发电机是利用风力带动风车叶片旋转、转换为机械功，机械功带动发电机转子旋转，最终输出交流电的电力设备。是风力发电系统中不可或缺的核心部件。

风力发电系统由一台2KW垂直轴风力发电机组、叶片、风机控制器塔架等组成。

广义地说，风能也是太阳能，所以也可以说风力发电机，是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发电机。

风力发电机参数：

安装场地选择

选择土质坚实的平地作为安装场地，安装风力发电机的组位置应该至少远离房屋及人员活动场所50米，务必在选定安装场地时考虑到风叶的光影影响及风力发电机组运行时产生的噪音影响（正常工作时噪音约为65dbA）。同时避免周围有高大的树木、建筑物等影响风速风向的障碍物。

禁止安装在松软的沙地、高低不平的场地、有下陷或塌方可能的场地、洼地及其他容易受气候影响而发生地质变化的场地。同时需要考虑从风力发电机的电机部分到您的蓄电池组的距离，距离越短，所用传输电缆越短，因而传输过程中的耗能也越少，如果必须得有较长的距离,则尽量选用粗些的标准电缆。

风力发电控制器

专为风力发电机控制和蓄电池充电而设计， 能有效提升风力发电的效能。风能充电控制器，能有效防止风速过快时的失控，和发生强风时对风力发电机所产生的危险。

风力发电控制器是对风力发电机所发的电能进行调节和控制，一方面把调整后的能量送往直流负载或交流负载，另一方面把多余的能量按蓄电池的特性曲线对蓄电池组进行充电，当所发的电不能满足负载需要时，控制器又把蓄电池的电能送往负载。蓄电池充满电后，控制器要控制蓄电池不被过充。当蓄电池所储存的电能放完时，控制器要控制蓄电池不被过放电，保护蓄电池。

控制器采用PWM无级卸载方式控制风机对蓄电池进行智能充电。在风力发电机所发出的电能超过蓄电池存储量时，控制系统必须将多余的能量消耗掉。在正常卸载情况下，可确保蓄电池电压始终稳定在浮充电压点，而只是将多余的电能释放到卸荷器上。从而保证了最佳的蓄电池充电特性，使得电能得到充分利用。

风力发电控制器参数：

2.2光伏发电系统

5KW太阳能电池组件采用标准钢结构件固定在C型专制钢件上，呈40度正面朝向正南方，整体支架系统放置在地面或者屋顶；经电缆输送至室内实验设备，可实现分布式屋顶发电相关实验，所发电能与风力发电相结合，经DC-AC逆变成正弦波220V交流电，多余电能经储能逆变器送入电网。

地面固定式方阵及支架      室外双轴跟踪式支架

所有系统的设计、安装与实际工程一样，可在老师的指导下做为学生练习拆卸、组装实习样机来用。

注：固定式方阵功全天候跟踪式，可选其中一种。

太阳能光电池组

太阳能电池组是本实训台的核心组成部分亦是光伏发电系统不可或缺的核心部件，是将光能转换为电能并通过光伏控制系统储存在储能电池当中做为直流总线电源供给DC-AC并网同步电源。

太阳能电池组为多晶硅或单晶硅，是由高效晶体硅太阳能电池片、超白布纹钢化玻璃、EVA、透明TPT背板以及铝合金边框组成。

其规格如下：

单晶硅太阳能电池规格

1、抗盐雾和氨腐蚀等国际权威测试；

2、可承受风压2400Pa,雪压7200Pa；

3、优秀的弱光环境发电性能，阴天也能发电；

4、输出功率年衰减率小于0.7%，第25年不低于组件初始功率的80.70%

1.组件型号：BY260P-29b  多晶

2.最大功率（W）：260

3.开路电压（V）：35.9

4.短路电流（A）：7.27

5.最大功率点的工作电压（V）：28.1

6.最大功率点的工作电流（Ａ）：6.7

7.转化效率：17.12%

8.开路电压温度系数：-0.292%/K

9.短路电流温度系数：+0.045%/K

10.功率温度系统：-0.408%/K

11.最大系统电压（V）：1000

12.组件尺寸（长×宽×高）：1640×992×40mm

13.重量：19.1kg

14.框架：阳极氧化铝

15.玻璃：白色钢化安全玻璃3.2mm

16.电池片封装：EVA

17.背板：复合薄膜

18.太阳能电池片：6×10片多晶硅太阳能电池片（156mm×156mm）

19.接线盒

1)6个旁路二极管

2)绝缘材料：PPO

3)防水等级：IP65

Ø连接器

1)常规额定电流：30A

2)耐电压：DC1000V

3)接触电阻：<2mΩ

4)绝缘电阻：＞500MΩ

5)适用单芯电缆截面：2.5-6mm2

6)电缆外径范围：Φ5mm～Φ 7mm

7)环境温度：-40℃～+ 105℃

8)防护等级：IP67

9)安全等级：Ⅱ

10)壳体：PC料，黑色

11)接触件：紫铜CN，镀锡SN

12)接线方式：压接  MC4

20.电 缆

1)长度：450mm,

2)规格：1×4mm?

3)颜色：红、黑

Ø温度范围系数：-40°C to+85°C

Ø抗冰雹系数：最大直径25mm,撞击速度23m/s(51.2mph)

Ø最大表面负荷：7200pa

5KW光伏储能逆变器介绍

4850D-ES外观图

产品主电路

主电路框图

产品主电路采用双向PWM逆变电路及相应的控制电路、保护和监控电路。直流侧由缓冲电阻、防反二极管和直流接触器组成了直流侧缓冲电路，当初始连接各种电池时对直流母线电容进行缓冲。主电路电源可有交直两用供电，以使系统在电池或电网有电时都可以工作。

n 产品特点

1）技术优点，全面满足电网或负荷的接入与控制要求

²具有并网充放电、独立逆变功能，适合各种应用场合

²具有并网和离网并联功能，良好的扩容性

²可与多种蓄电池接口，具有多种充放电工作模式

²可以实时接受系统调度指令和BMS指令，通讯方式有RS485、CAN、以太网

²无功功率可调，功率因数范围超前0.9至滞后0.9

²直流电压范围，支持低压48V蓄电池输入

²110%额定输出功率可实现长时间运行

2）高效节能，更集成，更好的客户体验

²正面维护，可靠墙安装，安装维护更方便，降低维护成本

²防护等级为IP21，具有防滴水功能，具备防凝露功能

²高效PWM调制算法，降低开关损耗

3）更多优点

²双电源冗余供电方案提升系统可靠性

²完善的保护及故障告警系统，更加安全可靠

²采用动态图形液晶界面，提供友好的操作体验

²-25℃~+55℃可连续满功率运行

²适应高海拔恶劣环境，可长期连续、可靠运行

²支持离网主动运行功能

²适合共直流母线系统和共交流母线系统

产品技术指标

工作逻辑架构

a.--并网发电、离网备用功能

Ø电网供电时，储能逆变器并网工作在恒压模式，维持蓄电池SOC在一定水平，光伏逆变器并网发电 微网供电时，储能逆变器工作在独立逆变模式建网，光伏逆变器并网工作，光伏发电大于负载时，光伏优先供负载供电，剩余电力给电池充电；光伏发电小于负载时，储能和光伏共同为负载供电。

Ø可选择电网优先或微网优先，根据选择的模式进行供电逻辑切换 触摸屏控制启动、停止和参数设置

b. --电网（或柴油机）、微网切换功能

Ø电网供电时，当电池组SOC超过设定值时，储能逆变器和光伏逆变器不工作；当电池组SOC不足时，储能逆变器独立逆变建网，光伏逆变器并网工作，给电池组充电。

Ø微网供电时，储能逆变器工作在独立逆变模式建网，光伏逆变器并网工作，光伏发电大于负载时，光伏优先供负载供电，剩余电力给电池充电；光伏发电小于负载时，储能和光伏共同为负载供电。

Ø可选择电网优先或微网优先，根据选择的模式进行供电逻辑切换触摸屏控制启动、停止和参数设置

储能蓄电池

Ø蓄电池的作用主要是储存能量，在晚上或多云等气候情况下，光伏阵列不能提供足够的能量时，蓄电池供给负载，保证系统的正常运行。

Ø采用磷酸铁锂电池， 安全性高适合长期充放电循环模块化设计， 电压、容量按需配置。

Ø系统由1个主控模块和多个电池模块组成，通过 48V电池模块串联组成不同电压等级系统，通过多个机柜并联， 可以在同一个电压平台上扩展容量定制化电池管理系统 （BMS） ， 实时进行数据采集、状态监控及控制， 保证系统安全可靠运行。

规格参数：

2.3 氢燃料电池发电系统

燃料电池采用空冷自增湿的PEMFC电池，减少了水泵、水箱、增湿器、增压泵等附属设备，使电堆控制更简洁、可靠。燃料电池系统除了核心部分质子交换膜燃料电池堆外，还需要一些辅助器件发电系统才能正常工作。总的来说，一个完整的燃料电池系统大致上由燃料电池发电系统和控制系统两大部分组成，如图2所示。其中，燃料电池发电系统主要由质子交换膜燃料电池堆、氢气供应单元、氧气或空气供应单元、DC/DC四部分组成。而控制单元部分属于控制系统。

燃料电池发电系统组成示意图

燃料电池发电系统组成

1、燃料电池堆：

氢气和氧气在其内部发生电化学反应并释放电能，是整个系统的核心。

2、氢气供应单元（H2）

本系统指由制氢设备，储氢系统及供氢管路组成。制氢设备制氢，并由储氢系统通过管路向燃料电池堆提供特定压力的氢气。

3、空气供应单元：

不间断地向燃料电池提供电化学反应所需的氧气，以确保质子交换膜燃料电池实现连续稳定的运行发电。

4、DC/DC：

氢燃料电池所产生的电能为直流电，其输出电压不仅受内阻影响而且随着负载的变化而改变。因此，为保证供电性能的稳定，在燃料电池系统输出端，须配置功率变换单元DC/DC，主要保证负载连续变化时，将输出电压稳定在合适的范围。

5、控制单元：

控制单元是燃料电池发电系统的核心，用来接收数据采集系统采集的数据，并对它们进行分析，根据分析的结果来控制执行机构完成相应的动作。空冷自增湿燃料电池发电系统的控制单元通过控制系统、风扇、电磁阀即可保证燃料电池正常工作。

燃料电池系统工作示意图

注：带*的数据是在15℃-30℃的环境温度范围和30 - 90%的环境湿度范围内取得的。

燃料电池系统性能曲线图

燃料电池发电系统组态信息终端

数据在正常工作期间可以长期保存，支持导出功能，另根据实际需要，我方可提供燃料电池发电系统相应的通讯协议，以便于使用方作二次开发。

2.4 制氢系统

制氢系统的原理

工业软水经纯水装置制取纯水，并送入原料水箱，经补水泵输入碱液系统，补充被电解消耗的水。电解槽中的水，在直流电的作用下被分解成H2与O2，并与循环电解液一起分别进入框架中的氢、氧分离洗涤器后进行气液分离、洗涤、冷却。分离后的电解液与补充的纯水混合后，经碱液冷却器、碱液循环泵、过滤器送回电解槽循环，电解。调节碱液冷却器冷却水流量，控制回流碱液的温度，来控制电解槽的工作温度，使系统安全运行。分离后的氢气由调节阀控制输出，送入氢气储罐，再经缓冲减压后，供用户使用。

本项目中采用的制氢系统其具体规格如下：

制氢系统设备规格

注：系统接入具备AC/DC模块，具备AC交流接入能力。

高纯氢气发生器

u 输出流量 0～1000ml

u功率 510W

u输出压力 0～1.1 MPa

u电源电压

u交流220V±10%； 50Hz±5%

u工作条件

u温度：5～42℃

u相对湿度：≤85%；

2.5 显示单元

系统配置有方阵电压、电流；逆变电压、电流、功率；实验室温度和湿度、实验记时时钟、逆向电量计量表等。方便在没有与PC机联机状况下查看系统工作状态和各项参数。

可以通过教师机进行信息共享至大屏幕，实现教室内局域网计算机数据交换与共享。

室内大屏幕

2.5.1 新能源系统教学软件

1 软件简介

1、通过该软件可以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，提高学生对新能源专业知识快速掌握和快速学习。

* 2 展示与讲解内容目录（图、文、声并茂）：

2.1 太阳能光伏发电产品介绍

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： 

2.6 主控系统

主控系统是整个微网的监测、控制核心单元。通过内置的数据采集、通讯传输等模块，实现对微网系统的可视化监测及控制。

主要功能特点

1、教师机：广播教学、语音教学、语音对讲、学生演示、监控转播、文件分发、电子教鞭、班级模型、系统设置、远程命令、远程设置、远程消息、分组教学、语音讨论、文件收集、查看学生属性。

2、学生机：电子举手、远程消息、窗口接收广播、可选窗口显示模式。

3、实验室功能特点

(1)、本实验室风光互补上位机软件在一台计算机或教师机上进行操作。

(2)、教师广播教学：将教师机的电脑屏幕画面和语音等多媒体信息实时广播给全体、群体或单个学生。并同时提供电子教鞭等功能。语音教学时：通过话筒和耳机进行语音传播，实现教师与学生之间的自由的语音交谈和讨论。允许学生发言，并可方便地切换发言学生；可随时方便地使一组学生加入或退出教学行列。

(3)、文件分发功能强大且界面相当易用，可以定义宏目录，如教师把采集数据可以同时分发给教室里的所有学生。您可以将一个或多个文件一次性的传输到指定的学生机上。这样就可以做到网上分发试卷或演示文件等。您真的可以体会网络教学的轻松与写意。

(4)、文件提交功能可以收集学生所做的作业、程序文件等提交给老师，方便老师操作。

(5)、电子点名功能方便老师统计学生上课考勤情况。

2.7 分布式光伏仿真规划软件

一、概述：

基于Unity3D软件，使用C#语言进行开发，采用My Sql作为后台数据库，通过FTP协议与数据库进行通信。软件使用者通过使用光伏、风力、地热、生物质4种能源设计多能互补方案，完成区域能源的供能结构改造方案设计，并结合区域的气候数据，模拟区域内实时能耗与供能数据，从而优化出合理的能源结构。

二、用户管理功能：

1.注册：支持学生或教师按照学校名称和手机号码注册用户

2.登录：支持学生或教师根据手机号码或用户名登录系统。

3.找回密码：支持学生或教师根据手机号码找回密码

4.权限管理：支持主用户添加或删除子用户

5.用户信息管理：支持用户信息查看，包括用户名、学校、真实姓名、学号、上级用户等

6.异地登录：同一个账号24小时内只能在同一台电脑上登录，无法在其他电脑上登录。

三、组件数据库

1.支持查看市面上超过15家光伏组件厂商的实际数据

2.涵盖了至少500种规格型号的光伏组件数据。

3.每种光伏组件的型号常规参数均可查看：价格、功率、组件类型、峰值电压、开路电压、最大允许电压、电压温度系数、峰值电流、短路电流、电流温度系数、光电转化效率、长度、重量等

四、逆变器数据库

1.支持查看市面上超过6家逆变器厂商的实际数据。

2.涵盖了至少40种规格型号的逆变器数据。

3.每种型号的逆变器常规参数均可查看：价格、最大直流输入、额定交流输出、最大效率、欧洲效率、最小电压、mppt电压、MPPT数量、最大直流电压、最大直流电流、尺寸、重量等。

五、气象数据库

1.支持查看全国超过32个城市的模拟地图气候数据。

2.支持查看2013-2016年的精确到天的模拟地图气候数据，可自由设置日期进行查看。

3.每个城市的气候数据均可查看：平均气温、最高最低气温、湿度、降水量、辐照量、气压、风速、土地湿度摄氏度等。

六、3D地图功能

6.1 模型

支持教师通过3D地图上的模拟能耗布置相应学习任务，同时可以修改多种参数以最大化的适应不同实际情况，最后可以根据学生完成情况进行相应的评分。

1.根据项目及学习任务需要规划设计的区域面积大小，选择对应面积以及地形相似度高的区域，并定期更新可用的区域3d地图

2.加载在3D地图上的是真实的地形地貌，包含设计成虚拟的地形地貌、3D地图模型、山川、河流与树木；

3.支持修改光伏发电的相关评分参数：整机效率、最佳倾角、除组件和逆变器以外的其他成本参数等。

4.支持修改风力发电的相关评分参数：整机效率、风力波动（自定义风速的每小时波动数据以体现出风力发电机组随着每小时风速数据的变化，发电量在1天24小时内随机波动的特点；）

5.支持修改地热能的相关评分参数：换热能力、热协调参数、成本单价

6.支持修改生物质能的相关评分参数：生物质年供应、整机效率、生物质残余物平均能源折算系数、生物质平均谷草比系数、生物质残余物能源利用可获得系数、建设成本、燃料成本、运维成本等。同时可自动根据公司计算得出每年最大可建设的电站功率作为评分准则。

（最大生物质电站功率=年供应量*1000*平均能源折算系数*谷草比系数*残余物能源利用可获得系数/ 3600/365/24）

7.设计区域内的5种用能建筑模型（底层住宅、交通枢纽、酒店、小高层、写字楼），通过设置每个建筑模型的最大功率、制冷制热能耗占比、每小时实际用电系数、日能耗时长，可以获得区域内建筑每小时、每天、全年的耗电情况以及制冷制热能耗需求；

8.可选择全国任意地区（精确城市）、任意气候时段作为区域能源模拟的目标区域，通过对比数据库可以得出当地经纬度、光伏组件全年最高、最低工作温度，并可以自动计算最大、最小电压、最大开路电压、最大直流电流等数据

9.可以自行比较同一模型不同规划方案的优劣，通过比较倾角偏差、组件逆变器功率比、间距误差、逆变器数量、生物质电站容量、浅层地热容量、风力电站布局、外部电力输入、外部电力波动、建设总成本等，可以对同一模型下的方案进行自动评分

10.命名：教师可以自行命名模型的名字

11.删除：教师可以对模型进行删除操作

6.2 方案

支持学生通过设置3D地图上的各种能源搭配的方案来解答教师给出的学习任务，并给出相应的数据报表

1.在3d地图上，根据模拟的每小时用能数据，合理布局"光伏发电""风力发电""生物质发电""浅层地热设施"设置各种产能模块的产能参数，满足区域用能需求，以完成需求侧区域能源规划方案的设计；

2.使用光伏、风力、生物质、地热4种新能源并结合外部电力输入以进行能源供应模拟并能自动计算产能。

3.根据设施地区经纬度与气候参数，通过选择不同型号规格的逆变器与光伏组件，来完成光伏组件方阵的设计，主要包含参数有：方阵行数、方阵列数、组件安装方式设计、倾角设计、逆变器数量、组件间距设计、组串串并联的数量等完成区域光伏电站设置

4.根据每小时的用电情况，实现户式/小型分布式光伏电站的模拟设计，并根据所选光伏组件与逆变器估算该电站的建设成本以及模拟该分布式电站与负载的合并运行情况

5.可设置不同容量大小的风机，模拟风力发电功率

6.根据模拟时段内的气温数据，判断当日是否存在制冷制热需求，并根据当日的冷热程度模拟制冷制热能耗情况。

7.模拟浅层地热换热能力与埋管面积的关系；同时学生根据模拟数据需要，设置生物质能建设所需面具，以满足模拟建筑制冷制热能耗需求；

8.学习生物质发电过程中，通过生物质能电站的一系列参数，强化学生对于生物质能转化公式学习。（最大生物质电站功率=年供应量*1000*平均能源折算系数*谷草比系数*残余物能源利用可获得系数/ 3600/365/24）

9.模拟白天时段，光伏发电设施每小时发电数据，体现出白天每小时光伏发电量随光照强度变化、夜晚光伏没有发电的量的特点；

10.根据逆变器、光伏组件的价格，风机机组价格，地热电站价格，生物质电站价格对所设计的多能互补方案的建设总成本自动统计

11.在初始化并部署完成后，展示整个区域能源状态，并根据预设值进行计算和输出，根据输出结果形成各类报表。包括总数据和日数据；

12.能源数据报表中，通过模拟时间过程，以及设计好的方案，可以显示各种能源的产能情况，包括：总产能、光伏发电量、风力发电量、浅层地热能量、生物质能发电量以及外部电力输入等。

13.根据用能模块预设的用能参数，模拟计算出用能情况实时曲线与各类产能设施的产能占比，并同步图表显示，包括总能耗、一般能耗、制冷制热能耗等，有助于学生进行相应能源的设计配比。

14.命名：学生可自行对设计方案进行命名或重命名

15.删除：教师或学生可删除方案

七、其他小工具

光伏阵列间距计算器：可通过计算器自动计算出最佳倾角下的方阵最佳间距。涵盖了全国32个城市。可查询的数据有：经纬度、不同光伏阵列倾角下的日平均辐射、年度总太阳辐射等。同时根据选择的组件尺寸，根据倾角自动计算出方阵最佳间距。