浅谈关于拟建风力发电实训室的申请

浅谈关于拟建风力发电实训室的申请

一、总论
1.主要原则与依据
我国风力资源储量丰富，分布广泛。陆上可开发的储量为2.53亿kW，海上可开发的储量为7.5亿kW。大规模、高集中开发，远距离和高电压输送是我国风电发展的重要特征。近年来，我国风电发展迅猛，2016-2010 年风电总装机容量从260万kW增长到4182.7万kW，2017年新增风电装机1600万kW，累计装机容量和新增装机容量均居世界首位。这意味着未来十年中，风电总装机容量平均每年需新增1800万kW。预计每年需新增机组及其配套变流器约9000台。
风力发电机组包括风力机、发电机、变速传动装置及相应的控制器等，用来实现风能与电能的能量转换。风力发电的关键问题是风力机和发电机的功率和速度控制。风电机组中将风能转换成机械能的能量转换装置是风力机，它由风轮、迎风装置和塔架等组成。按结构不同，风力机可分为水平轴式和立轴式两种;按功率调节方式不同，风力机可分为定桨距失速、变桨距和主动失速 3 种。
风电机组中的发电机将机械能转化为电能，发电机在并入电网时必须输出恒定频率(一般为50Hz)的电能。按照发电机转速的不同，发电机可分为恒速和变速两类，其中变速需要通过变频器来实现。变频器采用电力电子变流技术和控制技术，将发电机发出的频率变化交流电转换为与电网频率相同、能与电网柔性连接的交流电，并且能实现较大化风能跟踪控制。按照拓扑结构的不同，变频器可分为交-交型、交-直-交型和矩阵型三种;按照变频器容量的不同可将变频器分为部分容量和全部容量(全额)两种。变速传动装置可将风轮的低转速转换为发电机的较高转速，按传动链类型将其分为齿轮箱驱动和直接驱动两种，其中前者包括单级和多级两种齿轮箱驱动。
另外根据《国家中长期科学和技术发展规划纲要》，2020年可再生能源总量比重将提高到15%，2035年到2040年，可再生能源将占到我国一次能源总量的25%以上。要实现这些目标，需要大量人才从事相关产业。据新思界产业研究中心发布的《2017-2022年中国新能源专业方向人才需求市场调研报告》，预计2017-2022年，中国新能源行业对新能源专业人才的需求将不断增加，2022年对新能源专业人才需求有望达到127.44万人。
院校对于风力发电技术型人才培养正处于发展阶段，各大院校陆续都在设置相关专业，如风力发电技术与应用、风力发电工程技术等。因此学习与掌握风力发电相关技术理论、发展方向及其行业应用是目前院校教育的核心目标。建设风力发电实训中心，可加快创新型风力发电应用技能型人才培养，促进我校的双师型教师队伍建设，引领教育教学改革的方向，同时为院校周边地区产业的转型升级以及区域经济发展提供有效的人力支撑。
2.项目概述
为满足风力发电专业的基本本科教学提高学生的操作技能，使本专业的学生掌握风力发电系统的设计技能，提高解决实际分析问题和解决问题的能力。
二、项目必要性
1.目前现状和存在的主要问题
学校创新创业工程训练中心实验室无风力发电类综合实训平台
①校内无相关实验平台。不符合新经济下的专业发展要求。
②新工科课程改革新开设的课程缺少相应实践平台。
③目前创新创业工程训练中心实验室均无风力发电类综合实训平台，学生无法开展此类科研、大创项目、竞赛活动。
④新能源、电气工程及其自动化专业现有平台：新能源、电气工程及其自动化专业目前每年招收学生人数为比较多，设备台套数少，一个30人的专业班只有通过五次以上分组才能开出实验。现今实验室的设备条件很难满足该专业实验教学的基本要求。
2.建设的必要性
本实验室项目结合新产业新业态，融合了电气、计算机、传感、通讯、控制等众多学科，涵盖了电气工程、能源技术、信息技术、控制技术、计算机等领域，围绕地区风力产业特色进行建设。目前可满足电气工程及其自动化、电力、通信工程、电子信息工程、测控技术与仪器、物联网工程、软件工程等专业的部分课程要求，实验系统具有可扩展性，可根据教学要求，专业的调整进行功能扩展，预留一定的硬件放置空间，在实验设备上预留一定的接口（比如该实验室监控部分预留拓展接口，将来可将更多的新能源模块接入系统）。以高效、清洁、安全、可靠和互动特征的综合实训平台的建设，可深化我校新能源、电气工程及其自动化、电力、通信工程、电子信息工程、测控技术与仪器 、物联网工程、软件工程等专业的改革，促进学生创新创业能力的培养。
三、项目建设的可行性
1.项目需求分析
该实验室建设项目，为风力发电在实际的应用提供理论及实践依据；同时给学生学习风力发电技术、风力发电控制策略、物联网技术、电池能量管理系统等新技术提供平台支撑。该平台集新能源、自动控制技术、通信技术为一体，满足：
《自动控制原理》；《电机学》；《建筑电气施工技术》；《电力系统基础》；《电力系统分析》；《电力系统自动化》；《电力系统继电保护原理》；《物联网应用软件设计与案例》；《风能利用原理与技术》；《供用电管理》；《计算机仿真》；《电气检测技术》；《新能源发电技术》等课程的教学培训。
可开展：
电力电子技术设计；风能电站设计；水电站电气设计；变电所电气设计；变电所继电保护配置；一次设备安全运行；高低压电工上岗等培训。
使用者可依托该平台开展创新性、开放新综合实验以及相关创新创业项目研究。通过实验室建设，可为学生提供一个较为真实的实践教学环境，使学生对风力发电等新能源电气部分从工作原理、设备组成、安装接线到实际运行、通信以及控制具有一个整体概念，将其所学过的各门专业知识融会贯通地应用到实践中来，努力培养学生的实际工程意识和分析问题与解决问题的能力，提高其专业素质和岗位竞争能力。
2.建设的可行性
随着全球能源短缺和环境污染等问题日益突出，风力发电因其清洁、安全、便利、高效等特点，已成为世界各国普遍关注和重点发展的新兴产业。我校迅速抓住这一机遇，及时开设风力发电技术与应用专业，抢占了先机。其次国家大力支持新能源专业教育，给我校提供支持，使我院建一个高标准的风力发电系统实训中心成为可能。学院即有建设风力发电系统实训中心的需求，也具备了建设的经济实力，这是学院建设风力发电实训中心的依据。



四、实验室设备需求
1、风电场运行维护仿真系统
通过基于风力发电排故系统的实验实训，帮助学生理解风力发电机的原理和风力发电系统的工作过程、风力发电系统各主要模块组成与作用、风力发电机输出特性及其测试方法；了解水平轴永磁同步风力发电机的组成、模拟风场装置的组成、被动偏航原理及其结构、主动偏航原理、逆变器的工作原理及其驱动方式与结构、发电系统的检测与测试、风力控制器的工作原理、驱动方式和充放电结构；掌握小型水平轴永磁同步风力发电机组的组装、模拟风场装置的安装、风力发电机输出测试等。
（2）主要实验实训项目
①发电机输出故障排故。
②偏航电机驱动故障排故。
③偏航限位故障排故。
④系统辅助电源故障排故。
⑤控制器工作故障排故。
⑥逆变器工作故障排故。
⑦风力发电系统接线实训。
⑧风力发电机跟踪偏航实训。
⑨变桨电机驱动故障实训。
⑩风力发电监控系统实训。
⑾上位机软件编程实训。
⑿控制器程序烧录实训。
⒀逆变器程序烧录实训。
（3）主要设备
风电场运行维护仿真系统共2套，每套系统配置故障设置模块、系统供电电源及辅助电源、水平轴永磁同步风力发电机、尾舵偏航系统、模拟风场拖动电机、模拟风场控制单元、风速传感器、仪表显示单元（含三相交流电压表、三相交流电流表、直流电压表、直流电流表、交流电压表、交流电流表、蓄电池组、风机控制器、离网逆变器、直流阻性负载、直流感性负载、交流阻性负载、交流感性负载、功率电阻模块、安全系统等。
2、风力发电缩比实训系统
（1）基本功能
学生通过本实训区的实训，能掌握风力发电机组的安装方法及其测试方法、控制原理；了解风机变桨工作原理、风机变桨控制过程及其变桨角度与风速关系；了解风机偏航工作原理、风机偏航控制过程及风机偏航角度与风速之间的关系；了解风速与发电机转速对应关系、发电机转速与负载关系及阵风状态下的发电机转速；通过调节不同的风速状态下，测量电机转速与风机三相电压频率、幅值和相位等参数，了解发电机的特性与控制原理；了解风力发电离网过程中的刹车原理及并网过程中的刹车原理，并理解原动机与发电机的能量关系；了解风力控制器整流原理及其控制器整流后的直流电压与风机转速对应关系，理解风力控制器的卸荷过程，了解风力并网原理及风力逆变的过程；能测试测试风力并网发电逆变器转换效率、发电机谐波、直流母线MPPT跟踪效率，并掌握并网逆变器电能的测试方法；了解PLC的工作原理，熟悉西门子PLC的使用方法、西门子PLC编程软件的使用及STEP 7-Micro/WIN SMART软件的编程与调试；了解变频器的工作原理，熟悉变频器的使用方法，掌握西门子V20变频器的调试；熟悉MCGS组态软件的使用，了解MCGS组态软件的基本开发过程、MCGS触摸屏的通信原理。
（2）主要实验实训项目
①风力发电系统的结构和组成
②风速与控制策略模拟实验
③并网过程与脱网保护模拟实验永磁同步风力发电系统接线实训
④风力发电机并网过程实验
⑤风力发电机自由并网实验
⑥风力发电机输出电性能测试实验
⑦风力发电机最大功率跟踪实验
⑧风力发电机并网发电性能与测量
⑨基于西门子PLC的上位机通讯实验
⑩伺服控制系统与上位机通讯实验
⑾风机的偏航实验
⑿风机的变浆实验
（3）主要设备
共2套风力发电缩比系统，每套含①永磁风力发电机组，包括永磁风力发电机、变频拖动电机、偏航伺服电机、偏航伺服驱动器、变桨伺服电机、变桨伺服驱动器、偏航变桨编码器、齿轮减速机、机组平台底座、导流罩、机舱罩、鼓风机、风速传感器等；②永磁风力发电主控制屏柜包括PLC（西门子S7-1200）、ET200SPIO接口模块、开关电源、组态触摸屏、工业交换机、交流微断、屏柜柜体等；③永磁风力发电变频调速屏柜，包括西门子变频器、指针电压表、指针电流表、电流互感器、继电器、黄色指示灯、红色指示灯、接线端子、屏柜柜体等；④永磁风力发电并网控制屏柜，包括并网逆变器、开关电源、红色指示灯、黄色指示灯、微断、、指针电压表、接线端子、屏柜柜体等；⑤永磁风力发电电池电源屏柜，包括储能蓄电池、电池管理机、UPS主机、指针电压表、微断、双电源开关、开关电源、组态触摸屏、红色指示灯、接线端子、屏柜柜体等；⑥永磁风力发电主控操作台，包括工控电脑、魔镜系统、液晶显示器、微断、急停按钮、红色指示灯、带灯按钮、主控操作台（要求监控界面可通过以太网将数据传输至教师主机进行检测）。
3、风力发电智能调度运行与控制系统
（1）基本功能
本实验区能实现微电网接入与风力能量管理单元、微电网储能与稳定控制单元、风力分布式发电模拟单元、微电网交直流负荷管理单元等单元装置的实训，能开展电子仪表的通讯与计量、并网运行、离网运行、离/并网切换、发电模拟实验、永磁风力发电仿真、组态触摸屏软件编程、上位机软件编程、PLC编程与控制、EMS能量管理模块编程、继电保护整定与控制等实验，通过实验实训，使学生对风力发电智能调度运行与控制系统的一个基本了解和实操方面的认识。
     （2）主要实验实训项目
①微电网接入与风力能量管理单元装置实训
②微电网储能与稳定控制单元装置实训
③风力分布式发电模拟单元装置实训
④微电网交直流负荷管理单元装置实训
⑤电子仪表的通讯与计量实验
⑥并网运行实验
⑦离网运行实验
⑧离/并网切换实验
⑨发电模拟实验
⑩永磁风力发电仿真实验
⑾组态触摸屏软件编程
⑿上位机软件编程
⒀PLC编程与控制实验
⒁EMS能量管理模块编程实验
⒂继电保护整定与控制实验
（3）主要设备
①发电机电源模拟器1套，包括发电机、变频拖动电机、拖动平台等；②EMS中央能量控制管理系统，包括能量管理系统、以太网交换机、串口服务器、组态触摸屏、线路保护器等；③PCS双向变流系统，包括双向储能变流器、储能蓄电池、电池监测系统、低压线路保护器等；④智能电网交直流负荷管理系统，包括模拟直流（I级负荷）、模拟直流（II级负荷）、模拟交流（I级负荷）、模拟交流（II级负荷）、直流功率表、单相交流功率表、屏柜柜体等；⑤SCADA中央能量控制管理系统，包括操作台、工控电脑等；⑥SCADA电力监控软件等。
4、风力发电实验箱系统
（1）基本功能
基于微形垂直轴风力发电机的实验平台，具有以下基本实验功能：
①垂直轴风力发电开路电压测试、短路电流测试、I-U特性测试、最大输出功率计算、负载特性测试等。
②风力发电机给蓄电池直接充电、风力发电机控制器给蓄电池充电、风力发电机控制器充电过压测试等。
③控制器通用开关输出模式、纯光控开关输出模式、光控+延时输出模式、调试输出模式等工作模式测试。
④逆变器工作原理系列实验。
⑤风力发电系统演示实验。
（2）主要实验实训项目
①垂直轴风力发电机结构与原理系列实验。
②垂直轴风力发电机输出特性系列实验。
③风力发电系统的组成。
④蓄电池的充放电特性系列实验。
⑤风机控制器的原理与功能。
⑥离网逆变器的原理与功能。
（3）主要设备
共20套实验箱系统设备，每套含垂直轴风力发电机、轴流鼓风机（模拟风源）、手持照度计、示波器、直流电压表、直流电流表、交流电压表、交流电流表、嵌入式一体化触摸屏、铅酸电池、风机控制器、离网逆变器、直流阻性负载、直流感性负载、交流阻性负载、交流感性负载、电阻箱等。
5、风力发电虚拟仿真
（1）基本功能
①风力发电虚拟仿真系统配置专用的登录界面，允许修改初始用户名及密码。
②配置机械原理菜单，能逐级分解和隐藏发电机组零件，了解发电机组各个部件的组成及位置。
③配置风电机组故障检修模块，能依照故障检修处理手册模拟故障检修的维护过程，选择不同故障代码进行模拟故障检修，也可以直接输入错误代码进行详细错误硬件的选择，根据错误提示完成检修。
④配置风电机组漫游模块，能通过第一人称漫游的方式，引导用户了解整体机舱在真实工作中各个零件所在的位置以及包括变桨、偏航等操作的实际运行情况和意义；用户通过键盘ASDW按键控制虚拟人物移动，并可以通过菜单内按钮实现固定地点的位移；根据设定风速和风向进行模拟自动风机运行；根据按钮操作手动模拟变桨、偏航等。
（2）主要实训项目
①风力发电技术基础内容教学的实验与实训。
②风电机组运行维护教学的实验与实训。
③风电机组常见工具教学的实验与实训。
④风电机组故障教学的实验与实训。
⑤风电机组巡检教学的实验与实训。
⑥风电机组操作教学与实训。
⑦风电机运维操作的实验与实训。

DB-FJ400A   400W风力发电教学实验实训装置

 
 

教学特点
  系统实验平台集成了室内温/湿度仪，风速测量系统，让使用者操作起来更直观。
  系统采用数字化DSP技术，对蓄电池充放电进行全智能化的管理。
  系统面板上采用直观的数字仪表和液晶显示，让用户即时了解系统工作状态。
  系统上的离网电源可以为用户提供交流110V/220V纯正弦波交流电能。
  风力发电教学实验系统，可以让实训学生自行拆装移动，使用简便、节能环保、无污染。
  增加分布式发电原理与实验模块，让学生增加对新知识的理解
二、系统运行技术条件
1.风力系统
  风轮直径：1.65(m)
  启动风速：1.5(m/s)
  额定风速：12(m/s)
  安全风速：35(m/s)
  工作形式：上风式永磁同步发电机
  风叶旋转方向：顺时针
  风叶数量：3（片）   
  风叶材料：玻璃增强聚丙烯材料
  电机材料：铝合金&不锈钢
模拟风洞：
  风量：34073 m3/h，1275Pa-2138Pa
  电压：三相四线 380VAC
  功率：2.2kW
  调速单元：2.2KW 矢量变频器，输出频率：0-100Hz
2.充电系统
  额定功率：400(W)
  额定电压：12/24(V)
  额定电流：33.3/16.7（A）
3.电力蓄能系统（机内）
  储能形式：阀控式密封铅酸蓄电池
  额定电压：12V
  额定容量：55Ah
  充电方法（恒压），循环︰最大充电电流为5.6A
4.离网逆变模块系统
  直流输入电压：10.5～16.8 VDC
  额定蔬出功率：300W
  输出电压：110/220VAC
  输出波形：纯正弦波
  输出频率：50Hz
  工作效率：85%
  功率因数：>0.88
  波形失真率≤5%
  工作环境：温度-20℃～50℃
  相对湿度：﹤90﹪（25℃）
  保护功能：极性反接、短路、过热、过载保护
5.控制模块系统
  工作电压：12VDC
  充电功率：500W
  光伏功率：100W
  风机功率：400W
  充电方式：PWM脉宽调制
  充电最大电流 16.5A
  过放保护电压 10.5V 
  过放恢复电压 12.6V
  输出保护电压 16.2V
  卸载开始电压（出厂值）15V
  卸载开始电流（出厂值） 12A
  控制器设有蓄电池过充、过放电保护、蓄电池开路保护、负载过电压保护、输出短路保护、电池接反保护、欠压和过压防震荡保护、均衡充电、温度补偿等功能；
6.负载模块装置系统
  风扇：×1个，额定电压：12/24V，工作电流：1.25A，功率：15W
  交通灯：1组(R,G,B)，额定电压：12/24V，工作电流：0.8A，功率：9.6W
  马达：×1个，额定电压：12/24V，工作电流：0.35A，功率：5W  转速：20rmp/min
  交流LED灯×1个，交流节能灯×1个
  直流模拟负载：12V/24V/28WLED路灯板，带PWM调光功能，输出功率可设置
   8、测风系统
 测量范围   风速：0～60m/s
 精 度      ±0.1m/s
 工作电源：AC 220V±20%  50HZ， DC12V、5V或其他供电。
 记录间隔：  1分钟～240分钟连续可设置
 内部存储：  4M bit
 环境温度：   -40℃～50℃  
 转速传感器：0～5000 风力发电机转速检测显示（室内）
 过风速报警中断输出功能，可以设备闭环形式连接，增加实验安全性。
9.显示装置系统
  直流电流表：× 1个，20A， 显示模式︰0.5”LED
  直流电压表：× 1个，50V， 显示模式︰0.5”LED
  交流电压表：× 1个，500V，显示模式︰0.5”LED
  交流电流表：× 1个，5A，  显示模式︰0.5”LED
  交流电压表：× 1个，50V， 显示模式︰0.5”LED
  交流电流表：× 1个，50A， 显示模式︰0.5”LED
  时间、温/湿度表：× 1个，-20～99.9℃  显示时间，室内温、湿度
  风机转速表：× 1个，5A，  显示模式︰0.5”LED
10.电气开关操作台
   交流漏电开关、紧急停止开关、仪表开关、风机输入开关、直流输入开关
  仪表显示、控制按钮（开关）、智能型风光互补控制器、风速仪、鼓风机调速。
11、监控软件
  PC监控模块：监控主机、监控软件。
  显示内容：蓄电池电压、风机电压、光伏电压、风机电流、光伏电流、风机功率、光伏功率，能量模拟图，当前风速（米/秒），当前风向（度），当前风力资源平估。

三、教学项目及实验内容
实验1.风力发电基础理论原理性实验
实验2.风力发电系统设计实验
实验3.风力发电基础理论与应用技术仿真实验
实验4.风力发电相关测量技术实验
实验5.风力发电控制技术实验
实验6.风力发电电力电子实验
实验7.过放保护、过放恢复、过充保护、过充恢复
       均充保护、均充恢复、浮充保护、浮充恢复
实验8.过风速报警、欠风速报警、液晶显示风速
实验9.风力发电系统的直接负载实验
实验10.风力发电系统的风速变化影响实验
实验11.限速机械保护系统原理实验
实验12.限速电控保护系统原理实验
实验13.风机过功率保护实验
实验14.风机超速保护实验
实验15.不同转速下风力发电曲线实验
实验16.风况检测实验
实验17.独立风机系统实验
  实验18. 综合实验。
四、主要设备清单

序号	名     称	型  号	数 量	单 位	价 格
1	风力发电系统操作台		1	台
2	400W风力发电机		1	台
3	塔架、拉索		1	套
4	转速仪表（含支架）		1	台
5	风力发电控制器		1	台
6	蓄电池组55Ah		1	组
7	实验附件		1	套
8	软件		1	套