風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)
本平臺(tái)是一套面向高等院校、職業(yè)技術(shù)學(xué)校的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一體化教學(xué)解決方案。它通過(guò)實(shí)物化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，真實(shí)展現(xiàn)了從風(fēng)能捕獲、電能變換到負(fù)載應(yīng)用的完整產(chǎn)業(yè)鏈條。平臺(tái)利用可調(diào)風(fēng)速風(fēng)源模擬自然風(fēng)況，并接入多樣化負(fù)載，可逼真反映不同運(yùn)行條件下的系統(tǒng)特性。該風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)平臺(tái)旨在幫助學(xué)生、研究生及科研人員深刻理解風(fēng)能基礎(chǔ)知識(shí)，掌握各種風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的核心原理，并培養(yǎng)其在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的安裝、調(diào)試、運(yùn)行、維護(hù)及故障診斷等方面的綜合實(shí)踐能力。
一、 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理
本教學(xué)用風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)清晰，完整包含以下核心單元：
風(fēng)源控制系統(tǒng)：由可調(diào)速鼓風(fēng)機(jī)及控制器組成，用于模擬不同風(fēng)速、風(fēng)向的自然風(fēng)況。
模擬風(fēng)機(jī)與控制系統(tǒng)：包含真實(shí)的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其偏航、限速等控制單元，是能量轉(zhuǎn)換的核心。
儲(chǔ)能與逆變系統(tǒng)：由蓄電池組與離網(wǎng)逆變器構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)電能的儲(chǔ)存和直流到交流的轉(zhuǎn)換。
負(fù)載與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：包含各類(lèi)用電負(fù)載，以及用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)速、風(fēng)向、電氣參數(shù)的儀表。
中央控制系統(tǒng)：集成PLC、控制器等，實(shí)現(xiàn)對(duì)整套風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)管理與數(shù)據(jù)采集。
其工作原理為：風(fēng)源系統(tǒng)產(chǎn)生可控風(fēng)能，驅(qū)動(dòng)真實(shí)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電，所產(chǎn)生的電能經(jīng)過(guò)控制器進(jìn)行整流和穩(wěn)壓，一部分為儲(chǔ)能電池充電，另一部分可通過(guò)離網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換為交流電，為負(fù)載系統(tǒng)供電。整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)可由控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)節(jié)。
二、 核心系統(tǒng)參數(shù)
本風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)平臺(tái)的主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)如下，確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性與可靠性：
風(fēng)力發(fā)電機(jī)：額定功率300W，葉輪直徑1.65m，啟動(dòng)風(fēng)速2.3m/s，額定風(fēng)速12m/s，輸出為三相交流電。
風(fēng)速風(fēng)向儀：測(cè)量范圍風(fēng)速0-45m/s、風(fēng)向0-360°，精度高，帶報(bào)警功能，支持RS-232通訊，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的輸入風(fēng)能。
可調(diào)風(fēng)源（鼓風(fēng)機(jī)）：風(fēng)量4670m3/h，功率2.2kW，可無(wú)級(jí)調(diào)速，精確模擬不同風(fēng)況。
電氣操作柜：集成顯示儀表、控制開(kāi)關(guān)、戶用型控制器及調(diào)速裝置，是操作和監(jiān)控整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的人機(jī)交互界面。
三、 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容
基于此套完善的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，可開(kāi)展以下九大類(lèi)核心實(shí)驗(yàn)：
限速保護(hù)實(shí)驗(yàn)：包括機(jī)械與電控兩種限速保護(hù)系統(tǒng)原理的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
功率與速度控制實(shí)驗(yàn)：風(fēng)機(jī)過(guò)功率保護(hù)、超速保護(hù)及不同轉(zhuǎn)速下的發(fā)電特性曲線測(cè)試。
風(fēng)能評(píng)估實(shí)驗(yàn)：風(fēng)況檢測(cè)與測(cè)量技術(shù)實(shí)踐。
系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)：獨(dú)立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)（模擬）與離網(wǎng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。
高級(jí)控制實(shí)驗(yàn)：風(fēng)光互補(bǔ)最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）控制實(shí)驗(yàn)，探究風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的最佳能量捕獲策略。
綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：整合各單元，進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真與調(diào)試綜合訓(xùn)練。
四、 系統(tǒng)單元深入介紹：以風(fēng)源與控制系統(tǒng)為例
風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心在于對(duì)風(fēng)能這一隨機(jī)性輸入的高效、安全利用。本平臺(tái)的風(fēng)源控制系統(tǒng)與主控制系統(tǒng)，正是研究這一課題的關(guān)鍵。
功能概述：該單元通過(guò)直流無(wú)刷電機(jī)精確控制鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，以此模擬自然界風(fēng)速的變化。同時(shí)，配合風(fēng)向檢測(cè)與偏航系統(tǒng)，可模擬風(fēng)向變化，研究偏航控制對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出效率的影響。其核心功能是實(shí)現(xiàn)最佳功率點(diǎn)跟蹤控制，即通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速，使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在不同風(fēng)速下均能輸出最大功率。
教學(xué)與科研價(jià)值：本平臺(tái)為研究風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制策略提供了理想環(huán)境。利用變頻器驅(qū)動(dòng)異步風(fēng)機(jī)模擬風(fēng)力特性，可在實(shí)驗(yàn)室安全、可重復(fù)地實(shí)現(xiàn)風(fēng)速與轉(zhuǎn)速的多種工況組合。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能夠精確模擬風(fēng)力機(jī)特性，為開(kāi)展風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)、電力電子變換及系統(tǒng)集成等研究提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
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