淺談關于擬建風力發電實訓室的申請
一、總論
1.主要原則與依據
我國風力資源儲量豐富，分布廣泛。陸上可開發的儲量為2.53億kW，海上可開發的儲量為7.5億kW。大規模、高集中開發，遠距離和高電壓輸送是我國風電發展的重要特征。近年來，我國風電發展迅猛，2016-2010 年風電總裝機容量從260萬kW增長到4182.7萬kW，2017年新增風電裝機1600萬kW，累計裝機容量和新增裝機容量均居世界首位。這意味著未來十年中，風電總裝機容量平均每年需新增1800萬kW。預計每年需新增機組及其配套變流器約9000臺。
風力發電機組包括風力機、發電機、變速傳動裝置及相應的控制器等，用來實現風能與電能的能量轉換。風力發電的關鍵問題是風力機和發電機的功率和速度控制。風電機組中將風能轉換成機械能的能量轉換裝置是風力機，它由風輪、迎風裝置和塔架等組成。按結構不同，風力機可分為水平軸式和立軸式兩種;按功率調節方式不同，風力機可分為定槳距失速、變槳距和主動失速 3 種。
風電機組中的發電機將機械能轉化為電能，發電機在并入電網時必須輸出恒定頻率(一般為50Hz)的電能。按照發電機轉速的不同，發電機可分為恒速和變速兩類，其中變速需要通過變頻器來實現。變頻器采用電力電子變流技術和控制技術，將發電機發出的頻率變化交流電轉換為與電網頻率相同、能與電網柔性連接的交流電，并且能實現較大化風能跟蹤控制。按照拓撲結構的不同，變頻器可分為交-交型、交-直-交型和矩陣型三種;按照變頻器容量的不同可將變頻器分為部分容量和全部容量(全額)兩種。變速傳動裝置可將風輪的低轉速轉換為發電機的較高轉速，按傳動鏈類型將其分為齒輪箱驅動和直接驅動兩種，其中前者包括單級和多級兩種齒輪箱驅動。
另外根據《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》，2020年可再生能源總量比重將提高到15%，2035年到2040年，可再生能源將占到我國一次能源總量的25%以上。要實現這些目標，需要大量人才從事相關產業。據新思界產業研究中心發布的《2017-2022年中國新能源專業方向人才需求市場調研報告》，預計2017-2022年，中國新能源行業對新能源專業人才的需求將不斷增加，2022年對新能源專業人才需求有望達到127.44萬人。
院校對于風力發電技術型人才培養正處于發展階段，各大院校陸續都在設置相關專業，如風力發電技術與應用、風力發電工程技術等。因此學習與掌握風力發電相關技術理論、發展方向及其行業應用是目前院校教育的核心目標。建設風力發電實訓中心，可加快創新型風力發電應用技能型人才培養，促進我校的雙師型教師隊伍建設，引領教育教學改革的方向，同時為院校周邊地區產業的轉型升級以及區域經濟發展提供有效的人力支撐。
2.項目概述
為滿足風力發電專業的基本本科教學提高學生的操作技能，使本專業的學生掌握風力發電系統的設計技能，提高解決實際分析問題和解決問題的能力。
二、項目必要性
1.目前現狀和存在的主要問題
學校創新創業工程訓練中心實驗室無風力發電類綜合實訓平臺
①校內無相關實驗平臺。不符合新經濟下的專業發展要求。
②新工科課程改革新開設的課程缺少相應實踐平臺。
③目前創新創業工程訓練中心實驗室均無風力發電類綜合實訓平臺，學生無法開展此類科研、大創項目、競賽活動。
④新能源、電氣工程及其自動化專業現有平臺：新能源、電氣工程及其自動化專業目前每年招收學生人數為比較多，設備臺套數少，一個30人的專業班只有通過五次以上分組才能開出實驗。現今實驗室的設備條件很難滿足該專業實驗教學的基本要求。
2.建設的必要性
本實驗室項目結合新產業新業態，融合了電氣、計算機、傳感、通訊、控制等眾多學科，涵蓋了電氣工程、能源技術、信息技術、控制技術、計算機等領域，圍繞地區風力產業特色進行建設。目前可滿足電氣工程及其自動化、電力、通信工程、電子信息工程、測控技術與儀器、物聯網工程、軟件工程等專業的部分課程要求，實驗系統具有可擴展性，可根據教學要求，專業的調整進行功能擴展，預留一定的硬件放置空間，在實驗設備上預留一定的接口（比如該實驗室監控部分預留拓展接口，將來可將更多的新能源模塊接入系統）。以高效、清潔、安全、可靠和互動特征的綜合實訓平臺的建設，可深化我校新能源、電氣工程及其自動化、電力、通信工程、電子信息工程、測控技術與儀器 、物聯網工程、軟件工程等專業的改革，促進學生創新創業能力的培養。
三、項目建設的可行性
1.項目需求分析
該實驗室建設項目，為風力發電在實際的應用提供理論及實踐依據；同時給學生學習風力發電技術、風力發電控制策略、物聯網技術、電池能量管理系統等新技術提供平臺支撐。該平臺集新能源、自動控制技術、通信技術為一體，滿足：
《自動控制原理》；《電機學》；《建筑電氣施工技術》；《電力系統基礎》；《電力系統分析》；《電力系統自動化》；《電力系統繼電保護原理》；《物聯網應用軟件設計與案例》；《風能利用原理與技術》；《供用電管理》；《計算機仿真》；《電氣檢測技術》；《新能源發電技術》等課程的教學培訓。
可開展：
電力電子技術設計；風能電站設計；水電站電氣設計；變電所電氣設計；變電所繼電保護配置；一次設備安全運行；高低壓電工上崗等培訓。
使用者可依托該平臺開展創新性、開放新綜合實驗以及相關創新創業項目研究。通過實驗室建設，可為學生提供一個較為真實的實踐教學環境，使學生對風力發電等新能源電氣部分從工作原理、設備組成、安裝接線到實際運行、通信以及控制具有一個整體概念，將其所學過的各門專業知識融會貫通地應用到實踐中來，努力培養學生的實際工程意識和分析問題與解決問題的能力，提高其專業素質和崗位競爭能力。
2.建設的可行性
隨著全球能源短缺和環境污染等問題日益突出，風力發電因其清潔、安全、便利、高效等特點，已成為世界各國普遍關注和重點發展的新興產業。我校迅速抓住這一機遇，及時開設風力發電技術與應用專業，搶占了先機。其次國家大力支持新能源專業教育，給我校提供支持，使我院建一個高標準的風力發電系統實訓中心成為可能。學院即有建設風力發電系統實訓中心的需求，也具備了建設的經濟實力，這是學院建設風力發電實訓中心的依據。



四、實驗室設備需求
1、風電場運行維護仿真系統
通過基于風力發電排故系統的實驗實訓，幫助學生理解風力發電機的原理和風力發電系統的工作過程、風力發電系統各主要模塊組成與作用、風力發電機輸出特性及其測試方法；了解水平軸永磁同步風力發電機的組成、模擬風場裝置的組成、被動偏航原理及其結構、主動偏航原理、逆變器的工作原理及其驅動方式與結構、發電系統的檢測與測試、風力控制器的工作原理、驅動方式和充放電結構；掌握小型水平軸永磁同步風力發電機組的組裝、模擬風場裝置的安裝、風力發電機輸出測試等。
（2）主要實驗實訓項目
①發電機輸出故障排故。
②偏航電機驅動故障排故。
③偏航限位故障排故。
④系統輔助電源故障排故。
⑤控制器工作故障排故。
⑥逆變器工作故障排故。
⑦風力發電系統接線實訓。
⑧風力發電機跟蹤偏航實訓。
⑨變槳電機驅動故障實訓。
⑩風力發電監控系統實訓。
⑾上位機軟件編程實訓。
⑿控制器程序燒錄實訓。
⒀逆變器程序燒錄實訓。
（3）主要設備
風電場運行維護仿真系統共2套，每套系統配置故障設置模塊、系統供電電源及輔助電源、水平軸永磁同步風力發電機、尾舵偏航系統、模擬風場拖動電機、模擬風場控制單元、風速傳感器、儀表顯示單元（含三相交流電壓表、三相交流電流表、直流電壓表、直流電流表、交流電壓表、交流電流表、蓄電池組、風機控制器、離網逆變器、直流阻性負載、直流感性負載、交流阻性負載、交流感性負載、功率電阻模塊、安全系統等。
2、風力發電縮比實訓系統
（1）基本功能
學生通過本實訓區的實訓，能掌握風力發電機組的安裝方法及其測試方法、控制原理；了解風機變槳工作原理、風機變槳控制過程及其變槳角度與風速關系；了解風機偏航工作原理、風機偏航控制過程及風機偏航角度與風速之間的關系；了解風速與發電機轉速對應關系、發電機轉速與負載關系及陣風狀態下的發電機轉速；通過調節不同的風速狀態下，測量電機轉速與風機三相電壓頻率、幅值和相位等參數，了解發電機的特性與控制原理；了解風力發電離網過程中的剎車原理及并網過程中的剎車原理，并理解原動機與發電機的能量關系；了解風力控制器整流原理及其控制器整流后的直流電壓與風機轉速對應關系，理解風力控制器的卸荷過程，了解風力并網原理及風力逆變的過程；能測試測試風力并網發電逆變器轉換效率、發電機諧波、直流母線MPPT跟蹤效率，并掌握并網逆變器電能的測試方法；了解PLC的工作原理，熟悉西門子PLC的使用方法、西門子PLC編程軟件的使用及STEP 7-Micro/WIN SMART軟件的編程與調試；了解變頻器的工作原理，熟悉變頻器的使用方法，掌握西門子V20變頻器的調試；熟悉MCGS組態軟件的使用，了解MCGS組態軟件的基本開發過程、MCGS觸摸屏的通信原理。
（2）主要實驗實訓項目
①風力發電系統的結構和組成
②風速與控制策略模擬實驗
③并網過程與脫網保護模擬實驗永磁同步風力發電系統接線實訓
④風力發電機并網過程實驗
⑤風力發電機自由并網實驗
⑥風力發電機輸出電性能測試實驗
⑦風力發電機最大功率跟蹤實驗
⑧風力發電機并網發電性能與測量
⑨基于西門子PLC的上位機通訊實驗
⑩伺服控制系統與上位機通訊實驗
⑾風機的偏航實驗
⑿風機的變漿實驗
（3）主要設備
共2套風力發電縮比系統，每套含①永磁風力發電機組，包括永磁風力發電機、變頻拖動電機、偏航伺服電機、偏航伺服驅動器、變槳伺服電機、變槳伺服驅動器、偏航變槳編碼器、齒輪減速機、機組平臺底座、導流罩、機艙罩、鼓風機、風速傳感器等；②永磁風力發電主控制屏柜包括PLC（西門子S7-1200）、ET200SPIO接口模塊、開關電源、組態觸摸屏、工業交換機、交流微斷、屏柜柜體等；③永磁風力發電變頻調速屏柜，包括西門子變頻器、指針電壓表、指針電流表、電流互感器、繼電器、黃色指示燈、紅色指示燈、接線端子、屏柜柜體等；④永磁風力發電并網控制屏柜，包括并網逆變器、開關電源、紅色指示燈、黃色指示燈、微斷、、指針電壓表、接線端子、屏柜柜體等；⑤永磁風力發電電池電源屏柜，包括儲能蓄電池、電池管理機、UPS主機、指針電壓表、微斷、雙電源開關、開關電源、組態觸摸屏、紅色指示燈、接線端子、屏柜柜體等；⑥永磁風力發電主控操作臺，包括工控電腦、魔鏡系統、液晶顯示器、微斷、急停按鈕、紅色指示燈、帶燈按鈕、主控操作臺（要求監控界面可通過以太網將數據傳輸至教師主機進行檢測）。
3、風力發電智能調度運行與控制系統
（1）基本功能
本實驗區能實現微電網接入與風力能量管理單元、微電網儲能與穩定控制單元、風力分布式發電模擬單元、微電網交直流負荷管理單元等單元裝置的實訓，能開展電子儀表的通訊與計量、并網運行、離網運行、離/并網切換、發電模擬實驗、永磁風力發電仿真、組態觸摸屏軟件編程、上位機軟件編程、PLC編程與控制、EMS能量管理模塊編程、繼電保護整定與控制等實驗，通過實驗實訓，使學生對風力發電智能調度運行與控制系統的一個基本了解和實操方面的認識。
     （2）主要實驗實訓項目
①微電網接入與風力能量管理單元裝置實訓
②微電網儲能與穩定控制單元裝置實訓
③風力分布式發電模擬單元裝置實訓
④微電網交直流負荷管理單元裝置實訓
⑤電子儀表的通訊與計量實驗
⑥并網運行實驗
⑦離網運行實驗
⑧離/并網切換實驗
⑨發電模擬實驗
⑩永磁風力發電仿真實驗
⑾組態觸摸屏軟件編程
⑿上位機軟件編程
⒀PLC編程與控制實驗
⒁EMS能量管理模塊編程實驗
⒂繼電保護整定與控制實驗
（3）主要設備
①發電機電源模擬器1套，包括發電機、變頻拖動電機、拖動平臺等；②EMS中央能量控制管理系統，包括能量管理系統、以太網交換機、串口服務器、組態觸摸屏、線路保護器等；③PCS雙向變流系統，包括雙向儲能變流器、儲能蓄電池、電池監測系統、低壓線路保護器等；④智能電網交直流負荷管理系統，包括模擬直流（I級負荷）、模擬直流（II級負荷）、模擬交流（I級負荷）、模擬交流（II級負荷）、直流功率表、單相交流功率表、屏柜柜體等；⑤SCADA中央能量控制管理系統，包括操作臺、工控電腦等；⑥SCADA電力監控軟件等。
4、風力發電實驗箱系統
（1）基本功能
基于微形垂直軸風力發電機的實驗平臺，具有以下基本實驗功能：
①垂直軸風力發電開路電壓測試、短路電流測試、I-U特性測試、最大輸出功率計算、負載特性測試等。
②風力發電機給蓄電池直接充電、風力發電機控制器給蓄電池充電、風力發電機控制器充電過壓測試等。
③控制器通用開關輸出模式、純光控開關輸出模式、光控+延時輸出模式、調試輸出模式等工作模式測試。
④逆變器工作原理系列實驗。
⑤風力發電系統演示實驗。
（2）主要實驗實訓項目
①垂直軸風力發電機結構與原理系列實驗。
②垂直軸風力發電機輸出特性系列實驗。
③風力發電系統的組成。
④蓄電池的充放電特性系列實驗。
⑤風機控制器的原理與功能。
⑥離網逆變器的原理與功能。
（3）主要設備
共20套實驗箱系統設備，每套含垂直軸風力發電機、軸流鼓風機（模擬風源）、手持照度計、示波器、直流電壓表、直流電流表、交流電壓表、交流電流表、嵌入式一體化觸摸屏、鉛酸電池、風機控制器、離網逆變器、直流阻性負載、直流感性負載、交流阻性負載、交流感性負載、電阻箱等。
5、風力發電虛擬仿真
（1）基本功能
①風力發電虛擬仿真系統配置專用的登錄界面，允許修改初始用戶名及密碼。
②配置機械原理菜單，能逐級分解和隱藏發電機組零件，了解發電機組各個部件的組成及位置。
③配置風電機組故障檢修模塊，能依照故障檢修處理手冊模擬故障檢修的維護過程，選擇不同故障代碼進行模擬故障檢修，也可以直接輸入錯誤代碼進行詳細錯誤硬件的選擇，根據錯誤提示完成檢修。
④配置風電機組漫游模塊，能通過第一人稱漫游的方式，引導用戶了解整體機艙在真實工作中各個零件所在的位置以及包括變槳、偏航等操作的實際運行情況和意義；用戶通過鍵盤ASDW按鍵控制虛擬人物移動，并可以通過菜單內按鈕實現固定地點的位移；根據設定風速和風向進行模擬自動風機運行；根據按鈕操作手動模擬變槳、偏航等。
（2）主要實訓項目
①風力發電技術基礎內容教學的實驗與實訓。
②風電機組運行維護教學的實驗與實訓。
③風電機組常見工具教學的實驗與實訓。
④風電機組故障教學的實驗與實訓。
⑤風電機組巡檢教學的實驗與實訓。
⑥風電機組操作教學與實訓。
⑦風電機運維操作的實驗與實訓。

DB-FJ400A   400W風力發電教學實驗實訓裝置

 
 

教學特點
?  系統實驗平臺集成了室內溫/濕度儀，風速測量系統，讓使用者操作起來更直觀。
?  系統采用數字化DSP技術，對蓄電池充放電進行全智能化的管理。
?  系統面板上采用直觀的數字儀表和液晶顯示，讓用戶即時了解系統工作狀態。
?  系統上的離網電源可以為用戶提供交流110V/220V純正弦波交流電能。
?  風力發電教學實驗系統，可以讓實訓學生自行拆裝移動，使用簡便、節能環保、無污染。
?  增加分布式發電原理與實驗模塊，讓學生增加對新知識的理解
二、系統運行技術條件
1.風力系統
?  風輪直徑：1.65(m)
?  啟動風速：1.5(m/s)
?  額定風速：12(m/s)
?  安全風速：35(m/s)
?  工作形式：上風式永磁同步發電機
?  風葉旋轉方向：順時針
?  風葉數量：3（片）   
?  風葉材料：玻璃增強聚丙烯材料
?  電機材料：鋁合金&不銹鋼
模擬風洞：
?  風量：34073 m3/h，1275Pa-2138Pa
?  電壓：三相四線 380VAC
?  功率：2.2kW
?  調速單元：2.2KW 矢量變頻器，輸出頻率：0-100Hz
2.充電系統
?  額定功率：400(W)
?  額定電壓：12/24(V)
?  額定電流：33.3/16.7（A）
3.電力蓄能系統（機內）
?  儲能形式：閥控式密封鉛酸蓄電池
?  額定電壓：12V
?  額定容量：55Ah
?  充電方法（恒壓），循環︰最大充電電流為5.6A
4.離網逆變模塊系統
?  直流輸入電壓：10.5～16.8 VDC
?  額定蔬出功率：300W
?  輸出電壓：110/220VAC
?  輸出波形：純正弦波
?  輸出頻率：50Hz
?  工作效率：85%
?  功率因數：>0.88
?  波形失真率≤5%
?  工作環境：溫度-20℃～50℃
?  相對濕度：﹤90﹪（25℃）
?  保護功能：極性反接、短路、過熱、過載保護
5.控制模塊系統
?  工作電壓：12VDC
?  充電功率：500W
?  光伏功率：100W
?  風機功率：400W
?  充電方式：PWM脈寬調制
?  充電最大電流 16.5A
?  過放保護電壓 10.5V 
?  過放恢復電壓 12.6V
?  輸出保護電壓 16.2V
?  卸載開始電壓（出廠值）15V
?  卸載開始電流（出廠值） 12A
?  控制器設有蓄電池過充、過放電保護、蓄電池開路保護、負載過電壓保護、輸出短路保護、電池接反保護、欠壓和過壓防震蕩保護、均衡充電、溫度補償等功能；
6.負載模塊裝置系統
?  風扇：×1個，額定電壓：12/24V，工作電流：1.25A，功率：15W
?  交通燈：1組(R,G,B)，額定電壓：12/24V，工作電流：0.8A，功率：9.6W
?  馬達：×1個，額定電壓：12/24V，工作電流：0.35A，功率：5W  轉速：20rmp/min
?  交流LED燈×1個，交流節能燈×1個
?  直流模擬負載：12V/24V/28WLED路燈板，帶PWM調光功能，輸出功率可設置
   8、測風系統
? 測量范圍   風速：0～60m/s
? 精 度      ±0.1m/s
? 工作電源：AC 220V±20%  50HZ， DC12V、5V或其他供電。
? 記錄間隔：  1分鐘～240分鐘連續可設置
? 內部存儲：  4M bit
? 環境溫度：   -40℃～50℃  
? 轉速傳感器：0～5000 風力發電機轉速檢測顯示（室內）
? 過風速報警中斷輸出功能，可以設備閉環形式連接，增加實驗安全性。
9.顯示裝置系統
?  直流電流表：× 1個，20A， 顯示模式︰0.5”LED
?  直流電壓表：× 1個，50V， 顯示模式︰0.5”LED
?  交流電壓表：× 1個，500V，顯示模式︰0.5”LED
?  交流電流表：× 1個，5A，  顯示模式︰0.5”LED
?  交流電壓表：× 1個，50V， 顯示模式︰0.5”LED
?  交流電流表：× 1個，50A， 顯示模式︰0.5”LED
?  時間、溫/濕度表：× 1個，-20～99.9℃  顯示時間，室內溫、濕度
?  風機轉速表：× 1個，5A，  顯示模式︰0.5”LED
10.電氣開關操作臺
   交流漏電開關、緊急停止開關、儀表開關、風機輸入開關、直流輸入開關
  儀表顯示、控制按鈕（開關）、智能型風光互補控制器、風速儀、鼓風機調速。
11、監控軟件
?  PC監控模塊：監控主機、監控軟件。
?  顯示內容：蓄電池電壓、風機電壓、光伏電壓、風機電流、光伏電流、風機功率、光伏功率，能量模擬圖，當前風速（米/秒），當前風向（度），當前風力資源平估。

三、教學項目及實驗內容
實驗1.風力發電基礎理論原理性實驗
實驗2.風力發電系統設計實驗
實驗3.風力發電基礎理論與應用技術仿真實驗
實驗4.風力發電相關測量技術實驗
實驗5.風力發電控制技術實驗
實驗6.風力發電電力電子實驗
實驗7.過放保護、過放恢復、過充保護、過充恢復
       均充保護、均充恢復、浮充保護、浮充恢復
實驗8.過風速報警、欠風速報警、液晶顯示風速
實驗9.風力發電系統的直接負載實驗
實驗10.風力發電系統的風速變化影響實驗
實驗11.限速機械保護系統原理實驗
實驗12.限速電控保護系統原理實驗
實驗13.風機過功率保護實驗
實驗14.風機超速保護實驗
實驗15.不同轉速下風力發電曲線實驗
實驗16.風況檢測實驗
實驗17.獨立風機系統實驗
  實驗18. 綜合實驗。
四、主要設備清單

序號	名     稱	型  號	數 量	單 位	價 格
1	風力發電系統操作臺		1	臺
2	400W風力發電機		1	臺
3	塔架、拉索		1	套
4	轉速儀表（含支架）		1	臺
5	風力發電控制器		1	臺
6	蓄電池組55Ah		1	組
7	實驗附件		1	套
8	軟件		1	套