孟淑丽　吴志成　于福华　熊国灿

摘  要：为了将技能大赛纳入高职院校的日常教学工作，通过对“风光互补发电系统安装与调试”国赛赛项的调研，依据城市新能源路灯工作原理，设计开发了INET智慧新能源创新实训平台。该平台模拟了风能和光能的产生，利用PLC自动控制能量的转换以及蓄电池的充放电状态，通过触摸屏开发能源管理界面对平台进行实时管理。北京经济管理学院电气自动化专业“电气控制技术”综合实训课程以新能源创新实训平台为实训设备，实施实训项目，通过实训考核分析，该设备达到实训要求，满足教学需求。

关键词：风光互补;技能大赛;实训平台

中图分类号：TP273                   文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）20-0150-04

Development and Design of INET Smart New Energy Innovation Training Platform

MENG Shuli， WU Zhicheng， YU Fuhua，XIONG Guocan

（Beijing Institute of Economics and Management， Beijing  100102， China）

Abstract： In order to bring the skill competition into the daily teaching work of higher vocational colleges， through the investigation of the national competition item of “installation and debugging of wind and solar energy complementary power generation system”， and according to the working principle of urban new energy street lamps， INET smart new energy innovation training platform is designed and developed. The platform simulates the generation of wind and solar energy， uses PLC to automatically control the energy conversion and the charge and discharge state of the battery， with the help of touch screen development energy management interface to manage the platform in real time. The comprehensive training course of “electrical control technology” of electrical automation major in Beijing Institute of Economics and Management takes the new energy innovation training platform as the training equipment to implement the training project. Through the training assessment and analysis， the equipment meets the training requirements and meets the teaching needs.

Keywords： wind and solar energy complementary; skill competition; training platform

0  引  言

技能大赛是高职院校提高人才培养质量以及将学生所学知识与职业岗位对接的有效平台。为了以赛促学，加强实操训练，提高学生技能水平，北京经济管理职业学院于2018年引入一套“KNT-WP01型风光互补发电实训系统”设备，该设备是全国职业院校技能大赛高职组“风光互补发电系统安装与调试”赛项指定的大赛专用设备，主要用于学生参赛培训和教学实践活动。在使用中发现，该设备属于工业级控制装置，设备体积庞大、装置烦琐，硬件接线过于复杂，仪器容易损坏，且只有一套价格昂贵，不适合平时的教学实践活动，不能满足教学需求，因此设计开发了智慧新能源创新设备，旨在为学生提供一个综合便捷的实训设备。

1  设计原理

我国正在贯彻落实“资源节约型，环境友好型”的发展战略，国家财政扶持节能减排，促进了新能源产业的蓬勃发展。新能源专业人才定然是未来的稀缺人才，因此经多方调研，确定INET智慧新能源创新实训平台仿照城市新能源路灯工作原理设计，该设计完美诠释了新能源理念，因其造价低，可以在实训室搭建多台设备供学生使用，提高学生对新能源技术的深入学习，同时锻炼学生的实践动手能力。其工作原理与KNT-WP01型风光互补发电实训系统相似，满足了实践教学和技能培训的双重需求。

风力發电部分模拟风源产生风力吹动风力机叶片，叶片的运动产生机械能，而风力发电机可将机械能转换为电能，再由风光互补控制器为蓄电池充电;太阳能电池板能将吸收的光能转换为电能，再由风光互补控制器为蓄电池充电。蓄电池充电时，控制器会控制蓄电池不被过充。蓄电池释放所储存的电能时，控制器会控制蓄电池不被过放电，保护蓄电池。可编程序控制器PLC控制整体系统的自动运行，人机界面（触摸屏）监控设备运行状态。

根据工作思路，可设计出实训平台的功能框图，如图1所示。

依据以上设计思路，将“INET智慧新能源创新实训平台”设备分为五大部分。

1.1  光伏发电系统

光伏发电系统设计为以灯泡发光照射到发电板的方式模拟太阳能发电，模拟光源模包含了光源支架，可自由调节高度以及光照角度，采用两个1000 W卤钨灯，可模拟阴天、多云、晴天的天气环境。利用风光互补控制器对光伏电能进行调节和控制，同时加入按钮，继电器等器件，实现对控制单元的布线与接线，利用继电器和按钮不同的布线与接线方式，开发设计光伏发电系统的实训项目。

1.2  风力发电系统

风力发电系统设计为由风力发电机、风能控制器、底座支架等设备与器件组成。首先设计风力发电机的配置，风源采用750 W的三相异步电机，风量大、可调节高度及风向，可模拟各种风速，构建模拟风场满足负载要求。利用风光互补控制器对风力发电机所发的电能进行调节和控制，防止风速过快而导致失控，避免发生强风时对风力发电机造成危险。同时加入按钮、继电器等器件，实现对控制单元的连接，利用继电器和按钮不同的布线与接线方式，可开发设计风力发电系统的实训项目。

1.3  蓄电池储能模块

蓄电池储能模块由蓄电池和控制器组成，将光伏发电系统和风力发电系统发出的电通过控制器储存到蓄电池中，蓄电池给路灯照明系统供电。开发控制器的功能，对太阳能控制组件、风力发电机组件、蓄电池参数进行控制。

1.4  PLC 系统

PLC系统采用西门子S7系列产品，通过软件编程自动控制能量的转换以及蓄電池的充放电状态，同时设计断路器模块和其他电气模块，满足系统安全工作需求。

1.5  监控系统

监控系统设计为由触摸屏、接线排、按钮、仪表、通信线、管理系统编程软件等组成，是系统设计的核心模块。首先设计能源管理系统主界面、光伏发电系统界面、风力发电系统界面、能量转换界面等界面，可分别显示各自的运行状态参数，并以数值形式记录光伏输出电压、电流、风力输出电压等数据;其次加入PLC控制器，开发路灯照明控制程序、通讯系统的安装与参数设置等，实现系统的整体平稳运行，并设计开发实训项目。

2  实训平台组成

平台主要由主控柜、模拟光源模块、模拟风源模块、风力发电与光伏发电模块组成，如图2所示。INET智慧新能源创新实训平台采用功能独立的模块式结构，可以模拟光能和风能发电控制系统。

主控柜上包含实训系统的核心设备，主要包括风光互补控制器、数据采集模块（仪表）、人机系统（触摸屏）、风力控制系统（变频器）、S7-1200PLC（可编程控制器）、照明灯负载、LED屏幕负载、电机负载及辅助电气控制元器件等。具体位置如图3所示。其中风光互补控制器是核心器件，具有充电电池反接、光伏电池反接保护、短路报警保护、光伏输入端防雷保护，蓄电池温度补偿等功能。

风力发电与光伏发电模块包含一个200 W风力发电机以及两块100 W光伏发电单元，两种模块融合为一体，占用空间小，美观大方，方便移动。

3  实训平台的功能开发

智慧新能源创新实训平台为实训设备，可开发大约二十个实训项目，主要分为硬件安装和软件编程两大部分。

3.1  硬件实践项目

实训平台的基础是硬件设计，要完成光能到电能、风能到电能的转换，开发的实训项目有：

（1）光伏发电系统的安装。光伏电池组件的安装、光源投射灯实训、光伏电池组件开路电压和短路电流的测量、光伏电池组件的输出特性测试。

（2）风力发电系统的安装。风力发电系统的安装、变频器参数设置、风力供电系统的输出参数测试。

3.2  软件系统开发

实训设备包括PLC和触摸屏。PLC选择西门子200型，首先应配置输入输出点，通过博图编程软件编程，实现对光源阴天和晴天的选择、蓄电池充放电、电机或LED屏幕等负载的运行控制。MCGS触摸屏系统可开发编程调试、设计触摸屏界面、与PLC通讯连接等实训项目。

以触摸屏为例，可练习触摸屏模块的配置与使用，也可设计触摸屏的多层界面，如主界面由设备名称、设备视图、页面按钮以及学校logo四部分构成。其中界面按钮区包含四大页面选项，分别为光伏发电界面、风力发电界面、能源管理界面、电池及负载界面，点击对应按钮即可进入各个控制页面。

能源管理界面包含五大区域，分别为风源模拟控制区、光源控制区、电站控制区、紧急停止控制区，如图4所示。

4  实训平台特点

该实训系统能够使学生掌握风光互补的发电原理、系统设计、系统联调、能源信息与互联、故障排除等知识内容，同时还能培养学生自主学习、团队协作、严谨认真的职业素养。

实训平台的设计理念科学严谨，技术创新含量高，主要有以下特点：

（1）通用性广。实训系统完美地模拟实际风光互补发电系统，可满足新能源相关技术专业实训教学，也能为科技创新提供平台和基础，助力区域经济的可持续发展。

（2）扩展性高。设备上设有预留接口，能够实现“即插即用”，可以控制照明、电动机等负载的运行，可自适应其他形式的新能源设备以及相关的扩展训练。

（3）实用性强。在教学中，将行业标准引入课堂，将相关课程考试考核与职业技能鉴定合并进行，培养学生的职业技能和岗位工作能力，实现后续就业“零距离”上岗。

INET智慧新能源创新实训平台是根据新能源行业标准设计的，既能实现学校实训课程的教学目标，又能满足技能大赛的培训要求，并进行可视化、低成本开发，满足项目的设计要求。高等职业学校的人才培养应顺应社会发展，符合企业需求，此项目开发成功后，还可拓展学生的知识面，使学生在参加工作时具有更多的选择机会，同时也能弥补我校相应的短板，为其他开发者提供重要的参考样板。

5  实训平台应用

为了验证实训平台的教学效果，在2020级电气自动化专业“电气控制技术”实训课程中，将INET智慧新能源创新实训平台选为综合实训设备，并按教学需求将实训项目分为：

（1）硬件安裝。光伏供电系统安装、风力发电系统安装、变频器的设定、主控柜的接线。

（2）软件开发。西门子S7-1200 PLC控制系统的编程调试、MCGS触摸屏系统的编程调试。

（3）调试排障：程序故障设置、参数故障设置、电气接线故障设置、机械故障设置等训练。

在实施过程中发现，该实训设备功能齐全，工作原理简单易懂，“电气控制技术”课程讲到的知识点、硬件实施工艺要求、排障的方法等在实训平台中都能体现，学生实训过程很顺利，实训成绩普遍偏高，因此实训效果良好，达到了教学要求。

6  结  论

INET智慧新能源创新实训平台设备体积小、功能齐全、成本低，可替代“KNT-WP01型风光互补发电实训系统”设备，既能满足技能比赛的前期培训要求，又能满足教学工作中的实训要求，围绕此项目，可以开发相关课程的实训项目，同时推动高职院校开展专业建设，展示相关教学改革和实践成果，在紧贴新能源产业发展与需求的同时，培养新能源产业发展技术型人才，达到理论教学与实践教学融通合一、能力培养与工作岗位对接的设计要求，值得大力推广。

参考文献：

[1] 李冬辉，王鹤雄，朱晓丹，等.光伏并网发电系统几个关键问题的研究 [J].电力系统保护与控制，2010，38（21）：208-214.

[2] 邓隐北，龙翔，李昕.电力电子技术在风光互补发电系统中的应用 [J].电力科学与工程，2009，25（11）：17-20.

[3] 王群京，王涛，李国丽.小型风光互补MPPT控制的研究 [J].电气传动，2009，39（5）：40-42+58.

[4] 韩利，艾芊.光伏技术在节能建筑中的应用 [J].低压电器，2009（2）：4-8.

[5] 郑锁珍.风光互补发电是最合理的独立电源系统 [J].机械管理开发，2008（6）：93-94.

作者简介：孟淑丽（1971.12—），女，汉族，河北石家庄人，副教授，硕士，研究方向：电气控制技术。