SB-WSH01风光氢储热一体化综合实训平台

一、概述

风光氢储热一体化综合实训平台是面向新能源发电、氢能技术、储能工程等专业打造的多能互补综合教学实训设备，集成风力发电、光伏发电、电解制氢、储能调度、能量逆变、热泵冷暖六大功能模块，覆盖 "风 - 光 - 电 - 氢 - 热" 全能量转换链路。

针对传统新能源实训设备功能单一、系统关联性弱、实验工况受自然环境制约的教学痛点，平台采用真实部件与可控模拟单元结合的设计，所有模块既可独立开展单项原理实训，又可联动组成完整多能互补系统，实验条件可控、数据可复现。平台可满足中职、高职及应用型本科的课程实训、技能考核、创新实验需求，帮助学生建立新能源系统整体认知，掌握设备原理、系统集成、能量调度、运维排查等核心技能，贴合新能源产业技能型人才培养要求。

二、风光氢储热一体化综合实训平台简介

风光氢储热一体化综合实训平台以 "风光发电 + 储能缓冲 + 电解制氢 + 热泵用能" 为核心架构，包含光伏模拟单元、双规格风力发电机组、风电控制单元、储能蓄电池单元、PEM 电解制氢单元、并离网逆变单元、空气源热泵系统七大功能模块。

平台参数对标工业真机，控制逻辑贴合工程实际，既支持单部件结构认知、原理验证、性能测试等基础实训，也可开展系统集成、能量调度、故障排查等综合实训。整套设备模块化设计、扩展性强，可适配新能源发电技术、氢能应用技术、储能技术、建筑节能等多个专业方向的教学需求，是构建新能源专业实训体系的核心综合性载体。

三、各单元部件作用及详细技术参数

3.1 光伏及模拟光伏单元

3.1.1 单元功能

本单元为系统提供可控光伏输入，采用高精度太阳能电池模拟器，可精准复现真实光伏组件的 I-V/P-V 输出特性，替代室外光伏阵列开展实验，不受昼夜、天气、季节等自然条件制约。可模拟不同光照、温度、阴影遮挡下的光伏输出工况，为光伏充电原理验证、MPPT 算法测试、逆变器性能检测、系统能量调度实验提供稳定、可复现的光伏电源，是开展光伏相关实训的核心基础单元。

3.1.2 详细技术参数

²额定输出功率：1000W（0℃~40℃环境）

²输出电压范围：0~350V

²输出电流范围：0~10.5A

²电压设定精度：±(0.01% of reading + 10mV)（25±5℃）

²电流设定精度：±(0.1% of reading + 10mA)（25±5℃）

²电压纹波噪声：≤50mVpp

²电流纹波噪声：≤15mArms

²动态响应：恢复时间≤5ms；空载上升时间≤300ms，满载上升时间≤1s

²显示方式：5 位数字电压、电流独立显示

²通讯接口：标配 RS232、RS485，支持 SCPI 指令集、MODBUS-RTU 协议

²存储功能：内置 300 组数据存储调用

²保护功能：过载保护、极性接反保护、过压保护、过流保护、过温保护

²供电电源：AC 176V\264V（满载），47Hz\63Hz

3.2 风力发电机组及拖动单元

3.2.1 单元功能

本单元包含两台不同规格真实风力发电机，搭配变频拖动系统，可模拟不同风速下的风电输出特性，无需依赖自然风场即可开展风电原理、发电特性、控制策略等实训。1kW 机组对标工业小型风电真机，用于系统级集成实验；200W 小型机组用于基础结构认知、原理演示实验；变频拖动单元可精准模拟微风、额定风、强风等多工况风速，保障实验条件可控可重复。

3.2.2 详细技术参数

（1）1kW 水平轴风力发电机

²额定功率：1kW

²最大功率：1.2kW

²额定电压：48V

²启动风速：2.5m/s

²额定风速：18m/s

²最大风速：45m/s

²风轮直径：2.0m

²叶片数量：3 片

²叶片材质：铝合金

²发电机类型：三相交流永磁同步发电机

²保护功能：风机自我转速保护、电磁制动

工作温度：-40℃~80℃

（2）200W 小型风力发电机

²额定功率：200W

²最大功率：220W

²额定电压：0-20V

²启动风速：2.5m/s

²额定风速：18m/s

²最大风速：45m/s

²风轮直径：0.75m

²叶片数量：4 片

叶片材质：PC

²发电机类型：三相交流永磁同步发电机

（3）变频拖动系统

²拖动电机：额定功率 750W，额定电压 AC220V，额定频率 50Hz

²变频器：额定功率 1.5kW；输入单相 180-265V/50Hz；输出三相 220V，输出频率 0-150Hz

²控制方式：SPWM 脉宽调制，磁通矢量控制

²通讯协议：内置 Modbus-RTU 协议

²功能特性：1Hz 时 150% 转矩输出，内置制动晶体管，带安全停止功能

3.3 风力发电控制器

3.3.1 单元功能

本单元为风力发电系统的核心控制设备，专为离网风电储能系统设计，可实现风电整流、MPPT 最大功率追踪充电、风机保护、蓄电池充放电管理等功能。一方面将风电调压后按电池特性曲线充电，另一方面在风电不足时调度电池补能，同时具备风机侧、电池侧多重保护机制。可用于风电充电控制、MPPT 算法验证、保护原理、故障排查等实训项目。

3.3.2 详细技术参数

²蓄电池电压：48VDC

²风机功率：1kW~3kW

²静态功耗：≤3W

²风机最大接入电压：180V

²风机充电方式：PWM升降压一体

²卸载装置：内置电阻卸载 / 外置电阻卸载

²卸载控制方式：限转速、限电压、限电流、PWM 脉宽调制

²蓄电池保护参数：欠压保护 40.8V，欠压返回 46.5V；过压保护 58.8V，过压返回 52.8V；浮充电压 54.0V

²显示方式：LCD 液晶屏

²显示内容：蓄电池电压 / 电流 / 电量、系统状态、发电量、故障代码、风机电压 / 电流 / 转速 / 功率

²控制功能：风机充电开关、手动刹车、蓄电池智能限流

²保护功能：蓄电池侧过压 / 欠压 / 防反接 / 外部开关保护；风机侧过转速 / 过电压 / 过电流保护

²通讯接口：RS485

²工作温湿度：-20℃\+55℃ / 35%\85% RH（无凝露）

3.4 储能蓄电池单元

3.4.1 单元功能

本单元为系统的能量存储核心，采用磷酸铁锂储能电池组，用于平抑风光发电功率波动、存储富余电能、保障离网工况下的持续供电。电池内置智能 BMS 管理系统，可实现充放电精准管控与多重安全保护。可开展电池充放电特性测试、BMS 管理原理、储能能量调度、电池运维等实训项目。

3.4.2 详细技术参数

²电池类型：磷酸铁锂（LiFePO4）

²标称能量：5kWh

²标称容量：100Ah

²标称电压：51.2V

²工作电压范围：44.8V~57.6V

²最大连续充放电电流：60A

²峰值充放电电流：100A

²最大充放电功率：5120W

²放电深度（DOD）：≥95%

²循环寿命：≥5000 次

²保护配置：内置智能 BMS、断路器、保险丝三重保护

²安全配置：配备气溶胶灭火系统

²通讯方式：标配 RS485/CAN，内置 WiFi 远程监控

²扩展能力：最多支持 15 台并联，最大扩容至 76kWh

²防护等级：IP21

²安装方式：壁挂式

²工作温度：充电 0℃~55℃；放电 - 20℃~55℃

²产品尺寸：610×390×170mm

²产品重量：45kg

3.5 4200mL PEM 电解制氢单元

3.5.1 单元功能

本单元采用 PEM 质子交换膜纯水电解技术，可将电能转化为氢能，实现 "电 - 氢" 能量转换，是风光氢综合系统的氢能制备环节。单元覆盖电解产气、气液分离、水质净化、供电驱动、水路循环全流程，可开展电解水制氢原理、PEM 电解槽结构、制氢工艺操作、水质净化维护等实训项目。

3.5.2 详细技术参数

（1）PEM 电解槽

²额定工作参数：80A-21V

²额定产氢量：4200mL

²核心技术：质子交换膜纯水电解，采用 NAFION 质子交换膜电极

²结构材质：铝合金外端板、特氟龙绝缘、食品级硅胶密封、钛材料配件

（2）配套部件

²水气分离器：采用高效分离氢气中液态水滴，提升产气纯度

²树脂滤芯：填充量 80g，吸附过滤水中金属离子与杂质，耐温 80℃

²恒流电源：输出规格 80A-21V，恒流输出，内置过压过流保护

²循环水泵：供电电压 12V，提供水路循环动力，兼顾电解槽冷却与补水

3.6 光伏储能并离网逆变器

3.6.1 单元功能

本单元为系统核心能量变换与调度设备，集成光伏 MPPT 充电、电池双向充放电、并网逆变、离网稳压、并离网无缝切换五大功能，可实现光伏、储能、电网、负载之间的能量双向流动。支持市电优先、光伏优先、电池优先多种运行模式，可开展逆变原理、并离网切换、能量调度策略、电能质量分析等实训项目。

3.6.2 详细技术参数

²额定功率：10.3kW

²直流侧额定电压：44VDC（默认）

²交流侧额定电压：220VAC/230VAC/240VAC

²电压适应范围：165VAC\280VAC，支持 120VAC\280VAC 档位设置

²额定频率：50Hz/60Hz

²频率适应范围：45Hz\55Hz（50Hz 制式）、55Hz\65Hz（60Hz 制式）

²输出波形：纯正弦波

²额定功率因数：＞0.98（额定功率）

²峰值转换效率：94%

²并离网切换时间：≤2s

²人机交互：LCD+LED 显示屏

²散热方式：智能风扇控制

²通讯接口：标配 RS485；可选配 WiFi/GPRS 手机 APP 监控

²防护等级：IP20

²安装形式：壁挂式

²工作温度：-10℃~50℃

²运行噪音：≤55dB

²保护机制：过压 / 欠压 / 过流 / 短路 / 防孤岛 / 过温保护；＞90℃自动关闭逆变及充电

3.7 空气源热泵系统

3.7.1 单元功能

本单元为系统的热能转换终端，采用全直流变频空气源热泵，集采暖、制冷双功能于一体，可实现电能向冷热能的高效转换，用于展示新能源电力的终端消纳场景。系统配套循环水泵、缓冲水箱、盘管风机，可直接模拟建筑冷暖供能场景，开展热泵原理、能效测试、冷暖系统集成等实训项目。

3.7.2 详细技术参数

（1）热泵主机

²额定制热量（A7℃/ 出水 45℃）：18.46kW，COP 3.52

²名义制热量（A-12℃/ 出水 41℃）：13.12kW，COP 2.56

²低温制热量（A-20℃/ 出水 41℃）：10.66kW，COP 2.18

²全年综合性能系数 APF：3.48

²额定制冷量（A35℃/ 出水 7℃）：12.31kW，EER 3.27

²额定电压 / 频率：380V 3N～50Hz

²制冷剂 / 充注量：R32/2500g

²使用环温：-36℃~43℃

²防水等级：IPX4

²防触电保护：I 类

²进出水口：DN25

²运行噪音：≤65dB (A)

²外形尺寸：1000×390×1390mm

（2）系统配套

²循环水泵：3 台 220V 循环水泵，分别对应采暖、制冷、缓冲回路

²缓冲水箱：2 台 100L 闭式冷热水箱，稳定出水温度，减少机组启停

²室内末端：2 台盘管式风机，实现室内冷暖送风

3.8 数据显示与物联网监控终端

3.8.1 单元作用

本单元为整套实训平台的数据可视化与集中监控核心，集成工业级 PLC 控制器、MCGS 物联网组态显示屏与 55 英寸大屏显示终端，通过工业通讯网络采集风光发电、储能、制氢、逆变、热泵全系统运行数据，以物联网架构实现数据汇总、处理与大屏可视化投放。单元可实时展示各模块运行参数、状态曲线、故障告警、能量流向，大幅提升系统整体可观性，方便班级集体教学观摩、实训过程演示、系统运行状态集中监控，帮助学生直观理解新能源多能系统的整体运行逻辑与数据关联。

3.8.2 详细技术参数

（1）S7-200 SMART SR40 PLC 控制器

设备型号：S7-200 SMART SR40

²控制类型：继电器输出型 CPU 模块

²IO 点数：24 点数字量输入，16 点数字量输出

²存储能力：内置程序存储空间与数据存储空间，支持梯形图、功能块图标准编程

²通讯接口：集成以太网口、RS485 接口，支持 Modbus-RTU、S7 通讯协议

²功能定位：负责全系统数据采集、逻辑控制、数据转发，对接各功能单元控制器，实现多设备协同调度与全系统数据汇总

（2）MCGS 物联网显示屏

²设备类型：工业级嵌入式组态触摸屏

²通讯能力：支持物联网数据上传，标配 RS485、以太网双通讯接口

²功能配置：支持自定义组态画面编辑、实时数据显示、运行趋势曲线绘制、故障报警记录、历史数据存储查询

²交互特性：全触控操作，可一键切换各单元监控界面，支持运行参数设置与设备控制

²对接能力：可直接对接 PLC 及各单元控制器，实现全系统数据集成展示与联动控制

（3）55 英寸大屏显示终端

²屏幕规格：55 英寸高清工业显示大屏

²硬件配置：Intel Core i5-4650 处理器，预装 Windows 10 操作系统

²显示功能：系统所有运行数据以物联网形式投放在大屏上，支持分屏展示系统总览、风光发电参数、储²能状态、制氢工况、热泵运行数据、能量流向示意图

²展示效果：画面清晰可视距离远，适配实训室集体教学观摩场景

²连接方式：通过以太网对接 PLC 与组态系统，运行数据实时同步更新

（4）仿真规划软件

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。

四、可开展实训实验项目

实验 1：光伏输出特性模拟与测试实验

通过太阳能电池模拟器设定不同光照、温度对应的输出特性，测试光伏 I-V、P-V 曲线，分析环境参数对光伏发电功率的影响规律，掌握光伏组件输出特性测试方法，理解光伏发电基本原理。

实验 2：风力发电机结构与发电特性实验

开展风力发电机整机结构认知、核心部件拆解观察实训；通过变频拖动系统模拟不同风速工况，测试风机输出电压、电流、功率随转速的变化规律，掌握风力发电机运行特性与发电原理。

实验 3：风力发电 MPPT 充电控制实验

搭建风电 - 储能充电系统，利用风力控制器开展 MPPT 最大功率追踪充电实训，对比不同风速下固定电压充电与 MPPT 充电的效率差异，验证 MPPT 算法的提升效果，掌握风电充电控制核心原理。

实验 4：储能蓄电池充放电与 BMS 管理实验

开展磷酸铁锂电池恒流充电、恒压充电、浮充全流程测试，测试不同放电倍率下的输出特性；学习 BMS 系统参数查看、状态监控、保护逻辑，掌握储能电池充放电特性与安全管理机制。

实验 5：PEM 电解水制氢工艺实验

开展 PEM 电解槽结构认知、制氢系统管路连接、纯水电解制氢操作实训，观察气水分离、水质净化工作过程，测试不同电流下的产氢速率，掌握 PEM 纯水电解制氢的工作原理与工艺流程。

实验 6：光伏储能并离网切换实验

操作逆变器完成并网、离网模式切换，测试切换过程中电压、频率、功率的动态变化，验证≤2s 无缝切换特性；对比两种模式下的运行逻辑与适用场景，掌握并离网系统核心控制原理。

实验 7：风光互补发电系统集成实验

将风力发电、光伏发电单元联动接入储能系统，搭建风光互补离网供电系统，模拟不同风光组合工况，测试系统供电稳定性，验证多能互补的供电优势，掌握分布式风光系统集成方法。

实验 8：空气源热泵运行与能效测试实验

开展热泵制热、制冷模式运行操作，测试不同环境温度、出水温度下的输入功率与输出功率，计算 COP、EER 能效指标，理解空气源热泵节能原理与低温运行特性。

实验 9：风光氢储系统能量调度实验

搭建完整风光氢储多能系统，设置市电优先、光伏优先、电池优先不同调度策略，测试各工况下的能量流向与运行效率，掌握多能互补系统能量管理方法与调度逻辑。

实验 10：新能源系统故障模拟与排查实验

通过各单元保护功能与故障模拟装置，模拟光伏过压、风机超速、电池欠压、逆变器孤岛、电网断电等典型故障，观察故障现象、读取故障代码，学习故障原因分析与排查方法，培养系统运维实操能力。