风光互补系统实验(圣威科技)王鑫

第一版

2013年

统

目录

实验一 光伏发电系统基本认识实验 ................................. 3 实验二 光伏发电基本原理实验 ........................................ 6 实验三 太阳能发电基本要素对光伏发电的影响实验 ... 12 实验四 太阳能光伏对蓄电池的充放电实验 ................... 16 实验五 利用控制器进行最大功率点的跟踪实验 ........... 19 实验六 太阳能发电逆变原理实验 .................................. 22 实验七 太阳能不同负载发电试验 .................................. 25 实验八 光伏发电系统综合设计实验 ............................... 29 实验九 风力发电原理及组成部分基本认识实验 ........... 32 实验十 风力发电充放电试验 .......................................... 35 实验十一 风力发电最大功率点追踪实验 ....................... 37 实验十二 PLC控制实验 ................................................... 39 实验十三 风光互补发电逆变原理实验 ........................... 42 实验十四 风光互补发电负载实验 .................................. 45

实验一 光伏发电系统基本认识实验

一、实验目的

1、对此系统如何模拟太阳光的运行有所了解； 2、对太阳循迹系统的工作方式有所认识； 3、熟悉一下实验装置的具体组成部分。

二、实验设备

太阳光模拟系统、光控循迹系统、实验柜

三、实验原理

（1）太阳光模拟系统及循迹系统的组成 如下图所示：

图1-1 实验外观图

光伏供电装置主要由光伏电池组件、投射灯、水平方向和俯仰方向运动机构、水平运动和俯仰运动直流电动机、限位开关、底座支架等设备与器件组成。

光伏电池方阵由4块光伏电池组件串联组成，照度计安装在光伏电池方阵。3盏300W的投射灯安装在丝杠支架上。当电动机旋转时，通过减速箱驱动丝杠做直线运动。丝杠两端与模拟光源连接部分安装了限位开关，用于模拟光源位置的限位和保护。水平和俯仰方向运动机构由水平运动和俯仰运动直流电动

机、接近开关和微动开关组成。水平运动和俯仰运动直流电动机旋转时，水平运动减速箱驱动光伏电池方阵作向东方向或向西方向的水平移动、俯仰运动减速箱驱动光伏电池方阵作向北方向或向南方向的俯仰移动，接近开关和微动开关用于光伏电池方阵位置的限位和保护。 （2）光伏发电系统组成部分

太阳能电池发电系统是利用以光生伏打效应原理制成的太阳能电池将太阳辐射能直接转换成电能的发电系统。它由太阳能电池方阵、控制器、蓄电池组、直流/交流逆变器等部分组成，其系统组成如图1－2所示。

控制器直流/交流逆变器交流负载太阳能电池方阵蓄电池组直流负载

图1－2 太阳能电池发电系统示意图

依据上图，对各个部分进行简要的介绍。

1、太阳能电池组件：太阳能电池组件是太阳能供电系统中的核心部分，也是太阳能供电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能量转换为电能或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。它的质量和成本将直接决定整个系统的质量好坏。

2、太阳能控制器：太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。

3、蓄电池组：一般为铅酸电池，其作用是在有光照时将太阳能电池组件所供出的电能存储起来，到需要的时候再释放出来。

4、逆变器：太阳能的直接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。为能向220VAC的电器提供电能。需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流

电能，因此需要DC——AC逆变器。

四、实验内容

对于光源模拟系统有两种调节方式：手动调节和自动调节。

手动调节是通过存放在丝杠下方的控制柜来调节的，按动其内部的开关，可是模拟光源进行水平，竖直，以及斜向运动。

自动调节是单片机（或PLC）进行编程，以使模拟光源按照时间的变化进行自动的移动，以模仿太阳能的东升西落。

而太阳能循迹系统则会根据光源的移动，通过其所配置的电机来控制太阳能电池板的移动，以使辐射面积和电池功率达到最大。具体步骤如下：

1、将相关设备连接好后，用手动方式将丝杠上的模拟光源调到左下方 2、启动两个设备的工作开关，观察实验现象，看电池板能否很好地跟踪光源进行移动。

3、了解行程开关的作用，当光源行驶到丝杠边缘时，遇到行程开关后，看其能否向反方向进行运动。

五、实验要求

使同学们能够对太阳能模拟系统，循迹系统以及发电系统有一个总体的印象和大致的了解，以便开展以下的实验。

实验二 光伏发电基本原理实验

一、实验目的

1、了解太阳能光伏发电系统的组成和原理； 2、了解光伏电池的开路电压及短路电流的测试方法； 3、了解太阳能电池板的伏安特性及最大功率点的寻找方式。

二、实验设备

太阳能电池板、光伏实验柜、直流LED灯等。

三、实验原理

当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流，这种现象称为光生伏打效应。太阳能电池是一种利用光生伏打效应把光能转换为电能的器件，当太阳光照射到半导体P-N结时，就会在P-N结两边产生电压，使P-N结短路，从而产生电流。这个电流随着光强度的加大而增大，当接受的光强度达到一定数量时，就可以将太阳能电池看成恒流电源。

太阳能电池板通常定义为封装和连接在一起的一个以上电池。太阳能电池板有不同的电压和电流范围，但功率产生能力一般为50W至300W。太阳能电池和

图 2-1 太阳能电池I-V曲线

电池板有许多相同的需要测试参数，如Voc,

Isc和最大功率点

Pmax。

太阳能电池在工作时，随着日照强度、环境温度的不同，其端电压将发生变化，使输出功率也发生很大变化，故太阳能电池本身是一种不稳定的电源。因此需要在不同日照、温度的条件下输出尽可能多的电能，提高系统的效率。本次实验就是通过太阳能电池板在固定的环境，固定的光照下，测出当前环境的太阳能

电池板的伏安特性，找出当前环境下太阳能电池板的最大输出功率点。

通常自然光的辐射强度及大气的透光率均处于动态变化中，为了在相同日照强度和电池结温下获得尽可能多的电能，就存在最大功率输出点跟踪的问题。因此，需要对太阳能电池板进行最大功率点跟踪控制 (MPPT)。MPPT实质是一个自寻优过程。通过控制电池板的特定参数或控制DC/DC变换器开关管的开通时 间使电池板能在各种不同的日照和温度环境下智能化地输出最大功率。其原理图如下：

图2-2最大功率跟踪原理图

四、实验内容

2.1 太阳能电池板能量转换实验

如图1-1所示，打开模拟光源，使照在电池板上的光照强度较为充分，观察外设的LED灯是否变亮，验证太阳能是否转变为电能。

模拟太阳光

指示灯

图 2-3 太阳能光伏板能量转换实验接线图

2.2 光伏电池的开路电压和短路电流特性的测试 以下首先介绍一下实验过程中比较重要的几个概念

（1）短路电流(（2）开路电压(

IscVoc

):在给定温度日照条件下所能输出的最大电流。 ):在给定温度日照条件下所能输出的最大电压。

ImVm（3）最大功率点电流(（4）最大功率点电压(压。

（5）最大功率点功率(

PmImVm):在给定温度日照条件下最大功率点上的电流。 ):在给定温度日照条件下最大功率点上的电

Pm):在给定温度日照下所能输出的最大功率，

因此，我们可以给定一定的光照强度来测量电池板的开路电压与短路电流。 2.2.1、太阳能电池板短路电流特性测试实验

光源太+阳能电池板-+A-电流表

图 2-4 太阳能电池板短路电流特性实验

按照图2-4所示，将电流表A直接接在太阳能电池组件的正负极。光源的发光方向对着太阳能电池组件，打开光源电源，等光源发光亮度稳定后开始测量，并记录其短路电流。

2.2.2、太阳能电池板开路电压特性测试实验

实验装置原理框图如图2-5所示，将电压表V直接接在太阳能电池组件的正负极

光源太+阳能电池板-+V-电压表

图2-5太阳能电池板开路电压特性实验

光源的发光方向对着太阳能电池组件，打开光源电源，等光源发光亮度稳定后开始测量，记录其开路电压。

2.3 太阳能电池板负载伏安特性实验 实验装置原理框图如图2-6所示

图 2-6 负载伏安特性测试

按照图2-6所示设计测量电路图，并连接电路。

光源的发光方向对着太阳能电池组件，打开光源电源，等光源发光亮度稳定后开始测量。

将太阳能光伏组件，电压表，电流表，负载电阻按照图2-6连接成回路，改变电阻阻值，测量流经电阻的电流I和电阻上的电压V，即可得到该光伏组件的伏安特性曲线。测量过程中辐射光源与光伏组件的距离要保持不变，辐照面积与角度不变化，以保证整个测量过程是在相同条件下进行的。

记录伏安特性曲线并绘制当前太阳能电池板的功率曲线，找出当前太阳能电池板的最大输出功率。

表2-1 电池板负载电压与电流的伏安特性表

电阻 光生电压（V） 光生电流（A） 相应功率 根据测量结果求短路电流Isc和开路电压Uoc。 2.4 最大功率点跟踪实验测试

为实现MPPT功能,采用输出功率比较法(电压扰动法)。原则是电压的变化是始终让太阳能输出功率朝大的方向改变。即首先让太阳能电池以某个电压输出,测得其输出功率,然后在这个电压基础上增加或减少一定幅值,再测量输出功率,

比较测得的两个功率值,按照以上原则决定下次输出电压是增加或是减少。

记录下每次所测得的电压值和与之对应的功率值，根据2-7图的原理对所测得的值进行分析。

表 2-2 负载——功率表 图 2-7 最大功率点搜索示意图

电压值（V） 电流值（A） 功率值（W） 而功率数值可由触摸屏上读数而得，请及时的记录下电压和功率随着负载变化而变化的值，并画出以电压值为横轴，以功率值为纵轴的图形，并找出太阳能电池板的最大功率点。（实验伏安特性效果图如2-1所示，最大功率与电压的输出图如图2-7所示。）

2、太阳能电池板填充因子计算实验。

填充因子，FF，是太阳能电池品质（串联电阻和并联电阻）的量度。其定义

FFPmIUmmIscUocIscUscUsc为实际的最大输出功率除以理想目标的输出功率。即

由上述实验已知：太阳能电池板的短路电流中的变量仅为实际输出的电压和电流值。

Isc

和开路电压。因此，上式

在实验过程中，可根据测出的电压值和电流值，计算出变化的填充因子，填入表中,以记录用手动调节法来跟踪最大功率点的过程。

电压值（V） 电流值（A） 填充因子（FF） 4、光伏转化效率

太阳电池的转换效率η定义为太阳电池的最大输出功率与照射到太阳电池的总辐射能

Pin之比，即



PmIU100%mm100% PinPin五、实验要求

（1）观察现象，看是否能将太阳能转换成需要的电能。 （2）测试出太阳能电池板的开路电压及短路电流

（3）根据已经得到的数据，画出电池板的伏安特性图和电压—功率图，并用图将最大功率点表示出来。

实验三 太阳能发电基本要素对光伏发电的影响实验 一、实验目的

1、了解太阳能光伏发电系统的组成和原理；

2、了解太阳能电池板受到的光照强度、环境温度、太阳入射角度以及辐照面积等因素对电池特性（主要是开路电压和短路电流）的不同影响。

二、实验设备

照度表、太阳能电池板、数字万用表、电压表、电流表、温度表、导线

三、实验原理

光伏电池工作环境的多种外部因素，如光照强度、环境温度、粒子辐射等都会对电池的性能指标带来影响，而且温度的影响和光照强度的影响还常常同时存在.

为了保证光伏电池具有较高的工作效率和较稳定的性能，其制造工艺、组合安装，以及在设计配套的控制系统时，都要考虑改善光伏电池外特性的问题。

分析光伏电池的光谱响应，通常是讨论它的相对光谱响应，其定义是，当各种波长一定等量的辐射光子束人射到光伏电池上，所产生的短路电流与其中最大短路电流相比较，按波长的分布求其比值变化曲线即为相对光谱响应。

而绝对光谱响应指的是，当各种波长的单位辐射光能或对应的光子人射到光伏电池上，将产生不同的短路电流，按波长的分布求出对应的短路电流变化曲线。

图3-1 光谱曲线对短路电流的影响

除此之外，温度和光强以及辐照面积等都会对此电池的工作特性造成一定的影响。因此，我们以下的实验主要考量一下这些因素对其工作特性的影响。

四、实验内容

（1）研究光照强度对太阳能电池工作特性的影响（注意：此时的光源入射角度，辐照面积以及电池板温度应保持不变）

光源太+阳能电池板-c d 电压表+V-+A电流表-b a 电阻

图3-2 实验原理图

按照图3-2所示连接并测量相应的数据。

去掉A,C段之间的电流表和电阻，测量其在不同的光照强度变化下的开路电压的值。

表3-1 光强与开路电压

光照强度（Lx） 光生电压（V）

同理，将电流表短接在太阳能电池板上的输出端，对短路电流进行相应的测试，并绘制出短路电流与光强和温度之间的关系曲线。同时将数据填入下表。

表3-2 光强与短路电流

光照强度（Lx） 光生电流（A）

（2）研究电池板温度对太阳能电池工作特性的影响

保持整个测量过程其他的影响因素一定，对温度（特指太阳能电池板的温度）进行相应的变化，将值填入下表

表3-3温度与开路电压

电池板温度 C） （。光生电压（V） 同理，将电流表短接在太阳能电池板上的输出端，对短路电流进行相应的测试，并绘制出短路电流与光强和温度之间的关系曲线。同时将数据填入下表。

表3-4 温度与短路电流

C） 温度（。 光生电流（A）

（3）研究不同的入射角度对太阳能电池工作特性的影响

保持整个测量过程其他的影响因素一定，对入射角度进行相应的变化，将值填入下表

表3-5温度与开路电压

电池板入射角度（） 光生电压（V） 同理，将电流表短接在太阳能电池板上的输出端，对短路电流进行相应的测试，并绘制出短路电流与光强和入射角度之间的关系曲线。同时将数据填入下表。

表3-6 温度与短路电流

电池板入射角度（） 光生电流（A）

（4）研究电池板辐照面积对太阳能电池工作特性的影响

保持整个测量过程其他的影响因素一定，对辐照面积进行相应的变化，将值填入下表

表3-7 温度与开路电压

电池板辐照面 积（cm2） 光生电压（V）

同理，将电流表短接在太阳能电池板上的输出端，对短路电流进行相应的测试，并绘制出短路电流与光强和温度之间的关系曲线。同时将数据填入下表。

表3-8 温度与短路电流

电池板辐照面积（cm2） 光生电流（A）

五、实验要求

1、记录下不同的因素对太阳能电池板工作特性的影响，并找出最突出的影响因素

2、实验过程中一定要保持唯一变量，以准确的测试不同因素的影响。

实验四 太阳能光伏对蓄电池的充放电实验

一、实验目的

1、了解在对蓄电池的充放电过程中的不同阶段的特点； 2、对蓄电池的保护及过充过放方面有初步的认识。

二、实验设备

照度表、太阳能电池板、数字万用表、导线

三、实验原理

为保证发电系统供电的连续性和稳定性，的风光互补发电系统选取了蓄电池为储能装置。作为储能环节，蓄电池在风力、日照充足的条件下可存储供给负载后多余的电能；在风力、日照不佳的情况下输出电能给负载。因此，蓄电池在系统中同时起到能量调节和平衡负载的作用，若对运行中的蓄电池充放电的控制、保护方法不当，极易损坏蓄电池，缩短使用寿命。而蓄电池使用寿命的长短也直接影响发电系统供电的稳定性及发电成本。因此，蓄电池充放电控制、过充过放保护控制是风光互补发电系统运行控制的又一重要部分。

蓄电池的充电控制主要有二段式和三段式。

（1）二段式充电控制 先以恒定电流充电至预定的电压值，再改为以恒定的电压进行充电。一般情况下，两阶段之间的转换电压即为第2阶段的恒电压值。 采用二段式控制，蓄电池在初期不会出现很大的电流，后期也不会出现蓄电池电压过高，避免了析气的发生。

三段式充电控制主要有2种充电方式

（1）大电流充电-限流充电- 浮充控制方法的主充电阶段，对蓄电池进行大电流充电，使电池电压快速上升，至均充电压阈值时（ 一般在电池容量达到80% 左右），进入第2 阶段进行限流充电。此时，蓄电池仍未充满，需要利用限流充 电方式进行补充充电，逐渐降低充电电流，至浮充电压时电池基本充满，此时转入第3阶段继续以小电流进行充电（即 浮 充），以弥补蓄电池的自放电。

（2）恒流充电-恒压充电-浮充控制方法

首先，对蓄电池采用恒流充电方式充电，蓄电池充电到达一定容量后，采用恒压方式进行充电。在两阶段充电完毕即蓄电池容量到达其额定容量的80%~90%

时，对蓄电池进行浮充，且这一阶段的充电电压要比恒压阶段的低。

三段式控制既可以充分利用能源，提高蓄电池的充电效率又不会损坏蓄电池。在充电过程中，电池充满后，充电控制器终止太阳能电池板对蓄电池的充电。以达到对蓄电池的保护。

而在放电过程中，当模拟电压低于控制器的过放电压时，会停止对负载的供电，以保护蓄电池。

四、实验内容

1、对蓄电池的充电实验

（1）实验装置图如下图4-1所示，按照图将连线连接好。 （2）打开模拟光源，使其照射到太阳能电池板

（3）调节占空比，已知模拟电池电压为24V，观察直流电流表，看是否有电流流过，并分析原因.

2、欠压保护实验

图4-1 过充保护实验连线图

（1）如图所示，将线连接好，图中模拟电池电压为5V,

图4-2 过放保护实验接线图

观察电流表，分析此时控制器对蓄电池的工作方式，指出发生这种现象的原因。

3、夜间防反充实验 （1）按下图连接好线

图4-3实验原理图

（2）现用模拟光源对太阳能电池板进行普通的照射,控制器进入开环给定，再选择降压控制，观察电流表上会否有电流流过。

（3）用遮挡布将太阳能电池板遮住，关掉模拟光源，电流表应该无电流流过，则说明此装置具有夜间防反充功能。请大家自行验证。

五、实验要求

太阳能充电控制器主要功能是：防止太阳能电池板对蓄电池的过充电以及负载对蓄电池的过放电。它还有一些辅助功能，比如说可以通过光线强度来控制负载的工作。也可以体现出光控加延时等功能。

实验五 利用控制器进行最大功率点的跟踪实验 一、实验目的

1、学会利用其阻抗变换的特点来完成对电池板最大功率点的追踪； 2、与实验一中寻找功率点的方式相互比较，找寻不同之处。

二、实验设备

实验柜的控制单元，电压表，电流表，导线等

三、实验原理

在太阳能光伏发电系统中，太阳能电池是最基本的环节，若要提高整个系统的效率必须要提高太阳能光伏电池的转换效率，使其输出功率为最大功率。然而，太阳能光伏电池的-IV特性具有非线性，并且它随着外界环境(温度、日照强度)的变化而变化，所以不好控制。但是，在某一特定的温度或日照强度总存在着一个最大功率点。因此，最大功率点跟踪的研究是至关重要的。

最大功率点跟踪的过程实质上是一个寻优过程，即通过控制太阳能电池端电压来控制最大功率的输出。图6-1为太阳能电池阵列的输出功率特性曲线，由图可知，当太阳能电池工作于最大功率点电压Vmax左侧时，其输出功率随电池端电压的上升而增加;当太阳能电池工作于最大功率点电压Vmax右侧时，其输出功率随电池端电压的上升而减少。此外，MPPT控制也可以先根据采集到的太阳能电压、电流值以及功率值来判断其运行在哪个工作区，然后根据不同的工作区采取不同的工作指令进行跟踪控制。但要注意日照强度和温度环境对太阳电池阵列的开路电压和短路电流的影响。

图 5-1 太阳能光伏电池的输出功率特性

对于最大功率点的跟踪方法有很多，在实验一中，我们利用的是扰动观察法。它是目前实现MPPT常用的方法，它通过不断扰动太阳能光伏系统的工作点来寻找最大功率点的方向。其原理是先扰动输出电压值，然后测其功率变化，与扰动之前的功率值相比，如果功率值增加，则表示扰动方向正确，继续朝同一方向扰动;如果扰动后功率值小于扰动前的值，则往相反的方向扰动。这种方法结构简单，扰动参数少。但它仍需要众多的改进之处：(1)减小功率损失:由于存在着误差，因此在最大功率点跟踪的过程中将必有部分功率损失;(2)提高跟踪精度及速度:这与初始值及跟踪步长的设定有很大关系;(3)防止“误判”，所谓的“误判”，即当日照强度增加时，导致扰动后的功率值大于扰动前的功率值，从而也使扰动方向继续朝同一方向扰动，反之同样。因此，在本次试验中，我们是利用DC/DC变换器来对最大功率点进行跟踪。

四、实验内容

在光伏发电系统实际电路中，由于DC/DC变换器连接太阳能电池板与负载(或蓄电池)，因而通过改变DC/DC变换器开关的PWM占空比使负载与太阳能电池板相匹配，即可达到调节太阳能电池板工作点的目的，使其工作在最大功率点处。这一方法，既克服了扰动观察法中存在的误差及误判的问题，又降低了整个系统的成本，即使外界环境发生变化，仍能实现最大功率点的跟踪。如图所示

图 5-2 实验原理图

在上一个试验中，我们已经完成了对DC/DC变换器阻抗作用的研究，在这里我们就运用已得到的结论，即：

RinVinVout(1D)2Rout(1D)2IinIout

从上式可以看出，当Rout固定不变时，通过调节占空比D就可以调节Rin的值，

从而也就实现了调节太阳能电池工作点的功能。

此时，一边调节占空比，一边记录负载率两端的电压和电流值，并计算出相应的功率值，填入下表，并找出最大功率点。

表 5-1 负载——功率表

占空比 电压值（V） 电流值（A） 功率值（W） 根据上述记录的值，画出I—V伏安特性曲线以及V—W功率电压曲线，并在图中标出最大功率点。

五、实验要求

1、对此种通过控制器及阻抗变换来寻找电池板的最大功率点的方式有所了解；

2、与实验一中的结果进行比较，找出两种方法的优缺点，并通过找寻其他的资料来思考其他的更好的方法。

实验六 太阳能发电逆变原理实验

一、实验目的

1、理解太阳能发电逆变过程的基本原理；

2、通过观察相应波形，对逆变形式有更形象的认识。

二、实验设备

实验柜，示波器，电压表，电流表等

三、实验原理

SPWM技术目前已经在实际中得到普遍应用，尤其在逆变器电路中的应用最为广泛，经过长期的发展，大致可分为电压SPWM、电流SPWM和电压矢量SPWM。

PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形。SPWM波形就是脉冲的宽度按正弦规律变化和正弦波等效的PWM波形。

产生SPWM波的原理是，用一组等腰三角形与一个正弦波进行比较，其相交的时刻(即）交点作为开关管“开”或“关”的时刻，这组等腰波形称为载波，而正弦波称为调制波。正弦波的频率和幅值是可控的，改变正弦波的频率，就可以改变电源输出电压的频率，改变正弦波的幅值，也就改变了正弦波与载波的交点，使输出脉冲序列宽度发生变化，从而改变电源输出电压大小。

SPWM分单极性和双极性脉宽调制，双极性SPWM控制波形如图2.2，由对称于横坐标的三角波相交后进行比较，得到控制开关元件的驱动信号。在双极性控制方式中，在同一桥臂上的控制两个开关元件的信号在相位上总是互补的。由于输出电压u0在其半个周期内电压极性在两个极性间变化，所以称为“双极性控制”。

面积等效原理是PWM控制技术的重要理论基础。而SPWM的波形是脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的波形。

原理图如下：

图6-1 单相桥式 PWM逆变电路原理图

它可以由正弦波和三角波调制，决定脉冲的时刻。三角波的底点位置对正弦波采样形成阶梯波，此阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽在一个采样周期内的位置是对称的。图6-2 是正弦脉宽调制SPWM波形示意图。

图6-2 正弦脉宽调制SPWM波形

四、实验内容

如图所示，按以下步骤进行试验。

图6-3 负载控制柜

1.将能量转换柜上蓄电池的232口与负载控制柜上201口相连，233口与202口相连，测量端口201与202之间的电压值，并记录下来；

2.将示波器的探头一端接于DC/DC信号地203口，另一个探头端接在204口，观察PWM波，并记录下来；

3.将示波器探头的一端接入逆变信号地210口上，另一个探头端接在213口，打开逆变开关和输出开关，观察信号波，并记录下来，接着，将另一个探头端接在214口，观察载波，并记录下来。

五、实验要求

1.测量蓄电池两端的电压，通过多功能谐波表测量逆变后的电压； 2.画出上述三个波形，理解PWM调制技术的基本原理，分析出其调制过程。

实验七 太阳能不同负载发电试验

一、实验目的

1、对阻性负载、感性负载的概念有所了解；

2、了解有功功率、无功功率以及视在功率的概念，以及它们之间的关系。

二、实验设备

实验柜、多功能谐波表、导线等

三、实验原理

在具体介绍这三种负载之前，我们首先要对以下三个概念有所了解。 1、有功功率

在交流电路中，凡是消耗在电阻元件上、功率不可逆转换的那部分功率（如转变为热能、光能或机械能）称为有功功率，简称“有功”，用“P”表示，单位是瓦（W）或千瓦（KW）。

它反映了交流电源在电阻元件上做功的能力大小，或单位时间内转变为其它能量形式的电能数值。实际上它是交流电在一个周期内瞬时转变为其他能量形式的电能数值。实际上它是交流电在一个周期内瞬时功率的平均值，故又称平均功率。它的大小等于瞬时功率最大值的1/2，就是等于电阻元件两端电压有效值与通过电阻元件中电流有效值的乘积。

2、无功功率

在交流电路中，凡是具有电感性或电容性的元件，在通过后便会建立起电感线圈的磁场或电容器极板间的电场。因此，在交流电每个周期内的上半部分（瞬时功率为正值）时间内，它们将会从电源吸收能量用建立磁场或电场；而下半部分（瞬时功率为负值）的时间内，其建立的磁场或电场能量又返回电源。因此，在整个周期内这种功率的平均值等于零。就是说，电源的能量与磁场能量或电场能量在进行着可逆的能量转换，而并不消耗功率。

为了反映以上事实并加以表示，将电感或电容元件与交流电源往复交换的功率称之为无功功率，简称“无功”，用“Q”表示。单位是乏（Var）或千乏(KVar)。

无功功率是交流电路中由于电抗性元件（指纯电感或纯电容）的存在，而进行可逆性转换的那部分电功率，它表达了交流电源能量与磁场或电场能量交换的

最大速率。

实际工作中，凡是有线圈和铁芯的感性负载，它们在工作时建立磁场所消耗的功率即为无功功率。如果没有无功功率，电动机和变压器就不能建立工作磁场。

3、视在功率

交流电源所能提供的总功率，称之为视在功率或表现功率，在数值上是交流电路中电压与电流的乘积。视在功率用S表示。单位为伏安（VA）或千伏安（KVA）。它通常用来表示交流电源设备（如变压器）的容量大小。

视在功率即不等于有功功率，又不等于无功功率，但它既包括有功功率，又包括无功功率。能否使视在功率100KVA的变压器输出100KW的有功功率，主要取决于负载的功率因数。

4、功率因数

在交流电路中，电压与电流之间的相位差(Φ)的余弦叫做功率因数，用符号cosΦ表示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值，即cosΦ=P/S 下面，我们介绍着重介绍一下我们实验中要用到的两种负载：阻性负载和感性负载。

阻性负载：电流电压的关系符合基本欧母定律,I=U/R。 即和电源相比当负载电流负载电压没有相位差时负载为阻性(如负载为白帜灯、电炉等）通俗一点的讲，仅是通过电阻类的元件进行工作的纯阻性负载称为阻性负载。

感性负载：通常情况下，一般把负载带电感参数的负载，即符合和电源相比负载电流滞后负载电压一个相位差的特性的负载为感性(如负载为电动机;变压器;)。通俗地说，即应用电磁感应原理制作的大功率电器产品，如电动机、压缩机、继电器、日光灯等等。

这类产品在启动时需要一个比维持正常运转所需电流大得多（大约在3-7倍）的启动电流。例如，一台在正常运转时耗电150瓦左右的电冰箱，其启动功率可高达1000瓦以上。

此外，由于感性负载在接通电源或者断开电源的一瞬间，会产生反电动势电压，这种电压的峰值远远大于车载交流供电器所能承受的电压值，很容易引起车用逆变器的瞬时超载，影响逆变器的使用寿命。因此，这类电器对供电波形的要求较高。

四、实验内容

1、太阳能发电阻性负载实验

与上个实验的连线相同，即将能量转换柜上蓄电池的232口与负载控制柜上201口相连，233口与202口相连。然后，打开逆变开关和输出开关，再打开电阻性负载开关，观察多功能谐波表上的示数，并记录下流过负载的逆变电流值、电压值、有功功率等，并观察随着时间变化时各个示数有无变化。 2、太阳能发电感性负载实验

首先关闭电阻性开关，然后打开交流电机开关，观察多功能表的有功功率、无功功率、视在功率以及功率因数的示数，并记录下来。 3、验证S、P、Q之间的关系

视在功率（S）、有功功率（P）及无功功率（Q）之间的关系，可以用功率三角形来表示，如下图所示。它是一个直角三角形，两直角边分别为Q与P，斜边为S。S与P之间的夹角Ф为功率因数角，它反映了该交流电路中电压与电流之间的相位差（角）。

图7-1 S、P、Q关系图

各种功率之间有如下关系式：

SP2Q2 PS2Q2

QS2P2

可以通过实验过程中的值，画出相应的功率三角形，已验证所得数据的准确性。

五、实验要求

1、学会比较阻性负载以及感性负载之间的区别。 2、明白各种不同功率的含义及功率三角形中它们的关系。

实验八 光伏发电系统综合设计实验

一、实验目的

1、了解升压和降压电路的原理； 2、了解并联模块的工作原理和作用。

二、实验设备

模拟光源，转台，太阳能电池板，实验装置柜

三、实验原理

DC/DC变换器，亦称直流斩波器，其工作原理是通过调节控制开关，将一种持续的直流电压变换成另一种(固定或可调的)直流电压，其中二极管起续流的作用，LC电路用来滤波。DC/DC转换电路可以分多种，从工作方式的角度可分为:升压式(Boost)、降压式(Buck)、升降压式(Buck-Boost)、库克式(Cuk)。下面就简单介绍一下几种常用的变换器(降压式变换器、升压式变换器）以此来分析一下DC/DC转换电路的工作原理。 (1) 降压式变换器

图8-1所示为降压式变换电路，其输出电压平均值VO总是小于输入电压Vin，为在开关S关断时给负载中的电感电流提供通道，图中设置了续流二极管D。当开关S导通时，电源Vin向负载供电，电流流经电感L一部分向电容充电，另一部分流向负载，此时电路输出电压为VO;当开关S关断时，电容放电，电流经二极管D续流，二极管两端电压近似为零。通过电感的电流il是否连续，取决于开关频率、滤波电感L和电容C的数值，通常串接L值较大的电感.这种变换器适合用于太阳能光伏阵列输出端电压高而蓄电池电压低的情况，当电路工作于稳态时，输出电压平均值为

:

VOtonVinDVinT

tonton,0D1tontoffTD 其中，

称为占空比。

图8-1降压式变换器电路图

（2）升压式变换器

图8-2所示为升压式变换电路，当开关S导通时，电源向电感储存能量，电感电流增加，二极管截止，电容C向负载供电，此时Vl=Vin 。当开关S截止时，电感电流减小，释放能量，由于电感电流不能突变，产生感应电动势，感应电动势左负右正，迫使二极管导通，并与电源一起经二极管向负载供电，同时向电容充电，此时Vl=Vin-Vo。所以，输出电压大于输入电压。这种变换器适用于蓄电池电压高而太阳能光伏输出电压低的情况。

图 8-2 升压式变换器电路图

四、实验内容

1、首先，将光伏板引出的两根线接到能量转换柜的201口、202口，203

口接到205口，204口接到206口，209口接到211口，210口接到212口；PWM引出端中的PWM1接到207口，G1接到208口，PWM2接到224，G2接到226， PWM3接到225，G3接到227；

2、将并联模块并联到209和210两端，即222口接到209口，223口接到210口；

3、打开电源，进行实验，测量负载两端的电压，以及蓄电池两端的电压，并记录下来。

五、实验要求

1、理解升压和降压电路的原理；

2、通过测量的电压值，试着分析蓄电池的升压放电和降压充电过程。

实验九 风力发电原理及组成部分基本认识实验 一、实验目的

1、对风力发电的基本原理有所了解； 2、了解风速对风力发电装置的影响； 3、对实验装置的构成有初步的认识。

二、实验设备

风力供电装置、风光互补实验柜

三、实验原理

（1）风能供电装置

风力供电装置主要由叶片、轮毂、发电机、机舱、尾舵、侧风偏航机械传动机构、塔架和基础、风速仪、风速仪支架、轴流风机、轴流风机支架、轴流风机框罩、单相交流电动机、护栏、连杆、滚轮、万向轮、微动开关和接近开关等设备与器件组成，如图9-1所示。

图9-1风力供电装置

叶片、轮毂、发电机、机舱、尾舵和侧风偏航机械传动机构组装成水平轴永磁同步风力发电机，安装在塔架上。风场由轴流风机、轴流风机支架、轴流风机框罩、风速仪、风速仪支架、风场运动机构箱体、传动齿轮链机构、单相交流电动机、滚轮和万向轮等组成。风力发电机利用尾舵实现被动偏航迎风，使风力发

电机正对来风方向，实现输出最大电能。

（2）风力发电系统的工作原理及风速的影响

风力发电系统是把风能转化为电能的装置，主要由风力机(风能转化为机械能)、发电机(机械能转化为电能)、控制器、电力变换等部分组成。

图9—2为风力发电系统示意图。

图9-2 风力发电系统示意图

从能量转换的角度来看，风力发电机组包括两大部分，一部分是风力机，由它将风能转换为机械能;另一部分是发电机，由它将机械能转换为电能。

一切在气流中能产生旋转或摆动的机械运动都是风能转换的形式，可用于这类机械转换的系统就叫风能转换系统，其中以旋转运动为特征的风力机得到了最广泛的应用。

由于风能是随机性的，风力的大小时刻变化，必须根据风力大小及电能需要量的变化及时通过控制装置来实现对风力发电机组的启动、调节(转速、电压、频率)、停机、故障保护(超速、振动、过负荷等)以及对电能用户所接负荷的接通、调整及断开等操作。

而且，风力机的实际输出功率受到一些条件的。风力机启动时，需要一定的最低扭矩，风力机的启动扭矩不能小于这一最低扭矩，而启动扭矩主要与叶轮安装角和风速有关，因此风力机有一个最低工作风速。当风速超过技术上规定的最高值时，基于安全方面的考虑(主要是塔架安全和风轮强度)，风力机应立即停车，所以每一风力机都要规定最高风速。风力机达到标称功率输出时的风速称为额定风速。如果增大发电机的额定功率，可以更有效的利用含能量大的高风速:如果提高风力机的工作风速，在转速变化的情况下，功率按速度的三次方增加，但受发电机额定功率的，不可增加太多。为使供电频率稳定和出于安全方面的考虑，风力机应尽可能以稳定的或变化很小的转速工作。所以风力机就不可能

在任何风速下都以最佳的功率系数和叶尖速比工作。

因此，风力机的额定工作风速直接影响风力机的年输出能量，应根据风力机安装位置处的年平均可利用风速合理确定额定工作风速，以达到最佳的能量生成。

四、实验内容

熟悉风能供电装置及实验柜上的接口功能，打开风机，调节风速，验证风机的自动偏航系统。

五、实验要求

对风能发电装置的原理有大致了解，并对风速在发电过程中的作用有一定的认识。

实验十 风力发电充放电试验

一、实验目的

1、了解风力发电机的充放电过程； 2、对蓄电池充电的三个阶段加深认识。

二、实验设备

风光互补实验柜、导线等

三、实验原理

风机充电控制部分工作过程如下:正常充电情况下断给蓄电池充电，当蓄电池端电

压充到均充电压时，装置会进入脉宽调制状态，此时应调整充电电压，避免 蓄电池过充;而当风速过大时，风机端电压会变得很高，此时控制器将发 出脉冲使风机产生的电能一部分消耗在卸荷装置上，从而保护蓄电池，即失速保护。

蓄电池在使用时根据所需电压和电流的要求，进行串联、并联或串并联组成电池组投入运行。蓄电池组一般有三种运行方式:充放电制、浮充制、带有循环成分的浮充方式。

充放电制即循环制，该工作方式下蓄电池通常是完全放电，然后充电，再完全放电、再充电如此循环。这种工作方式多用于移动型、小容量便携式蓄电池，如蓄电池车、矿灯等;浮充工作方式下的蓄电池组同整流设备并联安装在负载回路上。平时用电设备所需的电流全部由整流设备供给。蓄电池保持少量的充电电流，同时在负载上起平滑滤波的作用，只要蓄电池电压低于直流供电外电源，外电源就会给蓄电池充电。当整流设备故障或外电源电力不足时，再启用蓄电池对负荷供电，直至整流设备恢复正常或外电源电力充足时为止，这样就保证了对负荷的不间断供电。浮充制用于固定蓄电池组，可进行直流供电，或者作为直流升压、事故照明、信号指示、遥控遥供以及需要不间断供电的通信设备;另外有一些蓄电池的运行制度不太典型，例如汽车、摩托车、内燃机车用起动型蓄电池，就是带有循环成分的浮充方式。

四、实验内容

1、利用风力发电向蓄电池进行充电实验

（1）实验装置图如下图所示，按照图将连线连接好； （2）打开轴流风机，使其产生风能；

（3）已知模拟电池电压为12V，观察直流电流表，看是否有现象，并分析原因.

图11-1充放保护实验接线图

2、欠压保护实验

如图所示，将线连接好,图中模拟电池电压为5V,

图11-2 过放保护实验接线图

观察电流表，分析此时控制器对蓄电池的工作方式，指出发生这种现象的原因。

实验十一 风力发电最大功率点追踪实验

一、实验目的

1、了解在风力发电过程中最大功率点的基本的追踪方法； 2、对风力发电过程中的功率控制策略有所认识。

二、实验设备

风光互补装置柜、导线、风力供电装置

三、实验原理

与太阳能电池板一样，风力发电机的输出也存在一个最大功率点，风光互补发电系统若要捕获最大的风能必须根据风速的变化对风力机的转速进行实时调整，即实现MPPT控制，这就产生了变速发电的运行模式。而变速发电的实质是在风速随机变动时又要获得最大的风能。因此，MPPT控制在风力发电中具有举足轻重的地位。

由风力发电机的电动原理可知，当输入的机械功率大于其输出电 功率时，风力发电机的转速将要增加。反之，转速下降。因此，可通过控制风力发电机的输出功率完成对输出电功率的调节。调节控制电路驱动信号的占空比就可实现输出功率控制，从而间接达到控制风力发电机转速的目的。目前应用于风光互补发电系统的风力发电机控制技术主要有最大功率给定法、扰动观察法以及电导增量法。

在这里，我们对最大功率给定法及扰动观察法进行一下基本的介绍。 （1）最大功率给定法

其基本原理是通过测量风力发电机转速来推测风力机的最佳叶尖速比

根据

opt，

opt 与风机的最大输出功率

Pmax 的对应关系，可得到

Pmax，将

Pmax 作

为发电机功率的给定 ，与系统输出的实际功率进行比较，其误差通过PID 调节后产生 PWM信号来调节DC/DC变换器的占空比而实现MPPT控制,最大功率给定法控制 框如下图所示。

图11-1最大功率给定法控制框图

opt与

Pmax有如下关系：

3Pmaxkwk0.5R5Cpmax/3optC式中： 为空气密度；pmax 为最大风能利用系数；R为风轮机半径；w 为

风轮机的角速度。

控制过程中，发电机转速可以根据输出交流电压频率与转速之间关系获得。整个系统无需机械传感器，提高了可靠性。 （2）扰动观察法

基本原理与太阳能电池板的扰动法原理大致相同。方法实现上可以周期性地增加或减少发电机转速，或者周期性地改变DC/DC变换电路驱动信号的占空比，然后比较输出功率的变化，再进行下一周期控制对象的增减动作。

这种方法优点有①自动跟随与自适应的能力；②不需测风速仪器；③不必知道风力发电机确切的参数及功率特性。缺点：即使在风速稳定时，输出功率也会有小幅度的波动。但由于风力发电部分受风速的随机性影响，其输出没有必要也不可能保证高的精度与稳定，因此适用范围不会受太大影响，总体来说是一种效果较好的控制方案。

四、实验内容 五、实验要求

掌握风能发电装置最大功率点的寻找方式，并与光能发电装置的最大功率点的跟踪方法进行比较，也可以查阅相关资料，了解其他的跟踪功率点的方式。

实验十二 PLC控制实验

一、实验目的

1.了解PLC的结构和原理；

2.了解PLC对光源、光伏板自动和手动以及鼓风机来回移动的控制功能。

二、实验设备

实验柜、导线等

三、实验原理

S7-200 PLC的实物图如下：

图12-1 PLC实物图

（1） PLC组成部分

图12-2 s7-200 PLC系统组成

S7-200 PLC的基本结构特点有：输出信号类型、电源输出、基本I/O、存储安全、高速反应、模拟电位器、实时时钟。 （2）s7-200 PLC的工作原理。

S7-200在扫描循环中完成一系列任务。任务循环执行一次称为一个扫描周期。S7-200的工作过程如图4所示。在一个扫描周期中，S7-200主要执行下列五个部分的操作：

（Ⅰ）读输入：S7-200从输入单元读取输入状态，并存入输入映像寄存器中。 （Ⅱ）执行程序：CPU根据这些输入信号控制相应逻辑，当程序执行时刷新相关数据。程序执行后，S7-200将程序逻辑结果写到输出映像寄存器中。 （Ⅲ）处理通讯请求：S7-200执行通讯处理。 （Ⅳ）执行CPU自诊断：S7-200检查固件、程序存储 器和扩展模块是否工作正常

（Ⅴ）写输出：在程序结束时，S7-200将数据从输出映像寄存器中写入把输出锁存器，最后复制到物理输出点，驱动外部负载。 （3）S7-200 CPU的扩展模块

当主机的I/O点数不够用或需要进行特殊功能的控制时，通常要进行I/O的

扩展。I/O扩展包括I/O点数的扩展和功能模块的扩展。不同的CPU有不同的扩展规范， 它主要受CPU的寻址能力。在使用时可参考西门子S7-200的系统手册。

四、 实验内容

1、控制光源

（1）首先，将I0.4口接到灯光控制模块的自动，I0.0接到手动，I0.1接到灯1开关，I0.2接到灯2开关，I0.3接到灯3开关；Q0.1接到灯1指示，Q0.2接到灯2指示，Q0.3接到灯3指示。

（2）打开总电源开关和PLC电源开关，输入PLC程序，将灯光控制模式选择拨到手动，通过按按钮，观察灯的变化情况；然后将灯光控制模式选择拨到自动，观察灯的变化情况。 2、控制光伏板自动和手动

（1）首先，光源方面接线如上面所示。

（2）其次，将I0.5口接到光伏板控制模块的手动，I0.6接到自动，I0.7接到向上，I1.0接到向下，I1.1接到向左，I1.2接到向右；I1.7接到上-下，I 2.0接到下-上，I2.1接到东-西， I2.2接到西-东；I1.3接到上，I1.4接到下，I1.5接到左，I1.6接到右；Q0.7接到光伏电机控制信号的上-下，Q1.0接到下-上，Q1.1接到东-西，Q1.2接到西-东。

（3）打开总电源开关和PLC电源开关，输入PLC程序，将光伏板控制模式选择拨到手动，分别按向上、向下、向左、向右按钮，并观察光伏板的移动方向；然后将光源开关打开，光伏板控制模式选择拨到自动，观察光伏板跟踪光源的灵敏情况。

3、控制鼓风机来回移动

（1）首先，将I2.3接到左，I2.4接到右；Q1.3接到向左，Q1.4接到向右。 （2）打开总电源开关和PLC电源开关，输入PLC程序，按向左、向右按钮，观察鼓风机的移动过程，并测试一下行程开关。

实验十三 风光互补发电逆变原理实验

一、实验目的

1、理解风光互补发电逆变过程的基本原理； 2、通过观察相应波形，对逆变形式有更形象的认识。

二、实验设备

实验柜，示波器，电压表，电流表等

三、实验原理

SPWM技术目前已经在实际中得到普遍应用，尤其在逆变器电路中的应用最为广泛，经过长期的发展，大致可分为电压SPWM、电流SPWM和电压矢量SPWM。

PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形。SPWM波形就是脉冲的宽度按正弦规律变化和正弦波等效的PWM波形。

产生SPWM波的原理是，用一组等腰三角形与一个正弦波进行比较，其相交的时刻(即）交点作为开关管“开”或“关”的时刻，这组等腰波形称为载波，而正弦波称为调制波。正弦波的频率和幅值是可控的，改变正弦波的频率，就可以改变电源输出电压的频率，改变正弦波的幅值，也就改变了正弦波与载波的交点，使输出脉冲序列宽度发生变化，从而改变电源输出电压大小。

SPWM分单极性和双极性脉宽调制，双极性SPWM控制波形如图2.2，由对称于横坐标的三角波相交后进行比较，得到控制开关元件的驱动信号。在双极性控制方式中，在同一桥臂上的控制两个开关元件的信号在相位上总是互补的。由于输出电压u0在其半个周期内电压极性在两个极性间变化，所以称为“双极性控制”。

面积等效原理是PWM控制技术的重要理论基础。而SPWM的波形是脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的波形。

原理图如下：

图13-1 单相桥式 PWM逆变电路原理图

它可以由正弦波和三角波调制，决定脉冲的时刻。三角波的底点位置对正弦波采样形成阶梯波，此阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽在一个采样周期内的位置是对称的。图13-2 是正弦脉宽调制SPWM波形示意图。

图13-2 正弦脉宽调制SPWM波形

四、实验内容

如图所示，按以下步骤进行试验。

1.首先，将风机上引出的三根线接到能量转换柜中的217口、218口、219口，220口接到213口，221口接到214口，光伏板引出的两根线接到201口、202口，203口接到205口，204口接到206口；PWM引出端中的PWM1接到207口，G1接到208口，PWM4接到215，G4接到216口；

2．然后将能量转换柜上的209口接到负载控制柜上201口，210口接到202口，测量端口201与202之间的电压值，并记录下来；

3.将示波器的探头一端接于DC/DC信号地203口，另一个探头端接在204口，观察PWM波，并记录下来；

4.将示波器探头的一端接入逆变信号地210口上，另一个探头端接在213口，打开逆变开关和输出开关，观察信号波，并记录下来，接着，将另一个探头端接在214口，观察载波，并记录下来。

五、实验要求

1.测量风光互补经过升降压产生的电压，即209口和210口两端的电压，通过多功能谐波表测量逆变后的电压；

2.画出上述三个波形，理解PWM调制技术的基本原理，分析出其调制过程。

实验十四 风光互补发电负载实验

一、实验目的

1、对阻性负载、感性负载的概念有所了解；

2、了解有功功率、无功功率以及视在功率的概念，以及它们之间的关系。

二、实验设备

实验柜、多功能谐波表、导线等

三、实验原理

在具体介绍这三种负载之前，我们首先要对以下三个概念有所了解。 1、有功功率

在交流电路中，凡是消耗在电阻元件上、功率不可逆转换的那部分功率（如转变为热能、光能或机械能）称为有功功率，简称“有功”，用“P”表示，单位是瓦（W）或千瓦（KW）。

它反映了交流电源在电阻元件上做功的能力大小，或单位时间内转变为其它能量形式的电能数值。实际上它是交流电在一个周期内瞬时转变为其他能量形式的电能数值。实际上它是交流电在一个周期内瞬时功率的平均值，故又称平均功率。它的大小等于瞬时功率最大值的1/2，就是等于电阻元件两端电压有效值与通过电阻元件中电流有效值的乘积。

2、无功功率

在交流电路中，凡是具有电感性或电容性的元件，在通过后便会建立起电感线圈的磁场或电容器极板间的电场。因此，在交流电每个周期内的上半部分（瞬时功率为正值）时间内，它们将会从电源吸收能量用建立磁场或电场；而下半部分（瞬时功率为负值）的时间内，其建立的磁场或电场能量又返回电源。因此，在整个周期内这种功率的平均值等于零。就是说，电源的能量与磁场能量或电场能量在进行着可逆的能量转换，而并不消耗功率。

为了反映以上事实并加以表示，将电感或电容元件与交流电源往复交换的功率称之为无功功率，简称“无功”，用“Q”表示。单位是乏（Var）或千乏(KVar)。

无功功率是交流电路中由于电抗性元件（指纯电感或纯电容）的存在，而进行可逆性转换的那部分电功率，它表达了交流电源能量与磁场或电场能量交换的最大速率。

实际工作中，凡是有线圈和铁芯的感性负载，它们在工作时建立磁场所消耗的功率即为无功功率。如果没有无功功率，电动机和变压器就不能建立工作磁场。

3、视在功率

交流电源所能提供的总功率，称之为视在功率或表现功率，在数值上是交流电路中电压与电流的乘积。视在功率用S表示。单位为伏安（VA）或千伏安（KVA）。它通常用来表示交流电源设备（如变压器）的容量大小。

视在功率即不等于有功功率，又不等于无功功率，但它既包括有功功率，又包括无功功率。能否使视在功率100KVA的变压器输出100KW的有功功率，主要取决于负载的功率因数。

4、功率因数

在交流电路中，电压与电流之间的相位差(Φ)的余弦叫做功率因数，用符号cosΦ表示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值，即cosΦ=P/S 下面，我们介绍着重介绍一下我们实验中要用到的两种负载：阻性负载和感性负载

阻性负载：电流电压的关系符合基本欧母定律,I=U/R。 即和电源相比当负载电流负载电压没有相位差时负载为阻性(如负载为白帜灯、电炉等）通俗一点的讲，仅是通过电阻类的元件进行工作的纯阻性负载称为阻性负载。

感性负载：通常情况下，一般把负载带电感参数的负载，即符合和电源相比负载电流滞后负载电压一个相位差的特性的负载为感性(如负载为电动机;变压器;)。通俗地说，即应用电磁感应原理制作的大功率电器产品，如电动机、压缩机、继电器、日光灯等等。

这类产品在启动时需要一个比维持正常运转所需电流大得多（大约在3-7倍）的启动电流。例如，一台在正常运转时耗电150瓦左右的电冰箱，其启动功率可高达1000瓦以上。

此外，由于感性负载在接通电源或者断开电源的一瞬间，会产生反电动势电压，这种电压的峰值远远大于车载交流供电器所能承受的电压值，很容易引起车用逆变器的瞬时超载，影响逆变器的使用寿命。因此，这类电器对供电波形的要求较高。

四、实验内容

1、风光互补发电阻性负载实验

与上个实验的连线相同，然后，打开逆变开关和输出开关，再打开电阻性负载开关，观察多功能谐波表上的示数，并记录下流过负载的逆变电流值、电压值、有功功率等，并观察随着时间变化时各个示数有无变化。

2、风光互补发电发电感性负载实验

首先关闭电阻性开关，然后打开交流电机开关，观察多功能表的有功功率、无功功率、视在功率以及功率因数的示数，并记录下来。

3、验证S、P、Q之间的关系

视在功率（S）、有功功率（P）及无功功率（Q）之间的关系，可以用功率三角形来表示，如下图所示。它是一个直角三角形，两直角边分别为Q与P，斜边为S。S与P之间的夹角Ф为功率因数角，它反映了该交流电路中电压与电流之间的相位差（角）。

各种功率之间有如下关系式：

SP2Q2 PS2Q2

QS2P2

可以通过实验过程中的值，画出相应的功率三角形，已验证所得数据的准确性。

五、实验要求

1、学会比较阻性负载以及感性负载之间的区别。 2、明白各种不同功率的含义及功率三角形中它们的关系。