光伏并网发电实验仿真平台

南京研旭南京研旭 2022-05-31

光伏并网发电实验仿真平台

产品概述

并网光伏发电系统如图 1 所示，光伏发电系统直接与电网连接，其中逆变器起很重要的作用，要求具有与电网连接的功能。目前常用的并网光伏发电系统具有两种结构形式，其不同之处在于是否带有蓄电池作为储能环节。带有蓄电池环节的并网光伏发电系统称为可调度式并网光伏发电系统，由于此系统中逆变器配有主开关和重要负载开关，使得系统具有不间断电源的作用，这对于一些重要负荷甚至某家庭用户来说具有重要意义；

此外，该系统还可以充当功率调节器的作用，稳定电网电压、抵消有害的高次谐波分量从而提高电能质量。不带有蓄电池环节的并网光伏发电系统称为不可调度式并网光伏发电系统，在此系统中，并网逆变器将太阳能电池板产生的直流电能转化为和电网电压同频、同相的交流电能，当主电网断电时，系统自动停止向电网供电。

当有日照照射、光伏系统所产生的交流电能超过负载所需时，多余的部分将送往电网；夜间当负载所需电能超过光伏系统产生的交流电能时，电网自动向负载补充电能。

光伏并网发电实验仿真平台组成

光伏发电实验仿真平台主要由以下设备组成：

光伏阵列 PV 模拟源或者太阳能组件电池板：
直流电源或光伏板发出的电接入光伏并网逆变器；
光伏并网逆变器将直流电逆变为符合并网要求的三相交流电，馈入主网；
监控前台，主要由工控机、显示器、上位机应用软件组成，实现对 PV模拟源、逆变器等设备的数据监控以及记录保存；

2.1 光伏 PV 模拟源

PV 模拟源是一种可模拟光伏板 IV 曲线的可编程直流电源，可代理太阳能组件，实现模拟光伏电源的 IV 输出，方便在室内条件下灵活做相关的实验。具备以下特点：

1) 可模拟太阳能电池板输出特性

2) 可模拟不同光照和温度下的 I-V 曲线

3) 可测试静态和动态下的 MPPT 情况

4) MPPT 工作点实时显示于上位机软件上

5) 具有恒功率模式

6) 具有强大的图形化上位机软件

7) 稳压精度高、纹波电压低

8) 动态稳定性用 Matlab 仿真优化

9) 采用高速 DSP 进行 PID 运算，直接输出 P

2.2 太阳能光伏

光伏组件（也叫太阳能电池板）是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中最重要的部分。其作用是将太阳能转化为电能，常见的组件有多晶硅组件、单晶硅组件和薄膜组件。

根据系统容量确定光伏组件的数量，通过光伏组件的并联和串联，达到并网逆变器所需的电压和电流反问。

2.3 光伏并网逆变器

光伏并网逆变器是光伏系统的核心设备，主要由数据采集单元、IPM 逆变功率单元、DSP 主控单元、监控中心、继电器单元、电抗器、变压器等几部分组成。系统的核心为 DSP 主控单元。

主要功能是：

1、将直流电能转为与主网电压同频同相的交流电能，并馈送给主网，同时会监测各类故障信息，实时保证正常工作；

2、根据反馈值跟踪直流源（光伏组件或者光伏模拟源）的最大功率输出（MPPT）；

3、将系统工作的所有信息上传至监控中心。

硬件构架图如下：

<1>并网逆变器使用三菱 IPM，耐压 1200V，母线使用 500V 电解电容。

<2>网侧并网侧采用升压三相变压器，初级次级星形联结方式。

<3>并网逆变器采用 TI 浮点 DSP 进行控制，使用一套研旭 TMS320F28335 的 DSP控制板。

<4>采用一台研旭仿真器完成系统控制算法的调试。

逆变器将直流电转换为与电网同步的三相交流电。通过电压传感器采集三相交流电的相电压值 UA、UB、UC，通过克拉克变换等效出两相交流电的电压值 Uα、Uβ，进而求出旋转磁链的位置角γ。通过电流传感器采集三相交流电的电流值 IA、IB、IC，同样通过克拉克变换等效出两相交流电的电流值 Iα、Iβ。由γ、Iα、Iβ通过帕克变换等效出旋转直流的电流值 Id、Iq，从而得出内环的控制量 Id。外环电压控制量与内环电流控制量叠加后与 Iq 再经过帕克逆变换，等效出 Uα`,Uβ`，在经过空间矢量控制输出PWM，控制功率管。

2.4 监控前台

监控前台上位机应用软件为用户提供了可视的操作界面，主要包括三大功能，分别为光伏 PV 模拟功能（需配套 PV 模拟器）、实时监控功能、历史保存功能。其主界面如下：

实时监控界面

监控软件中还具备算法研究界面，即电网定向矢量算法。通过所示界面用户可以非常清晰的了解算法的结构，同时可以获取每个步骤的计算结果值，以便仿真分析。

算法研究界面

光伏发电实验仿真平台实验组成

1、认知实验：对整体系统组成拓扑和工作原理的熟知，为后面实验提供基础；

2、IV 曲线模拟：学习设置模拟光伏 IV 曲线

3、MPPT 实验：了解 MPPT 原理；

4、逆变器并网实验：直流电逆变成交流电；

5、主从控制机制：为了更加有效的配合教学，系统还支持主从机控制模式，即当教师机（主机）释放权利后，学生机（从机）才能获得控制权利。一旦教师机收回权利，那么学生机只能具有检测功能，而不具备控制功能。

6、低压穿越实验：当电网跌落后，发电机发电系统保证不能立刻脱网，要具备保持继续往电网输送能力的能力。这个实验要求实验室具备电网模拟器设备。