并網光伏發電教學實驗裝置的制作方法

本發明涉及光伏發電并網技術，特別涉及并網光伏發電教學實驗裝置。

背景技術：

并網光伏發電是新能源開發利用的重要途徑之一。并網光伏發電系統包括光伏陣列和并網逆變器，其中并網逆變器是光伏發電系統的核心裝置。由于光伏陣列輸出的電流、電壓具有強烈的非線性，又由于光伏陣列所處環境的光強和環境溫度等條件的不斷變化，并網逆變器不僅具有將不斷變化的直流電轉化為穩定的交流電，還必須具有復雜的功率最大點跟蹤算法（mppt）和同步并網算法。為了便于科研院所對并網逆變器的復雜控制算法的開發，以及高校對并網光伏發電系統原理的教學實驗研究需求和推廣，有些公司推出各種光伏發電系統的實驗和實訓平臺，但是該平臺的缺點是：價格非常貴且輸出電壓為220v或380v，對于非電氣類高校和非電類專業學生來說，根本無法承受昂貴的經濟負擔和非電類學生實驗安全要求。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種經濟安全的并網光伏發電系統教學實驗裝置，克服目前用于光伏發電系統的教學實驗的各種實訓平臺結構復雜、價格高和安全性差、無法在實際教學實驗和科研中得到廣泛推廣的缺點。

本發明采用以下技術方案實現上述目的。并網光伏發電系統教學實驗裝置，包括并網光伏發電系統和交流電網模擬系統，并網光伏發電系統包括小功率光伏陣列和并網光伏逆變器，且小功率光伏陣列通過dcbus（直流母線）與并網光伏逆變器連接；交流電網模擬系統由變頻調速器、gcu（勵磁調節器）、汽車發電機和交流負載裝置組成，汽車發電機連接有變頻調速器和gcu，汽車發電機通過acbus（交流母線）分別與并網光伏逆變器和交流負載裝置連接。

進一步，所述并網光伏逆變器包括直流升壓dcdc、解耦電容、三相逆變橋、交流濾波器、dcpwm驅動電路、ac/dcpwm驅動電路和mcu（中央控制器）；小功率光伏陣列11分別通過輸入端的電壓傳感器和電流傳感器依次連接直流升壓dcdc、解耦電容、三相逆變橋和交流濾波器；交流濾波器與輸出端的電壓傳感器和電流傳感器連接；輸入端的電壓傳感器和電流傳感器通過輸入電壓電流檢測裝置連接mcu，輸出端的電壓傳感器和電流傳感器通過輸出電壓電流檢測裝置連接mcu；mcu中的pwm口ⅰ通過dcpwm驅動電路連接直流升壓dcdc；mcu中的pwm口ⅱ通過ac/dcpwm驅動電路連接三相逆變橋；ipc通過rs485口連接mcu。

變頻調速器是驅動和控制發電機的速度，讓發電機發出50hz的交流電以模擬實際電網的頻率；gcu主要是控制汽車發電機的勵磁，目的是控制汽車發電機輸出的三相電的電壓幅值，汽車發電機在變頻調速器的驅動和gcu的共同控制下發出相電壓為22v，頻率為50hz的三相交流電，以模擬實際相電壓220v，頻率為50hz的三相交流電網。

本發明解決了傳統并網光伏發電系統教學實驗平臺和實訓平臺結構復雜、價格昂貴、安全性差等難題，利用高精度低成本的tms320lf2407芯片作為中央控制器，可以完成復雜的mppt控制算法、正弦脈寬調制脈沖生成算法以及同步并網控制算法等，可完全模擬并網光伏發電系統在不同運行條件下的發電控制算法驗證和測試性能要求。通過還原和模擬并網光伏發電系統在不同環境條件下運行狀態和控制算法驗證和測試，從而為光伏發電系統優化控制、mppt的跟蹤和可靠性分析教學實驗研究提供平臺和依據。而且本發明的并網光伏發電教學實驗裝置，投資最多也僅為傳統并網光伏實驗平臺和實訓平臺研發費用的十五分之一左右，運行費用低且安全可靠，滿足了高校和科研院所對并網光伏發電教學實驗的經濟性和安全性要求。

附圖說明

圖1是本發明的整體結構示意圖；

圖2是本發明中并網光伏逆變器12的系統示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明。參見圖1和圖2，并網光伏發電系統教學實驗裝置，包括并網光伏發電系統1和交流電網模擬系統2，其特征在于：并網光伏發電系統1包括小功率光伏陣列（太陽能電池板）11和并網光伏逆變器12，且小功率光伏陣列（太陽能電池板）11通過dcbus（直流母線）與并網光伏逆變器12連接，并網光伏逆變器12將光伏陣列輸出的0-34v直流電壓在mcu111的控制下，經過直流升壓dcdc102、解耦電容103、三相逆變橋104以及交流濾波器105后輸出22v的三相交流電，其實現光伏發電的逆變功能；交流電網模擬系統2由變頻調速器21、gcu（勵磁調節器）23、汽車發電機22和交流負載裝置24組成，汽車發電機22連接有變頻調速器21和gcu23，汽車發電機22通過acbus（交流母線）分別與并網光伏逆變器12和交流負載裝置24連接；變頻調速器21是驅動和控制發電機的速度，讓發電機發出50hz的交流電以模擬實際電網的頻率；gcu23主要是控制汽車發電機的勵磁，目的是控制汽車發電機輸出的三相電的電壓幅值，汽車發電機22在變頻調速器21的驅動和gcu23的共同控制下發出相電壓為22v，頻率為50hz的三相交流電，以模擬實際相電壓220v，頻率為50hz的三相交流電網；

（如圖2所示）所述并網光伏逆變器12包括直流升壓dcdc102、解耦電容103、三相逆變橋104、交流濾波器105、dcpwm驅動電路108、ac/dcpwm驅動電路109和mcu（tms320lf2407中央控制器）111；小功率光伏陣列（太陽能電池板）11分別通過輸入端的電壓傳感器101和電流傳感器100依次連接直流升壓dcdc102、解耦電容103、三相逆變橋104和交流濾波器105；交流濾波器105與輸出端的電壓傳感器101和電流傳感器100連接；輸入端的電壓傳感器101和電流傳感器100通過輸入電壓電流檢測裝置106連接mcu111，輸出端的電壓傳感器101和電流傳感器100通過輸出電壓電流檢測裝置107連接mcu111；mcu111中的pwm口ⅰ通過dcpwm驅動電路108連接直流升壓dcdc102；mcu111中的pwm口ⅱ通過ac/dcpwm驅動電路109連接三相逆變橋104；ipc110（后臺監控計算機）通過rs485口連接mcu111。后臺監控計算機ipc110安裝有vb6.0開發的并網光伏發電系統監控軟件v2.1，該軟件負責顯示由mcu111通過rs485口傳來的光伏發電系統實時運行參數，如：并網電流、電壓、頻率、有功功率、無功功率等各種運行參數。

所述直流升壓dcdc102將小功率光伏陣列11輸出的0-34v變化的直流電壓升壓并穩定為36v直流電壓；所述解耦電容103是實現直流和交流電壓的解耦，便于交直流控制；所述三相整流橋104是將直流電壓逆變為所需要的三相交流電；所述交流濾波器105實現交流濾波功能，將三相逆變橋104輸出的工頻以外的交流電濾除；所述輸入、輸出電壓傳感器101和輸入、輸出電流傳感器102分別采樣輸入交流電壓電流和輸出直流電壓電流的參數，并送至mcu（tms320lf2407中央控制器）111實現實時控制；dcpwm驅動電路108、dc/acpwm驅動電路109實現對mcu111輸出信號的放大然后分別控制直流升壓dcdc102和三相逆變橋104；mcu111實現高性能復雜控制算法。具體電路連接為：小功率光伏陣列11輸出的0-34v變化的直流電壓作為并網逆變器的dc（直流）輸入電壓,其直接和直流升壓dcdc102連接，同時其也與電壓傳感器101和電流傳感器102相連，目的是測量輸入直流電壓和電流大小；直流升壓dcdc102也同時和dcpwm驅動電路108和解耦電容103相連，直流升壓dcdc102在dcpwm驅動電路108的控制下輸出直流電壓約為36v，該電壓經過解耦電容103穩壓后再連接到三相逆變橋104，三相逆變橋104也同時和dc/acpwm驅動電路109相連，在dc/acpwm驅動電路109的控制下三相逆變橋104輸出較穩定三相交流電壓，三相逆變橋104輸出連接到交流濾波器105，經過其濾波之后輸出標準50hz的穩定三相正弦波電壓，后臺監控計算機ipc110通過rs485口和mcu（tms320lf2407）111中央控制器相連，實現實時通訊，記錄和顯示各種控制參數。

為了有效地實現并網光伏發電系統的經濟性、可靠性和安全性，本裝置采用低成本的小功率光伏陣列11作為輸入，直流升壓dcdc102和三相逆變橋104均采用低功耗、低價格的高頻mos管，mcu（tms320lf2407）111中央處理器采用低成本的ti公司的tms320lf2407芯片；交流電網模擬系統2模擬電網采用由低成本的汽車發電機改造而成三相21v交流電網，頻率50hz。本發明的教學實驗裝置不僅有較高的靜態精度，還要有良好的動態特性，能夠完全實現光伏發電系統的智能控制各種控制算法和原理，同時也考慮學生實驗的人身安全性和設備的安全性，為教學實驗研究和開發高性能的光伏發電優化控制算法提供必要的測試手段和相應的低成本硬件實驗裝置。

小功率光伏陣列（太陽能電池板）11作為光伏發電系統的直流電源，其輸出電壓和電流隨著光強和環境溫度的變化而變化，其輸出的電壓范圍為0-34v；并網逆變器12由直流升壓dcdc102、解耦電容103、三相逆變橋104和交流濾波器105組成，直流升壓dcdc102在由集成在tms320lf2407中的pid控制算法產生的頻率為10khz的脈寬調制信號的控制下，將小功率光伏陣列11輸出的0-34v的變化直流電壓升壓到穩定的36v直流電，再通過解耦電容后供給三相逆變橋105逆變，本級同時實現最大功率點跟蹤（mppt）；三相逆變橋105的功能是實現將穩定的36v直流電轉化為相電壓為22v的三相正弦交流電，具體實現過程是中央處理器tms320lf2407實時跟蹤直流母線電壓大小和電網頻率，再根據建立在tms320lf2407中的正弦脈寬調制控制算法，產生相應占空比的六路脈寬調制信號，經過脈沖dc/acpwm驅動電路109后驅動三相逆變橋105，三相逆變橋104輸出經過交流濾波器105后，使三相逆變橋104輸出與模擬電網同步的三相正弦電流。從小功率光伏陣列11產生的0-34vdc作為輸入到最后相對穩定的三相交流電輸出，整個功率轉換電路以及控制電路的硬件架構簡單、經濟和可靠。

實驗裝置中的mcu（tms320lf2407）111中央控制器完成對輸出交流電壓、電流、輸入直流電壓的檢測和轉換，實時檢測和計算小功率光伏陣列11輸入功率和并網的輸出功率，根據在mcu（tms320lf2407）111中央控制器內部建立的最大功率點算法（mppt）模型和正弦脈寬調制算法模型，再通過模糊pid控制算法對誤差和誤差變化率進行智能模糊運算，實時計算出pwm的占空比，將輸出的帶有相應占空比的控制信號經過dcpwm驅動電路108,dc/acpwm驅動電路109放大后分別驅動直流升壓電路dcdc102和三相逆變橋104，使三相逆變橋104輸出高質量的三相正弦波電流，同時實現最大功率點跟蹤，具體電路結構實現如圖2。