一、 光伏并網發電實驗仿真平臺簡介

光伏發電指采用光伏組件，將太陽能直接轉換為電能的分布式發電系統。它是一種新型的、具有廣闊發展前景的發電及能源綜合利用方式，它倡導就近發電，就近并網，就近轉換，就近使用的原則，不僅能夠有效提高同等規模光伏電站的發電量，同時還有效解決了電力在升壓及長途運輸中的損耗問題。

目前應用最為廣泛的分布式光伏發電系統，應用在建筑物屋頂。該類項目必須接入公共電網，與公共電網一起為附近的用戶供電。如果沒有公共電網支撐，分布式系統就無法保證用戶的用電可靠性和用電質量。不論是集中式發電還是分布式發電，都需要供電穩定、可靠。分布式光伏發電利用太陽能，是人們利用清潔能源的重要手段。但是，日夜更替，天氣無常，分布式光伏發電的出力不具備規律性，在接入公共電網后，需要公共電網作為備用。

分布式光伏發電對電網的規劃、并網方式、電能質量繼電保護等都有影響。需要制定合理的分布式光伏發電管理方式，保證電網的安全運行。

對此，南京研旭電氣科技有限公司設計了基于實際光伏發電的實驗仿真平臺。通過此平臺，研究人員可以研究光伏發電的真實工作特性，可以縮短研究和開發周期、節省研究經費，便于對光伏發電系統的控制技術展開全面深入的研究，具有重要的顯示意義。

二、 光伏并網發電實驗仿真平臺組成

光伏發電實驗仿真平臺主要由以下設備組成：

• 光伏陣列PV模擬源或者太陽能組件電池板；
• 直流電源或光伏板發出的電接入光伏并網逆變器；
• 光伏并網逆變器將直流電逆變為符合并網要求的三相交流電，饋入主網；
• 監控前臺，主要由工控機、顯示器、上位機應用軟件組成，實現對PV模擬源、逆變器等設備的數據監控以及記錄保存；

2.1 光伏PV模擬源

PV模擬源是一種可模擬光伏板IV曲線的可編程直流電源，可代理太陽能組件，實現模擬光伏電源的IV輸出，方便在室內條件下靈活做相關的實驗。

具備以下特點：

1) 可模擬太陽能電池板輸出特性

2) 可模擬不同光照和溫度下的I-V曲線

3) 可測試靜態和動態下的MPPT情況

4) MPPT工作點實時顯示于上位機軟件上

5) 具有恒功率模式

6) 具有強大的圖形化上位機軟件

7) 穩壓精度高、紋波電壓低

8) 動態穩定性用Matlab仿真優化

9) 采用高速DSP進行PID運算，直接輸出PWM

PV模擬源MPPT測試界面

參數：

2.2 太陽能光伏組件

光伏組件（也叫太陽能電池板）是太陽能發電系統中的核心部分，也是太陽能發電系統中最重要的部分。其作用是將太陽能轉化為電能，常見的組件有多晶硅組件、單晶硅組件和薄膜組件。

根據系統容量確定光伏組件的數量，通過光伏組件的并聯和串聯，達到并網逆變器所需的電壓和電流反問。  

1）電池片：采用高效的晶硅太陽能片封裝，保證太陽能電池板發電功率充足。 

2）玻璃：采用低鐵鋼化絨面玻璃(又稱為白玻璃)，厚度3.2mm,在太陽電池光譜響應的波長范圍內(320-1100nm)透光率達91%以上，對于大于1200 nm的紅外光有較高的反射率。此玻璃同時能耐太陽紫外光線的輻射，透光率不下降。

3）EVA：采用加有抗紫外劑、抗氧化劑和固化劑的厚度為0.78mm的優質EVA膜層作為太陽電池的密封劑和與玻璃、TPT之間的連接劑。具有較高的透光率和抗老化能力。

4）TPT：太陽電池的背面覆蓋物—氟塑料膜為白色，對陽光起反射作用，因此對組件的效率略有提高，并因其具有較高的紅外發射率，還可降低組件的工作溫度，也有利于提高組件的效率。當然，此氟塑料膜首先具有太陽電池封裝材料所要求的耐老化、耐腐蝕、不透氣等基本要求。

5）邊框：高強度鋁合金邊框，抗機械沖擊能力強。

基本參數：

2.3 光伏并網逆變器

光伏并網逆變器是光伏系統的核心設備，主要由數據采集單元、IPM逆變功率單元、DSP主控單元、監控中心、繼電器單元、電抗器、變壓器等幾部分組成。系統的核心為DSP主控單元。

光伏并網逆變器屬于一種變流器，其功能是將光伏發出的直流能量，逆變成滿足并網條件的交流能量，饋送主網。并且可以通過特定方式，不斷搜索光伏輸出的最大功率，即MPPT。下圖為光伏逆變器工作示意圖：

光伏并網逆變器主要由功率電路（IGBT開關電路）、DSP控制器、驅動器、電抗器、電容器、變壓器、電壓電流傳感器等組成。

其中，由直流轉變為交流的逆變環節主要由功率電路來完成，通過有規律的、有順序的開通就可以將直流逆變成交流，而這種有規律、有順序的控制來源于DSP控制器下發的PWM信號，經過驅動電路形成的。而控制信號的輸出來源于電路中分布的電壓電流傳感器的采集值經過電壓空間矢量SVPWM算法計算的結果。因此以上環節都至關重要。電抗器和電容器在系統中起到儲能、濾波的作用，變壓器起到升壓作用。

DSP控制器通過對外環電壓控制，進而控制光伏組件的輸出端電壓值，就可以控制光伏組件的輸出功率。通常稱這個過程為最大功率跟蹤（MPPT）。MPPT的原理來源于電源內阻值與所接負載值相等時，電源輸出的功率達到最大，因此不斷修改負載值，實際也就是改變負載兩端電壓值，就可以找到功率最大的匹配點。

除以上功能外，光伏并網逆變器必須具備孤島保護功能，即當電網出現故障時或者脫落時，逆變器要具備關機保護功能。否則會有觸電危險。

硬件構架圖如下：

<1>并網逆變器使用三菱IPM，耐壓1200V，母線使用500V電解電容

<2>網側并網側采用升壓三相變壓器，初級次級星形聯結方式。

<3>并網逆變器采用TI浮點DSP進行控制，使用一套研旭TMS320F28335的DSP控制板。

<4>采用一臺研旭仿真器完成系統控制算法的調試。

軟件構架圖如下：

逆變器將直流電轉換為與電網同步的三相交流電。通過電壓傳感器采集三相交流電的相電壓值UA、UB、UC，通過克拉克變換等效出兩相交流電的電壓值 Uα、Uβ，進而求出旋轉磁鏈的位置角γ。通過電流傳感器采集三相交流電的電流值 IA、IB、IC，同樣通過克拉克變換等效出兩相交流電的電流值 Iα、Iβ。由γ、Iα、Iβ通過帕克變換等效出旋轉直流的電流值 Id、Iq，從而得出內環的控制量 Id。外環電壓控制量與內環電流控制量疊加后與 Iq 再經過帕克逆變換，等效出 Uα`,Uβ`，在經過空間矢量控制輸出 PWM，控制功率管。

2.4 監控系統軟件

監控前臺上位機應用軟件為用戶提供了可視的操作界面，主要包括三大功能，分別為光伏PV模擬功能（需配套PV模擬器）、實時監控功能、歷史保存功能。其主界面如下：

PV模擬源MPPT測試界面

實時監控界面         

數據波形界面

監控軟件中還具備算法研究界面，即電網定向矢量算法。通過所示界面用戶可以非常清晰的了解算法的結構，同時可以獲取每個步驟的計算結果值，以便仿真分析。

算法研究界面

歷史保存功能

三、光伏發電實驗仿真平臺實驗組成

1、認知實驗：對整體系統組成拓撲和工作原理的熟知，為后面實驗提供基礎；

2、IV曲線模擬：學習設置模擬光伏IV曲線

3、MPPT實驗：了解MPPT原理；

4、逆變器并網實驗：直流電逆變成交流電；

5、低壓穿越實驗：當電網跌落后，發電機發電系統保證不能立刻脫網，要具備保持繼續往電網輸送能力的能力。這個實驗要求實驗室具備電網模擬器設備。

6、創造性實驗：通過對以上實驗的熟知以及對原理的掌握，加入自己的優化控制策略或者算法，使系統按照用戶的要求運行。如改進型SVPWM、將PID控制模型換位滑?？刂颇Ｐ突蚰：刂颇Ｐ偷?。

光伏系統實驗例程和項目

基礎實訓實驗：

1) 光伏的I-U 特性測試實驗

2) 光伏的輸出功率特性實驗   

3）光伏監控中心軟件操作實驗

4）直流電壓、電流采集實驗

5）交流電壓、電流采集實驗

6）并網逆變器安全保護和設計實驗

7）孤島效應實驗

8）實驗數據保存實驗

進階開放實驗：

1、光伏控制策略及編程實驗

2、最大功率跟蹤MPPT原理及控制實驗

3、外環電壓PI算法及控制原理實驗

4、內環電流PI算法及控制原理實驗

5、SVPWM算法原理實驗

四、光伏風力發電實驗仿真平臺開放資料

1、光伏PV模擬源：操作說明書，上位機控制軟件

2、并網逆變柜：

• 整體布線CAD圖、PDF圖；
• DSP控制核心板：protel 99se原理圖、PDF版本PCB、內部運行源代碼工程（內含算法靜態庫）、設計原理說明文檔；
• 控制底板：protel 99se原理圖、PDF版本PCB、設計原理說明文檔；
• 繼電器板：protel 99se原理圖、PDF版本PCB、設計原理說明文檔；
• IPM隔離電源板：protel 99se原理圖、PDF版本PCB、設計原理說明文檔；
• 算法設計說明文檔；

3、上位機監控軟件：

• 上位機應用軟件安裝文件；
• 數據庫安裝文件；
• 上位機DEMO例程；
• 操作說明；

4、整體系統

• 實驗操作手冊；
• 整體系統現場培訓