一种光伏电站模拟教仪运行系统的制作方法

本实用新型属于太阳能光伏产业领域，具体涉及一种光伏电站模拟教仪运行系统。

背景技术：

太阳能是人类取之不尽、用之不竭的可再生能源，具有充分的清洁性、绝对的安全性、相对的广泛性、确实的长寿命和免维护性、资源的充足性及潜在的经济性等优点，在长期的能源战略中具有重要地位。因此，与其它新型发电技术(风力发电与生物质能发电等)相比，太阳能光伏发电是一种具可持续发展理想特征(最丰富的资源和最洁净的发电过程)的可再生能源发电技术。

传统大型光伏电站建设耗资巨大，且在大型工业现场是真实生产，对相关电能质量有严格的要求，所以即使高校有相关合作，也难以进行科研模拟实验。没有相关实验的支撑，对太阳能电站的研究也就无从谈起。随着近年来教学设施投入的不断加大，一些高校也出现了太阳能光伏电站的大型实验室，有一套比较齐全的太阳能光伏电站的实验平台。不过这些实验室的建立都是在巨额资金投入的基础上，一个实验室下来动辄就要百万、甚至千万级别。而且此类实验室的设计完全模拟大型电站，对一些深层次的研究还是有很大的局限，例如大型成品逆变柜、控制柜的采用，使得电站的运行状态不能以数据的形式直接储存，给后续分析、研究带来很大不便。

传统光伏教学仪器结构简单，可完成的相关实验有限，大多作为学生的演示、实训平台，其相关实验也是大多只是设计基础实验，如太阳能发电原理，逆变原理等；由于设计的功能的单一性和涉及实验的基础性，作为科研仪器使用却是远远不足。

鉴于上述原因，本实用新型提出一种光伏电站模拟教仪运行系统。本实用新型能够实现太阳能真实电站的基本运行，并完成传统太阳能教学仪器的光伏阵列能量变换技术实验、光伏系统DC/DC控制器技术实验、模拟各种复杂环境下电站的运行状态等基本功能实验，还能够完成一些拓展实验，根据用户研究目的来自定义各种控制算法，以提供更高级的太阳能相关研究，如一键切换光伏阵列、现场监控太阳能发电状况，模拟阴影遮挡现象，逆变器控制算法和蓄电池控制算法等。

技术实现要素：

本实用新型目的是针对现有大型光伏电站难以做实验，传统光伏电站教学仪器难以模拟真实电站运行的情况，提供一种光伏电站模拟教仪运行系统。

本实用新型系统包括环境模拟层、光伏电站模拟层、光伏电站检测层、光伏电站通讯层、光伏电站监控层、光伏电站控制层、环境控制层；环境模拟层的一个信号输出端与光伏电站模拟层的一个信号输入端信号连接，另一个信号输出端与光伏电站检测层的一个信号输入端信号连接，光伏电站模拟层的信号输出端与光伏电站检测层的另一个信号输入端信号连接，光伏电站检测层的信号输出端与光伏电站通讯层的一个信号输入端信号连接，光伏电站通讯层的一个信号输出端与光伏电站监控层的信号输入端信号连接，光伏电站监控层的信号输出端与光伏电站通讯层的另一个信号输入端信号连接，光伏电站通讯层的另一个信号输出端与光伏电站控制层的信号输入端信号连接，光伏电站控制层的信号输出端与光伏电站模拟层的另一个信号输入端信号连接，光伏电站通讯层的又一个信号输出端与环境控制层的信号输入端信号连接，环境控制层的信号输出端与环境模拟层的信号输入端信号连接。

所述的环境模拟层用于获取整个系统的模拟环境变量，然后将环境变量信息传送至光伏电站模拟层、光伏电站检测层，所述的环境变量包括辐照度、温度、湿度、经纬度、高度角、方位角等，高度角和方位角分别指代太阳能光伏组件在二维空间中与水平面的两个夹角。其中辐照度、温度、湿度、经纬度、高度角、方位角分别可以通过辐照计、温湿度传感器、GPS和角度传感器进行获取，这里的获取方式为现有成熟技术。

所述的光伏电站模拟层首先根据环境模拟层传送的环境变量控制光伏电站的运作，同时根据光伏电站控制层传送的电站变量控制信号对光伏电站内部运行进行调整，然后将模拟电站变量传送至光伏电站检测层。所述的光伏电站模拟层内主要设有光伏组串拓扑结构、汇流箱、DC/DC控制器、蓄电池、逆变器、交流负载、直流负载。光伏组串拓扑结构的光生电流经过汇流箱汇总后，流向DC/DC控制器；从DC/DC控制器流出的电流一部分进入蓄电池，给蓄电池充电和给直流负载供电，另一部分多余的电能通过逆变器变成交流电，并入电网或给交流负载供电。所述的输出模拟电站变量也就是电站的主要运行参数，可以包括组件和组串或方阵电流、组件和组串或方阵电压、汇流箱电流、汇流箱电压、DC/DC控制器电流、DC/DC控制器电压、蓄电池电流、蓄电池电压、逆变器电流、逆变器电压、交流负载电流、DC/DC交流负载电压、直流负载电流、直流负载电压等。这里的组件和组串或方阵电流、组件和组串或方阵电压是针对光伏组串拓扑结构。

上述的各模拟电站变量的获取均可通过现有成熟技术获取。

所述的光伏电站检测层将接收到的模拟环境变量和模拟电站变量转换成相应的数字信号通过光伏电站通讯层，分别传送至环境控制层。光伏电站检测层通过传感器和变送器把模拟环境变量转换为数字信号，具体器件如下：FZD-A1型辐照度传感器、奥松电子AW1485A型温湿度变送器、NEO-6M UBLOX系列GPS模块、DWQY系列角度传感器。光伏电站检测层采用STM32F103VCT6系列单片机和MAX4080系列电流电压检测电路，通过现有成熟技术获取变量。

所述的光伏电站通讯层接收到由光伏电站检测层传送的数字信号和由光伏电站监控层传送的人机交互控制信号。该光伏电站通讯层输出的通讯信号分为无线信号和有线信号。

所述的光伏电站监控层为液晶屏，该屏可将光伏电站通讯层传送的现场数据信息显示，同时也可将操作员在屏上的人机交互控制信号反馈到光伏电站通讯层，然后分别传送至伏电站控制层、环境控制层。选用800*600的工控屏，配有专门为本模拟仪设计的嵌入式人机界面。

所述的光伏电站控制层根据接收到的光伏电站通讯层传送指令信号，将其转换成所需的控制量传送至光伏电站模拟层；光伏电站模拟层根据控制量，进而改变光伏电站的内部运行等。光伏电站控制层输出的控制量包括组件和组串电路的拓扑关系、DC/DC控制器的控制算法、蓄电池充放电控制器的算法、逆变器的控制算法、交流负载的控制、直流负载的控制等。所述的光伏电站控制层采用具体的器件为STM32F103VCT6系列单片机。

所述的光环境控制层根据接收到的光伏电站通讯层传送指令信号，将其转换成所需的控制量传送至环境模拟层。环境控制层输出的控制量包括辐照度、温度、湿度、经纬度、高度角、方位角等。所述的光伏电站控制层采用具体的器件为STM32F103VCT6系列单片机。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型系统既能够完成现有大型电站的功能，又能够在满足系统结构简单的前提下，相对于传统科研教仪，使得功能更加多样化，能够满足高校等科研单位，作为各种实验的演示、实训平台，如阴影遮挡实验、DC/DC控制器算法和光伏组件拓扑实验等，丰富的实验种类给科研人员和高校带来极大的便利。

附图说明

图1是本实用新型控制框图；

图2是本实用新型环境模拟层输入输出图；

图3是本实用新型光伏电站模拟层输入输出图；

图4是本实用新型光伏电站检测层输入输出图；

图5是本实用新型光伏电站通讯层输入输出图；

图6是本实用新型光伏电站监控层输入输出图；

图7是本实用新型光伏电站控制层输入输出图；

图8是本实用新型环境控制层输入输出图；

图9是本实用新型光伏电站模拟层内部示意图；

图10是本实用新型光伏电站模拟层内部光伏组件拓扑示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的分析。

图1中显示本实用新型便携式光伏电站模拟仪的系统控制框图包括环境模拟层、光伏电站模拟层、光伏电站检测层、光伏电站通讯层、光伏电站监控层、光伏电站控制层、环境控制层；

环境模拟层输出的环境数据信息分别直接传入光伏电站模拟层和光伏电站检测层，同时光伏电站模拟层的某些地方会被光伏电站检测层进行采样转换。光伏电站通讯层会接收光伏电站检测层传出的数据，同时也将接收光伏电站监控层通过人机交互产生的控制指令信息。光伏电站通讯层的输出大致分为控制指令和现场数据，相应的控制指令会反馈至光伏电站控制层或环境控制层，相应的现场数据反馈至光伏电站监控层。光伏电站控制层会根据相应的控制指令控制光伏电站模拟层输出的检测数据，类似的环境控制层会根据相应的控制指令控制环境模拟层输出的环境数据。

图2显示的是环境模拟层的输入输出。输出的模拟环境变量包括辐照度、温度、湿度、经纬度、高度角、方位角等。其中所述的高度角和方位角分别是太阳能光伏组件在二维空间中与水平面的两个夹角。模拟环境变量一方面受真实环境变量的影响，另一方面环境模拟层会根据环境控制层传送的环境变量控制信号做出相应的补偿。

图3显示的是光伏电站模拟层的输入输出。输入的模拟环境变量会直接影响到光伏电站模拟层的运作，同时输入的电站变量控制信号会对光伏电站模拟层内部结构等产生影响。其输出模拟电站变量也就是电站的主要运行参数，可以包括组件和组串或方阵电流、组件和组串或方阵电压、汇流箱电流、汇流箱电压、DC/DC控制器电流、DC/DC控制器电压、蓄电池电流、蓄电池电压、逆变器电流、逆变器电压、交流负载电流、交流负载电压、直流负载电流、直流负载电压等。

图4显示的是光伏电站检测层的输入输出。输入的模拟信号包括模拟环境变量和模拟电站变量。光伏电站检测层通过传感器、变送器等将接收到的模拟信号转换成相应的数字信号输出。

图5显示的是光伏电站通讯层的输入输出。输入的分别是数字信号和人机交互控制信号。而光伏电站通讯层输出的通讯信号可大致分为无线信号和有线信号两种。两种信号都能传输数据，有线信号还可以传输控制指令信号。通讯层数据输入监控层，控制指令传输至电站控制层和环境控制层。

图6显示的是光伏电站监控层的输入输出。通过有线或无线方式输出的现场数据信息，会通过光伏电站监控层显示出。根据显示的信息，操作员会有相应的操作，也即所说的人机交互。人机交互过程中光伏电站监控层会有人机交互控制信号的输出，这一信号也将反馈到光伏电站通讯层。

图7显示的是光伏电站控制层的输入输出。光伏电站控制层接收光伏电站通讯层输入的指令信号，输出针对光伏电站模拟层的控制量，进而改变光伏电站的结构等。光伏电站控制层输出的控制量包括组件和组串电路的拓扑关系、DC/DC控制器的控制算法、蓄电池充放电控制器的算法、逆变器的控制算法、交流负载的控制、直流负载的控制等。

图8显示的是环境控制层的输入输出。环境控制层接收光伏电站通讯层输入的指令信号，会做出一系列的反应，输出针对环境模拟层的控制量，进而影响实验环境。环境控制层输出的控制量包括辐照度、温度、湿度、经纬度、高度角、方位角等。

图9显示光伏组串拓扑结构1、汇流箱2、DC-DC转换器3、蓄电池4、逆变器5、交流负载6、直流负载开关7、直流负载8、汇流箱开关9、DC-DC转换器开关10、蓄电池开关11、逆变器开关12、交流负载开关13、监控系统14(STM32F103VCT6系列单片机为控制器)。

太阳光照射在光伏组串1上，由于光伏效应产生直流电，进入直流汇流箱2。在汇流箱2中汇流，电能进入DC-DC转换器3，再进入蓄电池4中储能。也可以直接进入逆变器5，逆变成交流电，提供给交流负载6使用。蓄电池4可以为直流负载8供电。监控系统14对此系统的汇流箱2、DC-DC转换器3、蓄电池4、逆变器5、交流负载6、直流负载8的电力性能进行监控。

图10显示光伏组串拓扑内部详细结构，包括光伏组串开关Q1～Q33。

本实施例电站模拟层的光伏组件拓扑图采用8块电池板串并联连接为例，1号-4号电池板为一行，5号-8号电池板为另一行，该拓扑结构可模拟四种工作过程：1*8阵列组合、8*1阵列组合、2*4阵列组合和4*2阵列组合。四种组合模式均可由外部工控屏或电脑一键切换，无需手动更改电路组合。

1*8阵列组合表示为8块电池板串联组合，使用时，系统自动闭合Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q9、Q11、Q13、Q16、Q18、Q21、Q24、Q26、Q27、Q28，其余开关都打开。

8*1阵列组合表示为8块电池板并联组合，使用时，系统自动闭合Q1、Q2、Q3、Q4、Q8、Q9、Q10、Q11、Q12、Q13、Q14、Q15、Q17、Q18、Q20、Q21、Q23、Q24、Q29、Q30、Q31、Q32，其余开关都打开。

2*4阵列组合表示为两组四块电池板串联组合后再并联，使用时，系统自动闭合Q5、Q6、Q7、Q8、Q10、Q12、Q14、Q15、Q18、Q21、Q24、Q26、Q27、Q28、Q29、Q33，其余开关都打开。

4*2阵列组合表示为四组两块电池板串联组合后再并联，使用时，系统自动闭合Q1、Q2、Q3、Q4、Q16、Q19、Q22、Q25、Q30、Q31、Q32，其余开关都打开。

本系统的工作过程：

实施例1、阴影遮挡实验

(1)启动模拟电站两侧的光源，将光照射到太阳能电池板；

(2)在模拟电站控制面板上，打开模拟电站的总开关和逆变器开关；

(3)观察电站是否为正常工作状态，即各项电流电压值是否处于正常范围；如果不是，调节至正常工作状态；

(4)观察模拟电站正常情况(不受遮挡)的组件、组串或方阵电流电压、DC/DC控制器电流电压、逆变器电流电压等，在控制面板上调整时间间隔并按下记录按钮，各种输出电流电压自动记录并显示在面板上；

(5)用一遮挡物(如白纸、布)放在太阳能电池板上，观察模拟电站的相应的输出电流电压值，在控制面板上调整相同的时间间隔并按下记录按钮，各种输出电流电压自动记录并显示在面板上；

(6)在其他条件相同的情况下，不断调整遮挡物的面积，观察模拟电站的相应的输出电流电压值，并按上述相同步骤记录。

真实环境的光源照射太阳能电池板，辐照度、温湿度和经纬度等环境模拟信号变量通过辐照计、温湿度传感器和GPS转换为数字信号进入光伏电站模拟层，经过光能到电能的转化，输出的模拟电站信号(组件、组串或方阵电流电压、汇流箱电流电压、DC/DC控制器电流电压、蓄电池电流电压、逆变器电流电压等)输入到光伏电站检测层，会被检测层的传感器、变送器等转换成相应的数字信号输出，数字信号输入电站通讯层，转换为通讯信号，通讯信号作为电流电压数据传入光伏电站监控层，显示给用户数据。用户要保留数据，按下控制面板按钮，信号传入监控层，监控层中会保留需要的数据。

电站运行过程中，可能会受到建筑物遮挡或者组件表面污垢的影响，发电效率下降。通过阴影遮挡实验，可以模拟真实阴影遮挡环境，通过对电站运行情况的分析与总结，以减少阴影对光伏电站系统的影响。

实施例2、DC/DC控制器的控制算法实验

(1)启动模拟电站两侧的光源，将光照射到太阳能电池板；

(2)在模拟电站控制面板上，打开模拟电站的总开关；

(3)观察电站是否为正常工作状态，即各项电流电压值是否处于正常范围；如果不是，调节至正常工作状态；

(4)在控制面板，选择电站自带的算法(如扰动观测算法、电导增量算法、神经网络控制算法)

(5)按下选择键后，观察组件、组串或方阵电流电压、汇流箱电流电压、DC/DC控制器电流电压、蓄电池电流电压；

(6)在其他条件相同的情况下，仅改变控制算法种类，比较上述电流电压；也可以经人机交互界面可通过外设输入用户自定义的DC/DC控制器算法；

(7)在控制面板上，调整时间间隔，显示电流电压曲线图，多种算法所产生的曲线图可叠加比较。

真实环境的光源照射太阳能电池板，辐照度、温湿度和经纬度等环境模拟信号变量通过辐照计、温湿度传感器和GPS转换为数字信号进入光伏电站模拟层，经过光能到电能的转化，输出的模拟电站信号(组件、组串或方阵电流电压、汇流箱电流电压、DC/DC控制器电流电压、蓄电池电流电压)输入到光伏电站检测层，会被检测层的传感器、变送器等转换成相应的数字信号输出，数字信号输入电站通讯层，转换为通讯信号，通讯信号作为电流电压数据传入光伏电站监控层，显示给用户数据。用户在人机交互界面中选择DC/DC控制器算法，反馈到监控层，人机交互控制信号输入到电站通讯层，产生相应控制算法的控制指令，通知电站控制层的算法在电站模拟层中执行，DC/DC控制器执行相应的算法。用户要保留数据，按下控制面板按钮，信号传入监控层，监控层中会保留需要的数据。

通过DC/DC控制器算法来调节太阳能电池阵列的输出电压，达到最大功率点跟踪的目的。本实验可以对各种控制算法进行综合比较，这对于提高系统整体效率有极其重要的作用。

实施例3：组件、组串电路的拓扑关系实验

(1)启动模拟电站两侧的光源，将光照射到太阳能电池板；

(2)在模拟电站控制面板上，打开模拟电站的总开关，再打开逆变器开关和交直流负载开关；

(3)观察电站是否为正常工作状态，即各项电流电压值是否处于正常范围；如果不是，调节至正常工作状态；

(4)在控制面板，电路拓扑结构选项，分别为1*8阵列组合(8块电池板串联组合)、8*1阵列组合(8块电池板并联组合)、2*4阵列组合(两组四块电池板串联组合后再并联)和4*2阵列组合(四组两块电池板串联组合后再并联)；

(5)按下任意阵列组合按钮后，观察组件、组串或方阵电流电压、汇流箱电流电压、DC/DC控制器电流电压、蓄电池电流电压、逆变器电流电压和交直流负载电流电压变化；

(6)在其他条件相同的情况下，仅切换阵列组合，观察和比较个电流电压变化；

(7)在控制面板上，调整时间间隔，显示电流电压曲线图，四种阵列组合曲线图可叠加综合比较。

真实环境的光源照射太阳能电池板，辐照度、温湿度和经纬度等环境模拟信号变量通过辐照计、温湿度传感器和GPS转换为数字信号进入光伏电站模拟层，经过光能到电能的转化，输出的模拟电站信号(组件、组串或方阵电流电压、汇流箱电流电压、DC/DC控制器电流电压、蓄电池电流电压、逆变器电流电压和交直流负载电流电压)输入到光伏电站检测层，会被检测层的传感器、变送器等转换成相应的数字信号输出，数字信号输入电站通讯层，转换为通讯信号，通讯信号作为电流电压数据传入光伏电站监控层，显示给用户数据。用户在人机交互界面中，切换阵列组合，电站监控层的人机交互信号输入通讯层，产生响应的控制指令，控制指令传输到电站控制层，控制层调用相应的电路拓扑控制信号输入到电站模拟层，模拟层的拓扑电路接受到信号，切换电路至相应的阵列结构。用户要保留数据，按下控制面板按钮，信号传入监控层，监控层中会保留需要的数据。

本实验通过变换电池板组串拓扑结构，研究对电站发电效率的影响。一键切换，操作方便快捷，省去研究者自己连接电池板的麻烦。对电池板安装厂家也有一定的借鉴意义。

实施例4：蓄电池充放电控制器的算法实验

(1)启动模拟电站两侧的光源，将光照射到太阳能电池板；

(2)在模拟电站控制面板上，打开模拟电站的总开关和直流负载开关；

(3)观察电站是否为正常工作状态，即各项电流电压值是否处于正常范围；如果不是，调节至正常工作状态；

(4)在控制面板，选择电站自带的蓄电池充放电控制器算法种类(如经典PID控制算法、DSP脉冲精确控制算法)；

(5)按下选择键后，观察组件、组串或方阵电流电压、汇流箱电流电压、DC/DC控制器电流电压、蓄电池电流电压和直流负载电流电压；

(6)在其他条件相同的情况下，仅改变蓄电池充放电控制器控制算法种类，比较上述电流电压和直流负载功率；也可以经人机交互界面可通过外设输入用户自定义的蓄电池充放电控制算法；

(7)在控制面板上，调整时间间隔，显示电流电压曲线图，多种算法所产生的曲线图可叠加比较。观察各个算法对直流负载输出的功率大小。

真实环境的光源照射太阳能电池板，辐照度、温湿度和经纬度等环境模拟信号变量通过辐照计、温湿度传感器和GPS转换为数字信号进入光伏电站模拟层，经过光能到电能的转化，输出的模拟电站信号(组件、组串或方阵电流电压、汇流箱电流电压、DC/DC控制器电流电压、蓄电池电流电压和直流负载电流电压)输入到光伏电站检测层，会被检测层的传感器、变送器等转换成相应的数字信号输出，数字信号输入电站通讯层，转换为通讯信号，通讯信号作为电流电压数据传入光伏电站监控层，显示给用户数据。用户在人机交互界面中选择蓄电池充放电控制器算法，反馈到监控层，人机交互控制信号输入到电站通讯层，产生相应控制算法的控制指令，通知电站控制层的算法在电站模拟层中执行，蓄电池充放电控制器执行相应的算法。用户要保留数据，按下控制面板按钮，信号传入监控层，监控层中会保留需要的数据。

通过蓄电池控制器算法能充分利用太阳能的同时提高蓄电池的荷电状态，从而延长蓄电池的使用寿命，使负载和逆变器的工作效率提高。本实验可以对各种控制算法进行综合比较，这对于提高系统整体效率有极其重要的作用。

实施例5：逆变器的控制算法实验

(1)启动模拟电站两侧的光源，将光照射到太阳能电池板；

(2)在模拟电站控制面板上，打开模拟电站的总开关，再打开逆变器开关和交流负载开关；

(3)观察电站是否为正常工作状态，即各项电流电压值是否处于正常范围；如果不是，调节至正常工作状态；

(4)在控制面板，选择电站自带的逆变器控制算法种类(如数字PID控制算法、状态反馈控制)；

(5)按下选择键后，观察组件、组串或方阵电流电压、汇流箱电流电压、DC/DC控制器电流电压、蓄电池电流电压、逆变器电流电压和交流负载电流电压；

(6)在其他条件相同的情况下，仅改变逆变器控制算法种类，比较上述电流电压；也可以经人机交互界面可通过外设输入用户自定义的逆变器控制算法；

(7)在控制面板上，调整时间间隔，显示电流电压曲线图，多种算法所产生的曲线图可叠加比较。

真实环境的光源照射太阳能电池板，辐照度、温湿度和经纬度等环境模拟信号变量通过辐照计、温湿度传感器和GPS转换为数字信号进入光伏电站模拟层，经过光能到电能的转化，输出的模拟电站信号(组件、组串或方阵电流电压、汇流箱电流电压、DC/DC控制器电流电压、蓄电池电流电压、逆变器电流电压和交流负载电流电压)输入到光伏电站检测层，会被检测层的传感器、变送器等转换成相应的数字信号输出，数字信号输入电站通讯层，转换为通讯信号，通讯信号作为电流电压数据传入光伏电站监控层，显示给用户数据。用户在人机交互界面中选择逆变器控制算法，反馈到监控层，人机交互控制信号输入到电站通讯层，产生相应控制算法的控制指令，通知电站控制层的算法在电站模拟层中执行，逆变器的控制电路执行相应的算法。用户要保留数据，按下控制面板按钮，信号传入监控层，监控层中会保留需要的数据。

通过逆变器控制算法提高光伏电站并网发电效率。本实验可以选择多种控制算法，对电站逆变转换效率进行比较验证，从而对研究逆变结构与控制方法提高系统发电效率、降低成本具有极其重要的意义。

上述实施例并非是对于本实用新型的限制，本实用新型并非仅限于上述实施例，只要符合本实用新型要求，均属于本实用新型的保护范围。