并网光伏发电教学实验装置的制作方法

本发明涉及光伏发电并网技术，特别涉及并网光伏发电教学实验装置。

背景技术：

并网光伏发电是新能源开发利用的重要途径之一。并网光伏发电系统包括光伏阵列和并网逆变器，其中并网逆变器是光伏发电系统的核心装置。由于光伏阵列输出的电流、电压具有强烈的非线性，又由于光伏阵列所处环境的光强和环境温度等条件的不断变化，并网逆变器不仅具有将不断变化的直流电转化为稳定的交流电，还必须具有复杂的功率最大点跟踪算法（mppt）和同步并网算法。为了便于科研院所对并网逆变器的复杂控制算法的开发，以及高校对并网光伏发电系统原理的教学实验研究需求和推广，有些公司推出各种光伏发电系统的实验和实训平台，但是该平台的缺点是：价格非常贵且输出电压为220v或380v，对于非电气类高校和非电类专业学生来说，根本无法承受昂贵的经济负担和非电类学生实验安全要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种经济安全的并网光伏发电系统教学实验装置，克服目前用于光伏发电系统的教学实验的各种实训平台结构复杂、价格高和安全性差、无法在实际教学实验和科研中得到广泛推广的缺点。

本发明采用以下技术方案实现上述目的。并网光伏发电系统教学实验装置，包括并网光伏发电系统和交流电网模拟系统，并网光伏发电系统包括小功率光伏阵列和并网光伏逆变器，且小功率光伏阵列通过dcbus（直流母线）与并网光伏逆变器连接；交流电网模拟系统由变频调速器、gcu（励磁调节器）、汽车发电机和交流负载装置组成，汽车发电机连接有变频调速器和gcu，汽车发电机通过acbus（交流母线）分别与并网光伏逆变器和交流负载装置连接。

进一步，所述并网光伏逆变器包括直流升压dcdc、解耦电容、三相逆变桥、交流滤波器、dcpwm驱动电路、ac/dcpwm驱动电路和mcu（中央控制器）；小功率光伏阵列11分别通过输入端的电压传感器和电流传感器依次连接直流升压dcdc、解耦电容、三相逆变桥和交流滤波器；交流滤波器与输出端的电压传感器和电流传感器连接；输入端的电压传感器和电流传感器通过输入电压电流检测装置连接mcu，输出端的电压传感器和电流传感器通过输出电压电流检测装置连接mcu；mcu中的pwm口ⅰ通过dcpwm驱动电路连接直流升压dcdc；mcu中的pwm口ⅱ通过ac/dcpwm驱动电路连接三相逆变桥；ipc通过rs485口连接mcu。

变频调速器是驱动和控制发电机的速度，让发电机发出50hz的交流电以模拟实际电网的频率；gcu主要是控制汽车发电机的励磁，目的是控制汽车发电机输出的三相电的电压幅值，汽车发电机在变频调速器的驱动和gcu的共同控制下发出相电压为22v，频率为50hz的三相交流电，以模拟实际相电压220v，频率为50hz的三相交流电网。

本发明解决了传统并网光伏发电系统教学实验平台和实训平台结构复杂、价格昂贵、安全性差等难题，利用高精度低成本的tms320lf2407芯片作为中央控制器，可以完成复杂的mppt控制算法、正弦脉宽调制脉冲生成算法以及同步并网控制算法等，可完全模拟并网光伏发电系统在不同运行条件下的发电控制算法验证和测试性能要求。通过还原和模拟并网光伏发电系统在不同环境条件下运行状态和控制算法验证和测试，从而为光伏发电系统优化控制、mppt的跟踪和可靠性分析教学实验研究提供平台和依据。而且本发明的并网光伏发电教学实验装置，投资最多也仅为传统并网光伏实验平台和实训平台研发费用的十五分之一左右，运行费用低且安全可靠，满足了高校和科研院所对并网光伏发电教学实验的经济性和安全性要求。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明中并网光伏逆变器12的系统示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。参见图1和图2，并网光伏发电系统教学实验装置，包括并网光伏发电系统1和交流电网模拟系统2，其特征在于：并网光伏发电系统1包括小功率光伏阵列（太阳能电池板）11和并网光伏逆变器12，且小功率光伏阵列（太阳能电池板）11通过dcbus（直流母线）与并网光伏逆变器12连接，并网光伏逆变器12将光伏阵列输出的0-34v直流电压在mcu111的控制下，经过直流升压dcdc102、解耦电容103、三相逆变桥104以及交流滤波器105后输出22v的三相交流电，其实现光伏发电的逆变功能；交流电网模拟系统2由变频调速器21、gcu（励磁调节器）23、汽车发电机22和交流负载装置24组成，汽车发电机22连接有变频调速器21和gcu23，汽车发电机22通过acbus（交流母线）分别与并网光伏逆变器12和交流负载装置24连接；变频调速器21是驱动和控制发电机的速度，让发电机发出50hz的交流电以模拟实际电网的频率；gcu23主要是控制汽车发电机的励磁，目的是控制汽车发电机输出的三相电的电压幅值，汽车发电机22在变频调速器21的驱动和gcu23的共同控制下发出相电压为22v，频率为50hz的三相交流电，以模拟实际相电压220v，频率为50hz的三相交流电网；

（如图2所示）所述并网光伏逆变器12包括直流升压dcdc102、解耦电容103、三相逆变桥104、交流滤波器105、dcpwm驱动电路108、ac/dcpwm驱动电路109和mcu（tms320lf2407中央控制器）111；小功率光伏阵列（太阳能电池板）11分别通过输入端的电压传感器101和电流传感器100依次连接直流升压dcdc102、解耦电容103、三相逆变桥104和交流滤波器105；交流滤波器105与输出端的电压传感器101和电流传感器100连接；输入端的电压传感器101和电流传感器100通过输入电压电流检测装置106连接mcu111，输出端的电压传感器101和电流传感器100通过输出电压电流检测装置107连接mcu111；mcu111中的pwm口ⅰ通过dcpwm驱动电路108连接直流升压dcdc102；mcu111中的pwm口ⅱ通过ac/dcpwm驱动电路109连接三相逆变桥104；ipc110（后台监控计算机）通过rs485口连接mcu111。后台监控计算机ipc110安装有vb6.0开发的并网光伏发电系统监控软件v2.1，该软件负责显示由mcu111通过rs485口传来的光伏发电系统实时运行参数，如：并网电流、电压、频率、有功功率、无功功率等各种运行参数。

所述直流升压dcdc102将小功率光伏阵列11输出的0-34v变化的直流电压升压并稳定为36v直流电压；所述解耦电容103是实现直流和交流电压的解耦，便于交直流控制；所述三相整流桥104是将直流电压逆变为所需要的三相交流电；所述交流滤波器105实现交流滤波功能，将三相逆变桥104输出的工频以外的交流电滤除；所述输入、输出电压传感器101和输入、输出电流传感器102分别采样输入交流电压电流和输出直流电压电流的参数，并送至mcu（tms320lf2407中央控制器）111实现实时控制；dcpwm驱动电路108、dc/acpwm驱动电路109实现对mcu111输出信号的放大然后分别控制直流升压dcdc102和三相逆变桥104；mcu111实现高性能复杂控制算法。具体电路连接为：小功率光伏阵列11输出的0-34v变化的直流电压作为并网逆变器的dc（直流）输入电压,其直接和直流升压dcdc102连接，同时其也与电压传感器101和电流传感器102相连，目的是测量输入直流电压和电流大小；直流升压dcdc102也同时和dcpwm驱动电路108和解耦电容103相连，直流升压dcdc102在dcpwm驱动电路108的控制下输出直流电压约为36v，该电压经过解耦电容103稳压后再连接到三相逆变桥104，三相逆变桥104也同时和dc/acpwm驱动电路109相连，在dc/acpwm驱动电路109的控制下三相逆变桥104输出较稳定三相交流电压，三相逆变桥104输出连接到交流滤波器105，经过其滤波之后输出标准50hz的稳定三相正弦波电压，后台监控计算机ipc110通过rs485口和mcu（tms320lf2407）111中央控制器相连，实现实时通讯，记录和显示各种控制参数。

为了有效地实现并网光伏发电系统的经济性、可靠性和安全性，本装置采用低成本的小功率光伏阵列11作为输入，直流升压dcdc102和三相逆变桥104均采用低功耗、低价格的高频mos管，mcu（tms320lf2407）111中央处理器采用低成本的ti公司的tms320lf2407芯片；交流电网模拟系统2模拟电网采用由低成本的汽车发电机改造而成三相21v交流电网，频率50hz。本发明的教学实验装置不仅有较高的静态精度，还要有良好的动态特性，能够完全实现光伏发电系统的智能控制各种控制算法和原理，同时也考虑学生实验的人身安全性和设备的安全性，为教学实验研究和开发高性能的光伏发电优化控制算法提供必要的测试手段和相应的低成本硬件实验装置。

小功率光伏阵列（太阳能电池板）11作为光伏发电系统的直流电源，其输出电压和电流随着光强和环境温度的变化而变化，其输出的电压范围为0-34v；并网逆变器12由直流升压dcdc102、解耦电容103、三相逆变桥104和交流滤波器105组成，直流升压dcdc102在由集成在tms320lf2407中的pid控制算法产生的频率为10khz的脉宽调制信号的控制下，将小功率光伏阵列11输出的0-34v的变化直流电压升压到稳定的36v直流电，再通过解耦电容后供给三相逆变桥105逆变，本级同时实现最大功率点跟踪（mppt）；三相逆变桥105的功能是实现将稳定的36v直流电转化为相电压为22v的三相正弦交流电，具体实现过程是中央处理器tms320lf2407实时跟踪直流母线电压大小和电网频率，再根据建立在tms320lf2407中的正弦脉宽调制控制算法，产生相应占空比的六路脉宽调制信号，经过脉冲dc/acpwm驱动电路109后驱动三相逆变桥105，三相逆变桥104输出经过交流滤波器105后，使三相逆变桥104输出与模拟电网同步的三相正弦电流。从小功率光伏阵列11产生的0-34vdc作为输入到最后相对稳定的三相交流电输出，整个功率转换电路以及控制电路的硬件架构简单、经济和可靠。

实验装置中的mcu（tms320lf2407）111中央控制器完成对输出交流电压、电流、输入直流电压的检测和转换，实时检测和计算小功率光伏阵列11输入功率和并网的输出功率，根据在mcu（tms320lf2407）111中央控制器内部建立的最大功率点算法（mppt）模型和正弦脉宽调制算法模型，再通过模糊pid控制算法对误差和误差变化率进行智能模糊运算，实时计算出pwm的占空比，将输出的带有相应占空比的控制信号经过dcpwm驱动电路108,dc/acpwm驱动电路109放大后分别驱动直流升压电路dcdc102和三相逆变桥104，使三相逆变桥104输出高质量的三相正弦波电流，同时实现最大功率点跟踪，具体电路结构实现如图2。