能源模拟系统以及装置的制作方法

本公开涉及电气领域，具体而言，涉及一种能源模拟系统、方法以及电子设备。

背景技术：

太阳能光伏并网发电因其可再生、低污染、易传输等优点已成为太阳能利用的主要方式和研究热点，而在对光伏并网发电的核心设备——光伏并网逆变器的调试过程中，如采用实物太阳能光伏阵列作为输入，其光照强度、温度等因素导致模拟调试周期长，诸多情况不易模拟等问题都限制了光伏并网逆变器的调试。由于能源模拟系统可以在短时间内模拟任意温度和光照强度情况的太阳能特性曲线的输出，所以它的研制解决了上述问题，大大缩短了光伏并网逆变器的研制周期并降低了其成本。

现有光伏整列模拟器的主电路主要采用buck电路，二象限斩波电路等非隔离电路，功率较小，升压能力有限，且当主电路发生故障时，由于没有隔离变压器，会造成后端设备，如光伏逆变器的损坏。

现有能源模拟系统对光伏特性曲线的模拟采用计算法，计算法是通过光伏曲线等效关系式的方式，根据输入的电压实时计算电流值，由于所述光伏曲线等效关系式不能通过函数直接计算生成，而通过常用的牛顿迭代法需要占用大量的计算资源，导致系统响应性能降低，特别是模拟光伏阵列的阴影的情况时，光伏曲线等效关系式发生交替变化，计算量成倍的增加，现有计算法模拟不能满足实时性的要求。

因此，需要一种或多种系统解决上述问题。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现要素：

本公开的目的在于提供一种能源模拟系统、方法以及电子设备，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

根据本公开的一个方面，提供一种能源模拟系统，包括：

整流模块、隔离模块、逆变器、采样模块、控制模块、驱动模块和电源模块；其中：整流模块通过隔离模块与逆变器的输入端连接；采样模块的输入端与隔离模块的输出端连接、采样模块的输出端与控制模块的输入端连接，控制模块的输出端与驱动模块的输入端连接，驱动模块的输出端与隔离模块相连接，电源模块分别与驱动模块和控制模块相连接。

在本公开的一种示例性实施例中，所述的整流模块包括三相不控整流桥、第一滤波电容c1和第二滤波电容c2，三相不控整流桥的输入端与三相交流电源连接，三相不控整流桥的输出端与隔离模块的输入端连接；第一滤波电容c1和第二滤波电容c2依次串联在三相不控整流桥输出端的正负极之间。

在本公开的一种示例性实施例中，所述的三相不控整流桥为三相全波不控整流桥；所述的第一滤波电容c1和第二滤波电容c2采用串联方式的螺栓式铝电解电容。

在本公开的一种示例性实施例中，所述的隔离模块为带隔离的无源钳位移相全桥电路，包括igbt单相全桥电路、隔离变压器和单相不控整流桥；其中：igbt单相全桥电路的输入端与整流模块输出端连接，igbt单相全桥电路的输出端与隔离变压器的原边绕组连接，隔离变压器的副边绕组与单相不控整流桥的输入端连接，单相不控整流桥的输出端输出直流电压。

在本公开的一种示例性实施例中，所述的单相不控整流桥包括单相整流桥、第一限流二极管d1、第二限流二极管d2、第五电容器c5和电感l1；

所述的隔离变压器的磁芯原副边匝数比为1.1；

在本公开的一种示例性实施例中，所述的逆变器为负载，采用光伏阵列逆变器。

在本公开的一种示例性实施例中，所述的信号采样模块包括电压霍尔传感器vt1和电流霍尔传感器ct1，电压霍尔传感器vt1采样端并联在第六电容器c6两端，电压霍尔传感器vt1的输出端与控制模块连接，电流霍尔传感器ct1采样端串联在隔离模块中单相不控整流桥的正输出端上，电流霍尔传感器ct1的输出端与控制模块连接。

在本公开的一种示例性实施例中，所述的控制模块包括查表单元、比较单元、pid调节器和脉宽发生器；查表单元输入端与电压霍尔传感器vt1的输出端连接，比较单元输入端与查表单元输出端和电流霍尔传感器ct1输出端连接，比较单元输出端与pid调节器输入端连接，pid调节器输出端连接脉宽发生器输入端，脉宽发生器输出端连接所述驱动模块的输入端。

在本公开的一种示例性实施例中，所述的驱动模块为igbt单相全桥电路21的驱动电路，包括四路驱动电路，用于分别驱动第一igbt管s1、第二igbt管s2、第三igbt管s3和第四igbt管s4。

在本公开的一种示例性实施例中，所述的电源模块为控制模块的工作电源。

在本公开的一个方面，提供一种能源模拟方法，包括：

采样信号步骤，接收采样模块发送的电压采样值、电流采样值；

参数查表步骤，将所述电压采样信号在预设的光伏阵列曲线的数据查询表中查找对应的理论电流值；

pwm信号生成步骤，计算所述理论电流值与电流采样值的差值，计算并通过pid参数生成用于驱动igbt的pwm信号。

pwm信号驱动步骤，将所述pwm信号加载至各功率元件的驱动单元，完成对能源模拟系统的控制。

在本公开的一个方面，提供一种电子设备，包括：

处理器；以及

存储器，所述存储器上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令被所述处理器执行时实现根据上述任意一项所述的系统。

在本公开的一个方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现根据上述任意一项所述的系统。

本公开的示例性实施例中的能源模拟系统，包括：整流模块、隔离模块、逆变器、采样模块、控制模块、驱动模块和电源模块；整流模块通过隔离模块与逆变器的输入端连接；采样模块的输入端与隔离模块的输出端连接、采样模块的输出端与控制模块的输入端连接，控制模块的输出端与驱动模块的输入端连接，驱动模块的输出端与隔离模块相连接，电源模块分别与驱动模块和控制模块相连接。本发明以带隔离的无源钳位移相全桥电路作为主电路，可实现大功率运行、较宽的电压调节范围，并实现了对逆变器的电气隔离保护，增强了系统的安全性能。采用查表作为光伏特性曲线模拟的方式，既提高了模拟光伏特性曲线的快速响应性，又无需占用大量的储存空间。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

通过参照附图来详细描述其示例实施例，本公开的上述和其它特征及优点将变得更加明显。

图1示出了根据本公开一示例性实施例的能源模拟系统的组成框图；

图2示出了根据本公开一示例性实施例的能源模拟系统的电路原理图；

图3示出了根据本公开一示例性实施例的能源模拟方法的流程图；

图4示意性示出了根据本公开一示例性实施例的电子设备的框图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本公开将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的系统、组元、材料、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、系统、装置、实现、材料或者操作以避免模糊本公开的各方面。

附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个软件硬化的模块中实现这些功能实体或功能实体的一部分，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

在本示例实施例中，首先提供了一种能源模拟系统；参考图1中所示，该能源模拟系统可以包括整流模块、隔离模块、逆变器、采样模块、控制模块、驱动模块和电源模块；其中：整流模块通过隔离模块与逆变器的输入端连接；采样模块的输入端与隔离模块的输出端连接、采样模块的输出端与控制模块的输入端连接，控制模块的输出端与驱动模块的输入端连接，驱动模块的输出端与隔离模块相连接，电源模块分别与驱动模块和控制模块相连接。

本公开的示例性实施例中的能源模拟系统，包括：整流模块、隔离模块、逆变器、采样模块、控制模块、驱动模块和电源模块；整流模块通过隔离模块与逆变器的输入端连接；采样模块的输入端与隔离模块的输出端连接、采样模块的输出端与控制模块的输入端连接，控制模块的输出端与驱动模块的输入端连接，驱动模块的输出端与隔离模块相连接，电源模块分别与驱动模块和控制模块相连接。本发明以带隔离的无源钳位移相全桥电路作为主电路，可实现大功率运行、较宽的电压调节范围，并实现了对逆变器的电气隔离保护，增强了系统的安全性能。采用查表作为光伏特性曲线模拟的方式，既提高了模拟光伏特性曲线的快速响应性，又无需占用大量的储存空间。

下面，将对本示例实施例中的能源模拟系统进行进一步的说明。

如图1所示，所述系统包括整流模块、隔离模块、逆变器、采样模块、控制模块、驱动模块和电源模块；其中：整流模块通过隔离模块与逆变器的输入端连接；采样模块的输入端与隔离模块的输出端连接、采样模块的输出端与控制模块的输入端连接，控制模块的输出端与驱动模块的输入端连接，驱动模块的输出端与隔离模块相连接，电源模块分别与驱动模块和控制模块相连接。

在本示例的实施例中，如图2所示的能源模拟系统的电路原理图中，所述的整流模块包括三相不控整流桥、第一滤波电容c1和第二滤波电容c2，三相不控整流桥的输入端与三相交流电源连接，三相不控整流桥的输出端与隔离模块的输入端连接；第一滤波电容c1和第二滤波电容c2依次串联在三相不控整流桥输出端的正负极之间。

在本示例的实施例中，所述的三相不控整流桥为三相全波不控整流桥；所述的第一滤波电容c1和第二滤波电容c2采用串联方式的螺栓式铝电解电容。

在本示例的实施例中，述的隔离模块为带隔离的无源钳位移相全桥电路，包括igbt单相全桥电路、隔离变压器和单相不控整流桥；其中：igbt单相全桥电路的输入端与整流模块输出端连接，igbt单相全桥电路的输出端与隔离变压器的原边绕组连接，隔离变压器的副边绕组与单相不控整流桥的输入端连接，单相不控整流桥的输出端输出直流电压。

在本示例的实施例中，所述的单相不控整流桥包括单相整流桥、第一限流二极管d1、第二限流二极管d2、第五电容器c5和电感l1；单相整流桥的直流输入端与隔离变压器的次级绕组相连接，单相整流桥直流输出端的正极分别连接电感l1和第五电容器c5，电感l1的另一端为单相不控整流桥的正输出端，单相整流桥直流输出端的负极为单相不控整流桥的负输出端；第五电容器c5的另一端分别连接第一限流二极管d1的阳极和第二限流二极管d2的阴极，第一限流二极管d1的阴极和第六电容器c6的一端均与单相不控整流桥的正输出端连接，第二限流二极管d2的阳极和第六电容器c6的另一端均与单相不控整流桥的负输出端连接。

所述的隔离变压器的磁芯原副边匝数比为1.1。

所述的igbt单相全桥电路为igbt单相全桥逆变电路，包括第一igbt管s1、第二igbt管s2、第三igbt管s3和第四igbt管s4、第一吸收电容c3和第二吸收电容c4；第一igbt管s1和第三igbt管s3组成超前臂，其中：第一igbt管s1的集电极与整流模块1输出端的正极连接，第三igbt管s3的发射极与整流模块1输出端的负极连接，第一igbt管s1的发射极与第三igbt管s3的集电极连接，此点为超前臂的中点，与隔离变压器原边绕组的一端连接；第二igbt管s2和第四igbt管s4组成滞后臂，其中：第二igbt管s2的集电极与整流模块1输出端的正极连接，第四igbt管s4的发射极与整流模块1输出端的负极连接，第二igbt管s2的发射极与第四igbt管s4的集电极连接，此点为滞后臂的中点，与隔离变压器原边绕组的另一端连接；

第一吸收电容c3与第二吸收电容c4分别并联在第一igbt管s1与第三igbt管s3的输出两端。

在本示例的实施例中，与零电压零电流全桥移相电路相比，如图2所示电路的副边增加电感l2，实现了副边的无源钳位，所述无源钳位移相全桥电路由于原副边同时增加了钳位电路，副边整流管上的尖峰和振荡得到大幅地抑制，emi改善、效率提升等。

在本示例的实施例中，所述的逆变器为负载，采用光伏阵列逆变器。

在本示例的实施例中，所述的信号采样模块包括电压霍尔传感器vt1和电流霍尔传感器ct1，电压霍尔传感器vt1采样端并联在第六电容器c6两端，电压霍尔传感器vt1的输出端与控制模块连接，电流霍尔传感器ct1采样端串联在隔离模块中单相不控整流桥的正输出端上，电流霍尔传感器ct1的输出端与控制模块连接。

在本示例的实施例中，所述的控制模块包括查表单元、比较单元、pid调节器和脉宽发生器；查表单元输入端与电压霍尔传感器vt1的输出端连接，比较单元输入端与查表单元输出端和电流霍尔传感器ct1输出端连接，比较单元输出端与pid调节器输入端连接，pid调节器输出端连接脉宽发生器输入端，脉宽发生器输出端连接所述驱动模块的输入端。

在本示例的实施例中，所述的驱动模块为igbt单相全桥电路21的驱动电路，包括四路驱动电路，用于分别驱动第一igbt管s1、第二igbt管s2、第三igbt管s3和第四igbt管s4。

在本示例的实施例中，所述的电源模块为控制模块的工作电源。

在本示例的实施例中，所述控制模块在查表单元中通过迭代计算来实现对光伏特性曲线的模拟转化。在太阳能光伏电池板的等效电路中，光电效应的部分可以认为是一个恒流源，其输出的电流iph基本保持不变，光伏特性曲线公式表达式为：

其中，id为二极管反向饱和电流，其单位为a；

iph为太阳能光伏电池光生电流，其单位为a；

q为单位电荷，其单位为c；

k为玻耳兹曼常数，其单位为j/k；

t为太阳能光伏电池对应的绝对温度，其单位为k；

r和rsh分别为串并联电阻，单位为ω；

n为二极管因子。

在控制模块中，要实现对光伏特性曲线的模拟，储存所模拟的太阳能电池板额定参数、已知常数和光伏特性曲线公式，并将采样电压值代入上述公式，预先通过仿真软件计算实现对光伏特性曲线的模拟，求得所述采样电压值对应的理论电流值，按照一定密度生成数据查询表，所述数据查询表包含采样电压与理论电流值的对应关系。比较单元将采样电流值与理论电流值进行比较，得到误差电流值，并将误差电流值通过pid调节器对误差电流值进行比例微分积分调节，脉宽发生器将调节后的信号生成pwm信号，并发送至驱动模块，进一步来实现对主电路的控制，完成光伏特性曲线的模拟。

对不同太阳能电池板的光伏特性曲线进行模拟时，需对所述太阳能电池板重新计算生成新的数据查询表替代之前的数据查询表，来实现光伏特性曲线的改变。

需要说明的是，尽管在附图中以特定顺序描述了本公开中系统的各个步骤，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些步骤，或是必须执行全部所示的步骤才能实现期望的结果。附加的或备选的，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，以及/或者将一个步骤分解为多个步骤执行等。

此外，在本示例实施例中，还提供了一种能源模拟方法。参照图3所示，该能源模拟方法包括：

采样信号步骤，接收采样模块发送的电压采样值、电流采样值；

参数查表步骤，将所述电压采样信号在预设的光伏阵列曲线的数据查询表中查找对应的理论电流值；

pwm信号生成步骤，计算所述理论电流值与电流采样值的差值，计算并通过pid参数生成用于驱动igbt的pwm信号。

pwm信号驱动步骤，将所述pwm信号加载至各功率元件的驱动单元，完成对能源模拟系统的控制。

上述中各能源模拟方法的具体细节已经在对应的能源模拟系统中进行了详细的描述，因此此处不再赘述。

此外，在本公开的示例性实施例中，还提供了一种能够实现上述系统的电子设备。

所属技术领域的技术人员能够理解，本发明的各个方面可以实现为系统、系统或程序产品。因此，本发明的各个方面可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件实施例、完全的软件实施例(包括固件、微代码等)，或硬件和软件方面结合的实施例，这里可以统称为“电路”、“模块”或“系统”。

下面参照图4来描述根据本发明的这种实施例的电子设备400。图4显示的电子设备400仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。

如图4所示，电子设备400以通用计算设备的形式表现。电子设备400的组件可以包括但不限于：上述至少一个处理单元410、上述至少一个存储单元420、连接不同系统组件(包括存储单元420和处理单元410)的总线430、显示单元440。

其中，所述存储单元存储有程序代码，所述程序代码可以被所述处理单元410执行，使得所述处理单元410执行本说明书上述“示例性系统”部分中描述的根据本发明各种示例性实施例的步骤。例如，所述处理单元410可以执行如图3中所示的步骤s310至步骤s340。

存储单元420可以包括易失性存储单元形式的可读介质，例如随机存取存储单元(ram)4201和/或高速缓存存储单元4202，还可以进一步包括只读存储单元(rom)4203。

存储单元420还可以包括具有一组(至少一个)程序模块4205的程序/实用工具4204，这样的程序模块4205包括但不限于：操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。

总线430可以为表示几类总线结构中的一种或多种，包括存储单元总线或者存储单元控制器、外围总线、图形加速端口、处理单元或者使用多种总线结构中的任意总线结构的局域总线。

电子设备400也可以与一个或多个外部设备470(例如键盘、指向设备、蓝牙设备等)通信，还可与一个或者多个使得用户能与该电子设备400交互的设备通信，和/或与使得该电子设备400能与一个或多个其它计算设备进行通信的任何设备(例如路由器、调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(i/o)接口450进行。并且，电子设备400还可以通过网络适配器460与一个或者多个网络(例如局域网(lan)，广域网(wan)和/或公共网络，例如因特网)通信。如图所示，网络适配器460通过总线440与电子设备400的其它模块通信。应当明白，尽管图中未示出，可以结合电子设备400使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理单元、外部磁盘驱动阵列、raid系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。

通过以上的实施例的描述，本领域的技术人员易于理解，这里描述的示例实施例可以通过软件实现，也可以通过软件结合必要的硬件的方式来实现。因此，根据本公开实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是cd-rom，u盘，移动硬盘等)中或网络上，包括若干指令以使得一台计算设备(可以是个人计算机、服务器、终端装置、或者网络设备等)执行根据本公开实施例的系统。

此外，上述附图仅是根据本发明示例性实施例的系统所包括的处理的示意性说明，而不是限制目的。易于理解，上述附图所示的处理并不表明或限制这些处理的时间顺序。另外，也易于理解，这些处理可以是例如在多个模块中同步或异步执行的。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其他实施例。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限。