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光伏并网发电系统
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光伏并网发电系统

光伏发电指采用光伏组件,将太阳能直接转换为电能的分布式发电系统。它是一种新型的、具有广阔发展前景的发电及能源综合利用方式,它倡导就近发电,就近并网,就近转换,就近使用的原则,不仅能够有效提高同等规模光伏电站的发电量,同时还有效解决了电力在升压及长途运输中的损耗问题。
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一、 光伏并网发电实验仿真平台简介

 

光伏发电指采用光伏组件,将太阳能直接转换为电能的分布式发电系统。它是一种新型的、具有广阔发展前景的发电及能源综合利用方式,它倡导就近发电,就近并网,就近转换,就近使用的原则,不仅能够有效提高同等规模光伏电站的发电量,同时还有效解决了电力在升压及长途运输中的损耗问题。

 

目前应用最为广泛的分布式光伏发电系统,应用在建筑物屋顶。该类项目必须接入公共电网,与公共电网一起为附近的用户供电。如果没有公共电网支撑,分布式系统就无法保证用户的用电可靠性和用电质量。不论是集中式发电还是分布式发电,都需要供电稳定、可靠。分布式光伏发电利用太阳能,是人们利用清洁能源的重要手段。但是,日夜更替,天气无常,分布式光伏发电的出力不具备规律性,在接入公共电网后,需要公共电网作为备用。

 

分布式光伏发电对电网的规划、并网方式、电能质量继电保护等都有影响。需要制定合理的分布式光伏发电管理方式,保证电网的安全运行。

 

对此,南京研旭电气科技有限公司设计了基于实际光伏发电的实验仿真平台。通过此平台,研究人员可以研究光伏发电的真实工作特性,可以缩短研究和开发周期、节省研究经费,便于对光伏发电系统的控制技术展开全面深入的研究,具有重要的显示意义。

 

 

二、 光伏并网发电实验仿真平台组成

 

 

光伏发电实验仿真平台主要由以下设备组成:

  • 光伏阵列PV模拟源或者太阳能组件电池板;
  • 直流电源或光伏板发出的电接入光伏并网逆变器;
  • 光伏并网逆变器将直流电逆变为符合并网要求的三相交流电,馈入主网;
  • 监控前台,主要由工控机、显示器、上位机应用软件组成,实现对PV模拟源、逆变器等设备的数据监控以及记录保存;

 

 

2.1 光伏PV模拟源

 

PV模拟源是一种可模拟光伏板IV曲线的可编程直流电源,可代理太阳能组件,实现模拟光伏电源的IV输出,方便在室内条件下灵活做相关的实验。

 

具备以下特点:

 

1) 可模拟太阳能电池板输出特性

2) 可模拟不同光照和温度下的I-V曲线

3) 可测试静态和动态下的MPPT情况

4) MPPT工作点实时显示于上位机软件上

5) 具有恒功率模式

6) 具有强大的图形化上位机软件

7) 稳压精度高、纹波电压低

8) 动态稳定性用Matlab仿真优化

9) 采用高速DSP进行PID运算,直接输出PWM

 

 

PV模拟源MPPT测试界面

 

 

 

参数:

 

型号Model

YXDG-PVS10K

容量Power

10KW

制作方式Working

开关PWM

输入 INPUT

相数 Phase

3φ4W

电压 Voltage

380V±15%

频率Frequency

50HZ±10%

输出OUTPUT

电压Voltage

电流 Current

1000VDC

12A

纹波 Ripple

0.8%FS(满量程)电压

电源调整率 Load  Regulation     

±0.1%FS

负载调整率 Load  Regulation

±2%FS

电压解析度V Resolution

Vo <1000 :0.1V     Vo≥1000V:1V

电流解析度C Resolution

输出Io<1A,分辨率0.001A;输出100A>Io≥10A分辨率0.01A;

功率解析度 Power Resolution

0.1KW

显示LCD Display

电压V、电流A、功率W、时间T

通讯接口 Interface    

RS485

设 定 项 目

电压调节 CV

0-100%额定电压可调

电流调节 CC

0-100%额定电流可调

功率调节 CP

0-100%额定功率可调

设 定

精确度

电压Voltage

±2%FS

电流Current

±2%FS

功率Wattage

±2%FS

测 量

精确度

电压Voltage

2%FS+5dgt

电流Current

2%FS+5dgt

功率 Wattage

2%FS+5dgt

可编程组数 Programmable Groups

共30组,每组可记忆电压、电流、时间值,可步阶运行

遥控模式 Remote Model

结合上位机可使电源模拟输出I-V曲线输出,可支持MPPT测试。

限流设定I-LIM Set

O-Max Current(超过电流设定值电源保护,停止输出)

限压设定V-LIM Set

O-Max Voltage(超过电压设定值电源保护,停止输出)

保护Protection  

过压Over Voltage  过流Over Current 过温 Over Temp  短路Short Circuit

冷却方式 Cooling

风扇强制冷却

运行环境Environment

0~40℃  20%~80% RH  (不结露)

重量 Weight(Kg)

40

体积W×H×D(mm)

483*265*600

 

 

 

2.2 太阳能光伏组件

 

光伏组件(也叫太阳能电池板)是太阳能发电系统中的核心部分,也是太阳能发电系统中最重要的部分。其作用是将太阳能转化为电能,常见的组件有多晶硅组件、单晶硅组件和薄膜组件。

 

根据系统容量确定光伏组件的数量,通过光伏组件的并联和串联,达到并网逆变器所需的电压和电流反问。  

 

1)电池片:采用高效的晶硅太阳能片封装,保证太阳能电池板发电功率充足。 

 

2)玻璃:采用低铁钢化绒面玻璃(又称为白玻璃),厚度3.2mm,在太阳电池光谱响应的波长范围内(320-1100nm)透光率达91%以上,对于大于1200 nm的红外光有较高的反射率。此玻璃同时能耐太阳紫外光线的辐射,透光率不下降。

 

3)EVA:采用加有抗紫外剂、抗氧化剂和固化剂的厚度为0.78mm的优质EVA膜层作为太阳电池的密封剂和与玻璃、TPT之间的连接剂。具有较高的透光率和抗老化能力。

 

4)TPT:太阳电池的背面覆盖物—氟塑料膜为白色,对阳光起反射作用,因此对组件的效率略有提高,并因其具有较高的红外发射率,还可降低组件的工作温度,也有利于提高组件的效率。当然,此氟塑料膜首先具有太阳电池封装材料所要求的耐老化、耐腐蚀、不透气等基本要求。

 

5)边框:高强度铝合金边框,抗机械冲击能力强。

 

基本参数:

 

序号

项目名称

250Wp光伏电池组件

1

最大输出功率

250Wp

2

规格尺寸

1650*992*40毫米

3

转化效率

17.8%

4

材料

钢化玻璃 +铝型材

5

工作电流

8.28A

6

工作电压

30.2V

7

峰值电压

<36V

8

短路电流

<8.56A

9

品牌

国内知名品牌

10

质保

>10年

 

 

2.3 光伏并网逆变器

 

光伏并网逆变器是光伏系统的核心设备,主要由数据采集单元、IPM逆变功率单元、DSP主控单元、监控中心、继电器单元、电抗器、变压器等几部分组成。系统的核心为DSP主控单元。

 

 

光伏并网逆变器属于一种变流器,其功能是将光伏发出的直流能量,逆变成满足并网条件的交流能量,馈送主网。并且可以通过特定方式,不断搜索光伏输出的最大功率,即MPPT。下图为光伏逆变器工作示意图:

 

 

 

光伏并网逆变器主要由功率电路(IGBT开关电路)、DSP控制器、驱动器、电抗器、电容器、变压器、电压电流传感器等组成。

 

其中,由直流转变为交流的逆变环节主要由功率电路来完成,通过有规律的、有顺序的开通就可以将直流逆变成交流,而这种有规律、有顺序的控制来源于DSP控制器下发的PWM信号,经过驱动电路形成的。而控制信号的输出来源于电路中分布的电压电流传感器的采集值经过电压空间矢量SVPWM算法计算的结果。因此以上环节都至关重要。电抗器和电容器在系统中起到储能、滤波的作用,变压器起到升压作用。

 

DSP控制器通过对外环电压控制,进而控制光伏组件的输出端电压值,就可以控制光伏组件的输出功率。通常称这个过程为最大功率跟踪(MPPT)。MPPT的原理来源于电源内阻值与所接负载值相等时,电源输出的功率达到最大,因此不断修改负载值,实际也就是改变负载两端电压值,就可以找到功率最大的匹配点。

 

除以上功能外,光伏并网逆变器必须具备孤岛保护功能,即当电网出现故障时或者脱落时,逆变器要具备关机保护功能。否则会有触电危险。

 

 

硬件构架图如下:

 

 

<1>并网逆变器使用三菱IPM,耐压1200V,母线使用500V电解电容

<2>网侧并网侧采用升压三相变压器,初级次级星形联结方式。

<3>并网逆变器采用TI浮点DSP进行控制,使用一套研旭TMS320F28335的DSP控制板。

<4>采用一台研旭仿真器完成系统控制算法的调试。

 

软件构架图如下:

 

 

逆变器将直流电转换为与电网同步的三相交流电。通过电压传感器采集三相交流电的相电压值UA、UB、UC,通过克拉克变换等效出两相交流电的电压值 Uα、Uβ,进而求出旋转磁链的位置角γ。通过电流传感器采集三相交流电的电流值 IA、IB、IC,同样通过克拉克变换等效出两相交流电的电流值 Iα、Iβ。由γ、Iα、Iβ通过帕克变换等效出旋转直流的电流值 Id、Iq,从而得出内环的控制量 Id。外环电压控制量与内环电流控制量叠加后与 Iq 再经过帕克逆变换,等效出 Uα`,Uβ`,在经过空间矢量控制输出 PWM,控制功率管。

 

2.4 监控系统软件

 

监控前台上位机应用软件为用户提供了可视的操作界面,主要包括三大功能,分别为光伏PV模拟功能(需配套PV模拟器)、实时监控功能、历史保存功能。其主界面如下:

 

PV模拟源MPPT测试界面

 

 

 

实时监控界面         

 

 

 

数据波形界面

 

 

监控软件中还具备算法研究界面,即电网定向矢量算法。通过所示界面用户可以非常清晰的了解算法的结构,同时可以获取每个步骤的计算结果值,以便仿真分析。

 

算法研究界面

 

 

 

 

历史保存功能

 

 

 

三、光伏发电实验仿真平台实验组成

 

1、认知实验:对整体系统组成拓扑和工作原理的熟知,为后面实验提供基础;

 

2、IV曲线模拟学习设置模拟光伏IV曲线

 

3、MPPT实验了解MPPT原理;

 

4、逆变器并网实验:直流电逆变成交流电;

 

5、低压穿越实验:当电网跌落后,发电机发电系统保证不能立刻脱网,要具备保持继续往电网输送能力的能力。这个实验要求实验室具备电网模拟器设备。

 

6、创造性实验:通过对以上实验的熟知以及对原理的掌握,加入自己的优化控制策略或者算法,使系统按照用户的要求运行。如改进型SVPWM、将PID控制模型换位滑模控制模型或模糊控制模型等。

 

光伏系统实验例程和项目

 

基础实训实验:

 

1) 光伏的I-U 特性测试实验

2) 光伏的输出功率特性实验   

3)光伏监控中心软件操作实验

4)直流电压、电流采集实验

5)交流电压、电流采集实验

6)并网逆变器安全保护和设计实验

7)孤岛效应实验

8)实验数据保存实验

 

进阶开放实验:

 

1、光伏控制策略及编程实验

2、最大功率跟踪MPPT原理及控制实验

3、外环电压PI算法及控制原理实验

4、内环电流PI算法及控制原理实验

5、SVPWM算法原理实验

 

四、光伏风力发电实验仿真平台开放资料

 

1、光伏PV模拟源:操作说明书,上位机控制软件

 

2、并网逆变柜:

  • 整体布线CAD图、PDF图;
  • DSP控制核心板:protel 99se原理图、PDF版本PCB、内部运行源代码工程(内含算法静态库)、设计原理说明文档;
  • 控制底板:protel 99se原理图、PDF版本PCB、设计原理说明文档;
  • 继电器板:protel 99se原理图、PDF版本PCB、设计原理说明文档;
  • IPM隔离电源板:protel 99se原理图、PDF版本PCB、设计原理说明文档;
  • 算法设计说明文档;

 

3、上位机监控软件:

  • 上位机应用软件安装文件;
  • 数据库安装文件;
  • 上位机DEMO例程;
  • 操作说明;

 

4、整体系统

  • 实验操作手册;
  • 整体系统现场培训
关键词:
光伏并网发电系统

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