光伏并网发电实验系统设计概要.docx

1、光伏并网发电实验系统设计概要光伏并网发电实验系统设计刘佐濂，杨汝，何清平，崔海霞（广州大学物理与电子工程学院，广东广州）摘要：设计开发了套光伏并网发电实验系统。该系统由太阳能电池板及控制器、模拟负载、机和参数测量设备组成，系统可独立运行和模拟并网运行，控制器电路采用架构，实验装置可以测量系统的最大功率点跟踪能力、频率跟踪能力、逆变器的效率和逆变器的失真度等重要指标，具有二次开发功能，适合学生开展设计性实验。系统采用开放形式，直观性好，针对性强，结构原理清楚。关键词：光伏并网发电；实验系统；架构；最大功率点跟踪中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，）：，；，：；收稿日期：基金项目：广州大学

2、自制仪器设备项目（）：男广东广，硕士，高验师，光电信在太阳能光电转换方面的专家预测太阳能光伏产业在世纪前半期将超过核电成为最重要的基础能源之一。现今工业上太阳能电池的生产和光电转换控制技术已经较为成熟，但不能用在实验教学上，因为工业设备系统不开放，没有具体的实验原理，电路没有具体的测试端子，难以培养学生的动手能力和创新思维。因此十分需要一种光伏并网发电实验系统来帮助学生理解系统的控制原理和系统的软硬件结构。本文研制了一套光伏并网发电的实验模拟系统，系统充分考虑了学生实验操作的安全性，使逆变器交流输出低于安全电压，同时系统采取模拟并网的方式，使学生实验时增加操作的安全性。实验装置可以测量系统最大

3、功率点跟踪（）能力、频率跟踪能力、逆变器的效率和逆变器的失真度等重要指标，系统具有二次开发功能，适合学生开展设计性实验。实验系统的结构组成该实验系统能让学生清楚地了解光伏并网发电原理和全过程，设计框图如图所示。系统可工作于独立运行和模拟并网运行两种方式。电路和交流逆变电路采用架构，其中采用电路拓扑，采用四开关管桥式逆变结构。系统主要包括块串联的太阳能电池板（每块电池板最大开路电压为）、基于架构的单片机核心控制器、电路、逆变电路、上位机和实验测量仪器（数字示波器、失真度测量仪、数字万用表等）。太阳能电池板输出的直流到电电完实验技术与管理第卷第期年月母线电压送到逆变电路，由逆变电路变成、的交流电压

4、，最后送入模拟电网负载。控制器设计有接口，可以把系统相关的数据（如：太阳能电池输出电压、电流、输出电压、电流、负载数据等）上传到上位机，并可以通过上位机控制控制器工作或修改相关的参数 。图实验系统结构框图核心硬件电路设计电路电路如图所示。在电路中有个电流闭环控制器件，型号为，其中个用于太阳能电池板输出电流监测，控制器输出的电流与电阻、的分压电路输出的电压分别送到的和，完成太阳能电池板实时输出电压和电流的监测，为跟踪提供实时数据；另一个电流闭环控制器件主要完成升压后直流母线的电流监测，与、的分压电路输出的电压分别送到的和，以完成逆变器直流侧的电流电压稳定。、组成拓扑的电路。脉冲从的脚输出，单片机

5、根据两路闭环电流电压的大小进行算法运算，最终调节脉冲占空比并完成最大功率点的跟踪 。图电路图核心控制电路核心控制电路如图所示。该电路主控采用的内核控制器，支持最大主频为和，、集成正交编码器、带死区、温度传感器、模拟比较器、通用定时器、等外设。系统人机交换界面有两部分，显示界面显示太阳能电池板的输出电压和逆变器输出的电压及逆变器的效率，上位机通过串口与单片机进行通信，实现远程监控电池板的输出功率、逆变器输出功率、保护状态和调节系统工作状态等。通过调节信号的占空比从而调节电路的开关状态，使电池板输出功率达到最大值，实现最大功率点跟踪。系统采用逐次逼近法，不断地改变信号的占空比，实时监测太阳能电池板

6、的输出功率，不断地把前次输出与下次输出的功率进行比较，当电池板的输出功率增大时减少信号的占空比，否则向反方向调节。进行二次开发，从而有利于学生开展设计性实验。系统具备声光报警功能，如果出现过压或过流、超限时，相应的发光二极管闪烁以及蜂鸣器报警。电路系统的电路主要包括“馒头波”产生电路、方波产生电路、发生器、延迟电路、电流电压检测电路和全桥功率电路等组成，电路的设计结构直接影响系统的输出波形和效率。电路原理框图如图所示。“馒头波”产生电路见图。在馒头波产生电路中，输入信号可以通过开关选择，当系统处于独立发电时开关接到的文氏电桥电路，当要模拟并网发电时开关接到模拟电网输入端。信号通过耦合到运放完成

7、阻抗变换，再送到由、组成的零电平整流电路把的交流信号整流成馒头波，最后把信号送到加法器、把馒头波信号电平抬高后再送到芯片的，。刘佐濂，等：光伏并网发电实验系统设计 图 核心控制电路图图电路原理框图图为全桥逆变电路图。从脚输出的信号通过与非门选通，然后送到延迟电路对信号进行延迟，信号最后送到全桥逆变电路逆变成峰峰值为、交流信号后再接到模拟电网负载。输出的交流电压在安全电压之内，便于学生动手操作 。实验技术与管理 图全桥逆变电路图系统软件设计系统上电后先检测太阳能电池板输出的电压和电流值，看是否符合电路输入设定值的范围。如果不符合，通过单片机关闭电路的输出，启动报警和显示电路；如果在设定范围之内，

8、则系统启动交流输出，同时把监测到的电池板的输出电压、电流值进行功率运算，并启动最大功率点的控制。系统有完善的软硬件保护功能，使系统运行于安全状态。控制软件可通过口下载，可让学生在实验过程中进行编程训练。程序流程见图。结束语面向学生设计性实验的光伏并网发电模拟实验装置解决了工业系统开放性不好、实验原理欠缺、系统不能安全操作等问题。系统采取的人机交换界面清晰可调，算法程序可二次开发，能很好的培养学生的动手能力、创新思维和创新能力；板采用模块功能分割，测试点设计合理，其外观设计成实验箱方式，具有工作稳定可靠、效率高、输出波形失真度小和功能齐全的优点。参考文献（）马跃进，魏爱俭，杨修伦实验仪器的自主创新改造及应用实验技术与管理，（）：程雅，邹远文，陈国平，等基于无线传输的动态数据采集前置系统设计实验室研究与探索，（）：赵宏，潘俊民基于电路的光伏电池最大功率点跟踪系统电力电子技术，（）：田绍据，谢华基于的单相光伏并网控制系统的设计电源 ，（）：图程序流程图人民邮电出版社，（）：高卫，马一静，孙尔康对实验教学仪器选用的几点看法实验室研究与探索，（）：王雪测试智能信息处理北京：清华大学出版社，（）：刘佐濂，等：光伏并网发电实验系统设计