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开放型新能源实验平台

1. 项目背景

 

    新能源发展、能源的高效利用和电气工程及其自动化专业密切相关,主要表现在光伏、风力发电方向和供用电技术方向。现代能源产业与电气工程及其自动化专业有着密切关系。电气专业培养的就是在电能的发、送、配、用四个阶段从事设计、安装和维护人才。电气人才的主要工作包括维护发电机、安装检测变压器、设计输电线路和电能输送前的调整等。简单地说,有电的地方就有电气工程及其自动化专业毕业生的用武之地。
电气工程及其自动化专业的新能源发展方向是一个应用性极强的专业。要求十分注重学生专业操作技能的培养。因此,实践对本专业学生来说非常重要。控制工程新能源创新实验室等平台,这些模拟企业工作实景的实验室能够为学生提供仿真实习的环境,帮助学生熟悉未来工作环境,实验室的建立为学生实践课程的开展提供了保障。
    因此,在教学模式、教学内容、教学要求等方面积极开展实践教学是新能源开发研究必不可少的要求。实践教学是培养大学生实践能力与科学素质的重要手段。而实验室是实现实践教学、培养学生动手能力的主要场所。因此实践教学改革的首要问题就是开放实验平台。通过开放实验平台,可以为学生提供一个自己设计、自主实践的设备,提供一个自由发展创造力的空间。开放实验平台在利用实验教学资源、提高实践教学质量、培养学生实践能力、以及学生实验时间和空间的调节等方面不同程度地起到了积极的作用。
 
 

2. 功能特点

 

该系统可广泛用于:
●  PWM整流、逆变技术的研究
●  光伏并网系统
●  风力发电系统
●  蓄电池充、放电管理系统
●  离网逆变系统
●  背靠背双向变流系统
 
    新能源技术综合研发平台以基于IGBT的PWM整流、斩波、逆变技术为基础,采用功能模块化的设计思路,将新能源技术的具体应用系统拆分成功能相对独立的模块,且采用透明外壳设计;由用户根据不同的研究目的,通过模块之间的组合和相互匹配,以满足不同的新能源应用技术需求,如光伏发电技术、风力发电技术、发电离/并网技术等。
此外,为了便于用户使用平台,进而对其进行有效地二次开发,该研究平台将向用户完全开放各功能模块的硬件结构和控制算法。用户可以根据需要选择不同的硬件功能模块和配套的控制算法;也可基于该平台,自行开发算法并下载到该系统的控制单元中,进行自主开发。
 
 
 

3. 系统架构

3.1. 系统示意图

系统结构示意图如下所示。
 

 

3.2. 背靠背双向变流系统

3.2.1. 模块划分

Ø  自耦调压器


 
条目 详细
规格 240mm*270mm*520mm
指标  
1.相数:三相。
2.额定频率:50Hz。
3.额定输入电压:380VAC。
4.输出电压:0~430VAC。
5.额定输出电流:12A。    
 
接口 接线端子(三相四线)
   
 

Ø  电抗器

 

条目 详细
规格 194mm*178mm*160mm
指标  
1.额定容量;2.8kvar,电压380V。
2.额定电流:30A。
3.两线圈串联,电感:10mH,抽头电感:2mH/5mH
4.损耗:100W
5.绝缘等级:H级 
6.耐压:3000V/min      
 
接口 接线端子(三端)
   
 
 

 
 

Ø  交流检测模块

 

 
一般式样
条目 详细
型号 ePWMR-02
规格 尺寸:220mm*330mm
检测范围:
电压:-500V~500V
电流:-20A~20A
组成 主电路板                     1块
固态继电器                  1个
交流电流传感器(50A)           2个
交流电压传感器(600V)         2个
交流数字电压表                  2个
交流数字电流表                  2个
接口 强电:
交流进线侧(3端)
交流电压检测端(4端)
交流出线侧(3端)
弱电:
U相电流反馈接口(BNC*2)
V相电流反馈接口(BNC*2)
U相电压反馈接口(BNC*2)
V相电压反馈接口(BNC*2)
继电器控制接口(BNC*2)
24V电源接口(带2A保险)
指示灯:
电源(按键自带)
过压、过流状态(带蜂鸣器报警)
开关:
电源“ON/OFF”按键(带指示灯)
   
 
 

 

Ø  直流检测模块

 

 
一般式样
条目 详细
型号 ePWMR-03
规格 尺寸:220mm*250mm
检测范围:
电压:0~1000V
电流:0~20A
组成 主电路板                     1块
固态继电器                  1个
直流电流传感器(50A)           1个
直流电压传感器(1200V)              1个
直流数字电压表                  1个
直流数字电流表                  1个
接口 强电:
直流进线侧(2端)
直流出线侧(2端)
弱电:
母线电流反馈接口(BNC*2)
母线电压反馈接口(BNC*2)
继电器控制接口(BNC*2)
24V电源接口(带2A保险)
指示灯:
电源(按键自带)
过压、过流状态(带蜂鸣器报警)
开关:
电源“ON/OFF”按键(带指示灯)
   
 
 

 
 

Ø  三相桥模块

 

    可作为可控整流和可控逆变的核心功率单元,可以作为离网逆变器和并网逆变器的设计平台。整流器和逆变器从硬件结构上来讲,基本的核心主电路是一致的,区别主要在于电流的流向不同,方向正好相反,因此其控制策略和算法不一样。但从硬件结构角度讲,可以将这两个模块统一成一个硬件平台。
 

 
 
 
 
 
 

  一般式样
 
条目 详细
型号 ePWMR-04
规格 尺寸:310mm*220mm
交流侧:
220V/50Hz/16A 三相交流
直流侧:
650V/12.8A(额定)
800V/20A(最大)
组成 IGBT全桥主电路板             1块
电源电路板                  1块
IGBT驱动电路板                                4块
接口 强电:
交流三相电(3端)
直流母线(2端)
Break电阻接口(2端)
弱电:
控制接口(20pin 带屏蔽)
24V电源接口(带2A保险)
指示灯:
电源(按键自带)
开关:
电源“ON/OFF”按键(带指示灯)
   
 
 

 
 

Ø  支撑电容模块

 

 
 
一般式样
条目 详细
型号 ePWMR-05
规格 尺寸:160mm*220mm
900uF/1380V
组成 电力电容(560uF/460V 3串4并)    12个      
限流电阻                            1个
固态继电器                  1个
接口 强电:
直流进线侧(2端)
直流出线侧(2端)
弱电:
继电器控制接口(BNC*2)
24V电源接口(带2A保险)
指示灯:
电源(按键自带)
开关:
电源“ON/OFF”按键(带指示灯)
   
 

 

Ø  控制模块

 

    系统的核心控制单元,完成信号采样和调理功能、驱动PWM功能、故障报警和保护功能、控制策略的实现等,基于同一个硬件平台可以实现不同系统或功能模块的控制算法。可作为可控整流器、离网逆变器、并网逆变器、DC/DC模块的控制单元。实现在一个统一的硬件平台上实现不同系统的解决方案,接口开放,软硬件资源开放。

 
功能框图

 
一般式样
条目 详细
型号 ePWMR-01
规格 尺寸:220mm*170mm
DSP:TMS320F2812
CPLD:EPM3256A
组成 以DSP2812为核心的控制主电路      1块
接口 RS232接口(DB9*2)
JTAG接口(DB15                                 
控制接口(20pin 带屏蔽)
U相电流反馈接口(BNC)
V相电流反馈接口(BNC)
U相电压反馈接口(BNC)
V相电压反馈接口(BNC)
母线电流反馈接口(BNC)
母线电压反馈接口(BNC)
直流电流反馈接口(BNC 预留)
直流电压反馈接口(BNC 预留)
继电器控制接口(BNC 控制上电、断电)
继电器控制接口(BNC 通断限流电阻)
霍尔传感器接口(7芯航空插座)
光电编码器接口(9芯航空插座)
转速测量接口(示波器测量)
24V电源接口(带2A保险)
指示灯:
电源(按键自带)
运行、停止
故障状态(带蜂鸣器报警)
开关:
算法“运行/停止”
电源“ON/OFF”按键(带指示灯)
   
 
 
 
 

Ø  直流稳压电源模块

 

    从电网三相电引出一相作为AC/DC电源的输入,产生直流电源24VDC,提供本系统所有控制单元的电源输入,每个控制单元再根据自身需要加电源转换电路,产生各部分所需直流电。
 
 
 

3.3. 离网/并网逆变系统

3.3.1. 结构

系统结构示意图如下所示。
 

3.3.2. 模块划分

1.    控制用电电源模块:在离网系统和并网系统中,能量来源于光能和风能,那么系统的控制用电也来源于此,通过DC/DC模块产生直流电源24VDC,提供本系统所有控制单元的电源输入,每个控制单元再根据自身需要加电源转换电路,产生各部分所需直流电。
2.    高频Boost电路:不论是光伏发电系统还是风力发电系统,都需要DC/DC转换电路将输入的直流电压提升,并接入逆变器单元的直流母线端。此处采用高频Boost电路实现高效、高功率,且直流输入电压范围宽等功能。这种拓朴结构目前已经成为市场的主流。
 


条目 详细
规格 输入:200V/20A
输出:400V/10A
 
组成 Boost主电路                1块
电源电路板                  1块
调理电路板                  1块
直流电流传感器(25A)           2个
直流电压传感器(500V)         2个
直流输入侧熔断器(20A)        1个
直流输入侧熔断器(10A)        1个
直流数字电压表                  2个
直流数字电流表                  2个
接口 强电:接线端子或大功率接插件
直流进线侧(2端)
直流出线侧(2端)
弱电:
控制接口   2.54mm间距双列直插排线接口
反馈接口   2.54mm间距双列直插排线接口
示波器接口
进线侧直流电压和电流
出线侧直流电压和电流
24V电源接口(带2A保险)
指示灯:
电源(按键自带)
进线侧过压、过流
出线侧过压、欠压、过流
开关:
电源“ON/OFF”按键(带指示灯)
 
   
 
 
3.    逆变器模块:作为离网逆变器可用于工频网络的一般性用电系统,比如家庭用电。作为并网逆变器主要针对电能回馈电网的应用。其硬件核心结构与上述背靠背双向变流系统中的逆变器基本相同,可作为同一平台使用。
4.    控制器模块:系统的核心控制单元,完成信号采样和调理功能、驱动PWM功能、故障报警和保护功能、控制策略的实现等,与背靠背双向变流系统的控制模块采用同一个硬件平台,接口开放,软硬件资源开放。
5.    LCL滤波器:作为离网逆变器或并网逆变器,在输出侧需要进行滤波后,接入家庭用电系统(一般负载)或回馈电网,如有隔离要求,则需加入隔离变压器。
 

 

3.4. 蓄电池管理系统

3.4.1. 结构

蓄电池管理系统在离网逆变系统中并接在直流母线上的,结构如下所示。

 
蓄电池管理系统中,充放电管理是通过双向DC/DC电路实现。

 
 

条目 详细
规格 蓄电池侧:48V/20A
直流母线侧:320V/3A
 
组成 双向半桥主电路                  1块
电源电路板                  1块
调理电路板                  1块
直流电流传感器(25A)           2个
直流电压传感器(500V)         2个
直流输入侧熔断器(20A)        1个
直流输出侧熔断器(5A)          1个
直流数字电压表                  2个
直流数字电流表                  2个
接口 强电:接线端子或大功率接插件
直流进线侧(2端)
直流出线侧(2端)
弱电:
控制接口   2.54mm间距双列直插排线接口
反馈接口   2.54mm间距双列直插排线接口
示波器接口
进线侧直流电压和电流
出线侧直流电压和电流
24V电源接口(带2A保险)
指示灯:
电源(按键自带)
进线侧过压、过流
出线侧过压、欠压、过流
开关:
电源“ON/OFF”按键(带指示灯)
 
   
 
 

 

3.5. 光伏模拟系统

容量Power 3KW
制作方式Working 开关PWM
输入INPUT 相数Phase 1φ2W
电压Voltage 220V±10%
频率Frequency 50HZ±10%
输出OUTPUT 电压Voltage 300V
电流Current 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 ±1%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 RS232(RS485,GPIB 为可选)
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 ±0.8%FS
电流Current ±1%FS
功率Wattage ±1%FS
测量精确度 电压Voltage 0.5%FS+5dgt
电流Current 0.5%FS+5dgt
功率Wattage 0.5%FS+5dgt
存储组数Memory 共9 组,每组可记忆电压、频率值,可方便调用
遥控模式Remote Model 结合上位机可使电源模拟单条或多达1000条I-V曲线输出,具体功能见上位机软件说明
SAS 模式SAS Model 可模拟不同的太阳能电池板I-V 曲线:
1、模拟薄膜光伏电池曲线;
2、模拟标准晶体硅光伏电池曲线;
3、模拟高效晶体硅光伏电池曲线;
4、自定义光伏电池曲线;
5、具体功能见上位机软件说明通过用户自定义设定
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
电源内阻 1200mhom
冷却方式Cooling 风扇强制冷却
运行环境Environment 0~40℃ 20%~80% RH (不结露)
结构形式Configuration 台式
认证Certification CE
重量Weight(Kg) 20
体积W×H×D(mm) 483X133X500
 
 
 

 

3.6. 风能模拟系统

3.6.1. 结构

系统结构示意图如下所示。
 

3.6.2. 模块划分

1.    风机模拟系统:交流异步电动机作为源动机,采用交流变频调速系统模拟风力机系统,带动永磁发电机,产生电能。
2.    永磁发电系统:采用直驱型永磁发电机,通过交流电动机带动后输出交流电,经过不可控整流变换成直流输出。
3.    控制器模块:根据上位机设定的风速、桨叶半径、空气密度、桨距角等风机参数,模拟风力机特性曲线。通过对交流调速系统的转矩控制,带动永磁发电机,模拟风力发电系统的曲线输出。接口开放,软硬件资源开放。
4.    电源模块:从网侧交流输入取电,通过AC/DC模块,转换成系统所需24V直流电源。
 
 
 

 

4. 系统配置及电气参数

研究平台的基本电气参数:


条目 说明
性能参数 额定功率:7.5KW
额定电压: 310V (相电压峰值)
额定电流:16A    (相电流峰值)
额定频率:50Hz
 
 
研究平台的部件配置如下表所示:
序号 名称 说明 备注
1 自耦调压器 规格:9KW
输入:220V/50Hz 三相交流
输出:0~250V/50Hz 三相交流
 
2 电抗器 规格:10mH/30A  
3 保险管 交流侧:400V/15A
直流侧:600V/10A
 
4 直流稳压电源
AC/DC
输入:220V/50Hz 单相交流
输出:24V/3A 直流
 
5 交流检测模块 检测范围:
电压:-500V~500V
电流:-20A~20A
 
6 直流检测模块 检测范围:
电压:0~1000V
电流:0~20A
 
7 三相桥模块 交流侧:
220V/50Hz/16A 三相交流
直流侧:
650V/12.8A(额定)
800V/20A(最大)
 
8 支撑电容模块 规格:900uF/1380V  
9 控制模块 DSP:TMS320F2812
CPLD:EPM3256A
 
10 高频Boost电路模块 规格:4KW
输入:200V/20A
输出:400V/10A
 
11 双向DC/DC模块 规格:1KW
蓄电池侧:48V/20A
直流母线侧:320V/3A
 
12 大功率电阻负载 参数可定制  
13 光伏模拟器 输入:220V/50Hz 交流
输出:0~300V/0~10A 直流
 
14 蓄电池组 48V/200AH  
15 隔离变压器 规格:9KW
输入:220V/50Hz 三相交流
输出:220V/50Hz 三相交流
需定制
16 风能模拟器 原动机:3KW/4KW交流异步电动机
发电机:3KW/4KW永磁同步发电机
需定制
17 电机负载 参数可定制 需定制