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SOLUTION

YX-GPV1000基于模型設計光伏發電創新實訓平臺

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所屬分類：

新工科實訓平臺

光伏發電教學科研實訓平臺

新工科教學科研實訓實驗臺

光伏發電教學科研實訓平臺

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方案介紹

一、現代電力電子技術發展闡述

1.1 電力電子在現代工業中的重要角色

電力電子技術作為門新興的交叉學科，在能源革命中扮演著重要角色，電力電子技術的應用必須要進行相應的充分準備才能將其優勢發揮到最大，否則該技術的潛能不能得到工程技術人員的深刻認識，或者預期的節能效果也可能會因為錯誤的參數設置而無法實現。
現代工業對電氣工程技術人員的專業素質提出越來越高的要求，電力電子專業人員不僅要具備扎實的理論知識、全面的計劃能力，還要掌握接線和參數設置等實踐技能。因此，面向技術應用的高等工程必須要強調實踐導向。

1.2 現代電氣傳動技術的開發和分析工具

為了應對技術變革帶來的挑戰，現代工業企業迫切需要高素質的工程技術人才，除了掌握扎實的專業知識，他們還要熟悉并掌握在工程技術中廣泛應用的高效工具的使用方法。在全球范圍內，Matlab®/ Simulink®編程語言已成為科學技術計算和仿真的行業標準。借助Matlab®/ Simulink®高級語言及其數值計算、可視化和編程等交互環境，驅動控制技術的開發周期得到大幅縮短。當前，電力電子技術的應用范圍正在不斷擴大。這些工業化的工具使用過程十分復雜，因此必須通過理論聯系實際的方式，特別是借助實驗系統和“半實物仿真”的實驗方式，進行系統地傳授和學習。在培養未來工程師的方面，全世界的高等院校都有義不容辭的責任。

1.3 基于模型開發MBD半實物仿真

研旭驅動控制器可通過編程接口實現自由編程。借助YXSPACE-SP1000實驗系統可在Matlab®/Simulink®中實現復雜變速驅動的快速仿真，然后將生成的代碼程序寫入驅動控制器中。在可變負載條件下，學生還可以使用拓展工具對系統進行復雜分析。Matlab®/Simulink®是高等院校廣泛使用的實驗和科研軟件，研旭電力電子實驗系統實現驅動硬件系統與該軟件的實時互動操作，為電力電子和驅動技術實驗教學和科研提供了一種新方式。

二、光伏發電系統技術

光伏發電指采用光伏組件，將太陽能直接轉換為電能的分布式發電系統。它是一種新型的、具有廣闊發展前景的發電及能源綜合利用方式，它倡導就近發電，就近并網，就近轉換，就近使用的原則，不僅能夠有效提高同等規模光伏電站的發電量，同時還有效解決了電力在升壓及長途運輸中的損耗問題。

分布式光伏發電對電網的規劃、并網方式、電能質量繼電保護等都有影響。需要制定合理的分布式光伏發電管理方式，保證電網的安全運行。
光伏發電系統部分主要包括：
1.光伏陣列PV模擬源或者太陽能組件電池板：
2.直流電源或光伏板發出的電接入光伏并網逆變器；
3.光伏并網逆變器將直流電逆變為符合并網要求的交流電，饋入主網；
4.監控前臺，主要由工控機、顯示器、上位機應用軟件組成，實現對PV模擬源、逆變器等設備的數據監控以及記錄保存；

三、系統特點

系統采用光伏模擬電源，模擬光伏電源的IV輸出，方便在室內條件下靈活做相關的實驗。
系統中的DC-AC變流器，既可以連接電網，也可以接入負載，兼具并網和離網兩種運行方式。
提供兩種控制器選擇（默認為RCP模型控制），DSP編程和RCP模型控制（Simulink快速原型開發），兩種模式可應用于不同的開發階段和實驗場景，優勢互補。
DSP模式下，可通過C代碼編程方式實現變流模塊的電能變換、故障保護、UI交互以及模式策略的變更等，熟悉掌握工業控制的開發流程。
RCP模式下，可通過Simiulink模型配合上位機實時控制系統完成變流模塊的控制功能，圖形化的控制方式更容易上手，實時交互調試模式使核心算法的調試更為有效便捷。
提供整體系統的Simulink離線仿真模型，可與實際物理設備一一對應，對比運行效果。
整體系統采用開源模式，提供完整的硬件原理圖、接口圖、DSP軟件源代碼、Similink完整可運行模型。具備非常靈活的二次開發的基礎，方便做各類教學和科研實驗。

四、系統組成

YX-GPV1000基于模型設計光伏發電實訓平臺組成主要包括：
（1）光伏PV陣列模擬電源；
（2）接口測量箱
（3）SP1000PLUS快速原型控制器
（4）交流負載及配電箱
（5）光伏DC-DC-AC雙級變流模塊
（6）柜體及配件
（7）配套的Simulink/DSP例程及軟硬件開源資料。

五、實驗內容：

5.1 Matlab/Simulink軟件仿真基礎
1、電力電子技術概念
2、電力電子器件概述
3、Matlab及Simulink介紹
4、PWM的基本原理和控制方法
5、PWM在Simulink的生成
6、SPWM的基本原理和控制方法
7、SPWM在Simulink的生成
5.2 基于模型開發（MBD）半實物仿真介紹
1、基于模型開發（MBD）理念介紹
2、快速原型控制器（RCP）介紹
3、RCP控制器與matlab對接操作
5.3 光伏發電系統介紹
1、并網光伏發電系統組成
2、光伏發電原理認知與特性曲線
3、光伏組件串并聯輸出特性
4、光伏組件特性曲線模擬試驗
5、開路電壓、短路電流、填充因子，光照度、溫度的關系
5.4 光伏直流-交流雙級逆變并網實驗
1、光伏DC-DC-AC并網逆變離線仿真實驗
2、半實物控制-模擬量電壓、電流采集實驗
3、半實物控制-光伏離網逆變開環控制實驗
4、半實物控制-光伏并網外環電壓PI算法及控制實驗
5、半實物控制-光伏并網內環電流PI算法及控制實驗
5.5 光伏發電系統綜合實驗
1、光伏離網逆變帶負載閉環控制實驗
2、光伏并網逆變最大功率跟蹤MPPT實驗

6 快速原型控制器（RCP）

采用目前市面成品常用的控制芯片作為CPU，其仿真結果針對實際研究更具有參考性；
保護機制齊全，此部分不需要用戶實際搭建保護模型，只需配置控制量的極限值即可實現實時保護，讓用戶不用為安全保護費心，更多的關注于核心控制算法；
模型與硬件接口鏈接簡單，只需記住端口編號即可，更不用配置硬件各類細節，免去一切不必要的麻煩；
具備自主編寫的驅動庫，可以直接導入到Simulink庫中，用戶可以直接在Matlab軟件中拖動相應的硬件元件庫，將模型中的數據直接與硬件對接，無需再花費時間去查詢硬件映射。8種庫文件，可適用于各種工程調試需求。

YXSPACE-VIEW軟件

VIEW軟件中包含控制器設置以及組態區。其中控制器設置界面共有4類控制器設置，包括仿真步長設置，DO控制源設置，QEP/CAP模式設置，PWM模塊設置。組態區主要包括功能按鈕、組態控件、工作區等。

創新的交互式實驗課程軟件，提供進行實驗所需的各種支持。它不僅提供實驗過程指導，還提供相關理論知識講解介紹，記錄測量結果，并可導出各類數據。
實驗課程軟件需集成所有的實驗例程，統一在一個軟件中運行，可一鍵打開，自動完成程序的下載、仿真以及數據的在線觀測。
實驗課程軟件需提供進行實驗所需的各種支持。包括但不限于實驗指導書，相關理論知識講解、自動記錄實驗過程中的各種數據，導出各類數據。
支持Matlab運行環境及Simulink實驗仿真模型，結合實驗課程，可直接一鍵打開模型并自動搭建UI界面，提供離線模式和在線模型，可直接進行仿真實驗驗證。
每一個例程都提供離線仿真模型和實物控制模型，學生導入模型，進行虛擬仿真和實物控制的實驗驗證。

7 桌面型功率模塊YXPHM

YXPHM系列采用基于模型設計的理念，脫胎于研旭成熟產品光伏并網逆變器與風機變流器等成熟產品，又結合了研旭多年的模塊化組件與開放式平臺研發經驗，對該拓撲結構與驅動電路、傳感器電路、信號處理電路進一步集成，同時提供實際控制器接口、快速原型控制器結構與實際控制器模塊，為用戶提供性價比更好的模塊化產品。

YXPHM多功能桌面型電力電子功率轉換平臺，采用積木式搭建形式，將功率轉換電路中的電感，電容，功率開關等器件方便的組合在一起，形成電力電子積木PEBB（Power Electronics Building Block）。

開發平臺包括硬件部分、軟件驅動，是針對高校開展電力電子技術研究推出的一種開放式的二次開發教學科研平臺。該平臺在硬件上采用分體化設計，控制板、采集板、功率板、電容板等模塊化，外殼采用透明的亞克力板材，美觀實用，用戶可以方便觀察內部的硬件結構。同時頂蓋可以打開，方便進行相關信號的測量。

主要功能
1.模塊拓展：采用模塊化設計，用戶可以定制所需要的拓撲，提供開源軟件模塊，用戶可進行二次開發。可進行多種拓撲定制：
2.開放設計：開放給用戶硬件原理圖、硬件設計說明以及軟件模塊如底層驅動，控制算法等。
3.安全穩定：設計了健全的保護機制，軟件方面有過壓保護、欠壓保護、過流速斷保護、IGBT過熱保護、通訊保護等；硬件方面有短路保護、IGBT過流保護等。
4.半實物仿真：方便與研旭YXspace控制器、NI控制器、RT-LAB控制器、dSPACE控制器等數字實時仿真器對接，可提供相應的數字轉接板，免去客戶硬件設計之憂。

主控CPU采用目前流行的DSP，型號為TI公司的TMS320F28335，其32位浮點處理能力，非常適用于變流器控制場合。通過傳感器分別采集三相交流電流、三相交流電壓、直流側電壓、電流以及溫度等信息送給DSP，然后DSP經過特定的算法，輸出PWM調制波控制開關器件，從而可以實現直流變交流或者交流變直流能量雙向流動。除此之外，信號處理電路還預留的外部控制器接口，方便對接RCP控制器，如DSPACE、RT-LAB、SPEEDGOAT、PLEX、YXSPACE等。