CN105207340B - 一种风光互补新能源应用实验平台 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种风光互补新能源应用实验平台，包括直流母线、中央控制器、太阳能发电模块、风力发电模块、储能模块、单相变频逆变模块、直流负载模块、直流电机驱动模块、LED照明模块和三相并网逆变模块；所述太阳能发电模块、风力发电模块、储能模块、单相变频逆变模块、直流负载模块、直流电机驱动模块、LED照明模块和三相并网逆变模块分别与直流母线电气连接；所述中央控制器通过无线传感器网络与太阳能发电模块、风力发电模块、储能模块、单相变频逆变模块、直流负载模块、直流电机驱动模块、LED照明模块和三相并网逆变模块进行通信。本发明构建了一个集前沿性、先进性、综合性的本硕博共享、课内外一体的实验与科研平台。
Description
技术领域
本发明属于电气工程与电子信息领域，具体涉及一种风光互补新能源应用实验平台。
背景技术
多功能智能微电网是光伏等新能源发电电网末端供电的发展趋势，但是标准多功能智能微电网无法直接作为教学平台使用，主要是受到场地与安全因素的考虑。标准多功能智能微电网均采用真实光伏发电、风力发电等新能源发电方法，这就对安装的场地要求较高，无法直接在室内进行安装。标准多功能智能微电网中采用的这些供电方式系统电压较高，出于安全角度考虑无法直接让学生进行实训操作。此外，标准微电网模式采用的供电方式对太阳光强和风力依赖过高，因此无法满足教学上对与系统调节的要求。
发明内容
本发明提供一种风光互补新能源应用实验平台，以风光互补微网实际工程系统与智能电网等热点为基本对象，采用将单一基本应用对象模块化的方式，构建一个本硕博共享、课内外一体的实验与科研平台。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种风光互补新能源应用实验平台，包括直流母线、中央控制器、太阳能发电模块、风力发电模块、储能模块、单相变频逆变模块、直流负载模块、直流电机驱动模块、LED照明模块和三相并网逆变模块；所述太阳能发电模块、风力发电模块、储能模块、单相变频逆变模块、直流负载模块、直流电机驱动模块、LED照明模块和三相并网逆变模块分别与直流母线电气连接；所述中央控制器通过无线传感器网络与太阳能发电模块、风力发电模块、储能模块、单相变频逆变模块、直流负载模块、直流电机驱动模块、LED照明模块和三相并网逆变模块进行通信。
优选地，所述直流母线为系统的基本骨架和集成的接口标准。
优选地，所述太阳能发电模块包括太阳能电池板I、太阳能跟踪系统、模拟太阳能电池模块、MPPT/直流变换模块和控制器I，所述太阳能跟踪系统与控制器I电气连接，控制器I与模拟太阳能电池模块电气连接，太阳能电池板I和模拟太阳能电池模块与MPPT/直流变换模块电气连接；MPPT/直流变换模块与直流母线电气连接；所述太阳能跟踪系统包括日光跟踪模块、太阳能电池板II、太阳能电池检测模块、模拟日光模块和日光检测模块；所述日光检测模块与控制器I电气连接，控制器I与日光跟踪模块电气连接，日光跟踪模块与太阳能电池板II电气连接，太阳能电池板II与太阳能电池检测模块电气连接，太阳能电池检测模块与控制器I电气连接，模拟日光模块与控制器I电气连接。
优选地，所述风力发电模块包括控制器II、变频电源、调速电机、风机I、大功率风扇、风机II、风机状态参数检测模块、整流电路、升降压变换模块和卸荷电路，所述控制器II分别与变频电源、升降压变换模块、风机状态参数检测模块电气连接，变频电源与调速电机、大功率风扇电气连接，调速电机与风机II电气连接，风机II与整流电路电气连接，大功率风扇与风机I电气连接，风机I与整流电路电气连接，整流电路与升降压变换模块电气连接，升降压变换模块与直流母线电气连接，风机I与卸荷电路电气连接。
优选地，所述储能模块包括储能元件、状态监测与维护模块、充放电控制器和充放电电路，所述储能元件分别与状态监测与维护模块、充放电电路电气连接，充放电控制器和充放电电路电气连接，充放电电路与直流母线电气连接；所述储能元件包括锂电池组和/或铅酸电池和/或超级电容。
优选地，所述单相变频逆变模块包括DC/DC变换模块、DC/AC变换模块、控制器III、交流电机和载荷控制模块，所述控制器III分别与DC/DC变换模块、DC/AC变换模块和载荷控制模块电气连接，所述DC/DC变换模块与DC/AC变换模块电气连接，DC/AC变换模块与交流电机电气连接，DC/DC变换模块与直流母线电气连接。
优选地，所述直流电机驱动模块包括控制器V、测速模块、直流电机、PWM控制模块、驱动电源、直流无刷电机和直流发电机，所述控制器V分别与PWM控制模块、测速模块和驱动电源电气连接，直流电机分别与PWM控制模块、测速模块、直流发电机电气连接，直流无刷电机分别与驱动电源、测速模块、直流发电机电气连接，PWM控制模块、驱动电源和直流发电机分别连接到直流母线。
优选地，所述LED照明模块包括控制器VI、PWM控制模块、恒流源模块、照度检测模块、电流电压检测模块和LED阵列，所述控制器VI分别与PWM控制模块、恒流源模块、照度检测模块、电流电压检测模块电气连接，LED阵列分别与PWM控制模块、恒流源模块、电流电压检测模块电气连接，PWM控制模块、恒流源模块与直流母线电气连接；所述LED阵列由LED模块组成。
优选地，所述三相并网逆变模块包括DC/DC变换模块、DC/AC变换模块、控制器IV和并网控制模块，所述控制器IV分别与DC/DC变换模块、DC/AC变换模块和载荷控制模块电气连接，所述DC/DC变换模块与DC/AC变换模块电气连接，DC/AC变换模块与并网控制模块电气连接，DC/DC变换模块与直流母线电气连接。
本发明运用可再生能源的产生与应用、储能、物联网与信息采集等当前电气工程与电子信息领域最前沿新技术与成果，围绕着风光互补微网实际工程系统与智能电网等热点为基本对象，采用将单一基本应用对象模块化的方式，构建一个：单元可独立工作、系统可有机集成、功能可灵活调配，结构、电路与参数开放，集前沿性、先进性、综合性的本硕博共享、课内外一体的实验与科研平台。
附图说明
图1为系统的模块组成示意图；
图2为太阳能发电模块的模块组成示意图；
图3为风力发电模块的模块组成示意图；
图4为储能模块的模块组成示意图；
图5为单相变频逆变模块的模块组成示意图；
图6为直流电机驱动模块的模块组成示意图；
图7为LED照明模块的模块组成示意图；
图8为三相并网逆变模块的模块组成示意图；
图9为系统的结构示意图；
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的内容作进一步叙述。
如图1所示，一种风光互补新能源应用实验平台，包括直流母线、中央控制器、太阳能发电模块、风力发电模块、储能模块、单相变频逆变模块、直流负载模块、直流电机驱动模块、LED照明模块和三相并网逆变模块；所述太阳能发电模块、风力发电模块、储能模块、单相变频逆变模块、直流负载模块、直流电机驱动模块、LED照明模块和三相并网逆变模块分别与直流母线电气连接；所述中央控制器通过无线传感器网络与太阳能发电模块、风力发电模块、储能模块、单相变频逆变模块、直流负载模块、直流电机驱动模块、LED照明模块和三相并网逆变模块进行通信。所述直流母线为系统的基本骨架和集成的接口标准。
以直流母线作为系统的基本骨架与集成的接口标准，将太阳能发电模块、风力发电模块、储能模块、单相变频逆变模块、三相并网逆变模块、直流电机驱动模块、LED照明模块、直流负载模块等单元模块都挂在48V直流母线上。
而每个应用单元中，根据其内部组成与功能的不同，又可以拆分成多个功能模块。如储能模块中可以有铅酸电池、锂电池和超级电容等多种储能元件模块，可以同时选择，也可以仅取用其中一种。不同储能模块又分别配备有不同控制器，对储能模块的充放电进行控制与保护，检测储能模块的工作状态和工作参数。控制器根据中央控制器的指令工作，并将储能模块的状态上传至中央控制器。
中央处理器是系统的总控制器，其功能如下：
①决定组成系统各应用单元的工作状态，发布响应的控制命令；
②采集各组成单元的状态信息；
③综合显示系统的状态与信息；
④中央处理器与各应用单元间采用无线传感器网络传输控制命令与状态信息。
如图9所示，系统采用实验台的形式。实验台上端设置直流母线排，应用单元的主电路以挂箱的形式挂在实验台上控制器挂在主电路下方(控制器挂箱上配置液晶显示器和键盘)，电池、变压器等重物放置在实验台面下。实验台的右侧设计一排隔架，放置测试仪器设备。实验台直流母线两端设置连接器，便于将多个实验台连接成一个系统。每个应用单元与直流母线间除了用电缆连接外，在电缆后还将设置接触器和保险丝。
如图2所示，所述太阳能发电模块包括太阳能电池板I、太阳能跟踪系统、模拟太阳能电池模块、MPPT/直流变换模块和控制器I，所述太阳能跟踪系统与控制器I电气连接，控制器I与模拟太阳能电池模块电气连接，太阳能电池板I和模拟太阳能电池模块与MPPT/直流变换模块电气连接；MPPT/直流变换模块与直流母线电气连接；所述太阳能跟踪系统包括日光跟踪模块、太阳能电池板II、太阳能电池检测模块、模拟日光模块和日光检测模块；所述日光检测模块与控制器I电气连接，控制器I与日光跟踪模块电气连接，日光跟踪模块与太阳能电池板II电气连接，太阳能电池板II与太阳能电池检测模块电气连接，太阳能电池检测模块与控制器I电气连接，模拟日光模块与控制器I电气连接。
太阳能电池板I：
在可以安装太阳能电池板，而且太阳能电池板安装地点与实验室距离较近时，可以选择300～1000W太阳能电池板，该组件可以为系统提供真实的测试与实验条件。单块太阳能电池板的功率大约为100W、开路电压为19V，可以根据所配置的太阳能电池板的数量，进行适当的串并联连后接入系统。
太阳能跟踪系统：
太阳能跟踪系统包括日光跟踪模块、太阳能电池板II、太阳能电池检测模块、模拟日光模块和日光检测模块。
太阳能跟踪系统以500W短弧氙灯模拟日光，通过PWM方式调节短弧氙灯的照度。短弧氙灯安装在一导轨上，可以以一电机牵引其在导轨上移动，以模拟一天中太阳的位置变化。一块30W太阳能电池板安装在可以进行两维旋转的云台或舵机组件上，置于短弧氙灯下方。控制器通过检测太阳位置控制电池板跟踪日光，以获得最大的发电效率。控制器同时检测太阳能电池板的各项参数并显示出来。
模拟太阳能电池模块：
为了不具备安装太阳能电池板的实验室，或者即使安装了太阳能电池板，但是日照条件差的时候都能够进行实验，采用程控电源来替代太阳能电池板，程控电源可以根据太阳能电池板在不同季节一天中随着时间推移V/I特性的变化规律，来调整输出电压和内阻，以获得与太阳能电池板基本一致的V/I特性，以确保实验室能够任何时候天气条件状况下都能正常运行。程控电源也可以跟随太阳能跟踪系统中模拟日光与电池板的相互关系调节输出电压和内阻。
MPPT/直流变换模块：
最大功率跟踪MPPT。因为随着光照强度以及日光与太阳能电池板相对位置的变化，太阳能电池输出电压与内阻变化。为了最大限度从太阳能电池板上获取电能，需要通过控制负载阻抗来实现。
直流变化模块，采用BOOST升压变换电路将输出直流电压控制在直流母线要求的电压水平。
控制器I：
控制器采用M3系列嵌入式处理器，实现功能如下：
太阳能电池电参数测量与显示(随日光照度变化时V/I特性测量)；
模拟日光控制；位置控制(移动与切换)，光强度控制(白炽灯PWM)
日光位置检测；
日光跟踪；
模块太阳能的程控电源控制(用日光检测信号控制程控电源模拟光电池特性)；
MPPT控制；
直流变换；
通信接口控制。
如图3所示，所述风力发电模块包括控制器II、变频电源、调速电机、风机I、大功率风扇、风机II、风机状态参数检测模块、整流电路、升降压变换模块和卸荷电路，所述控制器II分别与变频电源、升降压变换模块、风机状态参数检测模块电气连接，变频电源与调速电机、大功率风扇电气连接，调速电机与风机II电气连接，风机II与整流电路电气连接，大功率风扇与风机I电气连接，风机I与整流电路电气连接，整流电路与升降压变换模块电气连接，升降压变换模块与直流母线电气连接，风机I与卸荷电路电气连接。
模拟风机模块：
模拟风机模块主要由控制器II、变频电源、大功率风扇、风机I、卸荷电路和风机状态参数检测模块组成，风机依靠自然界风力才能发电，而自然风是随机的、不可控的。为了在实验室获得实验条件，以大功率工业风扇来模拟自然风。以风扇摇头改变风向，改变电压调节风速。给风机配备功率可以条件的负载，同时测量风机的各项电参数并显示。启动卸荷电路可以给超速运行的风机自动减速。
实验风机模块：
实验风机模块主要由控制器II、变频电源、调速电机和风机II组成以变频器驱动调速电机带动1kw的风机，可以在实验室获得随时的实验条件。
整流电路：
整流电路将三相交流电转换成直流电。
升降压变换模块：
因为风机的输出电压随风力的改变而幅度变化大，必须采用升降压电路才能将电压稳定在直流母线电压水平。
控制器II：
控制器采用M3系列嵌入式处理器，实现功能如下：
风机电参数测量与显示；
风机卸荷控制：风机过速或电池过充时的能耗制动
自然风模拟：风向与风速控制(变频器控制工业风扇)
风向检测与风机方向控制(调节风机迎风角，调节风机所获风能)
调速系统的风速控制；
升降压电路控制：整流后的直流经BUCK/BOOST升降压电路电转换成直流母线电压水平；
整流控制(可控的AC/DC变换)；
通信接口。
如图4所示，所述储能模块包括储能元件、状态监测与维护模块、充放电控制器和充放电电路，所述储能元件分别与状态监测与维护模块、充放电电路电气连接，充放电控制器和充放电电路电气连接，充放电电路与直流母线电气连接；所述储能元件包括锂电池组和/或铅酸电池和/或超级电容。
在储能模块中，储能元件可以选择普通铅酸电池和/或锂电池组和/或超级电容组。其中，充放电电路可由BUCK电路和BOOST电路组成，也可由BUCK/BOOST双向DC/DC电路组成。充放电控制器需要随时监测储能元件状态和储能量，充电时根据其当前状态适时改变电路工作模式(电压升降倍率)转换充电工作方式；放电时根据不同元件的特点控制放电电流；在工作中随时进行电流、电压的监测，防止过充、过放、枯竭等状态出现。在非工作状态下需要监测、分析、判断储能元件性状(电流、电压、温度、内阻等)，并适时进行维护、活化。
由于锂电池和超级电容单体电压较低，需要多个元件串联工作，储能元件组需要配置均压电路。
在充放电过程中，还需要进行输入输出电能的计量。
如图5所示，所述单相变频逆变模块包括DC/DC变换模块、DC/AC变换模块、控制器III、交流电机和载荷控制模块，所述控制器III分别与DC/DC变换模块、DC/AC变换模块和载荷控制模块电气连接，所述DC/DC变换模块与DC/AC变换模块电气连接，DC/AC变换模块与交流电机电气连接，DC/DC变换模块与直流母线电气连接。
单相逆变电路是直流母线上的一个负载单元。
DC/DC变换电路将直流母线电压升压至400V左右，再由DC/AC变换模块变换成三相交流电，去驱动一300W的三相交流电机。同时DC/AC变换模块能够改变三相交流电的频率以实现对电机的调速。
交流电机的负载可以采用一小型直流发电机，改变励磁可以调节负载；同时电能还可以对储能元件充电。
如图6所示，所述直流电机驱动模块包括控制器V、测速模块、直流电机、PWM控制模块、驱动电源、直流无刷电机和直流发电机，所述控制器V分别与PWM控制模块、测速模块和驱动电源电气连接，直流电机分别与PWM控制模块、测速模块、直流发电机电气连接，直流无刷电机分别与驱动电源、测速模块、直流发电机电气连接，PWM控制模块、驱动电源和直流发电机分别连接到直流母线。
直流电机驱动模块是直流母线的一种负载单元。其中可以提供普通直流电机驱动或直流无刷电机两种选择。直流电机的负载仍然可以采用直流发电机。
单元中提供多种方式的测速模块，以便进行速度控制。
如图7所示，所述LED照明模块包括控制器VI、PWM控制模块、恒流源模块、照度检测模块、电流电压检测模块和LED阵列，所述控制器VI分别与PWM控制模块、恒流源模块、照度检测模块、电流电压检测模块电气连接，LED阵列分别与PWM控制模块、恒流源模块、电流电压检测模块电气连接，PWM控制模块、恒流源模块与直流母线电气连接；所述LED阵列由LED模块组成。
LED照明单元是直流母线的一种负载单元，也可以由直流稳压电源供电工作。在此单元中，提供5组LED灯。其中4组由12只1W白光LED组成，主要用于照明，由4路独立电源控制。1组由12只1W红绿蓝3色LED组成，用于色温控制，由三路独立电源控制。进一步扩展可以增加真彩色LED点阵模块。
LED驱动电源主要是恒流源型，工作电流可调。也可以提供PWM电压调节性电源，进行LED的调光。
单元中提供光敏测量元件模块，供照度测量与色温测量。
单元中提供LED电能计量模块，供照明功率测量之用。
如图8所示，所述三相并网逆变模块包括DC/DC变换模块、DC/AC变换模块、控制器IV和并网控制模块，所述控制器IV分别与DC/DC变换模块、DC/AC变换模块和载荷控制模块电气连接，所述DC/DC变换模块与DC/AC变换模块电气连接，DC/AC变换模块与并网控制模块电气连接，DC/DC变换模块与直流母线电气连接。
DC/DC变换模块将直流母线电压升高至350～400VDC；DC/AC变换模块将升压后的直流变换成220VAC单相交流电。系统配置交流负载吸收逆变产生的交流电。控制器IV采样电网交流电源的频率、电压与相位信息，控制DC/AC变换模块使所产生的交流电与电网同步，并通过隔离变压器并入电网。
直流负载是直流母线的能耗型负载单元，其主要作用是直流母线上电能平衡调节器。能耗功率为0～500W。当系统中储能元件模块不能工作(离线或充满电)时，能够根据直流母线的电压状况或中央控制器的指令调节负载功率。
Claims (2)
1.一种风光互补新能源应用实验平台，其特征在于：包括直流母线、中央控制器、太阳能发电模块、风力发电模块、储能模块、单相变频逆变模块、直流负载模块、直流电机驱动模块、LED照明模块和三相并网逆变模块；所述太阳能发电模块、风力发电模块、储能模块、单相变频逆变模块、直流负载模块、直流电机驱动模块、LED照明模块和三相并网逆变模块分别与直流母线电气连接；所述中央控制器通过无线传感器网络与太阳能发电模块、风力发电模块、储能模块、单相变频逆变模块、直流负载模块、直流电机驱动模块、LED照明模块和三相并网逆变模块进行通信；
所述太阳能发电模块包括太阳能电池板I、太阳能跟踪系统、模拟太阳能电池模块、MPPT/直流变换模块和控制器I，所述太阳能跟踪系统与控制器I电气连接，控制器I与模拟太阳能电池模块电气连接，太阳能电池板I和模拟太阳能电池模块与MPPT/直流变换模块电气连接；MPPT/直流变换模块与直流母线电气连接；所述太阳能跟踪系统包括日光跟踪模块、太阳能电池板II、太阳能电池检测模块、模拟日光模块和日光检测模块；所述日光检测模块与控制器I电气连接，控制器I与日光跟踪模块电气连接，日光跟踪模块与太阳能电池板II电气连接，太阳能电池板II与太阳能电池检测模块电气连接，太阳能电池检测模块与控制器I电气连接,模拟日光模块与控制器I电气连接；
所述风力发电模块包括控制器II、变频电源、调速电机、风机I、大功率风扇、风机II、风机状态参数检测模块、整流电路、升降压变换模块和卸荷电路，所述控制器II分别与变频电源、升降压变换模块、风机状态参数检测模块电气连接，变频电源与调速电机、大功率风扇电气连接，调速电机与风机II电气连接，风机II与整流电路电气连接，大功率风扇与风机I电气连接，风机I与整流电路电气连接，整流电路与升降压变换模块电气连接，升降压变换模块与直流母线电气连接，风机I与卸荷电路电气连接；
所述储能模块包括储能元件、状态监测与维护模块、充放电控制器和充放电电路，所述储能元件分别与状态监测与维护模块、充放电电路电气连接，充放电控制器和充放电电路电气连接，充放电电路与直流母线电气连接；所述储能元件包括锂电池组和/或铅酸电池和/或超级电容；
所述单相变频逆变模块包括DC/DC变换模块、DC/AC变换模块、控制器III、交流电机和载荷控制模块，所述控制器III分别与DC/DC变换模块、DC/AC变换模块和载荷控制模块电气连接，所述DC/DC变换模块与DC/AC变换模块电气连接，DC/AC变换模块与交流电机电气连接，DC/DC变换模块与直流母线电气连接；
所述直流电机驱动模块包括控制器V、测速模块、直流电机、PWM控制模块、驱动电源、直流无刷电机和直流发电机，所述控制器V分别与PWM控制模块、测速模块和驱动电源电气连接，直流电机分别与PWM控制模块、测速模块、直流发电机电气连接，直流无刷电机分别与驱动电源、测速模块、直流发电机电气连接，PWM控制模块、驱动电源和直流发电机分别连接到直流母线；
所述LED照明模块包括控制器VI、PWM控制模块、恒流源模块、照度检测模块、电流电压检测模块和LED阵列，所述控制器VI分别与PWM控制模块、恒流源模块、照度检测模块、电流电压检测模块电气连接，LED阵列分别与PWM控制模块、恒流源模块、电流电压检测模块电气连接，PWM控制模块、恒流源模块与直流母线电气连接；所述LED阵列由LED模块组成；
所述三相并网逆变模块包括DC/DC变换模块、DC/AC变换模块、控制器IV和并网控制模块，所述控制器IV分别与DC/DC变换模块、DC/AC变换模块和载荷控制模块电气连接，所述DC/DC变换模块与DC/AC变换模块电气连接，DC/AC变换模块与并网控制模块电气连接，DC/DC变换模块与直流母线电气连接。
2.根据权利要求1所述的风光互补新能源应用实验平台，其特征在于：所述直流母线为系统的基本骨架和集成的接口标准。
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