CN105319459B - 一种风光互补仿真实验装置的工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风光互补仿真实验装置的工作方法，包括：光伏发电实验单元、风力发电实验单元，以及与所述蓄电池相连的离网逆变模块；所述光伏发电实验单元包括：光伏并网逆变模块、直流开关模块、光伏组件模块；所述风力发电实验单元包括：风力发电机模块、主变压器模块、滤波补偿装置模块；所述各模块分别通过插接实验导线相连；本发明通过所包含的光伏发电实验单元、风力发电实验单元以完成光伏和风能并网实验。

Description

一种风光互补仿真实验装置的工作方法

技术领域

本发明涉及一种供配电实验系统，尤其涉及一种利用风能与太阳能的互补性，建立起具有一定容量的以新能源为代表的供配电实验系统的工作方法。

背景技术

利用太阳能发电有两种类型：一类是太阳光发电(亦称太阳能光发电)，另一类是太阳热发电(亦称太阳能热发电)。由于太阳能光发电的利用率高，经济实用，被大量的推广使用。太阳能光发电是将太阳能直接转变成电能的一种发电方式。它包括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电四种形式，其中，现阶段技术相对成熟，利用较多的是太阳能光伏发电。而风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。其本质是将风的动能转变成机械动能，再将机械动能转换成电能。

然而尽管风能，太阳能存在着以上许多优点，但是我们仍然不能忽视它们自身的缺点。它们不仅都是一种能量密度很低的能源，而且都会随着天气与气候的变化而变化，即也是一种能量稳定性差的能源。这些弊端给它们的推广应用带来了难题。因而为了建立起更加稳定可靠，经济合理的能源系统，我们需要充分利用风能与太阳能在多方面的互补性，将风能和太阳能综合利用起来。

发明内容

本发明的目的是提供一种风光互补仿真实验装置的工作方法，其满足对太阳能和风能并网实验的需要。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种风光互补仿真实验装置的工作方法，其中，所述风光互补仿真实验装置包括：光伏发电实验单元、风力发电实验单元，以及与所述蓄电池相连的离网逆变模块；所述光伏发电实验单元包括：光伏并网逆变模块、直流开关模块、光伏组件模块；所述风力发电实验单元包括：风力发电机模块、主变压器模块、滤波补偿装置模块；所述工作方法包括：实验时，将各导线分别插接各模块附近的输入输出孔以使相应模块的输入、输出端相连。

进一步，所述风光互补仿真实验装置还包括：用于进行电容在线检测实验的电容测试单元，所述电容测试单元的工作方法包括如下步骤：

步骤一：采集被测电容两端的电压向量，并将该电压向量分解出基波电压u₀(t)和n次谐波电压分量u_n(t)，即，所述被测电容两端的叠加电压u(t)，即u(t)＝u₀(t)+u_n(t)，计算该叠加电压的有效值U，基波电压的有效值U₀。

步骤二：建立电容声压级数据库，该数据库中包括：各类型电容在仅有各基波电压的有效值所分别对应的电容声压级。

预设被测电容类型、额定电容量C₀，根据被测电容类型及当前基波电压的有效值U₀从所述电容声压级数据库获得相应电容声压级L_p0。

采集被测电容产生的声音信号，以获得相应电容声压级L_px，通过公式计算出被测电容的实际电容量C_x。

步骤三：根据被测电容的实际电容量C_x和叠加电压的有效值U建立电容量预估公式，即C＝C_x-kUt；其中，C为被测电容损坏时的极限电容值，t为电容损坏预期时间，k为单位时间内被测电容在当前基波电压的有效值U₀下对应的电容量变化系数，即，其中，C_x1和C_x2为单位时间内被测电容的电容量初值和终值。

设定所述极限电容值C，通过所述电容量预估公式推导出电容损坏预期时间t的计算公式，即以计算出被测电容发生损坏的预期时间。

进一步，所述叠加电压的有效值U通过基波电压u₀(t)和n次谐波电压分量u_n(t)的有效值平方和的平方根值获得。

进一步，所述n次谐波电压分量u_n(t)中n取5。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：(1)本发明通过所包含的光伏发电实验单元、风力发电实验单元以完成光伏和风能并网实验；(2)本发明把超声波传感器和高频电流传感器结合起来，实现了无需关闭电源的在线检测；(3)本发明通过超声波传感器采集被测电容产生的电容声压级L_px；高频电流传感器采集电容两端的电压值，建立电容量预估公式，利用该公式对被测电容的寿命进行预测，比传统的仅仅检测当前电容实际电容量来判断电容寿命更加具有前瞻性，并且通过该实验装置可以开设电力电子技术课程，对电力电容的评估具有参考价值。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1风光互补仿真实验装置的结构框图；

图2电容测试单元的原理框图；

图3为电容测试单元的工作方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

实施例1

如图1所示，一种风光互补仿真实验装置的工作方法，其中，风光互补仿真实验装置包括：光伏发电实验单元、风力发电实验单元，以及与所述蓄电池相连的离网逆变模块；所述光伏发电实验单元包括：光伏并网逆变模块、直流开关模块、光伏组件模块；所述风力发电实验单元包括：风力发电机模块、主变压器模块、滤波补偿装置模块；所述工作方法包括：实验时，将各导线分别插接各模块附近的输入输出孔以使相应模块的输入、输出端相连。

所述相应模块指的是一个实验单元中的各模块按照实验要求进行连接，即，光伏组件模块的输出孔连接直流开关模块的输入孔，该直流开关模块的输出孔连接光伏并网逆变模块的输入孔。

所述光伏并网逆变模块、直流开关模块、主变压器模块、滤波补偿装置模块、离网逆变模块分别位于实验基板上，各模块两侧分别设有输入输出孔，该接口适于插接实验导线构建实验电路。

上述各模块均为现有技术中以公开的电路模块，其用于让学生完成实验接线，以及测量必要数据所用。学生可以根据课程要求，进行相应连线，提高学生的动手能力。

实施例2

如图2所示，在实施例1基础上的所述风光互补仿真实验装置还包括：用于进行电容在线检测实验的电容测试单元，该电容测试单元包括：

超声波传感器，用于采集被测电容产生的声音信号，以获得相应电容声压级L_px。

高频电流传感器，用于采集电容两端的电压向量。

所述超声波传感器、高频电流传感器分别通过相应数据调理单元与数据处理控制单元相连；即，超声波传感器、高频电流传感器分别通过第一、第二数据调理单元与数控处理控制单元相连，且第一、第二数据调理单元可以采用由集成运算放大器构成的一定比例的放大器。

所述数据处理控制单元，包括：

电容叠加电压计算模块，适于将获得的电压向量分解出基波电压u₀(t)和n次谐波电压分量u_n(t)，即，所述被测电容两端的叠加电压u(t)，即u(t)＝u₀(t)+u_n(t)，计算该叠加电压的有效值U，同时计算基波电压的有效值U₀；其中，获得谐波和基波的方法是通过FFT运算得到，该方法在现有技术文献中已有大量描述，例如：李加升、柴世杰2009年9月发表在期刊《电力系统保护与控制》上的论文“电能质量谐波间谐波在线快速检测方法研究”中已有相关描述。

电容量计算模块，适于根据预设被测电容类型、额定电容量C₀，通过所述电容声压级数据库获得被测电容与仅有各基波电压的有效值对应的电容声压级L_p0；通过被测电容产生的声音信号，以获得相应电容声压级L_px，通过公式计算出被测电容的实际电容量C_x；其中，所述电容声压级L_p0通过建立电容声压级数据库的方式获得，即该数据库中存储有各类型电容与各基波电压的有效值对应的电容声压级，通过预设输入被测电容的类型，以及计算所得到当前基波电压的有效值，从电容声压级数据库查找得到该电容对应的电容声压级数据；计算相应电容声压级L_px的方法在论文文献：2010年6月发表于《电子技术学报》的基于振动信号的电容噪声水平计算方法中已被公开。

被测电容寿命计算模块，适于根据被测电容的实际电容量C_x和叠加电压的有效值U建立电容量预估公式，即C＝C_x-kUt；其中，C为被测电容损坏时的极限电容值，t为电容损坏预期时间，k为单位时间内被测电容在当前基波电压的有效值U₀下对应的电容量变化系数，即，其中C_x1和C_x2为在当前基波电压的有效值U₀下的单位时间内被测电容的电容量初值和终值；电容量变化系数k可以根据各类型电容在各基波电压的有效值下经过实测建立的电容量变化系数数据库得到，该电容量变化系数数据库根据电容型号和相应基波电压的有效值查找得到该电容对应的电容量变化系数k，其具体获取方法：各种基波电压的有效值下所测量的各类型电容在一段时间内的电容量初值和终值，再换算出一个单位时间内对应的电容量初值和终值，根据预设被测电容的类型，以及计算所得到当前基波电压的有效值，从电容量变化系数数据库中查找的出该电容对应的电容量变化系数k，为了便于计算，设电容在单位时间内的变化量是线性的；且通过所述电容量预估公式推导出电容损坏预期时间t的计算公式，即设定所述极限电容值C，以计算出被测电容发生损坏的预期时间。

所述叠加电压u(t)的有效值U计算方法包括：基波电压u₀(t)和n次谐波电压分量u_n(t)的有效值平方和的平方根值。所述n次谐波电压分量u_n(t)中n取5。

所述数据处理控制单元通过FPGA模块来实现，即，FPGA芯片XC6SLX9-TQG144。

表1为实验数据与实测对比结果一，表1的电力电容选用巨华电力电容BSMJ-0.415-15-3 15Kvar，设定所述极限电容值C为原容量的40％。

表1实验数据与实测对照表

其中，在计算电容量变化系数k时，单位时间为24小时，即在525V基波有效值下，一天的电容变化量经实测为0.08uF。

表2为实验数据与实测对比结果二，表2的电力电容选用上海威斯康电力电容BSMJ0.4-15-3和电容BSMJ 0.45-15-3，设定所述极限电容值C为原容量的40％。

表2实验数据与实测对照表

其中，在计算电容量变化系数k时，单位时间为24小时，即在450V基波有效值下，一天的电容变化量经实测为0.12uF；或在415V基波有效值下，一天的电容变化量经过实测为0.11uF。

表3为实验数据与实测对比结果三，表3的电力电容选用德力西自愈式低压电容器并联电力电容器BSMJS0.4 20-3BSMJ，设定所述极限电容值C为原容量的40％。

表3实验数据与实测对照表

其中，在计算电容量变化系数k时，单位时间为24小时，即在380V基波有效值下，一天的电容变化量经实测为0.063uF。

本发明中基波有效值也可以认为是理想状态下的电压有效值。

从表1至表3可以看出，本发明的电容在线检测预估电容剩余时间是切实有效的，具有准确性高的特点，在接近电容实际电容量接近电容损坏时的极限电容值C时，所结算的结果越接近实测结果。因此，本实验装置能完成必要的电容在线检测实验，其数据具有很高的参考价值；学生通过电容测试单元可以对电力电容的使用有很深刻的了解，丰富了风光互补仿真实验的科目。

实施例3

如图3所示，在实施例2基础上，提供了一种风光互补仿真实验装置的工作方法，其中，所述风光互补仿真实验装置还包括：用于进行电容在线检测实验的电容测试单元，所述电容测试单元的工作方法包括如下步骤：

步骤S100，获得被测电容两端的叠加电压、基波电压的有效值。

采集被测电容两端的电压向量，并将该电压向量分解出基波电压u₀(t)和n次谐波电压分量u_n(t)，即，所述被测电容两端的叠加电压u(t)，即u(t)＝u₀(t)+u_n(t)，计算该叠加电压的有效值U，同时计算基波电压的有效值U₀；其中，获得谐波和基波的方法是通过FFT运算得到，该方法在现有技术文献中已有大量描述，例如：李加升、柴世杰2009年9月发表在期刊《电力系统保护与控制》上的论文“电能质量谐波间谐波在线快速检测方法研究”中已有相关描述。本发明中电容为电力电容。

步骤S200，获得被测电容的实际电容量。

建立电容声压级数据库，该数据库中包括：各类型电容在仅有各基波电压的有效值所分别对应的电容声压级。

预设被测电容类型、额定电容量C₀，通过所述电容声压级数据库获得被测电容在当前基波电压的有效值U₀下对应的电容声压级L_p0；采集被测电容产生的声音信号，以获得相应电容声压级L_px，通过公式计算出被测电容的实际电容量C_x；其中，所述电容声压级L_p0通过建立电容声压级数据库的方式获得，即该数据库中存储有各类型电容与仅有各基波电压的有效值对应的电容声压级，通过预设输入被测电容的类型，以及计算所得到当前基波电压的有效值，从电容声压级数据库查找得到该电容对应的电容声压级数据；其中，仅有各基波电压指的是无谐波电压；计算相应电容声压级L_px的方法在论文文献：2010年6月发表于《电子技术学报》的基于振动信号的电容噪声水平计算方法中已被公开。

步骤S300，通过建立电容量预估公式，计算出被测电容发生损坏的预期时间。

步骤S310，建立电容量预估公式及电容量变化系数k计算公式。

根据被测电容的实际电容量C_x和叠加电压的有效值U建立电容量预估公式，即C＝C_x-kUt；其中，C为被测电容损坏时的极限电容值，t为电容损坏预期时间，k为单位时间内被测电容在当前基波电压的有效值U₀下对应的电容量变化系数，即，C_x1和C_x2为在当前基波电压的有效值U₀下的单位时间内被测电容的电容量初值和终值；电容量变化系数k可以根据各类型电容与仅有各基波电压的有效值经过实测建立的电容量变化系数数据库得到，该电容量变化系数数据库根据电容型号和相应基波电压的有效值查找得到该电容对应的电容量变化系数k，其具体获取方法：各种基波电压的有效值下所测量的各类型电容在一段时间内的电容量初值和终值，再换算出一个单位时间内对应的电容量初值和终值，根据预设被测电容的类型，以及计算所得到当前基波电压的有效值，从电容量变化系数数据库中查找的出该电容对应的电容量变化系数k，为了便于计算，设电容在单位时间内的变化量是线性的。

步骤S320，计算出被测电容发生损坏的预期时间。

通过所述电容量预估公式推导出电容损坏预期时间t的计算公式，即设定所述极限电容值C，以计算出被测电容发生损坏的预期时间，即被测电容的使用寿命；其中，极限电容值C由人为设定，也为电容量发出警告的阈值，便于对电容进行在线评估。

进一步，所述叠加电压的有效值U通过基波电压u₀(t)和n次谐波电压分量u_n(t)的有效值平方和的平方根值获得。

进一步，考虑到谐波能量分布，所述n次谐波电压分量u_n(t)中n取5。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (1)

1.一种风光互补仿真实验装置的工作方法，其特征在于，所述风光互补仿真实验装置包括：光伏发电实验单元、风力发电实验单元，以及与蓄电池相连的离网逆变模块；

所述光伏发电实验单元包括：光伏并网逆变模块、直流开关模块、光伏组件模块；

所述风力发电实验单元包括：风力发电机模块、主变压器模块、滤波补偿装置模块；

所述工作方法包括：实验时，将各导线分别插接各模块附近的输入输出孔以使相应模块的输入、输出端相连；

所述风光互补仿真实验装置还包括：用于进行电容在线检测实验的电容测试单元，所述电容测试单元的工作方法包括如下步骤：

步骤一：采集被测电容两端的电压向量，并将该电压向量分解出基波电压u₀(t)和n次谐波电压分量u_n(t)，即可得出所述被测电容两端的叠加电压u(t)，即u(t)＝u₀(t)+u_n(t)，然后计算该叠加电压的有效值U，基波电压的有效值U₀；

步骤二：建立电容声压级数据库，该数据库中包括：各类型电容的与仅有各基波电压的有效值分别对应的电容声压级；

预设被测电容类型、额定电容量C₀，根据被测电容类型及当前基波电压的有效值U₀从所述电容声压级数据库获得相应电容声压级L_p0；

采集被测电容产生的声音信号，以获得相应电容声压级L_px，通过公式计算出被测电容的实际电容量C_x；

步骤三：根据被测电容的实际电容量C_x和叠加电压的有效值U建立电容量预估公式，即C＝C_x-kUt；其中，C为被测电容损坏时的极限电容值，t为电容损坏预期时间，k为单位时间内被测电容在当前基波电压的有效值U₀下对应的电容量变化系数，即，其中，C_x1和C_x2为单位时间内被测电容的电容量初值和终值；

设定所述极限电容值C，通过所述电容量预估公式推导出电容损坏预期时间t的计算公式，即以计算出被测电容发生损坏的预期时间。