CN107993539A - 一种光伏发电半实物教学仿真平台及其仿真方法 - Google Patents

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黄绍书
陈卓
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Abstract

本发明公开了一种光伏发电半实物教学仿真平台，包括上位机、数字/模拟输入输出板卡、光伏组件、逆变器、信号采集与变换模块、UREP实时仿真器和以太网交换机，上位机通过以太网交换机连接到UREP实时仿真器，实时仿真器通过数字/模拟输入输出板卡与信号采集与变换模块连接到光伏组件、电网侧和逆变侧以及逆变器，光伏组件连接逆变器。本发明通过UREP实时仿真器能够更好地控制光伏发电逆变器的运行状态，实现光伏发电开发流程可视化，给实验人员带来了极大地方便，仿真效果好，成本低。

Description

一种光伏发电半实物教学仿真平台及其仿真方法
技术领域
本发明属于光伏发电半实物教学仿真技术领域，具体涉及一种光伏发电半实物教学仿真平台及其仿真方法。
背景技术
近年来在国民经济对能源需求量不断增大和自然环境日益恶化的背景下，仅仅依靠“节能减排”不能从根本上来解决能源短缺问题，世界必须积极进行能源结构调整，用新能源逐步取代传统化石能源，因此开发和利用新能源必然将成为趋势。电能具有方便转化为其他形式的能、输出分配易于实现和应用规模灵活等优点，所以在开发和利用新能源的过程中，最有效的方法就是利用一次能源进行发电。在新能源利用中最常见的就是太阳能、核能、风能、潮汐能等，地球上太阳能资源非常丰富，不受地域的限制，相较于其他能源具有更多的优势。
目前国内大学本科光伏发电教学主要是以讲述光伏发电的基本知识为主，缺乏实验教学方案和平台，对于光伏发电流程缺乏主观的认识，学生无法准确理解控制方法和算法。因此教学效果有限。
MATLAB是全球通用的一款具有强大计算功能的软件，其中Simulink则是专门针对电力系统、控制、通信等领域的图形化建模工具，在Simulink工具中，用户可以直接通过拖拽功能模块的方式搭建模型，具有开发过程周期短，实用性强的优点。
近年来数字物理混合实时仿真技术正以一种新型的实验方式呈现在教学和科研的面前，数字物理混合实时仿真技术能够实现软硬件结合，具有直观和实效性的优点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种光伏发电半实物教学仿真平台及其仿真方法，以解决现有技术中存在的问题。
本发明采取的技术方案为：一种光伏发电半实物教学仿真平台，包括上位机、数字/模拟输入输出板卡、光伏组件、逆变器、信号采集与变换模块、控制器、UREP实时仿真器和以太网交换机，上位机通过以太网交换机连接到UREP实时仿真器，实时仿真器通过数字/模拟输入输出板卡与信号采集与变换模块连接到光伏组件、电网侧和逆变侧以及逆变器，光伏组件连接逆变器。
一种光伏发电半实物教学仿真平台的仿真方法，该方法为；在上位机中使用MATLAB/SIMULINK工具下进行控制模型和算法的建立，通过编译操作将模型下载到实时仿真器中，再传输到数字模拟输入输出板卡；信号采集与分析模块通过采集光伏组件、逆变侧、电网侧的各种数据参数，上传至实时仿真器，从而实现闭环控制。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明通过UREP实时仿真器能够更好地控制光伏发电逆变器的运行状态，实现光伏发电开发流程可视化，给实验人员带来了极大地方便，仿真效果好，成本低。
附图说明
图1是本发明示意图；
图2是逆变电路设计图；
图3是逆变器推挽部分设计图；
图4是逆变器推挽部分驱动设计图；
图5是逆变器逆变部分设计图；
图6是逆变器逆变部分驱动设计图；
图7是直流监测采样电路设计图；
图8是交流监测采样电路设计图。
具体实施方式
下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。
实施例1：如图1-图8所示，一种光伏发电半实物教学仿真平台，包括上位机、数字/模拟输入输出板卡3、光伏组件4、逆变器5、信号采集与变换模块7、UREP实时仿真器8和以太网交换机9，上位机通过以太网交换机连接到UREP实时仿真器8，实时仿真器上数字/模拟输入输出板卡通过信号采集与变换模块7连接到光伏组件、电网侧和逆变侧以及逆变器，光伏组件4连接逆变器5，上位机包括主机2和显示器1，逆变器5另一侧连接到电网6。
上位机通过以太网交换机连接到实时仿真器UREP的网络端口，上位机用于搭建光伏发电控制模型，实时仿真器UREP则将虚拟控制信号转化为实际控制信号或者说将实际采集信号转化为虚拟采集信号，从而实现对逆变器的控制。逆变器作为实物主要部分，完成将光伏组件直流电压、电流参数转换为交流参数。
上位机通过以太网交换机与实时仿真器进行数据通信，控制器模型通过编译下载操作下装到实时仿真器中，从而经数字/模拟输入输出板卡传输至光伏发电硬件电路部分。
逆变器为单相逆变器，逆变器前半部分采用推挽升压电路，后半部分采用全桥逆变电路。
IGBT驱动芯片为TLP250、6N137和IR2110，IGBT型号为IRFP460A。
信号采集与变换模块包括三部分：光伏组件处、电网侧和逆变侧。
所述光伏组件处信号采集与变换模块采集直流数据，通过电阻分压采集电压信号，通过INA282采集电流信号。
所述电网侧和逆变侧信号采集与变换模块采集交流数据，互感器将大电流高电压转化为小电流低电压，利用真有效值转换芯片AD637采集获取电压和电流。
基于xPCtarget技术的UREP实时仿真器，具有实时计算、模拟电力系统的运行、输出实时仿真数据、监测来自信号采集与变换模块反馈信息、实时更新仿真数据的功能，并能够传输到上位机进行图像和数据显示。
一种光伏发电半实物教学仿真平台的仿真方法，该方法为；在上位机中使用MATLAB/SIMULINK工具下进行控制模型和算法的建立，通过编译操作将模型下载到实时仿真器中，再传输到数字模拟输入输出板卡；信号采集与分析模块通过采集光伏组件、逆变侧、电网侧的各种数据参数，上传至实时仿真器，从而实现对IGBT管的控制，从而保证太阳能向电能的最大转换效率和最优转换特性。
一种基于UREP的光伏发电半实物教学平台的仿真方法，还包括：将显示器、上位机安放在实验台上，实时仿真器、以太网交换机和数字/模拟输入输出板卡都安装在机柜中，另外将信号采集与变换模块安放在光伏组件背面、电网侧和逆变侧等多个位置，光伏组件背面信号采集与变换模块采集直流数据，通过电阻分压采集电压信号，通过INA282采集电流信号，电网侧和逆变侧信号采集与变换模块采集交流数据，互感器将大电流高电压转化为小电流低电压，利用真有效值转换芯片AD637采集电压和电流。
本发明的仿真方法避免了单纯软件仿真，同时又减少了教学实验成本，而且在教学实验过程中还能够让实验人员参与开发光伏发电控制算法，对实验人员知识应用能力和创新意识的培养有极大地帮助。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种光伏发电半实物教学仿真平台，其特征在于：包括上位机、数字/模拟输入输出板卡（3）、光伏组件（4）、逆变器（5）、信号采集与变换模块（7）、控制器、UREP实时仿真器（8）和以太网交换机（9），上位机通过以太网交换机连接到UREP实时仿真器（8），实时仿真器通过数字/模拟输入输出板卡（3）与信号采集与变换模块（7）连接到光伏组件、电网侧和逆变侧以及逆变器，光伏组件（4）连接逆变器（5）。
2.根据权利要求1所述的一种光伏发电半实物教学仿真平台的仿真方法，该方法为；在上位机中使用MATLAB/SIMULINK工具下进行控制模型和算法的建立，通过编译操作将模型下载到实时仿真器中，再传输到数字/模拟输入输出板卡；信号采集与分析模块通过采集光伏组件、逆变侧、电网侧的各种数据参数，上传至实时仿真器，从而实现闭环控制。
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