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      光伏發電平臺虛擬仿真實驗教學資源

      在“光伏材料”和“太陽電池制備”實驗平臺的基礎上,開發了一系列光伏的應用實驗,包括光伏發電系統實驗、風光互補發電實驗、電力繼電保護實驗、電力電子技術實驗、電力系統全數字仿真實驗等。通過本模塊的學習,學生可以了解并掌握光伏發電系統的原理和組成等方面的知識。

      所屬平臺

      實驗課程名稱

      實驗項目數

      課程編號

      光伏發電

      光伏發電系統實驗

      7

      133045

      風光互補發電實驗

      6

      133096

      電力繼電保護實驗

      5

      133043

      電力系統全數字仿真實驗

      6

      133044

      電力電子技術實驗

      5

      133095

      智能微電網實驗

      4

      133009

      光伏發電綜合課程設計

      1

      133053

       

      典型實驗課程一:光伏發電系統實驗

      課程概況

      《光伏發電系統實驗》是一門緊密結合實際應用的綜合性的實驗課程。學生通過本課程的學習,可掌握光伏發電系統的總體構成及各部件的運行原理,掌握光 伏逆變器拓撲結構、控制策略以及基于DSP的正弦脈寬調制技術、鎖相環控制等技術的應用,同時進一步加強對電力電子技術的深入理解,為今后從事光伏發電系 統、電力電子技術等相關工作打下一個良好的基礎。

      【課程特色】

      多樣性和可擴展性:采用經典和現代兩種控制理論的控制策略,包括電壓均值反饋控制、電壓單閉環瞬時值反饋控制、 電壓電流雙閉環瞬時控制等經典控制策略,還包括多變量狀態反饋控制、無差拍控制、滑膜變結構控制等多種現代控制策略。學生可以根據個人興趣,利用 MATLAB自己編寫控制算法,導入系統中進行實驗。

      注重工程應用:實驗工程背景明確、擬實性強,將光伏發電系統理論與實驗有機的結合在一起。通過實驗,能夠使學生理論與實踐相結合,較好地培養學生工程應用能力。

      【面向對象】

      本校電子科學與技術、自動化、電力系統及自動化、新能源材料與器件、光電信息科學與工程和電子信息科學與技術等專業的本科生和研究生。

      英利新能源公司和天威薄膜光伏有限公司等企業的員工。

      【教學效果】

      通過本實驗課程的學習,學生能夠深入理解光伏發電系統的構成及工作原理,掌握由IGBT等大功率開關器件構成整流及逆變電路拓撲結構及電路設計方 法,掌握PWM控制算法及多種逆變器控制策略,熟悉Matlab/Simulink電路仿真軟件,以及正弦脈寬調制、鎖相環控制的設計方法。

      【實驗項目】

      光伏發電系統虛擬仿真實驗項目

      序號

      典型實驗項目

      實驗要求

      實驗類型

      學時

      1

      自然采樣單相SPWM調制仿真

      必修

      設計型

      3

      2

      規則采樣單相SPWM調制仿真

      必修

      設計型

      3

      3

      單相SPWM閉環控制仿真

      必修

      設計型

      3

      4

      光伏發電系統中的DC/DC變換器仿真

      必修

      設計型

      3

      5

      光伏發電系統的單相鎖相環仿真

      必修

      設計型

      3

      6

      三相SVPWM調制仿真

      必修

      設計型

      3

      7

      三相SVPWM調制閉環控制仿真

      選修

      設計型

      3

       

      典型實驗項目《規則采樣單相SPWM調制仿真》

      【實驗目的】

      (1)熟悉Simulink電路仿真軟件的使用方法。

      (2)加深對規則采樣法認識。

      (3)掌握SPWM生成方法。

      【實驗工具】

      Matlab/Simulink

      【主要實驗步驟】

      (1)開環測試

      1、建立仿真文件:打開Matlab中simulink,通過Library Browser查找和放置所需元件,設置正弦波頻率50Hz幅值為1V,三角波峰峰值為-1到1V頻率10KHz,直流電壓為350V,濾波電感6mH、 電容4mF、電阻10Ω,如圖(a)完成規則采樣單相SPWM調制仿真原理圖。

      2、通過點擊Simulation /Configuration Patameters設置仿真步長如圖(b)。

      單相SPWM調制仿真原理、仿真步長設置

      3、單擊工具欄中Start Simulation開始仿真,雙擊圖中示波器,觀察各階段波形,如圖2-2-23(a)。

      生產正弦波并與三角波比較

      4、點擊經與10KHz直角三角波比較電路后的示波器,可以看到如上圖(b)所示正弦波與三角波的比較波形。

      5、點擊經過逆變電路后的示波器,可以觀察此時經過逆變器后產生的占空比按正弦規律變化的方波如下圖(a)所示。

      開環逆變產生的方波與正弦波

      6、最后點擊經過RLC濾波電路之后的示波器,可以觀察經過逆變和濾波之后的輸出波形為350V/50Hz的正弦波。如上圖(b)所示。

      2)閉環測試

      1、在原有開環電路的基礎上在輸出端加上閉環控制電路,其他不變,如圖(a)所示。

      閉環控制原理及輸出正弦波

      2、設置仿真時間為0.6S,點擊Start simulation按鈕開始仿真,通過示波器觀察正弦波信號產生情況如上圖(b)所示可知正弦波幅值在0.9V,頻率是50Hz。

       3、通過示波器繼續觀察正弦波與三角波經過比較的波形如下圖(a)所示。

      閉環逆變之后輸出波形

      4、通過示波器觀察經過逆變電路之后的波形,可以看出輸出的波形同樣是占空比按正弦規律變化的方波如上圖(b)所示。

      5、打開示波器觀察經過濾波電路后輸出的正弦波為頻率50Hz,幅值隨時間逐漸增加到310V,實現了閉環控制的過程。輸出波形如下圖(a)所示。

      濾波輸出及差積分電路波形

      6、輸出波形經過整流、抽樣、標準值做差和積分電路之后送入輸入,觀察波形如上圖(b)。

      典型實驗二:風光互補發電實驗

      課程概況

      《風光互補發電實驗》是一門綜合型的實驗課程,以風光互補發電系統為背景,系統、深入地介紹風力發電、光伏發電和逆變電路的基本原理。本課程是在修 讀自動控制、傳感器原理、微機原理、低壓電器及PLC技術應用等課程基礎上,進行風光互補綜合實訓課程。學生通過獨立完成多個PLC及單片機應用程序設 計、調試和運行,強化單片機和PLC應用課程中所學的軟、硬件知識,使學生綜合掌握單片機和PLC應用的基本方法。旨在培養學生綜合運用風光互補原理及應 用知識,熟悉開發的全部過程,積累產品設計開發的實踐經驗,熟悉產品開發所需的常用工具,熟練掌握一門就業廣泛的實用知識,掌握獨立開發、設計產品的能 力。

      【課程特色】

      虛實結合:本課程針對光伏和風力動態特性設計了一套集建模、控制和優化的實驗系統,融合了實物和虛擬仿真技術,可支持各類自定義的高級控制和優化算法并支持集散控制系統,不僅可在模擬仿真器上進行高級算法的研究,也可針對真實流程進行控制和優化算法的研究。

      開放性:本課程可以結合教學開設過程控制、計算機控制、系統辨識等實驗課程,培養學生綜合設計、探索創新等方面的能力。支持Matlab、Simulink等科學計算軟件,也可支持基于高級語言(如C/C++)的自定義算法。

      【面向對象】

      本校電子科學與技術、光電信息科學與工程、測控技術與儀器、電子信息科學與技術、新能源材料與器件、計算機科學與技術、自動化、電氣工程及其自動化等專業的本科生和研究生。

      英利新能源公司和天威薄膜光伏有限公司等企業的員工。

      【教學效果】

      通過本課程的學習,學生可以較全面和系統地了解和掌握風光互補發電的基本原理,掌握單片機和PLC控制的基本概念、基本原理及系統實現的理論分析、 軟硬件設計方法,掌握基于Matlab、Simulink等軟件的應用。為后續專業課程的學習打下了堅實基礎,同時也為學生以后在相應領域工作或研究奠定 良好的理論與實踐基礎。

      【實驗項目】

      風光互補發電虛擬仿真實驗項目

      序號

      典型實驗項目

      實驗要求

      實驗類型

      學時

      1

      太陽電池的輸出特性

      必修

      驗證型

      3

      2

      太陽電池組件光源跟蹤控制程序設計

      必修

      設計型

      3

      3

      模擬風場控制程序設計

      必修

      設計型

      3

      4

      風力發電機側風偏航控制程序設計

      必修

      設計型

      3

      5

      風力發電機輸出特性

      必修

      驗證型

      3

      6

      風光互補綜合實驗

      選修

      綜合型

      3

       

      典型實驗項目《風光互補綜合實驗》

      【實驗目的】

      (1)了解光伏發電、風力發電、逆變系統的工作原理。

      (2)熟悉STEP 7軟件仿真軟件的使用方法。

      (3)掌握PLC控制的基本概念、基本原理及系統實現的理論分析方法。

      【實驗工具】

      風光互補綜合實驗臺、STEP 7、MCGS。

      【主要實驗步驟】

      (1)工控軟件

      采用MCGS開放了上位機監控系統的組態軟件系統,通過SQLite數據庫實時存儲數據并對模擬光源、光伏跟蹤、模擬風場與側風偏航進行遙控;實驗軟件具有曲線顯示、歷史查詢報表、EXCEL文檔輸出、打印等功能,光伏發電監控系統見圖。

      光伏發電自跟蹤控制系統

      (2)光伏發電測試

      編寫控制程序:打開STEP 7軟件,通過Set PG/PC Interface查找和設置通訊模式,選擇PC/PPI電纜,包含串口和USB,通常選擇與主機相同的串口進行數據傳輸;編寫和調試程序,最終在工控機 上達到控制光電池追蹤光源的效果,在設備通訊正常時,可以通過工控平臺上曲線選擇欄,選擇在工控機界面顯示光伏輸入電壓、光伏功率等曲線。圖為太陽能遠程 測試仿真界面。

      光伏發電測試仿真界面

      (3)風力發電測試

      通過STEP設置與光伏發電類參數,編程調試;通過風力發電系統監控界觀察風機轉速、功率轉速等實時曲線,通過手動操作變頻器按鍵,實現可變風量輸出,通過觀察實時風速曲線圖,記錄各時刻風量值??梢酝ㄟ^工控機上觀察風力發電機裝置的各項實時參數,如圖。

      風力發電仿真控制界面

      (4)逆變系統測試

      接通系統電源和蓄電池開關,接通逆變器輸入開關,逆變器主控板上電工作,觀察蓄電池電壓,在蓄電池電壓正常狀況下,啟動升壓板開關;正常升壓后,逆變器開始工作,觀察交流電壓表顯示數據,待電壓表示數穩定后,可以接通交流負載使負載正常工作。圖為逆變器監測系統界面。

      逆變器監測系統界面

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