全開放綜合型新能源實驗平臺的構(gòu)建

李 媛， 雷 勇， 龐濱洋， 肖 勇， 李長松

(四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院， 四川 成都 610065)

全開放綜合型新能源實驗平臺的構(gòu)建

李 媛， 雷 勇， 龐濱洋， 肖 勇， 李長松

(四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院， 四川 成都 610065)

本文設(shè)計實現(xiàn)了全開放式新能源實驗平臺，綜合了設(shè)計、測試、實驗與組網(wǎng)功能，可實現(xiàn)控制算法級至系統(tǒng)拓撲級的自主實驗與開發(fā)。該平臺上可發(fā)展驗證型、設(shè)計型、綜合型等與新能源相關(guān)的四大類、二十余項實驗項目，滿足本科及研究生課堂教學(xué)、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計及大學(xué)生創(chuàng)新實踐訓(xùn)練等多層次教學(xué)需要。實踐表明，該實驗平臺在引領(lǐng)學(xué)生在電氣及新能源領(lǐng)域的創(chuàng)新和實踐過程中發(fā)揮了重要作用。

新能源；實驗平臺；開放式設(shè)計；多層次教學(xué)

0 引言

為滿足新能源應(yīng)用的教學(xué)和科研要求，各高校及科研院所紛紛設(shè)立新能源實驗室[1-4]，其基本構(gòu)成包括光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)與本地負荷，所構(gòu)成的局部電網(wǎng)有時也被稱為微電網(wǎng)。另外，也有將新能源系統(tǒng)與電力自動化系統(tǒng)、計算機仿真系統(tǒng)、電動汽車等結(jié)合，構(gòu)成更加復(fù)雜的智能電網(wǎng)平臺[5]。

本文給出一套全開放新能源實驗平臺的構(gòu)建及功能設(shè)置方案。該平臺以培養(yǎng)創(chuàng)新型工程人才為導(dǎo)向，以擴大開放性、增強實踐能力為目的，為學(xué)生提供全方位多層次綜合型設(shè)計、測試、實驗與組網(wǎng)的實訓(xùn)功能。本文詳細介紹了實驗平臺的構(gòu)成、實驗項目設(shè)計、實驗安全規(guī)范及保護措施。本平臺的建立為電氣專業(yè)工程型人才的培養(yǎng)提供了有力的支撐，在電氣及新能源領(lǐng)域創(chuàng)新和實踐過程中發(fā)揮了重要作用。

1 實驗平臺構(gòu)成

1.1 總體結(jié)構(gòu)

圖1所示為新能源實驗平臺的總體結(jié)構(gòu)。

圖1 新能源實驗平臺總體結(jié)構(gòu)圖

1)實驗平臺接線

該平臺設(shè)計成雙母線結(jié)構(gòu)，包含 220 V直流母線和400 V交流母線各一條。直流母線連接儲能裝置、光伏發(fā)電系統(tǒng)及模擬風(fēng)電機組的DC-DC變流器輸出。直流母線后級連接多臺單相、三相DC-AC并網(wǎng)逆變器，接入交流母線，交流母線與公共電網(wǎng)連接。兩條母線均引至實驗操作臺，共7個，每個操作臺設(shè)開關(guān)箱，多設(shè)備組網(wǎng)實驗時可通過開關(guān)箱靈活設(shè)置設(shè)備與母線的連接方式，如共直流母線、共交流母線或雙母線。

2)光伏發(fā)電系統(tǒng)

屋頂光伏陣列規(guī)模為200 W × 36塊 = 7.2 kW。光伏陣列連接避雷箱，另通過電纜接入室內(nèi)開關(guān)柜中。開關(guān)柜設(shè)計兩種陣列連接方式：①7.2 kW (18模塊(串聯(lián))×2組(并聯(lián)))× 1組電纜出口；②1.2 kW(6模塊(串聯(lián)))×6組電纜出口。通過斷路器操作可在兩種陣列連接方式間靈活切換。每組電纜出口分別引出至各實驗操作臺，各操作臺設(shè)開關(guān)，控制各組光伏電纜進線，確保操作時的斷電與安全。

對應(yīng)于兩種陣列連接方式，光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)方式為：①一臺10 kW光伏逆變器；②6組小功率光伏并網(wǎng)逆變器(1.2 kW/組)。該設(shè)計使光伏系統(tǒng)可承擔多組學(xué)生同時進行小功率實驗，也可以承擔中等功率的光伏實驗，或與風(fēng)能系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)等裝置的組網(wǎng)運行實驗。

3)風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)

實驗平臺設(shè)有兩套風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)：①基于變頻器驅(qū)動感應(yīng)電機，拖動永磁同步發(fā)電機的模擬風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，5 kW/臺 × 1臺；②屋頂離網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，300 W/臺 × 2臺。

模擬風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)接并網(wǎng)逆變器一套(5 kW)，可用于基于永磁同步發(fā)電機的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)原理驗證、實驗及科研。屋頂風(fēng)力發(fā)電機連接電池管理系統(tǒng)和小型蓄電池，構(gòu)成離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。

4)混合儲能系統(tǒng)

鉛酸電池儲能系統(tǒng)含18組50 Ah/12 V電池，容量10.8 kWh。鋰電池組單體電壓3.2 V，容量50 Ah，采用4塊單體電池并聯(lián)成3.2 V/200 Ah的電池串，12個電池組串聯(lián)成38.4 V/200 Ah的電池組，該電池組的容量為38.4 V × 200 Ah = 7.68 kWh。單體超級電容的型號為2.5 V/3000 F，單體容量達到4.6 Wh。由18只單體電容串聯(lián)成電壓為48 V的模塊，該模塊的容量達到100 Wh，放電功率達到10 kW，放電時間36 s。

各儲能設(shè)備包含自有電池管理和設(shè)備監(jiān)測、保護系統(tǒng)。鋰電池組與超級電容通過雙向DC-DC接于220 V直流母線，與鉛酸電池組直接相連。該混合儲能系統(tǒng)可滿足系統(tǒng)對能量及功率的綜合需求，無論是在長時間的系統(tǒng)能量補給，還是短時間平復(fù)新能源輸出波動調(diào)節(jié)電能質(zhì)量方面，均可發(fā)揮作用。

1.2 變流器實驗箱

為保證實驗平臺的開放性，系統(tǒng)中大量使用的DC-DC及DC-AC變流裝置均系自主開發(fā)。采用如圖2所示的基礎(chǔ)模塊，選擇A、B和C組中各一個模塊，可搭配出DC-DC、單相H橋式DC-AC及三相DC-AC變流器等實驗裝置，且全部可實現(xiàn)雙向潮流，可作為儲能、新能源并網(wǎng)逆變、整流、靈活交流輸電(FACTS)乃至高壓直流輸電(HVDC)等實驗的原型機?；A(chǔ)模塊接頭選用即插即用端子，實驗準備階段僅需簡單改接線路即可。將實驗箱的關(guān)鍵節(jié)點引出，統(tǒng)一布局于PCB板一側(cè)作為觀測點，方便學(xué)生用示波器和萬用表觀測。

采用TI公司F28069 Piccolo controlSTICK作為系統(tǒng)微控制器，其核心為32位浮點型TMS320F2806x Piccolo芯片，主頻90 MHz，具有12路12位AD采樣通道及17路PWM輸出，另有I2CUART(SCI)SPICAN通信方式可選，滿足變流器數(shù)字控制的需要。

設(shè)計的擴展板，含傳感器及采樣調(diào)理電路、IGBT驅(qū)動芯片及預(yù)驅(qū)動電路、保護電路以及運行狀態(tài)指示燈等。擴展板實現(xiàn)控制電路與功率主電路的完全隔離。

微控制器程序?qū)κ褂谜呷块_放，并提供必要例程。針對少學(xué)時的課堂實驗，提前燒寫DSP程序，如控制DC-DC占空比或DC-AC調(diào)制系數(shù)每15 s調(diào)整一次，方便學(xué)生記錄實驗數(shù)據(jù)。而對于其他多學(xué)時的設(shè)計型、創(chuàng)新型實驗，則完全由學(xué)生自行設(shè)計與開發(fā)程序功能。

(a)A組：可擴展電容模塊 (b)B組：DC-DC開關(guān)臂

(c)B組：H橋開關(guān)臂 (d)B組：三相橋開關(guān)臂

(e)C組：LC濾波器 (f)C組：LCL濾波器圖2 變流器實驗箱基礎(chǔ)模塊

2 實驗項目設(shè)計

實驗項目包括光伏發(fā)電類、風(fēng)能發(fā)電類、儲能類和分布式發(fā)電及微電網(wǎng)類等共五大類，二十余項，如表1所示。

對于相同實驗項目，安排深度不同的實驗類別，以滿足多層次教學(xué)需要：驗證類實驗為課堂教學(xué)服務(wù)，以加深學(xué)生直觀認識為目的，實驗流程程序化，實驗結(jié)果標準化。設(shè)計類實驗主要面向課程設(shè)計需要，學(xué)生掌握基本知識后以計算和設(shè)計為主，如設(shè)計10 kW光伏發(fā)電系統(tǒng)，要求選擇合適的光伏模板型號、數(shù)量、接線方法、逆變器型號等，依據(jù)需要進行物理實驗，不設(shè)標準實驗流程。綜合類實驗面向畢業(yè)設(shè)計和創(chuàng)新訓(xùn)練開設(shè)，要求學(xué)生針對某個選題梳理現(xiàn)有技術(shù)方法，提出改進措施并加以實現(xiàn)。其選題更加靈活，但范圍小，精度高，有相當難度和深度，通?？蓞⒖紝I(yè)教師科研課題設(shè)定。學(xué)時安排為：課堂教學(xué)2學(xué)時，課程設(shè)計8學(xué)時，畢業(yè)設(shè)計64學(xué)時，創(chuàng)新訓(xùn)練64學(xué)時。

表1 實驗項目單

3 安全規(guī)范及保護措施

開放性實驗平臺可操作空間大，為保障人身及實驗裝置、設(shè)備的安全，從多個方面設(shè)計保護措施。

(1)編寫安全規(guī)范告知書，規(guī)定實驗流程和操作規(guī)范，任何違規(guī)行為將被取消成績，嚴重的取消進入實驗室資格。學(xué)生進入實驗室前須閱讀并簽字。

(2)張貼觸電急救海報和制作設(shè)備使用規(guī)范說明海報，配備急救醫(yī)藥箱。

(3)實驗平臺設(shè)多層物理保護措施：①實驗室總出線設(shè)斷路器及空氣開關(guān)；②光伏、風(fēng)機總進線設(shè)空氣開關(guān)；③實驗操作臺分設(shè)空氣開關(guān)，確保改接線時裝置與電源(電網(wǎng)或光伏、風(fēng)機)完全斷開；④裝置輸入電容接放電電阻，確保非工作狀態(tài)下電容不儲能；⑤并網(wǎng)端與電網(wǎng)間設(shè)隔離變壓器，同時隔離示波器電源；⑥變流器開關(guān)容量進行冗余設(shè)置，遠大于實際操作要求，另外，變流器控制程序設(shè)過電壓、過電流保護，AD采樣值超過閾值后關(guān)斷設(shè)備；⑦變流器開關(guān)觸發(fā)芯片的保護信號反饋至IGBT門極，開關(guān)保護后可封鎖PWM信號。

4 結(jié)語

新能源實驗室是各大高校的熱點建設(shè)項目，本文設(shè)計并實踐了全開放綜合型新能源實驗平臺，具有如下特點：

(1) 為學(xué)生提供全面透明和開放的軟、硬件設(shè)計、測試、實驗和組網(wǎng)功能。

(2) 實驗項目面向電氣、自動化專業(yè)本科及研究生，設(shè)置包含課堂實驗至畢業(yè)設(shè)計等多層次的綜合實踐內(nèi)容。

實驗室投入使用以來，被用于“新能源發(fā)電技術(shù)”、“電力系統(tǒng)中的電力電子技術(shù)”、“智能電網(wǎng)與能源效率”等課程的實驗訓(xùn)練、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計和研究生科研訓(xùn)練，同時也作為重要實驗平臺承擔了如國家自然科學(xué)基金、863高技術(shù)科研項目、重點項目等科研任務(wù)，取得良好的成效。后續(xù)工作包括與全數(shù)字計算機仿真實驗室接口等，作為智能電網(wǎng)中的一個重要的動模實驗平臺，以期發(fā)揮更大效用。

[1] 孫宏國，周云龍，胡國文，何堅強. 電氣與新能源省級實驗教學(xué)示范中心的建設(shè)與探索[J]. 北京：實驗技術(shù)與管理，2013,30(10)：140-144.

[2] 劉桂花，王衛(wèi)，張繼紅，姜三勇. 教學(xué)與科研有機融合的研究[J].南京：電氣電子教學(xué)學(xué)報，2014,36(1)：4-6,25.

[3] 馬海嘯. “新能源發(fā)電技術(shù)”課程教學(xué)內(nèi)容和方式探索[J]. 北京：中國電力教育，2013,1(30)：106-107.

[4] 董顥霞，劉建臣，趙明瞻. 教學(xué)研互動模式下的新能源專業(yè)實踐教學(xué)體系的構(gòu)建研究[J]. 濟南：現(xiàn)代企業(yè)教育，2014，1(14)：456.

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Construction of Comprehensively Designable Experimental Platform for New Energy Application

LI Yuan, LEI Yong, PANG Bin-yang, XIAO Yong, LI Chang-song

(SichuanUniversity,Chengdu610065,China)

This paper designs and realizes a comprehensively designable experimental platform of new energy applications. It provides with a fully open access of design, test, experiment and network development. The proposed platform can realize costumer designed experiments from the level of control algorithm to system topology. Over twenty experiment programs out from four categories have been designed, which fulfills multi-level education purpose. Practice shows that the proposed plays an important role in leading to the procedure of innovation and practice in the field of electric and new energy source.

new energy; experimental platform; comprehensively-designable; multi-level education

2015-05-22;

2015-08- 13

李 媛(1980-)，女，博士，副教授，主要從事電力電子專業(yè)教學(xué)、新能源和電能質(zhì)量研究工作，E-mail: yli@scu.edu.cn

TM91

A

1008-0686(2016)02-0125-04