YX-GPV1000光伏发电教学科研实训平台

一、现代电力电子技术发展阐述

1.1 电力电子在现代工业中的重要角色

电力电子技术作为门新兴的交叉学科，在能源革命中扮演着重要角色，电力电子技术的应用必须要进行相应的充分准备才能将其优势发挥到最大，否则该技术的潜能不能得到工程技术人员的深刻认识，或者预期的节能效果也可能会因为错误的参数设置而无法实现。 
现代工业对电气工程技术人员的专业素质提出越来越高的要求，电力电子专业人员不仅要具备扎实的理论知识、全面的计划能力，还要掌握接线和参数设置等实践技能。因此，面向技术应用的高等工程必须要强调实践导向。

1.2 现代电气传动技术的开发和分析工具

为了应对技术变革带来的挑战，现代工业企业迫切需要高素质的工程技术人才，除了掌握扎实的专业知识，他们还要熟悉并掌握在工程技术中广泛应用的高效工具的使用方法。在全球范围内，Matlab®/ Simulink®编程语言已成为科学技术计算和仿真的行业标准。借助Matlab®/ Simulink®高级语言及其数值计算、可视化和编程等交互环境，驱动控制技术的开发周期得到大幅缩短。当前，电力电子技术的应用范围正在不断扩大。这些工业化的工具使用过程十分复杂，因此必须通过理论联系实际的方式，特别是借助实验系统和“半实物仿真"的实验方式，进行系统地传授和学习。在培养未来工程师的方面，高等院校都有义不容辞的责任。

1.3 基于模型开发MBD半实物仿真

研旭驱动控制器可通过编程接口实现自由编程。借助YX-GPV1000光伏发电教学科研实训平台可在Matlab®/Simulink®中实现复杂变速驱动的快速仿真，然后将生成的代码程序写入驱动控制器中。在可变负载条件下，学生还可以使用拓展工具对系统进行复杂分析。Matlab®/Simulink®是高等院校广泛使用的实验和科研软件，研旭电力电子实验系统实现驱动硬件系统与该软件的实时互动操作，为电力电子和驱动技术实验教学和科研提供了一种新方式。

二、光伏发电系统技术

光伏发电指采用光伏组件，将太阳能直接转换为电能的分布式发电系统。它是一种新型的、具有广阔发展前景的发电及能源综合利用方式，它倡导就近发电，就近并网，就近转换，就近使用的原则，不仅能够有效提高同等规模光伏电站的发电量，同时还有效解决了电力在升压及长途运输中的损耗问题。

分布式光伏发电对电网的规划、并网方式、电能质量继电保护等都有影响。需要制定合理的分布式光伏发电管理方式，保证电网的安全运行。
光伏发电系统部分主要包括：
1.光伏阵列PV模拟源或者太阳能组件电池板：
2.直流电源或光伏板发出的电接入光伏并网逆变器；
3.光伏并网逆变器将直流电逆变为符合并网要求的交流电，馈入主网；
4.监控前台，主要由工控机、显示器、上位机应用软件组成，实现对PV模拟源、逆变器等设备的数据监控以及记录保存；

三、系统特点

• 系统采用光伏模拟电源，模拟光伏电源的IV输出，方便在室内条件下灵活做相关的实验。

• 系统中的DC-AC变流器，既可以连接电网，也可以接入负载，兼具并网和离网两种运行方式。

• 提供两种控制器选择（默认为RCP模型控制），DSP编程和RCP模型控制（Simulink快速原型开发），两种模式可应用于不同的开发阶段和实验场景，优势互补。

• DSP模式下，可通过C代码编程方式实现变流模块的电能变换、故障保护、UI交互以及模式策略的变更等，熟悉掌握工业控制的开发流程。

• RCP模式下，可通过Simiulink模型配合上位机实时控制系统完成变流模块的控制功能，图形化的控制方式更容易上手，实时交互调试模式使核心算法的调试更为有效便捷。

• 提供整体系统的Simulink离线仿真模型，可与实际物理设备一一对应，对比运行效果。

• 整体系统采用开源模式，提供完整的硬件原理图、接口图、DSP软件源代码、Similink完整可运行模型。具备非常灵活的二次开发的基础，方便做各类教学和科研实验。

四、系统组成

YX-GPV1000光伏发电教学科研实训平台组成主要包括：
（1）光伏PV阵列模拟电源；
（2）接口测量箱
（3）SP1000PLUS快速原型控制器
（4）交流负载及配电箱
（5）光伏DC-DC-AC双级变流模块
（6）柜体及配件
（7）配套的Simulink/DSP例程及软硬件开源资料。

五、实验内容：

5.1 Matlab/Simulink软件仿真基础
1、电力电子技术概念
2、电力电子器件概述
3、Matlab及Simulink介绍
4、PWM的基本原理和控制方法
5、PWM在Simulink的生成
6、SPWM的基本原理和控制方法
7、SPWM在Simulink的生成
5.2 基于模型开发（MBD）半实物仿真介绍
1、基于模型开发（MBD）理念介绍
2、快速原型控制器（RCP）介绍
3、RCP控制器与matlab对接操作
5.3 光伏发电系统介绍
1、并网光伏发电系统组成
2、光伏发电原理认知与特性曲线
3、光伏组件串并联输出特性
4、光伏组件特性曲线模拟试验
5、开路电压、短路电流、填充因子，光照度、温度的关系
5.4 光伏直流-交流双级逆变并网实验
1、光伏DC-DC-AC并网逆变离线仿真实验
2、半实物控制-模拟量电压、电流采集实验
3、半实物控制-光伏离网逆变开环控制实验
4、半实物控制-光伏并网外环电压PI算法及控制实验 
5、半实物控制-光伏并网内环电流PI算法及控制实验
5.5 光伏发电系统综合实验
1、光伏离网逆变带负载闭环控制实验
2、光伏并网逆变最大功率跟踪MPPT实验

六、快速原型控制器（RCP）

• 采用目前市面成品常用的控制芯片作为CPU，其仿真结果针对实际研究更具有参考性；

• 保护机制齐全，此部分不需要用户实际搭建保护模型，只需配置控制量的极限值即可实现实时保护，让用户不用为安全保护费心，更多的关注于核心控制算法；

• 模型与硬件接口链接简单，只需记住端口编号即可，更不用配置硬件各类细节，免去一切不必要的麻烦；

• 具备自主编写的驱动库，可以直接导入到Simulink库中，用户可以直接在Matlab软件中拖动相应的硬件元件库，将模型中的数据直接与硬件对接，无需再花费时间去查询硬件映射。8种库文件，可适用于各种工程调试需求。

YXSPACE-VIEW软件

VIEW软件中包含控制器设置以及组态区。其中控制器设置界面共有4类控制器设置，包括仿真步长设置，DO控制源设置，QEP/CAP模式设置，PWM模块设置。 组态区主要包括功能按钮、组态控件、工作区等。

• 创新的交互式实验课程软件，提供进行实验所需的各种支持。它不仅提供实验过程指导，还提供相关理论知识讲解介绍，记录测量结果，并可导出各类数据。

• 实验课程软件需集成所有的实验例程，统一在一个软件中运行，可一键打开，自动完成程序的下载、仿真以及数据的在线观测。

• 实验课程软件需提供进行实验所需的各种支持。包括但不限于实验指导书，相关理论知识讲解、自动记录实验过程中的各种数据，导出各类数据。  

• 支持Matlab运行环境及Simulink实验仿真模型，结合实验课程，可直接一键打开模型并自动搭建UI界面，提供离线模式和在线模型，可直接进行仿真实验验证。

• 每一个例程都提供离线仿真模型和实物控制模型，学生导入模型，进行虚拟仿真和实物控制的实验验证。

七、桌面型功率模块YXPHM

YXPHM系列采用基于模型设计的理念，脱胎于研旭成熟产品光伏并网逆变器与风机变流器等成熟产品，又结合了研旭多年的模块化组件与开放式平台研发经验，对该拓扑结构与驱动电路、传感器电路、信号处理电路进一步集成，同时提供实际控制器接口、快速原型控制器结构与实际控制器模块，为用户提供性价比更好的模块化产品。

YXPHM多功能桌面型电力电子功率转换平台，采用积木式搭建形式，将功率转换电路中的电感，电容，功率开关等器件方便的组合在一起，形成电力电子积木PEBB（Power Electronics Building Block）。

开发平台包括硬件部分、软件驱动，是针对高校开展电力电子技术研究推出的一种开放式的二次开发教学科研平台。该平台在硬件上采用分体化设计，控制板、采集板、功率板、电容板等模块化，外壳采用透明的亚克力板材，美观实用，用户可以方便观察内部的硬件结构。同时顶盖可以打开，方便进行相关信号的测量。

主要功能
1.模块拓展：采用模块化设计，用户可以定制所需要的拓扑，提供开源软件模块，用户可进行二次开发。可进行多种拓扑定制：
2.开放设计：开放给用户硬件原理图、硬件设计说明以及软件模块如底层驱动，控制算法等。
3.安全稳定：设计了健全的保护机制，软件方面有过压保护、欠压保护、过流速断保护、IGBT过热保护、通讯保护等；硬件方面有短路保护、IGBT过流保护等。
4.半实物仿真：方便与研旭YXspace控制器、NI控制器、RT-LAB控制器、dSPACE控制器等数字实时仿真器对接，可提供相应的数字转接板，免去客户硬件设计之忧。

主控CPU采用目前流行的DSP，型号为TI公司的TMS320F28335，其32位浮点处理能力，非常适用于变流器控制场合。通过传感器分别采集三相交流电流、三相交流电压、直流侧电压、电流以及温度等信息送给DSP，然后DSP经过特定的算法，输出PWM调制波控制开关器件，从而可以实现直流变交流或者交流变直流能量双向流动。除此之外，信号处理电路还预留的外部控制器接口，方便对接RCP控制器，如DSPACE、RT-LAB、SPEEDGOAT、PLEX、YXSPACE等。

八、光伏电池阵列模拟电源

PV模拟源是一种可模拟光伏板IV曲线的可编程直流电源，可代理太阳能组件，实现模拟光伏电源的IV输出，方便在室内条件下灵活做相关的实验。

1)可模拟太阳能电池板输出特性
2)可模拟不同光照和温度下的I-V曲线
3)可测试静态和动态下的MPPT情况
4)MPPT工作点实时显示于上位机软件上
5)具有恒功率模式
6)稳压精度高、纹波电压低
7)采用高速DSP进行PID运算，直接输出PWM