全开放综合型新能源实验平台的构建

李 媛， 雷 勇， 庞滨洋， 肖 勇， 李长松

(四川大学 电气信息学院， 四川 成都 610065)

全开放综合型新能源实验平台的构建

李 媛， 雷 勇， 庞滨洋， 肖 勇， 李长松

(四川大学 电气信息学院， 四川 成都 610065)

本文设计实现了全开放式新能源实验平台，综合了设计、测试、实验与组网功能，可实现控制算法级至系统拓扑级的自主实验与开发。该平台上可发展验证型、设计型、综合型等与新能源相关的四大类、二十余项实验项目，满足本科及研究生课堂教学、课程设计、毕业设计及大学生创新实践训练等多层次教学需要。实践表明，该实验平台在引领学生在电气及新能源领域的创新和实践过程中发挥了重要作用。

新能源；实验平台；开放式设计；多层次教学

0 引言

为满足新能源应用的教学和科研要求，各高校及科研院所纷纷设立新能源实验室[1-4]，其基本构成包括光伏发电系统、风能发电系统、储能系统、监控与调度系统与本地负荷，所构成的局部电网有时也被称为微电网。另外，也有将新能源系统与电力自动化系统、计算机仿真系统、电动汽车等结合，构成更加复杂的智能电网平台[5]。

本文给出一套全开放新能源实验平台的构建及功能设置方案。该平台以培养创新型工程人才为导向，以扩大开放性、增强实践能力为目的，为学生提供全方位多层次综合型设计、测试、实验与组网的实训功能。本文详细介绍了实验平台的构成、实验项目设计、实验安全规范及保护措施。本平台的建立为电气专业工程型人才的培养提供了有力的支撑，在电气及新能源领域创新和实践过程中发挥了重要作用。

1 实验平台构成

1.1 总体结构

图1所示为新能源实验平台的总体结构。

图1 新能源实验平台总体结构图

1)实验平台接线

该平台设计成双母线结构，包含 220 V直流母线和400 V交流母线各一条。直流母线连接储能装置、光伏发电系统及模拟风电机组的DC-DC变流器输出。直流母线后级连接多台单相、三相DC-AC并网逆变器，接入交流母线，交流母线与公共电网连接。两条母线均引至实验操作台，共7个，每个操作台设开关箱，多设备组网实验时可通过开关箱灵活设置设备与母线的连接方式，如共直流母线、共交流母线或双母线。

2)光伏发电系统

屋顶光伏阵列规模为200 W × 36块 = 7.2 kW。光伏阵列连接避雷箱，另通过电缆接入室内开关柜中。开关柜设计两种阵列连接方式：①7.2 kW (18模块(串联)×2组(并联))× 1组电缆出口；②1.2 kW(6模块(串联))×6组电缆出口。通过断路器操作可在两种阵列连接方式间灵活切换。每组电缆出口分别引出至各实验操作台，各操作台设开关，控制各组光伏电缆进线，确保操作时的断电与安全。

对应于两种阵列连接方式，光伏发电系统的并网方式为：①一台10 kW光伏逆变器；②6组小功率光伏并网逆变器(1.2 kW/组)。该设计使光伏系统可承担多组学生同时进行小功率实验，也可以承担中等功率的光伏实验，或与风能系统、储能系统等装置的组网运行实验。

3)风能发电系统

实验平台设有两套风能发电系统：①基于变频器驱动感应电机，拖动永磁同步发电机的模拟风力发电系统，5 kW/台 × 1台；②屋顶离网风力发电系统，300 W/台 × 2台。

模拟风力发电系统接并网逆变器一套(5 kW)，可用于基于永磁同步发电机的风力发电系统原理验证、实验及科研。屋顶风力发电机连接电池管理系统和小型蓄电池，构成离网发电系统。

4)混合储能系统

铅酸电池储能系统含18组50 Ah/12 V电池，容量10.8 kWh。锂电池组单体电压3.2 V，容量50 Ah，采用4块单体电池并联成3.2 V/200 Ah的电池串，12个电池组串联成38.4 V/200 Ah的电池组，该电池组的容量为38.4 V × 200 Ah = 7.68 kWh。单体超级电容的型号为2.5 V/3000 F，单体容量达到4.6 Wh。由18只单体电容串联成电压为48 V的模块，该模块的容量达到100 Wh，放电功率达到10 kW，放电时间36 s。

各储能设备包含自有电池管理和设备监测、保护系统。锂电池组与超级电容通过双向DC-DC接于220 V直流母线，与铅酸电池组直接相连。该混合储能系统可满足系统对能量及功率的综合需求，无论是在长时间的系统能量补给，还是短时间平复新能源输出波动调节电能质量方面，均可发挥作用。

1.2 变流器实验箱

为保证实验平台的开放性，系统中大量使用的DC-DC及DC-AC变流装置均系自主开发。采用如图2所示的基础模块，选择A、B和C组中各一个模块，可搭配出DC-DC、单相H桥式DC-AC及三相DC-AC变流器等实验装置，且全部可实现双向潮流，可作为储能、新能源并网逆变、整流、灵活交流输电(FACTS)乃至高压直流输电(HVDC)等实验的原型机。基础模块接头选用即插即用端子，实验准备阶段仅需简单改接线路即可。将实验箱的关键节点引出，统一布局于PCB板一侧作为观测点，方便学生用示波器和万用表观测。

采用TI公司F28069 Piccolo controlSTICK作为系统微控制器，其核心为32位浮点型TMS320F2806x Piccolo芯片，主频90 MHz，具有12路12位AD采样通道及17路PWM输出，另有I2CUART(SCI)SPICAN通信方式可选，满足变流器数字控制的需要。

设计的扩展板，含传感器及采样调理电路、IGBT驱动芯片及预驱动电路、保护电路以及运行状态指示灯等。扩展板实现控制电路与功率主电路的完全隔离。

微控制器程序对使用者全部开放，并提供必要例程。针对少学时的课堂实验，提前烧写DSP程序，如控制DC-DC占空比或DC-AC调制系数每15 s调整一次，方便学生记录实验数据。而对于其他多学时的设计型、创新型实验，则完全由学生自行设计与开发程序功能。

(a)A组：可扩展电容模块 (b)B组：DC-DC开关臂

(c)B组：H桥开关臂 (d)B组：三相桥开关臂

(e)C组：LC滤波器 (f)C组：LCL滤波器图2 变流器实验箱基础模块

2 实验项目设计

实验项目包括光伏发电类、风能发电类、储能类和分布式发电及微电网类等共五大类，二十余项，如表1所示。

对于相同实验项目，安排深度不同的实验类别，以满足多层次教学需要：验证类实验为课堂教学服务，以加深学生直观认识为目的，实验流程程序化，实验结果标准化。设计类实验主要面向课程设计需要，学生掌握基本知识后以计算和设计为主，如设计10 kW光伏发电系统，要求选择合适的光伏模板型号、数量、接线方法、逆变器型号等，依据需要进行物理实验，不设标准实验流程。综合类实验面向毕业设计和创新训练开设，要求学生针对某个选题梳理现有技术方法，提出改进措施并加以实现。其选题更加灵活，但范围小，精度高，有相当难度和深度，通常可参考专业教师科研课题设定。学时安排为：课堂教学2学时，课程设计8学时，毕业设计64学时，创新训练64学时。

表1 实验项目单

3 安全规范及保护措施

开放性实验平台可操作空间大，为保障人身及实验装置、设备的安全，从多个方面设计保护措施。

(1)编写安全规范告知书，规定实验流程和操作规范，任何违规行为将被取消成绩，严重的取消进入实验室资格。学生进入实验室前须阅读并签字。

(2)张贴触电急救海报和制作设备使用规范说明海报，配备急救医药箱。

(3)实验平台设多层物理保护措施：①实验室总出线设断路器及空气开关；②光伏、风机总进线设空气开关；③实验操作台分设空气开关，确保改接线时装置与电源(电网或光伏、风机)完全断开；④装置输入电容接放电电阻，确保非工作状态下电容不储能；⑤并网端与电网间设隔离变压器，同时隔离示波器电源；⑥变流器开关容量进行冗余设置，远大于实际操作要求，另外，变流器控制程序设过电压、过电流保护，AD采样值超过阈值后关断设备；⑦变流器开关触发芯片的保护信号反馈至IGBT门极，开关保护后可封锁PWM信号。

4 结语

新能源实验室是各大高校的热点建设项目，本文设计并实践了全开放综合型新能源实验平台，具有如下特点：

(1) 为学生提供全面透明和开放的软、硬件设计、测试、实验和组网功能。

(2) 实验项目面向电气、自动化专业本科及研究生，设置包含课堂实验至毕业设计等多层次的综合实践内容。

实验室投入使用以来，被用于“新能源发电技术”、“电力系统中的电力电子技术”、“智能电网与能源效率”等课程的实验训练、课程设计、毕业设计和研究生科研训练，同时也作为重要实验平台承担了如国家自然科学基金、863高技术科研项目、重点项目等科研任务，取得良好的成效。后续工作包括与全数字计算机仿真实验室接口等，作为智能电网中的一个重要的动模实验平台，以期发挥更大效用。

[1] 孙宏国，周云龙，胡国文，何坚强. 电气与新能源省级实验教学示范中心的建设与探索[J]. 北京：实验技术与管理，2013,30(10)：140-144.

[2] 刘桂花，王卫，张继红，姜三勇. 教学与科研有机融合的研究[J].南京：电气电子教学学报，2014,36(1)：4-6,25.

[3] 马海啸. “新能源发电技术”课程教学内容和方式探索[J]. 北京：中国电力教育，2013,1(30)：106-107.

[4] 董颢霞，刘建臣，赵明瞻. 教学研互动模式下的新能源专业实践教学体系的构建研究[J]. 济南：现代企业教育，2014，1(14)：456.

[5] 黄飞腾，翁国庆.新能源智能微网实验平台构建与应用[J]. 上海：实验室研究与探索，2015，34(3)：108-110，141.

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，主要从事电力电子专业教学、新能源和电能质量研究工作，E-mail: yli@scu.edu.cn

TM91

A

1008-0686(2016)02-0125-04