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《光伏发电技术及实验》可为光伏发电技术研究、电力电子控制技术研究提供理论参考与实验波形验证，也可作为高等院校本科生及研究生的教学实验参考书。
目录
前言
第1章 光伏发电技术基础实验
实验1.1 电量测量
实验1.2 Park变换和Clarke变换
实验1.3 正弦脉宽调制
实验1.4 空间矢量脉宽调制
实验1.5 单相锁相环
实验1.6 三相锁相环
第2章 单相光伏并网发电技术实验
实验2.1 单相光伏并网发电最大功率点跟踪
实验2.2 阴影遮挡光伏阵列最大功率点跟踪
实验2.3 单相光伏发电孤岛检测
第3章 三相光伏并网发电技术实验
实验3.1 三相光伏并网发电最大功率点跟踪
实验3.2 三相光伏并网发电限功率控制策略
实验3.3三相光伏并网发电孤岛检测
实验3.4 三相光伏并网发电低电压穿越
第4章 三相光储发电系统实验
实验4.1 三相光储发电系统并网控制策略
实验4.2 三相光储发电系统孤岛控制策略
实验4.3 三相光储发电系统并离网切换控制策略
实验4.4 基于虚拟同步发电机的三相光储发电系统运行控制
参考文献
附录A 三相光伏／储能并网发电教学实验平台
附录B 单相光伏并网发电教学实验平台
文摘
第1章 光伏发电技术基础实验
本章主要介绍光伏发电的基础性实验，包括电量测量实验、Park变换和Clarke变换实验、SPWM实验、SVPWM实验、单相锁相环实验和三相锁相环实验。
实验1.1电量测量
【实验目的】
（1） 理解电量测量在光伏发电控制中的重要性。
（2） 理解电压与电流测量原理。
（3） 掌握交直流电压电流测量方法。
【实验原理】
在光伏发电系统中，电量测量是最基本的一部分，也是做进一步控制与保护的基础。三相或者单相光伏并网变流器（逆变器）在实现最大功率点跟踪（maximum power point tracking，MPPT）控制或限功率控制时，都需要对光伏直流侧直流电压和直流电流进行检测，参与MPPT和直流电压外环控制；在实现并网控制时，需要实时检测电网侧交流电流，参与电流内环控制；在计算光伏发电量时，还需要检测电网侧交流电压。所以，对电量信号的采集分析是至关重要的。
1.电量信号测量过程及作用
电量测量基本过程如图1.1.1所示。
图1.1.1 电量测量基本过程
1）电压电流传感器
为了实现精确的控制，首先需要对系统中电流电压信号进行精确的采集测量。由于现在电力电子控制需要更加精确的反馈信号，而非线性负载的存在，使传统的电流电压检测元件不能有效地对信号进行采集，测量误差偏大会导致计算与控制不准。经过近几十年的发展，霍尔电流电压传感器模块成为新一代工业电量传感器，具有很高的测量精度。同一只检测元件不仅可以检测交流，还可以检测直流，甚至是瞬态峰值。
2）信号调理电路
信号调理电路是信号采集过程中必需的环节，通常由低通滤波器电路和过压过流保护电路组成。低通滤波器电路的目的在于滤除线路中高频谐波干扰，提高检测精度。过压过流保护电路的目的在于系统出现过压过流故障时，能够快速关断功率开关器件。
3）A/D转换
数字控制电路中需要的控制与分析信号为数字信号，传感器采集到的模拟信号经过调理电路后，还需利用A/D转换芯片将模拟信号转换成数字信号，最后得到的数字信号交由DSP进行分析处理。
4）DSP分析
A/D转换得到的数字信号最终进入DSP分析控制系统，DSP将数字信号通过一定的数值分析转换成控制所需的电压电流信号，还可以根据传感器变比与A/D采样精度计算出当前电压电流实际值。
2. 霍尔传感器工作原理
1）霍尔效应原理
如图1.1.2所示，金属或半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应，该电动势称为霍尔电动势，上述半导体薄片称为霍尔元件。用霍尔元件做成的传感器称为霍尔传感器。
图1.1.2 霍尔效应原理图
2）霍尔电流传感器
实际的霍尔电流传感器有两种构成形式，即直接测量式和零磁通式。
（1）直接测量式。将图1.1.3中霍尔器件的输出（必要时可进行放大）送到经校准的显示器上，即可由霍尔输出电压的数值直接得出被测电流值。这种方式的优点是结构简单，测量结果的精度和线性度都较高，可测直流、交流和各种波形的电流。但它的测量范围、带宽等受到一定的限制。在这种应用中，霍尔器件是磁场检测器，它检测的是磁芯气隙中的磁感应强度。电流增大后，磁芯可能达到饱和；随着频率升高，磁芯中的涡流损耗、磁滞损耗等也会随之升高。这些都会对测量精度产生影响。当然，也可采取一些改进措施来降低这些影响，例如，选择饱和磁感应强度高的磁芯材料，制成多层磁芯，采用多个霍尔元件进行检测等。
图1.1.3 直接测量式霍尔电流传感器原理图
（2）零磁通式。如图1.1.4所示，将霍尔器件的输出电压放大，再经电流放大后，让这个电流通过补偿线圈，并令补偿线圈产生的磁场和被测电流产生的磁场方向相反，若满足条件IpN1=IsN2，则磁芯中的磁通为零，这时式（1.1.1）成立：
（1.1.1）
式中，Ip为被测电流，即磁芯中初级绕组中的电流；N1为初级绕组的匝数；Is为补偿绕组中的电流；N2为补偿绕组的匝数。由式（1.1.1）可知，达到磁平衡时，即可由Is及匝数比N2/N1得到Ip。被测电流的任何变化都会破坏这一平衡。一旦磁场失去平衡，零磁通式霍尔电流传感器就有信号输出。经功率放大后，立即就有相应的电流流过次级绕组以对失衡的磁场进行补偿。从磁场失衡到再次平衡，所需的时间理论上不到1μs，这是一个动态平衡的过程。因此，从宏观上看，次级的补偿电流安匝数在任何时候都与初级被测电流的安匝数相等。
图1.1.4 零磁通式霍尔电流传感器原理图
3）霍尔电压传感器
霍尔电压传感器（图1.1.5）利用霍尔效应，将原边电压Vp通过外置或内置电阻Ri，将电流限制在10mA。此电流经过多匝绕组之后，经过聚磁材料将原边电流产生的磁场被气隙中的霍尔元件检测到，并感应出相应电动势。该电动势经过电路调整后反馈给补偿线圈进而补偿，该补偿线圈中电流Is产生的磁通与原边电流（被测电压通过限流电阻产生）产生的磁通大小相等，方向相反，从而在磁芯中保持磁通为零。实际上霍尔电压传感器利用的是和磁平衡闭环霍尔电流传感器即零磁通式霍尔电流传感器一样的技术。
图1.1.5 霍尔电压传感器原理图
2.低通滤波器工作原理
光伏发电系统中所需的控制信号都是低频信号，需要检测50Hz的交流电压和交流电流信号、直流电压和直流电流信号，所以信号调理电路中选用低通滤波器消除高频谐波干扰。模拟电路信号处理常用的低通滤波器有一阶无源低通滤波器和二阶有源低通滤波器。
1）一阶无源低通滤波器
电子模拟电路的一阶无源低通滤波器主要由电阻R和电容C组成。图1.1.6为一阶无源低通滤波器电路及其幅频、相频特性。
图1.1.6 一阶无源低通滤波
传递函数为
（1.1.2）
令，则
（1.1.3）
所以可以通过电阻R和电容C计算出截止频率ωc。
2）二阶有源低通滤波器
图1.1.7为二阶有源低通滤波器电路及其幅频、相频特性。
图1.1.7二阶有源低通滤波
传递函数为
（1.1.4）
式中，令
则
（1.1.5）
只有当3-AVF0，即AVF3时，滤波器才稳定。
二阶有源低通滤波器对高频信号的衰减度高于一阶无源低通滤波器，所以其滤除谐波干扰的能力比一阶无源低通滤波器强。
3.A/D转换工作原理
在控制领域中，A/D转换器是不可缺少的重要组成部分。A/D转换器通过一定的电路将模拟信号转变为数字信号。模拟信号可以是电压、电流等电气量，也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电气量。但在A/D转换前，输入A/D转换器的信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号。A/D转换后，输出的数字信号可以有8位、10位、12位和16位等，位数越大，精度越高。
A/D转换芯片的作用是将一个范围的小电压信号转换成数字信号。以AD7606芯片为例，其可以将-10～10V的电压信号转换成以16位二进制数字形式输出的数字信号，如图1.1.8所示。
【实验内容与步骤】
1.实验内容
电量测量实验通过采集交流电压、交流电流、直流电压和直流电流信号，验证光伏变流器中各种电压、电流测量方法的准确性。
《光伏发电技术及实验》可为光伏发电技术研究、电力电子控制技术研究提供理论参考与实验波形验证，也可作为高等院校本科生及研究生的教学实验参考书。
目录
前言
第1章 光伏发电技术基础实验
实验1.1 电量测量
实验1.2 Park变换和Clarke变换
实验1.3 正弦脉宽调制
实验1.4 空间矢量脉宽调制
实验1.5 单相锁相环
实验1.6 三相锁相环
第2章 单相光伏并网发电技术实验
实验2.1 单相光伏并网发电最大功率点跟踪
实验2.2 阴影遮挡光伏阵列最大功率点跟踪
实验2.3 单相光伏发电孤岛检测
第3章 三相光伏并网发电技术实验
实验3.1 三相光伏并网发电最大功率点跟踪
实验3.2 三相光伏并网发电限功率控制策略
实验3.3三相光伏并网发电孤岛检测
实验3.4 三相光伏并网发电低电压穿越
第4章 三相光储发电系统实验
实验4.1 三相光储发电系统并网控制策略
实验4.2 三相光储发电系统孤岛控制策略
实验4.3 三相光储发电系统并离网切换控制策略
实验4.4 基于虚拟同步发电机的三相光储发电系统运行控制
参考文献
附录A 三相光伏／储能并网发电教学实验平台
附录B 单相光伏并网发电教学实验平台
文摘
第1章 光伏发电技术基础实验
本章主要介绍光伏发电的基础性实验，包括电量测量实验、Park变换和Clarke变换实验、SPWM实验、SVPWM实验、单相锁相环实验和三相锁相环实验。
实验1.1电量测量
【实验目的】
（1） 理解电量测量在光伏发电控制中的重要性。
（2） 理解电压与电流测量原理。
（3） 掌握交直流电压电流测量方法。
【实验原理】
在光伏发电系统中，电量测量是最基本的一部分，也是做进一步控制与保护的基础。三相或者单相光伏并网变流器（逆变器）在实现最大功率点跟踪（maximum power point tracking，MPPT）控制或限功率控制时，都需要对光伏直流侧直流电压和直流电流进行检测，参与MPPT和直流电压外环控制；在实现并网控制时，需要实时检测电网侧交流电流，参与电流内环控制；在计算光伏发电量时，还需要检测电网侧交流电压。所以，对电量信号的采集分析是至关重要的。
1.电量信号测量过程及作用
电量测量基本过程如图1.1.1所示。
图1.1.1 电量测量基本过程
1）电压电流传感器
为了实现精确的控制，首先需要对系统中电流电压信号进行精确的采集测量。由于现在电力电子控制需要更加精确的反馈信号，而非线性负载的存在，使传统的电流电压检测元件不能有效地对信号进行采集，测量误差偏大会导致计算与控制不准。经过近几十年的发展，霍尔电流电压传感器模块成为新一代工业电量传感器，具有很高的测量精度。同一只检测元件不仅可以检测交流，还可以检测直流，甚至是瞬态峰值。
2）信号调理电路
信号调理电路是信号采集过程中必需的环节，通常由低通滤波器电路和过压过流保护电路组成。低通滤波器电路的目的在于滤除线路中高频谐波干扰，提高检测精度。过压过流保护电路的目的在于系统出现过压过流故障时，能够快速关断功率开关器件。
3）A/D转换
数字控制电路中需要的控制与分析信号为数字信号，传感器采集到的模拟信号经过调理电路后，还需利用A/D转换芯片将模拟信号转换成数字信号，最后得到的数字信号交由DSP进行分析处理。
4）DSP分析
A/D转换得到的数字信号最终进入DSP分析控制系统，DSP将数字信号通过一定的数值分析转换成控制所需的电压电流信号，还可以根据传感器变比与A/D采样精度计算出当前电压电流实际值。
2. 霍尔传感器工作原理
1）霍尔效应原理
如图1.1.2所示，金属或半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应，该电动势称为霍尔电动势，上述半导体薄片称为霍尔元件。用霍尔元件做成的传感器称为霍尔传感器。
图1.1.2 霍尔效应原理图
2）霍尔电流传感器
实际的霍尔电流传感器有两种构成形式，即直接测量式和零磁通式。
（1）直接测量式。将图1.1.3中霍尔器件的输出（必要时可进行放大）送到经校准的显示器上，即可由霍尔输出电压的数值直接得出被测电流值。这种方式的优点是结构简单，测量结果的精度和线性度都较高，可测直流、交流和各种波形的电流。但它的测量范围、带宽等受到一定的限制。在这种应用中，霍尔器件是磁场检测器，它检测的是磁芯气隙中的磁感应强度。电流增大后，磁芯可能达到饱和；随着频率升高，磁芯中的涡流损耗、磁滞损耗等也会随之升高。这些都会对测量精度产生影响。当然，也可采取一些改进措施来降低这些影响，例如，选择饱和磁感应强度高的磁芯材料，制成多层磁芯，采用多个霍尔元件进行检测等。
图1.1.3 直接测量式霍尔电流传感器原理图
（2）零磁通式。如图1.1.4所示，将霍尔器件的输出电压放大，再经电流放大后，让这个电流通过补偿线圈，并令补偿线圈产生的磁场和被测电流产生的磁场方向相反，若满足条件IpN1=IsN2，则磁芯中的磁通为零，这时式（1.1.1）成立：
（1.1.1）
式中，Ip为被测电流，即磁芯中初级绕组中的电流；N1为初级绕组的匝数；Is为补偿绕组中的电流；N2为补偿绕组的匝数。由式（1.1.1）可知，达到磁平衡时，即可由Is及匝数比N2/N1得到Ip。被测电流的任何变化都会破坏这一平衡。一旦磁场失去平衡，零磁通式霍尔电流传感器就有信号输出。经功率放大后，立即就有相应的电流流过次级绕组以对失衡的磁场进行补偿。从磁场失衡到再次平衡，所需的时间理论上不到1μs，这是一个动态平衡的过程。因此，从宏观上看，次级的补偿电流安匝数在任何时候都与初级被测电流的安匝数相等。
图1.1.4 零磁通式霍尔电流传感器原理图
3）霍尔电压传感器
霍尔电压传感器（图1.1.5）利用霍尔效应，将原边电压Vp通过外置或内置电阻Ri，将电流限制在10mA。此电流经过多匝绕组之后，经过聚磁材料将原边电流产生的磁场被气隙中的霍尔元件检测到，并感应出相应电动势。该电动势经过电路调整后反馈给补偿线圈进而补偿，该补偿线圈中电流Is产生的磁通与原边电流（被测电压通过限流电阻产生）产生的磁通大小相等，方向相反，从而在磁芯中保持磁通为零。实际上霍尔电压传感器利用的是和磁平衡闭环霍尔电流传感器即零磁通式霍尔电流传感器一样的技术。
图1.1.5 霍尔电压传感器原理图
2.低通滤波器工作原理
光伏发电系统中所需的控制信号都是低频信号，需要检测50Hz的交流电压和交流电流信号、直流电压和直流电流信号，所以信号调理电路中选用低通滤波器消除高频谐波干扰。模拟电路信号处理常用的低通滤波器有一阶无源低通滤波器和二阶有源低通滤波器。
1）一阶无源低通滤波器
电子模拟电路的一阶无源低通滤波器主要由电阻R和电容C组成。图1.1.6为一阶无源低通滤波器电路及其幅频、相频特性。
图1.1.6 一阶无源低通滤波
传递函数为
（1.1.2）
令，则
（1.1.3）
所以可以通过电阻R和电容C计算出截止频率ωc。
2）二阶有源低通滤波器
图1.1.7为二阶有源低通滤波器电路及其幅频、相频特性。
图1.1.7二阶有源低通滤波
传递函数为
（1.1.4）
式中，令
则
（1.1.5）
只有当3-AVF0，即AVF3时，滤波器才稳定。
二阶有源低通滤波器对高频信号的衰减度高于一阶无源低通滤波器，所以其滤除谐波干扰的能力比一阶无源低通滤波器强。
3.A/D转换工作原理
在控制领域中，A/D转换器是不可缺少的重要组成部分。A/D转换器通过一定的电路将模拟信号转变为数字信号。模拟信号可以是电压、电流等电气量，也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电气量。但在A/D转换前，输入A/D转换器的信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号。A/D转换后，输出的数字信号可以有8位、10位、12位和16位等，位数越大，精度越高。
A/D转换芯片的作用是将一个范围的小电压信号转换成数字信号。以AD7606芯片为例，其可以将-10～10V的电压信号转换成以16位二进制数字形式输出的数字信号，如图1.1.8所示。
【实验内容与步骤】
1.实验内容
电量测量实验通过采集交流电压、交流电流、直流电压和直流电流信号，验证光伏变流器中各种电压、电流测量方法的准确性。
| ISBN | 7030501438,9787030501431 |
|---|---|
| 出版社 | 科学出版社 |
| 作者 | 毕大强 |
| 尺寸 | 16 |