一、电力电子教学实验室（光伏发电/储能系统/充电桩）方案概述
1、应用对象：本科生课程设计，侧重电力电子基础技术（拓扑与控制原理）的认知与实践。
2、系统类型：①光伏发电系统；②储能系统；③充电桩
3、具备较好的开放性和可开发性，主要测试点能够用示波器或万用表测量。
4、充分考虑本科生的知识水平和实践经验，设备应具备较好的安全性和使用的便利性。
5、无法固定在桌面，需要临时摆放在桌面上使用，可方便拆卸。
6、数量：12套（参考）
7、提供实验大纲和实验指导书。

二、设计思路
1、控制部分与功率部分分离；
2、提供4种应用电路的完整电路，信号接口与RTU-BOX控制器兼容；
3、控制程序采用Simulink编程，通过上位机直接编译、下载和调试；
4、功率电路采用模块化、标准化结构设计；
5、模块采用统一的标准接口；
6 配套主要附属设备：光伏模拟源、电池模拟源、电机对拖平台。

三、方案总体
1、电参数边界
• 电压：≤48V（DC & AC）
• 电流：≤10A
• 功率：≤500W
2、控制器
• RTU-BOX201
• 12路PWM光纤输出（优先使用）
• 24路ADC输入（优先使用）
• 2路光电编码器
• 4路DAC输出
3、主电路模块
• 光伏发电模块
• 储能模块
• 充电桩模块

四、配置及规格参数
1、控制器与上位机软件
（1）控制器RTU-BOX201主要规格：
模拟信号输入ANALOG INPUTS：32/64 x 16BITS @ 500KSPS；同步采样，单端/差分信号
PWM输出ANALOG INPUTS：36 x ELECTRICAL (5V)
遥控&遥信信号YK&YX：5xYK & 5xYX
模拟信号输出DAC OUTPUTS：4 x ELECTRICAL(+10V)
数字信号输出DIGITAL OUTPUTS：16 x ELECTRICAL(5V)
位置信号输入ENCODER INPUTS：2 x 6PINS (A+,A,B+B,Z+,Z)
高品质通信接口HQ COMMUNICATION：1x ETHERNET(100MB/S)；2x RS485(2400 BPS-128K BPS)；2xCAN (123K BPS-1M BPS)
（2）Simulink库文件：RTU-BOX支持在Simulink中开发程序，能够快速将用户的控制算法转换成控制器可运行的程序并验证。rtunit在Simulink中开发了一个Rtunit Toolbox文件库，其中包括RTU-BOX的所有硬件接口，用户仅需要在使用时选用并设置相关参数即可。该库中还包含了一些常用的算法（如坐标变换、SVPWM、PLL等）以及各类信号产生模块和通信模块。
（3）风力发电（编程示例）核心算法部分可以直接移植于仿真模型。输入和输出部分通过前述的模型库实现对硬件接口的操作，主要包括ADC采样接口和PWM输出接口。
（4）Rtunit Studio开发环境：为了方便RTU-BOX系列控制器的使用，rtunit提供Rtunit Studio开发环境，集仿真、代码自动生成、丰富的上位机功能与一体，能够完美胜任研发过程中的各个阶段。Rtunit Studio支持图形和C语言两种程序开发模式，能够满足不同开发人员的使用习惯。
Rtunit Studio 可实现编译下载、数据记录、在线调参、虚拟示波器、录波及组态功能。其设计以科研和开发人员的需求为出发点，将RTU-BOX的各个采集变量实时同步到用户界面，并提供数据与模型中变
量的接口，让用户能够在Rtunit Studio界面实时调节可修改的参数。
可实现对256个变量和8条曲线的观测。通过在软件中设置切换开关也可以实现更多曲线的分时显示。计算过程中的任何数据都可以通过变量方式和波形方式显示。

2、光伏发电模块（离网应用）
（1）功率单元
图示说明
（2）直流电源方案说明
• 本实验系统不模拟光伏组件的MPPT功能，主要实现BOOST升压电路和三离网逆变电路的工作原理实现。
• 采用经济型直流源模拟光伏电源（无需光伏特性曲线）。
• 最大输出电压32V，最大电流10A，额定功率320W。
（3）电阻负载
• 单相交流电压36Vrms，单个电阻额定功率100W——即提供规格13Ω/400W的自冷铝壳电阻。
• 通过逆变器调节调制比调压来控制负载电压功率。

3、储能模块
（1）功率单元
图示说明
（2）DAB储能方案说明
• 主电路采用隔离DAB拓扑结构，原副边采用1:1设计，便于设置两端的直流源。
• 由于电池模拟器价格很高，而一般的铅酸电池和锂电池在实验室中使用存在一定的安全隐患，本方案采用了两个直流源并联电阻实现单向电源的可充可放。
• 将DC1和R1构成的系统看作电池1，将DC2和R2构成的系统看作电池2 。
• 调节移相角，使得能量由DC1流向DC2，可看作电池1的放电行为，电池2的充电行为。此时，DC1电源的功耗除了提供R1的能量外，还提供部分直至全部R2的能量，DC2输出电流逐渐减小。
• 反之也可以使得能量由DC2流向DC1，可看作电池1的充电行为，电池2的放电电行为。此时，DC2电源的功耗除了提供R2的能量外，还提供部分直至全部R1的能量，DC1输出电流逐渐减小。
• 优点：设备采购成本低，采用普通直流源即可实现；从DAB端口观察，可以看到清晰的电流方向改变，模拟电池的充放电行为；使用安全简单。
• 缺点：系统中不论电路是否运行始终存在一定的损耗，应设置一个合理的功耗值。

4、充电桩模块
（1)功率单元
图示说明
• 采用与储能类似的电池模拟方式。
• 单相逆变+交错并联双向BUCK/BOOST电路。
(2)交流电源方案说明
• 输入侧采用经济型可调交流源，提供过流、过压、短路保护，充分保证实验的安全性。
• 最大输出电压30V，最大电流5A，额定功率150W。

5、功率单元设计方案
（以光伏发电模块单元为例，其它三种单元设计类似）
• 重要的主电路节点引出，快速内嵌式香蕉头，双接口设计便于引出差分电压探头测量，电流通过电流探头测量。
• 光纤PWM信号接口、RJ45供电和采样接口（连接简单、双绞线）。采样采用复用端口，可外接示波器测量（配套分线测试板件） 。
• 透明外壳封闭外壳设计，安全紧凑。
• 清晰的原理图和接口标志指示。
• 除主电路组件提供了并联双孔插座外，利用香蕉线缆的附件可以方便的将信号引出到示波器探头或者万用表测量。续插功能可将电压信号引出，例如通过续插功能将不便用夹子类探头测量的点引出。
• 采样端口和电源端口分配：电源接口均采用统一的标准，提供5V ±15V两种标准电压。可利用网线的双绞线成对使用。每个RJ45采样端口可引出4组模拟量信号，可利用网线的双绞线成对使用。

参考实验室场景展示图

6、光伏模拟器
光伏模拟电源：0~65V/12A；配置2台19寸标准2U 机箱光伏模拟电源作为拓展实验使用；
可模拟不同的太阳能电池板I-V曲线：模拟薄膜光伏电池曲线；模拟标准晶体硅光伏电池曲线；模拟高效晶体硅光伏电池曲线；自定义光伏电池曲线。

7、电池模拟器
电池模拟电源：0~50V/20A；配置2台19寸标准2U 机箱电池模拟电源作为拓展实验使用。
能量回馈,馈网电流污染小，输入功率因数高:＞0.99,额定工作时谐波＜3%;输出具备模拟多种电池的充放电的特性，用户可选择模拟不同电池的类型、串联节数、并联节数及SOC指标，从而全面模拟电池的输出特性;智能监控功能,友好的人机界面,可通过CAN总线或PC远程控制。

五、实验室供电容量需求参考：
光伏逆变器系统：设计功率上限300W，电阻耗能；
储能：设计功率上限300W，电阻耗能；
充电桩系统：设计功率上限150W，电阻耗能；
计算机、示波器等辅助仪表：200W；
总计：单系统容量按500W设计，如果配置12套系统总计配电容量6kVA，留取1.3倍裕量，设计配电容量8kVA。

六、实验内容
实验流程：仿真-〉搭建电路-〉搭建控制模型-〉调试电路-〉验证结果-〉填写报告
1、光伏发电
BOOST电路电压环闭环控制
SPWM和SVPWM调制方式
坐标变换实践
离网PWM逆变器的电流闭环控制
离网PWM逆变器的电压闭环控制
BOOST+逆变器双闭环控制
滤波器功能验证
2、储能系统
隔离型DC/DC变换器的多种移相控制方法实验
不同控制方式的输入输出参数与仿真波形的对比验证
充放电电流开环控制实验
充放电电流闭环控制实验
3、充电桩
不控整流器的特性研究
单相PWM整流器的闭环控制
非隔离型BUCK-BOOST电路的电压闭环和电流闭环控制
DC/DC与DC/AC双级电路的控制
BUCK-BOOST电路的双向电流控制
交错并联控制方式与普通控制方式电路性能对比
单相离网逆变的控制

七、实验室预算配置（12台套配置参考）
控制器及上位机软件RTU-BOX201/Rtunit Studio：12套
光伏发电功率组件及软件开发（定制）：6台
储能功率组件及软件开发（定制）：6台
充电桩功率组件及软件开发（定制）：8台
直流电源32V/10A：16台（电池实验需要用两台）
交流电源30V/5A：8台
光伏发电模拟源600W/光伏曲线模拟：2台（拓展实验使用）
电池模拟器1kW/0V~50V/电池内阻模拟：2台（拓展实验使用）
电阻负载（400W/定制外壳）：36台
笔记本电脑：12台
示波器：12台
万用表：12台
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