光-儲微電網(wǎng)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)及其在新能源專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

摘 要：針對新能源科學(xué)與工程專業(yè)本科實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行探索，在常規(guī)專業(yè)理論教學(xué)的基礎(chǔ)上，基于光-儲微電網(wǎng)（PV storage microgrid，PVSMG） 實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)開展光伏發(fā)電課程的各類典型實(shí)驗(yàn)。通過本課程所涉及的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對光伏發(fā)電及微電網(wǎng)的概念及運(yùn)行方式有了更深刻的理解，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了新能源專業(yè)課的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：PVSMG;實(shí)訓(xùn)系統(tǒng);實(shí)踐教學(xué)

由于資源與環(huán)境的雙重危機(jī)，光伏發(fā)電作為技術(shù)較成熟的發(fā)電形式越來越受到世界各國的重視。根據(jù)《中國2050高比例可再生能源發(fā)展情景及路徑研究》報告，未來伴隨光伏發(fā)電技術(shù)突破和成本的降低，2050年將實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電裝機(jī)27億千瓦，光伏發(fā)電將與風(fēng)力發(fā)電一起占我國全部發(fā)電量的64%，成為未來綠色電力系統(tǒng)的主要電力供應(yīng)來源[1]。隨著光伏發(fā)電的高速發(fā)展，社會對光伏發(fā)電人才的需求也日益提高[2]。為光伏產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)理論與實(shí)踐并重的工程技術(shù)人員已經(jīng)成為高校人才培養(yǎng)工作的重中之重。目前光伏發(fā)電專業(yè)通過認(rèn)識實(shí)習(xí)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)與畢業(yè)實(shí)習(xí)等專業(yè)實(shí)踐課程幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)理論的同時加深對生產(chǎn)實(shí)踐的認(rèn)識，一定程度上彌補(bǔ)了高校傳統(tǒng)培養(yǎng)方式的不足。但由于課程實(shí)踐較短，出于實(shí)際安全考慮，核心崗位提供給學(xué)生的實(shí)踐機(jī)會與操作環(huán)節(jié)較少，不能較好地達(dá)到社會對人才的要求。如何開發(fā)較為先進(jìn)的教學(xué)方式與實(shí)訓(xùn)平臺來填補(bǔ)目前光伏發(fā)電課程課外實(shí)踐教學(xué)的不足，促進(jìn)光伏發(fā)電專業(yè)人才培養(yǎng)的發(fā)展是本文將要討論的問題。本課題以PVSMG實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)為平臺，對光伏發(fā)電的尋日實(shí)驗(yàn)、PVSMG蓄電池充電實(shí)驗(yàn)、光伏發(fā)電I-V特性實(shí)驗(yàn)、光伏發(fā)電系統(tǒng)用電器負(fù)載實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了介紹，通過實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室就可以進(jìn)行光伏發(fā)電的各種典型的實(shí)驗(yàn)，使光伏發(fā)電的全過程都展現(xiàn)在學(xué)生面前，即提高了學(xué)生對光伏發(fā)電課程的興趣，又增加了學(xué)生實(shí)際操作的機(jī)會，使學(xué)生對光伏發(fā)電知識的理解更加深刻。

1 PVSMG實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

PVSMG實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)如圖1所示。主要從系統(tǒng)與軟件兩部分來進(jìn)行簡要介紹。

1）系統(tǒng)組成。太陽能發(fā)電測量與控制實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)如圖1（a）所示主要由尋日機(jī)構(gòu)、尋日控制單元組成。尋日機(jī)構(gòu)主要包含尋日傳感器、光照度傳感器、溫度傳感器、太陽能光伏板、雙軸尋日執(zhí)行電機(jī)（水平軸與垂直軸）、碘鎢燈（太陽模擬）。4塊光伏電池組件并聯(lián)組成光伏電池方陣，光線傳感器安裝在光伏電池方陣中央。2盞1KW的投射燈安裝在擺桿支架上，擺桿底端與減速箱輸出端連接，減速箱輸入端連接單相交流電動機(jī)。電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時，通過減速箱驅(qū)動擺桿作圓周擺動。擺桿底端與底座支架連接部分安裝了接近開關(guān)和微動開關(guān)，用于擺桿位置的限位和保護(hù)。通過實(shí)訓(xùn)面板上的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)按鈕對擺桿電機(jī)轉(zhuǎn)動控制。尋日控制單元主要包括系統(tǒng)供電的總空氣開關(guān)、尋日控制器、碘鎢燈開關(guān)以及調(diào)光器、急停按鈕、開關(guān)電源、PLC以及繼電器、PLC接插模塊、尋日控制器以及尋日單元接插模塊。能量轉(zhuǎn)換單元主要是將光伏板發(fā)出的電通過相應(yīng)的光伏控制進(jìn)行轉(zhuǎn)換，來進(jìn)行不同的用途，這部分主要包括能量轉(zhuǎn)換單元電壓、電流、功率表與控制單元的使用方法一樣，如圖1（b）所示。

2）軟件組成。PVSMG能量控制器的上位機(jī)軟件有兩種，觸摸屏和LABVIEW。兩種上位機(jī)通訊獨(dú)立操作。PVSMG能量控制器采集光伏和蓄電池的電壓、電流與上位機(jī)通訊，可利用兩種上位機(jī)軟件進(jìn)行觀測。

LABVIEW主要分為兩個界面：數(shù)據(jù)顯示和實(shí)驗(yàn)面板。數(shù)據(jù)顯示面板主要用于直觀的觀察PVSMG能量控制器采集的各個數(shù)據(jù)?？刂破魍ㄟ^通訊協(xié)議上傳給電腦，LABVIEW將這些協(xié)議通過解析，直接顯示在界面上。

數(shù)據(jù)顯示面板通過光電傳感器，光照度傳感器和3路溫度模塊產(chǎn)生0-5V的變送信號送至PVSMG能量控制器的AD采樣板中以及AD采樣板自身采集太陽能和蓄電池的電壓電流，并且以一幀字符串的形式發(fā)送給LABVIEW軟件。LABVIEW軟件再將這些字符串?dāng)?shù)據(jù)經(jīng)行處理轉(zhuǎn)化成數(shù)值顯示在界面程序上。

實(shí)驗(yàn)面板用于控制PVSMG能量控制器的功能操作、曲線觀察和數(shù)據(jù)采集。工作模式與觸摸屏控制相同?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)功率電阻，點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)采集”按鈕來采集不同電阻下的電壓和電流，并且點(diǎn)擊“曲線繪制”畫出曲線圖。繪制出曲線后可右擊曲線圖，選擇“導(dǎo)出簡化圖像”將曲線圖保存下來，便于參考。

2 光儲微電網(wǎng)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)置

1）尋日系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生了解尋日系統(tǒng)及尋日傳感器的結(jié)構(gòu)及原理，根據(jù)實(shí)驗(yàn)提供的相關(guān)信息，通過編寫尋日程序，要求能夠正確尋日，并且限位開關(guān)有效。通過該實(shí)驗(yàn)，可以加深學(xué)生對光伏發(fā)電尋日系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理的認(rèn)識。

2）光伏發(fā)電蓄電池充電實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)演示在PVSMG中負(fù)載較小，光伏發(fā)電較大時，通過蓄電池將光伏發(fā)電的多余的電能儲存起來，以備在光伏發(fā)電較小時供負(fù)載使用，在實(shí)驗(yàn)過程中要求學(xué)生測量充電時的電壓與電流，通過該實(shí)驗(yàn)使學(xué)生對光伏發(fā)電蓄電池充電實(shí)驗(yàn)有了更加感性的認(rèn)識。

3）光伏發(fā)電的I-V特性曲線實(shí)驗(yàn)。光電池發(fā)出的電能直接接上直流負(fù)載，從低到高調(diào)節(jié)負(fù)載的大小，觀察光伏板發(fā)出的電的電壓、電流變化趨勢，并且畫出對應(yīng)的I-V曲線。通過該實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生了解外界環(huán)境對光伏發(fā)電效率的影響以及光伏發(fā)電的負(fù)載特性。

4）光伏發(fā)電系統(tǒng)用電器負(fù)載實(shí)驗(yàn)。光伏發(fā)電在不經(jīng)過逆變裝置之前輸出的是直流電，該實(shí)驗(yàn)通過DC/DC裝置將光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電能轉(zhuǎn)換為適當(dāng)電壓供手機(jī)、移動電源充電、緊急電源、收音機(jī)等直流電器使用。通過該實(shí)驗(yàn)使學(xué)生掌握移動設(shè)備能源供給方法以及如何利用太陽能給移動設(shè)備供電。

5）風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。在風(fēng)-儲微電網(wǎng)基礎(chǔ)上，添加風(fēng)機(jī)模型與原有的風(fēng)光互補(bǔ)控制器結(jié)合，利用變頻器條件軸流風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，吹動400W小型風(fēng)機(jī)模擬風(fēng)能發(fā)電。利用風(fēng)光互補(bǔ)能量轉(zhuǎn)換單元與原有的PVSMG裝置組成風(fēng)光互補(bǔ)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的風(fēng)光互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計。

3 結(jié)束語

光伏發(fā)電是新能源領(lǐng)域要求理論與實(shí)踐并重的專業(yè)方向，老師通過課堂對理論的講解之后還需要相關(guān)的實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐課程來支持。在專業(yè)教學(xué)過程中，應(yīng)該從激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造型與工程意識的角度對課程與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計，鼓勵學(xué)生應(yīng)用所學(xué)的理論解決遇到的問題，加深對光伏發(fā)電原理及其應(yīng)用的理解。本文基于PVSMG實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)教學(xué)平臺針對尋日系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、光伏發(fā)電蓄電池充電實(shí)驗(yàn)、光伏發(fā)電的I-V特性曲線實(shí)驗(yàn)與光伏發(fā)電系統(tǒng)用電器負(fù)載實(shí)驗(yàn)四個實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了介紹。通過實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生在操作過程中對光伏發(fā)電的原理，光伏發(fā)電專業(yè)的就業(yè)崗位等有了更深刻的認(rèn)識，加深了學(xué)生對理論知識的理解，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，較好的完成了本課程的教學(xué)目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

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[2]付在國，朱群志，張莉等.新能源發(fā)電行業(yè)面向新能源科學(xué)與工程專業(yè)人才的需求分析[J].教育教學(xué)論壇，2018（40）：112-113.

作者簡介

曹喜民（1985-），男，博士，講師，主要從事新能源發(fā)電及并網(wǎng)后系統(tǒng)穩(wěn)定性分析研究及相關(guān)教學(xué)。