利用科研平臺(tái)開設(shè)電力電子技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)的探索

王育飛　薛花　王魯楊　楊興武　趙玲

摘 要 隨著電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用和日益發(fā)展，電力電子技術(shù)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方式需進(jìn)行改進(jìn)與探索。在教學(xué)創(chuàng)新中，拓展科研平臺(tái)的單向服務(wù)功能，提出基于鉛酸蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的電力電子技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)，構(gòu)建先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)工程化應(yīng)用環(huán)境，引導(dǎo)學(xué)生深入學(xué)習(xí)鉛酸蓄電池、電池管理系統(tǒng)以及儲(chǔ)能變流器等設(shè)備的工作原理，掌握系統(tǒng)的運(yùn)行操作流程，對(duì)于電力電子技術(shù)在鉛酸蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的微電網(wǎng)應(yīng)用實(shí)現(xiàn) “三面向”的教學(xué)目標(biāo)，即面向一線、面向電力、面向創(chuàng)新。通過該科研平臺(tái)的教學(xué)型轉(zhuǎn)化，避免了傳統(tǒng)理論教學(xué)中與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系較少的不足，提升了教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)增強(qiáng)了動(dòng)手能力及創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞 電力電子技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn) 鉛酸蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng) 教學(xué)型轉(zhuǎn)化 “三面向”教學(xué)目標(biāo)

中圖分類號(hào)：G642.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

鉛酸蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠支撐微電網(wǎng)離網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，維持微電網(wǎng)電壓、頻率恒定；并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)能夠根據(jù)調(diào)度指令發(fā)出或吸收功率，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)并、離網(wǎng)的無縫切換。

在傳統(tǒng)教學(xué)方法中，通常僅對(duì)鉛酸蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)主要部分如電池組、儲(chǔ)能變流器的工作原理進(jìn)行介紹，教學(xué)效果較差。為便于學(xué)生理解，提高教學(xué)效率，利用科研平臺(tái)開設(shè)電力電子技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)“面向一線、面向電力、面向創(chuàng)新”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐，在給予學(xué)生感性認(rèn)識(shí)的同時(shí)，能夠更深刻地理解實(shí)際儲(chǔ)能系統(tǒng)各硬件設(shè)備的工作原理以及運(yùn)行特點(diǎn)，并能夠鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力與創(chuàng)新能力。

1 鉛酸蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)科研平臺(tái)

建立的鉛酸蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)科研平臺(tái)主要具有以下功能：（1）有功功率和無功功率控制，可根據(jù)微電網(wǎng)監(jiān)控后臺(tái)指令控制其有功功率和無功功率輸出；（2）V/F控制功能，微電網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，保證電網(wǎng)電壓、頻率恒定，作為主電源支撐整個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行；（3）無縫切換功能，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)能夠快速切除電網(wǎng)，將儲(chǔ)能系統(tǒng)從并網(wǎng)工作狀態(tài)轉(zhuǎn)入獨(dú)立逆變工作狀態(tài)；（4）故障保護(hù)功能，如欠壓/過壓保護(hù)、過載保護(hù)、過熱保護(hù)以及對(duì)地電阻監(jiān)測和報(bào)警功能。

鉛酸蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)主要包括三部分：鉛酸蓄電池組（額定功率30kW）、電池管理系統(tǒng)（BMS）以及50kW雙向儲(chǔ)能變流器（PCS）。同時(shí)，隔離變壓器可實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能變流器與電網(wǎng)之間的電氣隔離，保證平臺(tái)運(yùn)行及實(shí)驗(yàn)操作的安全性。此外，為了使平臺(tái)能夠正常工作，方便觀察、讀取數(shù)據(jù)，還設(shè)置了報(bào)表查詢、數(shù)據(jù)分析以及狀態(tài)監(jiān)測單元。

2 電力電子技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了讓學(xué)生更加直觀、更加深刻地理解電力電子技術(shù)，根據(jù)科研平臺(tái)現(xiàn)有功能以及電力電子技術(shù)教學(xué)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)基于鉛酸蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)平臺(tái)的電力電子技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括鉛酸蓄電池充電操作、放電操作以及電池監(jiān)控操作三部分內(nèi)容。

在進(jìn)行電力電子技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)之前，根據(jù)工程應(yīng)用操作需求，學(xué)生實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備工作：

（1）運(yùn)行前觀察PCS指示燈為“停機(jī)”狀態(tài)，如顯示“故障”應(yīng)停止實(shí)驗(yàn)操作；

（2）觀察儲(chǔ)能系統(tǒng)監(jiān)控柜操作面板，確保所有電池處于正常狀態(tài)，無單體端電壓過低或過高。

2.1鉛酸蓄電池充電操作實(shí)驗(yàn)

鉛酸蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)連接380V市電時(shí)，雙向儲(chǔ)能變流器可對(duì)電池組進(jìn)行充電。引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)儲(chǔ)能變流器控制界面的使用與正確操作，了解“充電”工作模式，學(xué)習(xí)包括恒流、恒壓以及恒功率三種充電模式的工作原理，能夠設(shè)置合理的充電電壓、電流等運(yùn)行參數(shù)。實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生可通過電池監(jiān)控柜操作面板，觀察電池端電壓曲線、功率曲線以及SOC數(shù)值的變化情況。

2.2鉛酸蓄電池放電操作實(shí)驗(yàn)

鉛酸蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)為微電網(wǎng)的一個(gè)重要組成部分，能夠補(bǔ)償新能源發(fā)電的功率波動(dòng)，對(duì)微電網(wǎng)內(nèi)的負(fù)荷提供持續(xù)、穩(wěn)定電能。通過實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)利用PCS控制界面在“模式控制”中選擇“放電”模式，與“充電”模式相同，掌握恒流、恒壓以及恒功率三種放電模式的工作原理，能夠合理設(shè)置放電電壓、放電電流等運(yùn)行參數(shù)。實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生可通過電池監(jiān)控柜的操作面板，觀察電池端電壓曲線、功率曲線以及SOC數(shù)值的變化情況。

2.3鉛酸蓄電池監(jiān)控操作實(shí)驗(yàn)

鉛酸蓄電池管理系統(tǒng)可對(duì)電池組電壓、內(nèi)阻、SOC以及溫度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。通過電池監(jiān)控柜面板，學(xué)生可通過觀察、記錄系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，學(xué)習(xí)判斷鉛酸蓄電池組的運(yùn)行狀況。

為了鍛煉學(xué)生應(yīng)對(duì)故障的實(shí)踐能力，在實(shí)驗(yàn)中設(shè)置典型故障，讓學(xué)生學(xué)習(xí)相應(yīng)的解決方法：

（1）對(duì)鉛酸蓄電池進(jìn)行充放電時(shí)，PCS操作面板中不顯示工作狀態(tài)或鉛酸蓄電池監(jiān)控柜顯示“開路”。此時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生先觀察鉛酸蓄電池監(jiān)控柜中電池總端電壓數(shù)值，由于PCS控制系統(tǒng)要求儲(chǔ)能變流器直流側(cè)即蓄電池總端電壓最小值為450V。因此，當(dāng)實(shí)際值低于450V時(shí)，PCS無法完成對(duì)電池組的充放電操作。

解決方法訓(xùn)練：應(yīng)用充電機(jī)，對(duì)鉛酸蓄電池組進(jìn)行分組充電，直到端電壓高于450V時(shí)，再嘗試通過PCS對(duì)電池組進(jìn)行充電。

（2）在進(jìn)行充放電實(shí)驗(yàn)過程中，PCS突然停止工作，操作面板顯示“故障”或“停機(jī)”。此時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生先（下轉(zhuǎn)第30頁）（上接第17頁）觀察鉛酸蓄電池監(jiān)控柜的顯示狀態(tài)，若電池組運(yùn)行正?？纱_定為PCS出現(xiàn)故障。

解決方法訓(xùn)練：儲(chǔ)能變流器開關(guān)管會(huì)由于過電流導(dǎo)致器件保護(hù)裝置動(dòng)作。因此在PCS斷電情況下，使用萬用表測量每個(gè)開關(guān)管兩端的熔斷器，若萬用表顯示無窮大阻值，需更換該熔斷器。

3 結(jié)語

在傳統(tǒng)教學(xué)過程中，學(xué)生對(duì)電力電子理論知識(shí)理解困難。通過鉛酸蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用合理的教學(xué)方式，可以提高教學(xué)質(zhì)量方便學(xué)生理解。同時(shí)，可以利用在實(shí)驗(yàn)過程中的實(shí)際波形以及出現(xiàn)的問題，拓寬教學(xué)知識(shí)范圍，在理論知識(shí)的基礎(chǔ)上開拓學(xué)生的眼界、提高學(xué)習(xí)效率，并培養(yǎng)學(xué)生解決問題的意識(shí)、動(dòng)手能力以及創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)“三面向”實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)。

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