信號(hào)分析與處理教學(xué)案例設(shè)計(jì)—光伏系統(tǒng)諧波監(jiān)測(cè)與效率分析

曹英麗　于豐華　鄭偉　姚萍

摘要：以光伏發(fā)電系統(tǒng)監(jiān)測(cè)為背景，設(shè)計(jì)了信號(hào)分析與處理教學(xué)案例——光伏系統(tǒng)諧波監(jiān)測(cè)與效率分析，闡述了案例設(shè)計(jì)的工程背景分析、理論方法提煉、案例內(nèi)容篩選等過(guò)程。分析了案例的實(shí)施方法，給出了光伏系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的測(cè)試方法、諧波數(shù)據(jù)與效率的分析方法、光伏狀態(tài)的評(píng)估方法等。

關(guān)鍵詞： 教學(xué)案例；信號(hào)分析與處理；光伏發(fā)電系統(tǒng)監(jiān)測(cè)；案例設(shè)計(jì)方法

中圖分類(lèi)號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2018）01-0036-04

案例教學(xué)寓理論知識(shí)于工程實(shí)際，可提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提升學(xué)生綜合能力、促進(jìn)雙向交流，在理論教學(xué)及人才培養(yǎng)中起到了積極作用。優(yōu)秀教學(xué)案例的設(shè)計(jì)在案例教學(xué)實(shí)施中至關(guān)重要，依托工程應(yīng)用實(shí)際對(duì)其進(jìn)行分析與提取是案例設(shè)計(jì)的有效途徑。以光伏發(fā)電系統(tǒng)監(jiān)測(cè)為背景闡述教學(xué)案例設(shè)計(jì)的方法與過(guò)程，提煉信號(hào)分析與處理教學(xué)案例——光伏系統(tǒng)諧波監(jiān)測(cè)與效率分析。案例主要包括光伏發(fā)電系統(tǒng)電壓諧波的測(cè)試與評(píng)估、光伏系統(tǒng)工作效率的分析等。案例詳細(xì)設(shè)計(jì)了諧波以及系統(tǒng)交直流效率等關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)試流程與方法、測(cè)試數(shù)據(jù)的分析與評(píng)估等。

1 案例的工程背景與來(lái)源

信號(hào)與系統(tǒng)課程等是電子信息工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)必修的基礎(chǔ)課程，該課程內(nèi)容極為豐富抽象，且專(zhuān)業(yè)理論性和工程實(shí)用性很強(qiáng)。案例教學(xué)相較于傳統(tǒng)教學(xué)方法而言是一種啟發(fā)式教學(xué)方法，它能使同學(xué)們主動(dòng)學(xué)習(xí)，避免學(xué)生在被動(dòng)學(xué)習(xí)中逐漸反感，增加了大學(xué)生學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的主動(dòng)性。太陽(yáng)能作為人類(lèi)利用最早的可再生能源，分布廣泛且資源非常豐富，越來(lái)越受到人們的重視，具有環(huán)保清潔、無(wú)需運(yùn)輸和可再生等特點(diǎn)。合理利用太陽(yáng)能資源是新能源供給不可或缺的一部分。太陽(yáng)能光伏發(fā)電屬于一種高新技術(shù)，能夠充分利用太陽(yáng)能資源而不需要任何燃料，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，也沒(méi)有地域限制，能夠有效解決目前我國(guó)資源短缺的現(xiàn)狀。

近年來(lái)，隨著光伏電站的快速發(fā)展，出現(xiàn)了光伏系統(tǒng)的管理缺乏系統(tǒng)維護(hù)的現(xiàn)象，導(dǎo)致光伏發(fā)電效率持續(xù)降低，制約了光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。為保證光伏電站的系統(tǒng)效率，提高發(fā)電量，必須針對(duì)光伏系統(tǒng)的周邊環(huán)境和氣候條件制定合理運(yùn)維方案?？梢酝ㄟ^(guò)安裝分析管理與智能監(jiān)控系統(tǒng)以及周期性巡檢來(lái)降低發(fā)電站內(nèi)設(shè)備的安全隱患和故障，通過(guò)組件清潔來(lái)保障組件的發(fā)電效率，使光伏電站的經(jīng)濟(jì)效益和發(fā)電量得到提高。具體操作涉及到電子信息工程專(zhuān)業(yè)信號(hào)采集、數(shù)據(jù)分析等相關(guān)理論知識(shí)和學(xué)生的實(shí)踐操作能力。本案例結(jié)合光伏電站全周期運(yùn)維科研課題，從中篩選、提取、凝練成信號(hào)分析處理教學(xué)案例。

2 光伏系統(tǒng)諧波監(jiān)測(cè)與效率測(cè)試方案設(shè)計(jì)

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏組件、逆變器、配電柜、蓄電池以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等部分組成。全周期指電站從開(kāi)始投入建設(shè)到不能再利用的全過(guò)程管理，分為設(shè)計(jì)階段、建設(shè)階段、生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)階段。其中，以生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)為主導(dǎo)，圍繞生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)開(kāi)展管理。日常運(yùn)行維護(hù)不僅是建設(shè)和管理光伏電站的必備條件，而且還能通過(guò)這一步驟收集光伏電站的運(yùn)行數(shù)據(jù)并加以合理處理，從而預(yù)判、解決運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，彌補(bǔ)光伏電站易受外界環(huán)境影響、穩(wěn)定性不佳等缺點(diǎn)，充分發(fā)揮光伏電站的潛在優(yōu)勢(shì)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，使光伏電站能夠得到充分、高效利用。

2.1 電壓諧波測(cè)試方案

光伏發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)逆變器將直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電并網(wǎng)，并網(wǎng)時(shí)產(chǎn)生的諧波一定程度上反映了系統(tǒng)的運(yùn)行情況，電壓諧波偏差過(guò)大可能受到外部發(fā)電條件影響，因此，電壓諧波是電能質(zhì)量檢測(cè)中最明顯的反映系統(tǒng)健康程度的指標(biāo)。采用FLUKE435-Ⅱ電能質(zhì)量分析儀測(cè)試電壓諧波，將儀器的電流線(xiàn)圈放置在交流配電柜中三相電流上，電壓線(xiàn)連接在配電柜下游、并網(wǎng)之前的電壓接線(xiàn)柱上；打開(kāi)儀器，連接電腦中FLUKE公司開(kāi)發(fā)的Power Log430-Ⅱ軟件進(jìn)行有關(guān)設(shè)置，包括測(cè)試周期、記錄時(shí)間間隔、測(cè)量項(xiàng)目（包含電能質(zhì)量各類(lèi)參數(shù)）等，記錄的時(shí)間間隔為10 s。

2.2 光伏發(fā)電效率測(cè)試方案

采用SOLAR300N光伏綜合測(cè)試儀監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)電效率，設(shè)定所要測(cè)試系統(tǒng)的標(biāo)稱(chēng)功率（Pnom）、功率溫度系數(shù)（γ）、環(huán)境溫度（Tenv）、組件標(biāo)準(zhǔn)工作溫度（NOCT）等，設(shè)定遠(yuǎn)程單元中輻照計(jì)敏感系數(shù)（Pyranometer）、最小輻照度（Irr.min）等并保存；對(duì)于遠(yuǎn)程單元SOLAR-02，首先按ESC電源鍵和SET鍵同時(shí)開(kāi)機(jī)，參照輻照度計(jì)標(biāo)片背面參數(shù)設(shè)定敏感度系數(shù)（Uv/W/m2）和溫度系數(shù)（Te），按Esc退出。最后按ESC電源鍵和FUNC鍵同時(shí)開(kāi)機(jī)，確認(rèn)RF無(wú)線(xiàn)功能打開(kāi)，界面顯示rFON。測(cè)試完畢后按GO/STOP開(kāi)始或停止測(cè)試。

3 光伏系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析與狀態(tài)評(píng)估

3.1 電壓諧波分析

監(jiān)測(cè)時(shí)間分別為2016年3月2日、9日、16日、23日和30日共5個(gè)整天，足夠完成一個(gè)完整的輻射周期測(cè)試。測(cè)試采用連續(xù)測(cè)試方式，測(cè)量的時(shí)間間隔為1 min/次。將選取5個(gè)日期的電壓諧波檢測(cè)數(shù)據(jù)作為每周電壓諧波情況的代表，選取每周的電能質(zhì)量諧波數(shù)據(jù)最大值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和諧波含量計(jì)算，對(duì)照電壓諧波允許限值對(duì)諧波水平進(jìn)行評(píng)估。

選取諧波畸變率較大的A相最大值作為對(duì)比對(duì)象，監(jiān)測(cè)非零三相電壓諧波畸變率和電流諧波數(shù)據(jù)如表1、圖1所示。

圖1中A相電壓諧波畸變率最大的是三次諧波，在1.5%上下波動(dòng)；其次是9次諧波，諧波畸變率為1.05%；其他諧波均不超過(guò)0.5%，總的諧波畸變率保持在2.1%。在停止發(fā)電之前諧波比較嚴(yán)重，最大不超過(guò)2.7%，整體變化反映了外部發(fā)電條件對(duì)光伏電站電能質(zhì)量的影響。

表1和圖1是三相的電壓諧波畸變率最大值匯總，三相電壓總諧波畸變率分別為2.2%、2.4%、2.25%；電壓奇次諧波含量高于偶次諧波含量，奇次諧波中的前幾次諧波含量較高，其中三次諧波含量最大分別為1.55%、1.65%、1.52%，其次是九次諧波，含量分別為1.16%、1.35%、1.25%，三相的其他奇次諧波含量不超過(guò)0.75%。國(guó)家光伏系統(tǒng)并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，電壓諧波畸變率不大于4%，總畸變率不大于5%。從收集的電壓諧波對(duì)比來(lái)看均未超限，監(jiān)測(cè)時(shí)間范圍內(nèi)光伏系統(tǒng)電能質(zhì)量正常，系統(tǒng)內(nèi)并未出現(xiàn)大的波動(dòng)，因此認(rèn)為光伏系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好。

3.2 光伏系統(tǒng)效率測(cè)試分析

3.2.1 直流效率測(cè)試結(jié)果分析 經(jīng)過(guò)對(duì)2016年3月的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和篩選，確定發(fā)電時(shí)間為7∶20-16∶50，光電轉(zhuǎn)換效率統(tǒng)計(jì)2 min內(nèi)記錄一次平均水平，去掉剛達(dá)到系統(tǒng)發(fā)電要求的起始和終止時(shí)段等效率值出現(xiàn)跳躍的部分，剩下的效率值平均后得到的結(jié)果如圖2和表2所示。

由圖2和表2表可知，光電轉(zhuǎn)換效率能夠維持在40%左右，比廠家提供的標(biāo)稱(chēng)值經(jīng)計(jì)算后得到的光電轉(zhuǎn)換效率45%相比低一些，符合光伏電池板隨著時(shí)間效能衰減的真實(shí)情況。

3.2.2 逆變器效率測(cè)試結(jié)果分析 逆變器效率通過(guò)SOLAR300N得到的交流效率中獲得，與直流效率相同，每2 min統(tǒng)計(jì)一次效率平均值，去掉系統(tǒng)起始和終止時(shí)段等效率值出現(xiàn)跳躍的部分，選擇觀測(cè)9∶40到16∶30之間的效率值，如圖3和表3所示。

從圖3和表3中顯示的信息可以得出，雖然存在一定的波動(dòng)情況，但逆變器的交直流效率能夠維持在0.9以上，平均值處于0.92以上，轉(zhuǎn)換效率較高，大部分?jǐn)?shù)值維持在0.95左右，與逆變出廠最大效率0.981相比并未下降過(guò)多，總體上逆變器處于正常運(yùn)營(yíng)的狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陶丹，胡健，陳后金. “信號(hào)與系統(tǒng)”課程案例教學(xué)探討[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)， 2015， 37（5）：55-57+120.

[2] 宦夢(mèng)蕾，張邦樂(lè)，崔晗，等.基于微課的藥劑學(xué)案例教學(xué)全過(guò)程建設(shè)探索[J].醫(yī)學(xué)教育研究與實(shí)踐，2018，26（1）：167-170.

[3] 曹英麗，許童羽，王立地，等.以信號(hào)類(lèi)課程為核心構(gòu)建農(nóng)業(yè)信息化背景下電子信息專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)新體系[J]. 高等農(nóng)業(yè)教育，2016（3）：81-83.

[4] 姚俊. 電子信息工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)模式研究[J]. 山東社會(huì)科學(xué)，2016（S1）：357-358.

[5] 孫明. 《信號(hào)與系統(tǒng)》課程案例教學(xué)方法研究[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（理學(xué)版），2012，58（S2）：173-176.

[6] 丁明，王偉勝，王秀麗，等. 大規(guī)模光伏發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)影響綜述[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34（1）：1-14.

[7] 黃遠(yuǎn)，程菲，張俊紅，等.設(shè)施農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程本科專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)的改革與創(chuàng)新——以華中農(nóng)業(yè)大學(xué)為例[J].高等農(nóng)業(yè)教育，2017（1）：68-71.