光伏發(fā)電虛擬仿真實驗教學(xué)平臺

姜萍 張欣 田華 孫榮霞

摘要：新能源產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展對光伏發(fā)電技術(shù)人才提出了迫切需求，然而光伏發(fā)電系統(tǒng)的實驗設(shè)備成本高、裝置多為封閉型難以分析內(nèi)部復(fù)雜原理，儀器臺套數(shù)量也無法滿足學(xué)生人數(shù)及教學(xué)課時的需求。因此，采用虛擬仿真技術(shù)開發(fā)了光伏發(fā)電系統(tǒng)實驗教學(xué)平臺，通過太陽能輻照度計算、光伏陣列數(shù)學(xué)模型、升壓斬波電路及MPPT控制、逆變器等模塊的設(shè)計，模擬了光伏發(fā)電的工藝流程和工作原理，為相關(guān)專業(yè)的理論教學(xué)和實踐訓(xùn)練提供了不同層次需求的豐富教學(xué)資源。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真；光伏發(fā)電系統(tǒng)；實驗教學(xué)

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）03-0277-02

一、引言

在能源危機和環(huán)境污染的雙重壓力下，可再生清潔能源的需求迅猛增長，其中，光伏發(fā)電是未來能源領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。河北省作為中國光伏產(chǎn)業(yè)第二大省，擁有光伏行業(yè)的多家高新技術(shù)企業(yè)。在2018年初，河北省發(fā)展改革委發(fā)布《關(guān)于2018-2020年風(fēng)電、光伏發(fā)電項目建設(shè)指導(dǎo)意見》，三年內(nèi)光伏電站將累計新增360萬千瓦，到2020年全省光伏發(fā)電裝機容量達到1500萬千瓦，河北省光伏發(fā)電的空間潛力十分巨大。

新能源產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展對光伏發(fā)電技術(shù)人才提出了迫切需要，很多高等院校的相關(guān)專業(yè)都十分重視光伏技術(shù)人才的培養(yǎng)，然而光伏發(fā)電相關(guān)設(shè)備成本高、裝置多為封閉型，難以分析內(nèi)部器件復(fù)雜原理，電壓等級高而存在高危險性，實驗設(shè)備儀器的臺套數(shù)限制也難以滿足學(xué)生人數(shù)及教學(xué)課時的需求。

為適應(yīng)社會對光伏技術(shù)人才的需求，河北大學(xué)建立了國家級“光伏技術(shù)虛擬仿真實驗教學(xué)中心”，圍繞光伏技術(shù)的全產(chǎn)業(yè)鏈，建設(shè)光伏材料、太陽電池制備、光伏發(fā)電和專業(yè)基礎(chǔ)四個虛擬仿真實驗資源平臺。其中，光伏發(fā)電虛擬仿真實驗教學(xué)平臺能夠反映大容量光伏發(fā)電系統(tǒng)的生產(chǎn)流程和工作原理，可反映可再生能源特有的隨機性和不確定性等影響因素，模擬工程實際運行的工況，為相關(guān)專業(yè)的理論教學(xué)和實踐訓(xùn)練提供了不同層次需求的豐富教學(xué)資源。在高等教育現(xiàn)代化和信息化的新形勢下，通過虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，保障了實驗教學(xué)的高安全性、高度還原性、可重復(fù)性和高創(chuàng)新性，有利于發(fā)展多學(xué)科的交叉融合，也有效解決了實驗教學(xué)條件不足的問題[1]。

二、虛擬仿真實驗平臺的架構(gòu)

光伏發(fā)電的主要工作流程如圖1所示，由光伏電池陣列、DC-DC變換器及MPPT（Maximum Power Point Tracking，最大功率點跟蹤）、逆變器及控制器、電網(wǎng)等組成。光伏電池是能量來源，當(dāng)硅材料P-N結(jié)上受到太陽光照射而產(chǎn)生電動勢，串并聯(lián)后形成能夠輸出較大功率的光伏陣列。逆變器是光伏發(fā)電的核心設(shè)備，通過控制策略和調(diào)制方案，形成與電網(wǎng)電壓同頻同相的并網(wǎng)電流。

光伏發(fā)電虛擬仿真實驗教學(xué)平臺采用模塊化的設(shè)計理念，通過太陽能輻照度計算、光伏陣列數(shù)學(xué)模型、升壓斬波電路及MPPT、逆變器等，模擬了光伏發(fā)電的工作流程[2-3]。

各個組成模塊可以獨立開設(shè)相關(guān)實驗，也可以連接成集太陽能電池陣列、發(fā)電控制、逆變設(shè)施、電力系統(tǒng)狀態(tài)分析和故障保護等功能為整體實現(xiàn)聯(lián)調(diào)，滿足不同專業(yè)學(xué)生、不同學(xué)生層次、不同課程要求、不同課時需求等多方位的需求。

（一）太陽能輻照度計算

我國太陽能資源豐富，但地形復(fù)雜，太陽能輻照量的計算，需要綜合考慮地理位置、天文環(huán)境、季節(jié)與光照變化等諸多因素，以及光伏電池板安裝傾角及照射角等，利用天空散射輻射各向異性模型和雙參考氣象站輻照量修正法計算太陽能輻照度。

（二）光伏電池陣列

基于光伏電池廠家的銘牌參數(shù)，計算等效電路模型參數(shù)，通過光伏電池的數(shù)學(xué)模型建立大容量光伏陣列的數(shù)學(xué)模型?？梢葬槍Σ煌瑴囟燃安煌照諒姸龋瑢夥嚵械妮敵鎏匦赃M行仿真，將工業(yè)實測數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進行對比，驗證仿真模型的正確性。

（三）升壓電路及MPPT控制

升壓模塊采用Boost升壓電路，將光伏電池輸出的直流電壓變?yōu)榭梢哉{(diào)節(jié)的直流電。光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤算法（MPPT）能夠使光伏電池工作在最大功率點處，很大程度上提高了光伏電池的轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)前常用的有固定電壓法、擾動觀測法、電導(dǎo)增量法以及其他智能算法，可以進行算法設(shè)計實驗及效果驗證。

（四）逆變器模塊

根據(jù)需求可以分別建立離網(wǎng)型或并網(wǎng)型逆變器、傳輸線路和變壓器等部分的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，進行仿真實驗，分別對日負荷和年負荷實發(fā)功率進行模擬，反映全年天氣狀態(tài)下太陽輻照度波動對輸出功率的影響。

三、實驗平臺在人才培養(yǎng)中的作用

虛擬仿真實驗平臺能夠反映光伏發(fā)電實際運行特性，可滿足本科生相關(guān)專業(yè)課程實驗、綜合性課程設(shè)計等實踐環(huán)節(jié)[4]，也為學(xué)生開展科技創(chuàng)新和面向企業(yè)人員培訓(xùn)等提供貼近工程實際的平臺，具體分為以下三個層次：

1.為電氣工程及其自動化、自動化等相關(guān)專業(yè)，提供《MATLAB系統(tǒng)仿真》《電力電子技術(shù)》《電力系統(tǒng)分析》《電力系統(tǒng)繼電保護》等課程的設(shè)計型、綜合型實驗，彌補現(xiàn)有實驗項目缺乏工程應(yīng)用背景的不足。

2.滿足相關(guān)專業(yè)的課程設(shè)計、綜合實訓(xùn)，可提供相關(guān)課程設(shè)計題目，例如：基于天文氣象信息的光伏功率預(yù)測計算、基于用戶需求的光伏陣列容量設(shè)計、最大功率點跟蹤控制系統(tǒng)仿真實驗、陰影和失配下的光伏陣列輸出特性等研究課題。

虛擬仿真實驗教學(xué)平臺具有開放性，可以進一步進行開發(fā)，能滿足畢業(yè)設(shè)計和科技創(chuàng)新活動和其他自選課題的需求。

3.可以面向企業(yè)，開展科研項目合作提供實驗平臺；針對操作運行人員監(jiān)控各設(shè)備運行情況、統(tǒng)計報表、運行曲線；模擬就地交互操作、現(xiàn)場設(shè)備巡檢功能；故障消除訓(xùn)練，模擬光伏陣列、匯流裝置、逆變器、變壓器、保護裝置等，進一步完善功能后，可以用于光伏發(fā)電技術(shù)人員的崗前培訓(xùn)、技能考核等。

四、結(jié)論

采用虛擬仿真技術(shù)開發(fā)了光伏發(fā)電系統(tǒng)實驗教學(xué)平臺，通過模擬光伏發(fā)電的工藝流程和工作原理，為相關(guān)專業(yè)的理論教學(xué)和實踐訓(xùn)練提供了不同層次需求的豐富教學(xué)資源。增強了學(xué)生對光伏發(fā)電過程的整體認識，同時提供進行系統(tǒng)的設(shè)計、優(yōu)化控制算法開發(fā)設(shè)計的驗證平臺。虛擬仿真技術(shù)具有的安全性、可重復(fù)性和開放性，不僅有效解決了實驗教學(xué)條件不足的問題，也有利于培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的高素質(zhì)應(yīng)用型、復(fù)合型的工程技術(shù)人才。

參考文獻：

[1]杜彥敏.基于虛擬仿真技術(shù)的實驗教學(xué)中心建設(shè)研究[J].教育教學(xué)論壇，2018，（15）：273-274.

[2]王輝，牛帥，于立君，董澤全，童麗峰.太陽能光伏板角度控制實驗教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計[J].實驗室科，2017，20（02）：74-77.

[3]陳杏燦，程漢湘，彭湃，楊健.光伏電池的建模與光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真[J].廣東電力，2016，29（02）：25-29，58.

[4]倫淑嫻，李春杰.新能源分布式發(fā)電虛擬仿真實踐教學(xué)平臺建設(shè)[J].實驗技術(shù)與管理，2016，33（09）：111-114.