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(duì)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(shí)驗(yàn)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(tái)套數(shù)量也無(wú)法滿足學(xué)生人數(shù)及教學(xué)課時(shí)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(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，通過太陽(yáng)能輻照度計(jì)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(jì)，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(shí)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(shí)驗(yàn)教學(xué)

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

一、引言

在能源危機(jī)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(zhǎng)，其中，光伏發(fā)電是未來(lái)能源領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。河北省作為中國(guó)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(xiàng)目建設(shè)指導(dǎo)意見》，三年內(nèi)光伏電站將累計(jì)新增360萬(wàn)千瓦，到2020年全省光伏發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到1500萬(wàn)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(duì)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(jí)高而存在高危險(xiǎn)性，實(shí)驗(yàn)設(shè)備儀器的臺(tái)套數(shù)限制也難以滿足學(xué)生人數(shù)及教學(xué)課時(shí)的需求。

為適應(yīng)社會(huì)對(duì)光伏技術(shù)人才的需求，河北大學(xué)建立了國(guó)家級(jí)“光伏技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)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(yáng)電池制備、光伏發(fā)電和專業(yè)基礎(chǔ)四個(gè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源平臺(tái)。其中，光伏發(fā)電虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)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(jī)性和不確定性等影響因素，模擬工程實(shí)際運(yùn)行的工況，為相關(guān)專業(yè)的理論教學(xué)和實(shí)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(shì)下，通過虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，保障了實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)條件不足的問題[1]。

二、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(diǎn)跟蹤）、逆變器及控制器、電網(wǎng)等組成。光伏電池是能量來(lái)源，當(dāng)硅材料P-N結(jié)上受到太陽(yáng)光照射而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，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(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)采用模塊化的設(shè)計(jì)理念，通過太陽(yáng)能輻照度計(jì)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(gè)組成模塊可以獨(dú)立開設(shè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，也可以連接成集太陽(yáng)能電池陣列、發(fā)電控制、逆變?cè)O(shè)施、電力系統(tǒng)狀態(tài)分析和故障保護(hù)等功能為整體實(shí)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(shí)需求等多方位的需求。

（一）太陽(yáng)能輻照度計(jì)算

我國(guó)太陽(yáng)能資源豐富，但地形復(fù)雜，太陽(yáng)能輻照量的計(jì)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?xì)庀笳据椪樟啃拚ㄓ?jì)算太陽(yáng)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(jì)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。可以針對(duì)不同溫度及不同日照強(qiáng)度，對(duì)光伏陣列的輸出特性進(jìn)行仿真，將工業(yè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)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(diǎn)跟蹤算法（MPPT）能夠使光伏電池工作在最大功率點(diǎn)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(dòng)觀測(cè)法、電導(dǎo)增量法以及其他智能算法，可以進(jìn)行算法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)及效果驗(yàn)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(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，分別對(duì)日負(fù)荷和年負(fù)荷實(shí)發(fā)功率進(jìn)行模擬，反映全年天氣狀態(tài)下太陽(yáng)輻照度波動(dòng)對(duì)輸出功率的影響。

三、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在人才培養(yǎng)中的作用

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠反映光伏發(fā)電實(shí)際運(yùn)行特性，可滿足本科生相關(guān)專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)、綜合性課程設(shè)計(jì)等實(shí)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(shí)際的平臺(tái)，具體分為以下三個(gè)層次：

1.為電氣工程及其自動(dòng)化、自動(dòng)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(hù)》等課程的設(shè)計(jì)型、綜合型實(shí)驗(yàn)，彌補(bǔ)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(jì)、綜合實(shí)訓(xùn)，可提供相關(guān)課程設(shè)計(jì)題目，例如：基于天文氣象信息的光伏功率預(yù)測(cè)計(jì)算、基于用戶需求的光伏陣列容量設(shè)計(jì)、最大功率點(diǎn)跟蹤控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)、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(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)具有開放性，可以進(jìn)一步進(jìn)行開發(fā)，能滿足畢業(yè)設(shè)計(jì)和科技創(chuàng)新活動(dòng)和其他自選課題的需求。

3.可以面向企業(yè)，開展科研項(xiàng)目合作提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；針對(duì)操作運(yùn)行人員監(jiān)控各設(shè)備運(yùn)行情況、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、運(yùn)行曲線；模擬就地交互操作、現(xiàn)場(chǎng)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(hù)裝置等，進(jìn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，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(shí)踐訓(xùn)練提供了不同層次需求的豐富教學(xué)資源。增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)光伏發(fā)電過程的整體認(rèn)識(shí)，同時(shí)提供進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化控制算法開發(fā)設(shè)計(jì)的驗(yàn)證平臺(tái)。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(shí)驗(yàn)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(shí)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(xiàn)：

[1]杜彥敏.基于虛擬仿真技術(shù)的實(shí)驗(yàn)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(yáng)能光伏板角度控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)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(shí)踐教學(xué)平臺(tái)建設(shè)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2016，33（09）：111-114.