光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)與實(shí)踐

焦岳超　瞿博陽(yáng)　張朋　肖俊明　武明義

摘? 要 針對(duì)新能源發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備不能滿足教學(xué)需求的問(wèn)題，構(gòu)建光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。首先，通過(guò)StarSim軟件搭建仿真電路模型;其次，通過(guò)設(shè)置太陽(yáng)輻照度、電池組件并聯(lián)組件數(shù)，改變光伏發(fā)電功率;最后，采用Boost升壓斬波電路，調(diào)節(jié)光伏陣列的端電壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤。

關(guān)鍵詞 光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng);虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái);StarSim

中圖分類號(hào)：TP391.9? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2020）04-0123-03

Construction and Practice of Virtual Simulation Experiment Pro-ject of Photovoltaic Power Generation Grid Connected System//JIAO Yuechao， QU Boyang， ZHANG Peng， XIAO Junming， WU Mingyi

Abstract Owing to the problem that the experimental teaching equip-ment of new energy generation and grid connected technology cannotmeet the teaching requirements， a virtual simulation experiment pro-ject of photovoltaic power generation grid connected system is con-structed. Firstly， the simulation circuit model is built by StarSim soft-ware. Secondly， the photovoltaic power is altered by setting the solar?irradiance and the number of parallel components of the battery com-ponents. Finally， the boost chopper circuit is used to adjust the termi-nal voltage of the photovoltaic array to achieve the maximum power point tracking of the photovoltaic array.

Key words photovoltaic power generation grid connected system; virtual simulation experiment platform; StarSim

1 前言

近年來(lái)，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展對(duì)光伏發(fā)電技術(shù)人才提出迫切需求。為滿足人次需求，支持中原區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，高校應(yīng)培養(yǎng)儲(chǔ)備工程實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才，滿足當(dāng)前新舊功能轉(zhuǎn)換和新工科發(fā)展的人才培養(yǎng)需要[1-2]。因此，中原工學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化系設(shè)置了新能源發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)課程，其主要內(nèi)容涉及光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)等[3]。由于光伏發(fā)電系統(tǒng)成本相對(duì)較高，電壓等級(jí)也存在高危險(xiǎn)性，影響了實(shí)踐教學(xué)的安全性。而采用純虛擬仿真雖然能方便地模擬光伏發(fā)電系統(tǒng)，但沒(méi)有實(shí)際的輸入與輸出接口，具有非常多的局限性。隨著計(jì)算機(jī)、電力系統(tǒng)建模等新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，通過(guò)采用實(shí)時(shí)虛擬仿真裝置，模擬實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行特性，不僅利用了軟件建模的靈活性，也具有替代實(shí)物系統(tǒng)的能力，進(jìn)而保障實(shí)驗(yàn)教學(xué)的高安全性、高度還原性和可重復(fù)性，有利于交叉學(xué)科驅(qū)動(dòng)發(fā)展[4]。

2 實(shí)驗(yàn)原理

光伏電池發(fā)電原理是基于半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)，當(dāng)能量大于硅禁帶寬度的光子入射到p-n結(jié)處，將會(huì)在結(jié)區(qū)及結(jié)附近的空間區(qū)域激發(fā)產(chǎn)生電子—空穴對(duì)。在p-n結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)作用下，光生電子和空穴被迅速分離，并在電池兩端出現(xiàn)異號(hào)電荷的積累，產(chǎn)生光生電壓，這就是光生伏特效應(yīng)。若在內(nèi)建電場(chǎng)的兩側(cè)引出電極并接上負(fù)載，則負(fù)載就有光生電流流過(guò)，從而獲得功率輸出。這樣，太陽(yáng)的光能就直接變成可以付諸實(shí)用的電能。太陽(yáng)能電池的伏安特性是非線性的，受到外界光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度等多種因素的影響。

光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)是將光伏陣列產(chǎn)生的直流電經(jīng)過(guò)逆變產(chǎn)生交流電，并經(jīng)升壓變壓器最終實(shí)現(xiàn)和大電網(wǎng)的連接。其并網(wǎng)系統(tǒng)主要由光伏陣列、逆變器、公共電網(wǎng)等組成。本虛擬實(shí)驗(yàn)的光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)由光伏陣列、Boost直流變換、逆變器、濾波、電網(wǎng)等部分組成。

太陽(yáng)電池在工作時(shí)，隨著日照強(qiáng)度、環(huán)境溫度的不同，輸出功率也會(huì)產(chǎn)生很大的變化。為使負(fù)載獲得最大功率，讓光伏電池運(yùn)行在最佳狀態(tài)，需要恰當(dāng)?shù)卣{(diào)整電池的端電壓。該系統(tǒng)使用Boost斬波電路來(lái)實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)功率跟蹤控制，通過(guò)驅(qū)動(dòng)Boost電路開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與斷開(kāi)，調(diào)整占空比來(lái)控制輸出電壓。根據(jù)光伏電池的輸出特性，利用控制策略保證光伏電池工作在最大功率輸出狀態(tài)，就能最大限度地利用太陽(yáng)能。

MTTP常采用的算法是擾動(dòng)觀察法，基本原理是實(shí)時(shí)地采樣光伏電池的輸出電壓和電流，計(jì)算出輸出功率Pn，每隔一個(gè)固定的間隔時(shí)間與上一功率Pn-1相比，根據(jù)功率變化量的正負(fù)決定擾動(dòng)方向：當(dāng)ΔP>0時(shí)，繼續(xù)按原來(lái)的方向調(diào)整;當(dāng)ΔP<0時(shí)，則按相反的方向調(diào)整。這樣就保證了光伏電池的輸出功率向增加的方向變化，如此反復(fù)地?cái)_動(dòng)、測(cè)量與比較，直到實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。

3 實(shí)時(shí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的架構(gòu)

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是基于FPGA的實(shí)時(shí)仿真技術(shù)和通用可靠的NI硬件開(kāi)發(fā)的一種虛擬仿真實(shí)驗(yàn)裝置組建而成。系統(tǒng)組成如圖1、圖2所示，可用來(lái)完成電氣相關(guān)專業(yè)的本科生、研究生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研活動(dòng);擁有具有開(kāi)發(fā)和服務(wù)功能的虛擬仿真軟件，如StarSim、StarSim HIL、StarSim RCP、LabVIEW、MATLAB等。

光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)仿真拓?fù)淙鐖D3所示。光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真電路從左到右依次是光伏電池模型、濾波電容器、電壓表、Boost斬波升壓電路、直流側(cè)電壓表、逆變器、三相濾波電感、三相電壓電流表、負(fù)載模型、傳輸線模型以及等效主電網(wǎng)模型。

本虛擬實(shí)驗(yàn)仿真所用到的光伏電池板為20個(gè)并聯(lián)的光伏電池組，每個(gè)電池組又包含35個(gè)串聯(lián)的電池，單個(gè)光伏電池的輸出電壓的初始值設(shè)為15 V;外部等效系統(tǒng)電壓為380 V，頻率為50 Hz;濾波電容C設(shè)定為0.001 F。對(duì)照光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的拓?fù)鋱D，該實(shí)驗(yàn)初始參數(shù)設(shè)置為：直流側(cè)濾波電容為0.001 F，初始電壓為450 V;L=0.005 H;C=0.001 5 F，初始電壓為100 V;三相濾波電路R=0.01 Ω，L=0.002 2 H;負(fù)載R=7.5 Ω，L=0.002 H;變壓器低壓側(cè)為D1接線，線電壓有效值為380 V;變壓器高壓側(cè)為Y接線，線電壓有效值為10 000 V;電網(wǎng)電壓為10 kV，頻率為50 Hz。

在光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，首先采用多媒體講授太陽(yáng)電池發(fā)電原理、光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)組成、最大功率跟蹤技術(shù)等;然后講解本虛擬仿真系統(tǒng)組成及軟件使用注意事項(xiàng)、實(shí)驗(yàn)操作流程、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng);其次，通過(guò)StarSim軟件搭建仿真電路模型，打開(kāi)StarSim HIL的Running Models頁(yè)面，設(shè)置輻照強(qiáng)度為800（W/m2），電池組工作溫度為25 ℃;再次，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，開(kāi)始系統(tǒng)電路仿真的運(yùn)行;最后，依次改變輻照度大小，觀察功率曲線變化趨勢(shì)，同時(shí)加入MPPT跟蹤，觀察最大功率點(diǎn)變化情況和功率曲線變化趨勢(shì)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生能在StarSim Editor軟件上自主設(shè)計(jì)并搭建光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真運(yùn)行，直觀體會(huì)StarSim軟件在電力電子虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中的優(yōu)勢(shì)，熟悉基于FPGA的實(shí)時(shí)仿真技術(shù)和通用可靠的NI硬件開(kāi)發(fā)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，完成電氣相關(guān)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)。

4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目特色

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)的必要性及先進(jìn)性? 光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是針對(duì)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的新能源發(fā)電并網(wǎng)真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中工程實(shí)驗(yàn)費(fèi)用高、實(shí)驗(yàn)環(huán)境電壓等級(jí)高、電力電子器件功率大，存在安全隱患等，研發(fā)的虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)。其特色是將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)與原有實(shí)物實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，創(chuàng)建“以實(shí)為本、虛實(shí)結(jié)合”的滿足專業(yè)實(shí)驗(yàn)、專業(yè)實(shí)訓(xùn)等要求的綜合實(shí)踐教學(xué)體系，形成以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)拓展真實(shí)實(shí)物實(shí)驗(yàn)的綠色實(shí)踐教學(xué)。

實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)思路? 光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的總體目標(biāo)是改革傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，能讓教師通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程進(jìn)行管理、輔導(dǎo)和監(jiān)控;讓學(xué)生在線自主接受教師的輔導(dǎo)，完成實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分別設(shè)立教師模塊和學(xué)生模塊：學(xué)生模塊具有功能完善的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，供學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)仿真、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析等內(nèi)容;教師根據(jù)教學(xué)要求對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)置和更新，對(duì)學(xué)生信息進(jìn)行設(shè)置與查詢，能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)批改學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告及反饋成績(jī)，能對(duì)學(xué)生留言進(jìn)行管理。

教學(xué)方法? 通過(guò)多媒體課件、電腦上機(jī)操作、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)講解等手段，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行虛擬操作。通過(guò)儀器介紹、虛擬操作、實(shí)踐考核等方式，讓學(xué)生在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊內(nèi)容。

評(píng)價(jià)體系? 光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)置在線交流模塊，其內(nèi)容包括提問(wèn)管理、在線交流和自由社區(qū)。通過(guò)提問(wèn)管理，教師可以回復(fù)學(xué)生的提問(wèn)。在線交流和自由社區(qū)可以實(shí)現(xiàn)校外用戶和學(xué)生對(duì)光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)。同時(shí)逐步建立及完善虛擬方案實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量保證體系，在完善新形勢(shì)下實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的前提下，逐步完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)制度，增強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。

傳統(tǒng)教學(xué)的延伸與拓展? 電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)是一門理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的學(xué)科，在構(gòu)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系后，借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生可以接觸到實(shí)際的控制設(shè)備，學(xué)習(xí)信號(hào)采集、PWM脈沖發(fā)生等實(shí)際的硬件知識(shí)，通過(guò)動(dòng)手配置、連線、調(diào)試，利用示波器觀察控制側(cè)或仿真?zhèn)日鎸?shí)的信號(hào)等。

面向社會(huì)的推廣與持續(xù)服務(wù)計(jì)劃? 隨著光伏發(fā)電成本的降低和并網(wǎng)技術(shù)的成熟，光伏發(fā)電正在走入普通老百姓家庭。首先，將本項(xiàng)目作為踐行綠色環(huán)保、低碳生活的典型實(shí)踐方案面向社會(huì)宣傳，了解低碳節(jié)能的重要性，培養(yǎng)節(jié)約能源的習(xí)慣，增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感;其次，加強(qiáng)與企業(yè)合作，作為光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)繼續(xù)教育的有效培訓(xùn)手段，提升新能源發(fā)電技術(shù)知識(shí)儲(chǔ)備，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)構(gòu)建實(shí)時(shí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)模擬實(shí)訓(xùn)。使用該實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的操作能力、分析調(diào)試能力、設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新意識(shí)，以達(dá)到更好地培養(yǎng)學(xué)生的目的。同時(shí)，該平臺(tái)支持設(shè)計(jì)型、研究型創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展，適應(yīng)創(chuàng)新型人才和卓越工程師的培養(yǎng)需要，培養(yǎng)具有豐富實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新精神的高級(jí)復(fù)合型工程技術(shù)人才。

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項(xiàng)目來(lái)源：中原工學(xué)院2019年度校級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目;河南省教育廳2019年度大中專院校就業(yè)創(chuàng)業(yè)課題“‘人工智能+新工科教育視角下的高等院校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)模式和實(shí)踐研究”（課題編號(hào)：JYB2019020）;河南省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2019年度一般課題“‘人工智能+新工科教育視角下測(cè)控技術(shù)及儀器專業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教學(xué)模式和實(shí)踐研究”（基金號(hào)：〔2019-JKGHYB-0099〕）;2019年河南省高等學(xué)校青年骨干教師培養(yǎng)計(jì)劃“基于云計(jì)算城市道路路況預(yù)警與自動(dòng)處置系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”（項(xiàng)目編號(hào)：2019GGJS148）。

作者：焦岳超，中原工學(xué)院電子信息學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化系，副教授，研究方向?yàn)楣夥l(fā)電及其并網(wǎng)技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí);瞿博陽(yáng)、張朋、肖俊明、武明義，中原工學(xué)院電子信息學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化系和測(cè)控技術(shù)及儀器系（450007）。