虛實結合的光伏電池最大功率跟蹤控制實驗

羅萍 熊飛 呂霞付 申國勇

[摘 要] 針對光伏電池最大功率跟蹤控制實驗特點，為啟發(fā)學生積極探索，以虛擬仿真實驗對現(xiàn)有實驗設備進行有效的補充，將理論分析與實際編程控制及調試完善很好結合，改革實驗教學模式和考評辦法，強化學生創(chuàng)新能力和綜合能力培養(yǎng)。

[關鍵詞] 光伏電池;最大功率跟蹤;教學模式;虛實結合

[基金項目] 2018年度教育部產學合作協(xié)同育人項目“多學科交叉融合的風光互補發(fā)電系統(tǒng)實驗實訓教學改革與實踐”（201801071016）;2018年度重慶郵電大學重點教改項目“新工科背景下能源互聯(lián)網實驗室立體化實驗項目開發(fā)及教學研究”（XJG18107）;2019年度教育部產學合作協(xié)同育人項目“虛實結合智能電網信息工程專業(yè)實驗改革與實踐”（201901039065）

[作者簡介] 羅 萍（1971—），女（布依族），貴州人，碩士，重慶郵電大學副教授，主要從事新能源技術研究。

[中圖分類號] G642? ?[文獻標識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）02-0033-04? ? [收稿日期] 2020-04-28

一、引言

隨著教育信息化的發(fā)展，《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》要求高等教育與信息技術進行深度融合，對人才培養(yǎng)模式進行創(chuàng)新[1]，國內越來越多的高校開始建立專業(yè)的虛擬仿真實驗室[2]。教育部《關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》，鼓勵依托現(xiàn)代信息技術，以相關專業(yè)類急需的實驗教學信息化內容為指向，以完整的實驗教學項目為基礎，開展虛擬仿真實驗教學項目的建設和申報，提高學生實踐能力和創(chuàng)新精神[3]。隨著世界能源危機以及生態(tài)環(huán)境的惡化，風能、太陽能等可再生能源被重視，光伏產業(yè)得到了快速發(fā)展，對產業(yè)人才也有大量的需求[4]。人才培養(yǎng)過程中，實驗教學是教學活動中的重要環(huán)節(jié)，對于培養(yǎng)大學生的實踐動手能力、開拓創(chuàng)新能力和提升大學生綜合素質等方面起著舉足輕重的作用[5]。因此，針對目前新能源實驗中存在深入度不夠，控制方法受設備限制無法開展創(chuàng)新設計，實驗受環(huán)境條件限制等問題，結合學校已有實驗教學設備，開展虛實結合的光伏電池最大功率跟蹤控制實驗的教學內容和模式改革。

二、光伏電池最大功率跟蹤控制實驗面臨的問題

新能源發(fā)電與并網技術是智能電網信息工程專業(yè)、電氣專業(yè)一門重要的專業(yè)課程。光伏發(fā)電系統(tǒng)是一種直接將清潔可再生的太陽能經光生伏特效應轉換為電能的裝置，光伏電池由于其特性轉換效率低，在運行中需要進行最大功率跟蹤控制。最大功率跟蹤（Maximum power point tracking （MPPT）是指不斷地跟蹤最大功率點的過程，使得光伏方陣能以最大的功率輸出，可以提高系統(tǒng)的輸出，最大限度進行光電轉換[6]。目前學校開展光伏電池最大功率跟蹤控制實驗面臨的問題，主要有幾個方面：（1）由于光伏發(fā)電系統(tǒng)內部工作機理復雜，學生無法真實感受和理解;（2）實驗設備儀器成本較高，占地面積較大，實驗設備儀器的臺套數(shù)有限，影響學生對實驗的更深入的開展;（3）受設備限制，光伏電池最大功率跟蹤控制控制方法無法開展創(chuàng)新設計;（4）由于光伏電池輸出功率受到光照、溫度等多種因素的影響，實驗設備不能模擬所有的環(huán)境和條件。由于上述原因制約了學生對相關理論知識點的理解以及利用相關知識解決實際光伏發(fā)電問題的能力，基于此，利用現(xiàn)代信息技術和相關仿真軟件，拓展實驗內容，拓展教學方式。

三、虛實結合的光伏電池最大功率跟蹤控制實驗

（一）目前實驗條件分析

（1）并網及離網光伏發(fā)電系統(tǒng)一套，本套實驗裝置可開設光伏電池板認識實驗，光伏發(fā)電系統(tǒng)認知實驗，該裝置優(yōu)點是結合工程實際建設，可讓學生認識光伏發(fā)電系統(tǒng)工程的組成、設備、基本控制原理與操作等，缺點是無法深入進行控制系統(tǒng)的設計，只能進行基本參數(shù)的設置。（2）風光互補發(fā)電實驗系統(tǒng)五套，由于是實驗臺，因此相關控制板安裝于面板上，便于學生了解控制系統(tǒng)的硬件組成，和進行一些控制回路的程序設計，但由于設備已經固定，無法進行發(fā)電系統(tǒng)的靈活設計，無法模擬環(huán)境的各種變化情況下的設備運行情況。（3）PSCAD/EMTDC電力系統(tǒng)仿真軟件，依托該軟件可以靈活組建光伏發(fā)電系統(tǒng)，設計控制方法等，但缺乏實際系統(tǒng)的認知與調試過程中解決問題的能力提升。

（二）知識點梳理

光伏電池最大功率跟蹤控制實驗可開展的實驗項目性質包括：驗證性實驗、綜合性實驗和設計性實驗，涉及的課程知識點包括以下五個部分。

1.新能源發(fā)電與并網技術，相關知識點為太陽能發(fā)電技術的結構構成與作用，光伏電池板特性，太陽能光伏發(fā)電的功率模型，太陽能發(fā)電控制技術等。

2.電力電子技術，包括直流—直流（DC—DC）變換電路，直流—交流（DC—AC）逆變電路，脈寬調制控制技術（PWM），儲能系統(tǒng)中的雙向DC—DC變換等。

3.單片機控制技術，包括單片機控制系統(tǒng)的硬件設計，單片機控制系統(tǒng)軟件設計等。

4.傳感器與自動檢測技術，包括電壓電流霍爾式傳感器、光照傳感器、溫度傳感器，檢測與調理電路設計等。

5.電力系統(tǒng)仿真，包括PSCAD/EMTDC軟件認識，PROTUES軟件認識，光伏發(fā)電系統(tǒng)建模與仿真，PROTUES電壓電流檢測及仿真等。

通過實驗培養(yǎng)學生能夠基于電子電路、計算機、信號檢測等科學原理，采用數(shù)學建模、系統(tǒng)仿真、分析設計等科學方法，對新能源領域的工程問題進行研究，能夠采用計算機仿真、實物或半實物仿真等方法設計實驗方案，搭建實驗系統(tǒng)，進行實驗，包括設計實驗、分析與解釋實驗數(shù)據(jù)并得到合理有效的結論。

（三）虛擬仿真實驗教學項目

虛擬實驗，是指按照實驗教學的目標要求，建立虛擬的工程實驗環(huán)境，運用各種虛擬儀器和設備，對建立起來的實驗模型進行實時仿真，構成新型的實驗教學的方法[7]。虛擬仿真實驗教學項目包括三個部分：光伏電池組件的建模和特性仿真、光伏電池最大功率跟蹤控制仿真、電壓電流檢測硬件電路及軟件AD變換仿真。

1.光伏電池組件的建模和特性仿真。本部分實驗側重于電池組件的特性與數(shù)學模型的建立，并基于仿真軟件搭建光伏電池組件的測試電路，并改變環(huán)境溫度和光照功率，測量電路電壓和電流，并將其輸出用曲線進行顯示。

2.基于PSCAD/EMTDC的光伏發(fā)電最大功率跟蹤控制。通過對光伏電池組件進行建模和特性仿真，了解光伏電池組件的結構與特性，了解在光伏發(fā)電系統(tǒng)中面臨的問題，思考并設計跟蹤控制方法。通過PSCAD/EMTDC仿真軟件對光伏發(fā)電系統(tǒng)進行建模，對輸出電壓、電流進行檢測和顯示，設置MPPT參數(shù)，對發(fā)電系統(tǒng)輸出功率進行測量和顯示，分析和比較光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤控制輸出功率與參數(shù)之間的關系。

3.電壓電流檢測調理電路設計及軟件AD變換仿真。在進行實際設備的MPPT控制設計與調試前，基于仿真軟件可以彌補設備臺套數(shù)不夠情況下的實驗教學效果，仿真時可以采用8051或STM32進行AD轉換，并進行程序的編寫與調試。調理電路學生可以自行設計，針對不同的電路修改AD轉換程序，并將結果顯示出來，并進行調試修改和完善。

（四）擴展和充實學生實驗

虛擬仿真實驗通過計算機模擬真實實驗所獲得的已知規(guī)律，存在理想化和缺乏真實實驗環(huán)境等不足的情況，而實際實驗設備儀器的臺套數(shù)有限，學生實驗的深入程度不夠，針對目前光伏發(fā)電實驗系統(tǒng)面臨的問題，利用已有實驗條件，結合實驗室PSCAD和風光互補發(fā)電實驗裝置，擴展和充實學生實驗，開發(fā)虛實結合的光伏電池最大功率跟蹤控制實驗。虛實結合的光伏電池最大功率跟蹤控制實驗如圖1所示，通過虛擬仿真實驗加強學生理解光伏電池特性及影響因素，認識光伏發(fā)電系統(tǒng)組成，進行仿真，研究不同工作環(huán)境包括溫度、照度等對光伏電池板輸出特性的影響，仿真后，學生在實際光伏發(fā)電系統(tǒng)進行實驗，對最大功率跟蹤控制方法進行硬件組成認識，繪制圖紙，編寫控制程序，并在實驗臺進行調試。

虛實結合的光伏電池最大功率跟蹤控制實驗包括如下模塊。

1.光伏電池板仿真與測試實驗。在對光伏電池板建模仿真的基礎上，利用現(xiàn)有實驗裝置，改變通過調光模塊調節(jié)光照功率，測試記錄并繪制光伏電池板的特性，與仿真結果進行比較，并分析實驗結果。

2.DC-DC變換控制實驗。本部分為電力電子變換模塊，結合仿真模型調試，搭建不同的拓撲電路結構，改變PWM測試DC-DC變換電路的輸出，并在風光互補發(fā)電實驗裝置上開展從電力電子器件到BOOST電路，再到控制電路、保護電路的認識，并測試和記錄和分析輸入輸出與控制電路PWM之間的關系。

3.傳感器檢測實驗。在PROTUES中進行仿真時，由于受到元件庫的影響，霍爾元件只能采用已有的器件型號，但其原理是相通的，在AD變換時，程序也基本相同，只需根據(jù)實際電路修改變換參數(shù)即可。根據(jù)虛擬仿真結構，結構實際的檢測模塊，進行電壓電流的測試，了解信號電壓的偏移放大如何利用電路實現(xiàn)，測試過程中影響檢測精度的因數(shù)。

4.最大功率跟蹤控制與調試實驗。本模塊實驗是前面各模塊的綜合，控制核心是檢測BOOST電路輸入、輸出端的電壓電流，采用恒定電壓法、擾動電壓法等方法，通過改變PWM占空比實現(xiàn)電路等效阻抗的改變，從而調節(jié)輸出電壓電流，使光伏電池工作在最大功率輸出狀態(tài)。實驗中要求學生測試光伏電池板特性，繪制曲線，找出電池板最大功率點，然后編寫程序進行自動控制，最后調試完善，觀察記錄最終系統(tǒng)穩(wěn)定運行時最大功率與測量出的最大功率點是否一致，并與仿真結果比較，如圖2所示并完善程序。

四、教學方法與考評方法改革

虛實結合的實驗實訓教學中，對實驗內容的組織和實驗過程的設計尤其重要，同時課程教學模式與完善的考評方法對學生的學習積極性有著極大的促進作用。明確虛實結合的光伏電池最大功率跟蹤控制實驗項目、教學方法、考評方法及能力培養(yǎng)相互關系，提高學生創(chuàng)新思維與工程能力。

（一）教學內容、實驗模式層層遞進

從電池板模型到電池板特性，從電池板特性到電力電子變換，從參數(shù)測量到最大功率跟蹤控制，實驗模式也從虛擬仿真—現(xiàn)場實操—虛實結合之間根據(jù)教學內容而變。

（二）豐富教學方法

針對實驗項目內容與性質、虛擬仿真與現(xiàn)場實操，針對性開展翻轉式教學，包括課前、課中和課后環(huán)節(jié)。課前，發(fā)布任務，提供教學視頻，學生可以借助網絡、圖書館等資源開展預習，并利用仿真軟件完成部分實驗;課中，針對實驗利用學習通等發(fā)布部分隨堂練習，了解學生學習情況，并依托實驗平臺，進行多媒體講解，現(xiàn)場演示，實驗要求，分組設計與實驗，程序編寫，現(xiàn)場調試，問題分析，完善設計，解決問題;課后，虛實結果的對比分析總結，并按要求完成實驗報告。教學中強化課程思政與教學內容的結合，明確能源與環(huán)境，設備與安全規(guī)程，鼓勵團隊合作，創(chuàng)新思維設計等。由于采用虛實結合的實驗教學，因此學生分組更細，實驗更深入，虛擬仿真實驗每組1人開展實驗，現(xiàn)場發(fā)電裝置最大功率跟蹤控制實驗時，分組實驗，每組4—6人。現(xiàn)場分組人數(shù)雖然較多，但由于虛擬仿真實驗的補充，強化了學生對實驗中相關專業(yè)知識點的理解，部分實驗內容可以在虛擬仿真實驗中進行，并在現(xiàn)場實驗平臺上進行驗證，因此虛實結合的光伏電池板最大功率跟蹤實驗保證了在有限的課時和較好的教學效果。

（三）完善考評方法

考評環(huán)節(jié)綜合考慮各環(huán)節(jié)的實驗情況，實驗成績包括平時成績和報告成績，平時成績則包括方案設計、仿真及調試結果，相互協(xié)作，現(xiàn)場表現(xiàn)及學習通隨堂練習等，針對學生的設計、動手、仿真、調試等各個環(huán)節(jié)分別進行打分。例如光伏電池板特性仿真實驗按每個人單獨進行評價，現(xiàn)場發(fā)電裝置最大功率跟蹤控制實驗按組考核學生，確保每位學生認真參與實驗實訓的各個環(huán)節(jié)，同時考評中鼓勵學生創(chuàng)新思維，綜合多項評分完成學生的考評。目前，虛實結合光伏電池板最大功率跟蹤控制實驗已經開展，可面向智能電網信息工程、電氣工程等專業(yè)開展相關實驗，在重慶郵電大學該實驗是獨立實驗，以智能電網信息工程專業(yè)實驗、智能電網信息工程綜合實驗的形式開展，可以設置為綜合實驗中的一個新能源模塊，也可以在專業(yè)實驗和綜合實驗中分階段開展，并取得較好的教學效果。

五、結論

通過結合PSCAD/EMTDC和PROTUES等仿真軟件，并與學校現(xiàn)有風光互補發(fā)電實驗裝置結合，開展虛實結合的光伏電池板最大功率跟蹤控制實驗內容的設計和實驗過程的組織，改革考評方法，合理實現(xiàn)虛擬仿真與傳統(tǒng)實驗的優(yōu)勢互補，將虛擬實驗與現(xiàn)有設備相結合，通過分階段、相融合的方法，啟發(fā)學生積極探索，培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維，強化了學生綜合能力和工程能力的培養(yǎng)。

參考文獻

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On Maximum Power Point Tracking Control Experiments of Photovoltaic Cell Based on the Combination of Virtual and Real Experiments

LUO Ping， XIONG Fei， Lu Xia-fu， SHEN Guo-yong

（School of Automation / School of Industrial Internet， Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 400065，China）

Abstract：According to the characteristics of the maximum power point tracking control experiment of photovoltaic cell， and in order to inspire students to explore actively， the virtual simulation experiment is used to effectively supplement the existing experimental equipment. It shows the theoretical analysis is well combined with the actual programming control and debugging， the experimental teaching model and evaluation method are reformed， and the innovation ability and comprehensive ability of students are strengthened.

Key words：photovoltaic cell; maximum power point tracking（MPPT）; teaching model; combination of virtual and real experiments