光-储微电网实训系统及其在新能源专业教学中的应用

摘 要：针对新能源科学与工程专业本科实践教学进行探索，在常规专业理论教学的基础上，基于光-储微电网（PV storage microgrid，PVSMG） 实训系统开展光伏发电课程的各类典型实验。通过本课程所涉及的实验，学生对光伏发电及微电网的概念及运行方式有了更深刻的理解，激发了学生的学习兴趣，提高了新能源专业课的教学效果。

关键词：PVSMG;实训系统;实践教学

由于资源与环境的双重危机，光伏发电作为技术较成熟的发电形式越来越受到世界各国的重视。根据《中国2050高比例可再生能源发展情景及路径研究》报告，未来伴随光伏发电技术突破和成本的降低，2050年将实现光伏发电装机27亿千瓦，光伏发电将与风力发电一起占我国全部发电量的64%，成为未来绿色电力系统的主要电力供应来源[1]。随着光伏发电的高速发展，社会对光伏发电人才的需求也日益提高[2]。为光伏产业培养理论与实践并重的工程技术人员已经成为高校人才培养工作的重中之重。目前光伏发电专业通过认识实习、生产实习与毕业实习等专业实践课程帮助学生在学习理论的同时加深对生产实践的认识，一定程度上弥补了高校传统培养方式的不足。但由于课程实践较短，出于实际安全考虑，核心岗位提供给学生的实践机会与操作环节较少，不能较好地达到社会对人才的要求。如何开发较为先进的教学方式与实训平台来填补目前光伏发电课程课外实践教学的不足，促进光伏发电专业人才培养的发展是本文将要讨论的问题。本课题以PVSMG实训系统为平台，对光伏发电的寻日实验、PVSMG蓄电池充电实验、光伏发电I-V特性实验、光伏发电系统用电器负载实验进行了介绍，通过实验，使学生在实验室就可以进行光伏发电的各种典型的实验，使光伏发电的全过程都展现在学生面前，即提高了学生对光伏发电课程的兴趣，又增加了学生实际操作的机会，使学生对光伏发电知识的理解更加深刻。

1 PVSMG实训系统

PVSMG实训系统如图1所示。主要从系统與软件两部分来进行简要介绍。

1）系统组成。太阳能发电测量与控制实训系统如图1（a）所示主要由寻日机构、寻日控制单元组成。寻日机构主要包含寻日传感器、光照度传感器、温度传感器、太阳能光伏板、双轴寻日执行电机（水平轴与垂直轴）、碘钨灯（太阳模拟）。4块光伏电池组件并联组成光伏电池方阵，光线传感器安装在光伏电池方阵中央。2盏1KW的投射灯安装在摆杆支架上，摆杆底端与减速箱输出端连接，减速箱输入端连接单相交流电动机。电动机旋转时，通过减速箱驱动摆杆作圆周摆动。摆杆底端与底座支架连接部分安装了接近开关和微动开关，用于摆杆位置的限位和保护。通过实训面板上的正转和反转按钮对摆杆电机转动控制。寻日控制单元主要包括系统供电的总空气开关、寻日控制器、碘钨灯开关以及调光器、急停按钮、开关电源、PLC以及继电器、PLC接插模块、寻日控制器以及寻日单元接插模块。能量转换单元主要是将光伏板发出的电通过相应的光伏控制进行转换，来进行不同的用途，这部分主要包括能量转换单元电压、电流、功率表与控制单元的使用方法一样，如图1（b）所示。

2）软件组成。PVSMG能量控制器的上位机软件有两种，触摸屏和LABVIEW。两种上位机通讯独立操作。PVSMG能量控制器采集光伏和蓄电池的电压、电流与上位机通讯，可利用两种上位机软件进行观测。

LABVIEW主要分为两个界面：数据显示和实验面板。数据显示面板主要用于直观的观察PVSMG能量控制器采集的各个数据。控制器通过通讯协议上传给电脑，LABVIEW将这些协议通过解析，直接显示在界面上。

数据显示面板通过光电传感器，光照度传感器和3路温度模块产生0-5V的变送信号送至PVSMG能量控制器的AD采样板中以及AD采样板自身采集太阳能和蓄电池的电压电流，并且以一帧字符串的形式发送给LABVIEW软件。LABVIEW软件再将这些字符串数据经行处理转化成数值显示在界面程序上。

实验面板用于控制PVSMG能量控制器的功能操作、曲线观察和数据采集。工作模式与触摸屏控制相同。可以通过调节功率电阻，点击“数据采集”按钮来采集不同电阻下的电压和电流，并且点击“曲线绘制”画出曲线图。绘制出曲线后可右击曲线图，选择“导出简化图像”将曲线图保存下来，便于参考。

2 光储微电网实训系统的实验设置

1）寻日系统实验。该实验要求学生了解寻日系统及寻日传感器的结构及原理，根据实验提供的相关信息，通过编写寻日程序，要求能够正确寻日，并且限位开关有效。通过该实验，可以加深学生对光伏发电寻日系统结构与原理的认识。

2）光伏发电蓄电池充电实验。该实验演示在PVSMG中负载较小，光伏发电较大时，通过蓄电池将光伏发电的多余的电能储存起来，以备在光伏发电较小时供负载使用，在实验过程中要求学生测量充电时的电压与电流，通过该实验使学生对光伏发电蓄电池充电实验有了更加感性的认识。

3）光伏发电的I-V特性曲线实验。光电池发出的电能直接接上直流负载，从低到高调节负载的大小，观察光伏板发出的电的电压、电流变化趋势，并且画出对应的I-V曲线。通过该实验让学生了解外界环境对光伏发电效率的影响以及光伏发电的负载特性。

4）光伏发电系统用电器负载实验。光伏发电在不经过逆变装置之前输出的是直流电，该实验通过DC/DC装置将光伏发电系统发出的电能转换为适当电压供手机、移动电源充电、紧急电源、收音机等直流电器使用。通过该实验使学生掌握移动设备能源供给方法以及如何利用太阳能给移动设备供电。

5）风光互补发电实训系统。在风-储微电网基础上，添加风机模型与原有的风光互补控制器结合，利用变频器条件轴流风机的转速，吹动400W小型风机模拟风能发电。利用风光互补能量转换单元与原有的PVSMG装置组成风光互补实训系统进行相应的风光互补实验的设计。

3 结束语

光伏发电是新能源领域要求理论与实践并重的专业方向，老师通过课堂对理论的讲解之后还需要相关的实验与实践课程来支持。在专业教学过程中，应该从激发学生的创造型与工程意识的角度对课程与实验进行设计，鼓励学生应用所学的理论解决遇到的问题，加深对光伏发电原理及其应用的理解。本文基于PVSMG实训系统教学平台针对寻日系统实验、光伏发电蓄电池充电实验、光伏发电的I-V特性曲线实验与光伏发电系统用电器负载实验四个实验进行了介绍。通过实验让学生在操作过程中对光伏发电的原理，光伏发电专业的就业岗位等有了更深刻的认识，加深了学生对理论知识的理解，增强了学生学习的兴趣，较好的完成了本课程的教学目标。

参考文献

[1]国家发改委能源研究所，能源基金会.中国2050高比例可再生能源发展情景及路径研究[R].北京：国家发改委，2015.

[2]付在国，朱群志，张莉等.新能源发电行业面向新能源科学与工程专业人才的需求分析[J].教育教学论坛，2018（40）：112-113.

作者简介

曹喜民（1985-），男，博士，讲师，主要从事新能源发电及并网后系统稳定性分析研究及相关教学。