光伏發電虛擬仿真實驗教學平臺

姜萍 張欣 田華 孫榮霞

摘要：新能源產業的迅猛發展對光伏發電技術人才提出了迫切需求，然而光伏發電系統的實驗設備成本高、裝置多為封閉型難以分析內部復雜原理，儀器臺套數量也無法滿足學生人數及教學課時的需求。因此，采用虛擬仿真技術開發了光伏發電系統實驗教學平臺，通過太陽能輻照度計算、光伏陣列數學模型、升壓斬波電路及MPPT控制、逆變器等模塊的設計，模擬了光伏發電的工藝流程和工作原理，為相關專業的理論教學和實踐訓練提供了不同層次需求的豐富教學資源。

關鍵詞：虛擬仿真；光伏發電系統；實驗教學

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

一、引言

在能源危機和環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，光伏發電是未來能源領域的重要發展方向。河北省作為中國光伏產業第二大省，擁有光伏行業的多家高新技術企業。在2018年初，河北省發展改革委發布《關于2018-2020年風電、光伏發電項目建設指導意見》，三年內光伏電站將累計新增360萬千瓦，到2020年全省光伏發電裝機容量達到1500萬千瓦，河北省光伏發電的空間潛力十分巨大。

新能源產業的迅猛發展對光伏發電技術人才提出了迫切需要，很多高等院校的相關專業都十分重視光伏技術人才的培養，然而光伏發電相關設備成本高、裝置多為封閉型，難以分析內部器件復雜原理，電壓等級高而存在高危險性，實驗設備儀器的臺套數限制也難以滿足學生人數及教學課時的需求。

為適應社會對光伏技術人才的需求，河北大學建立了國家級“光伏技術虛擬仿真實驗教學中心”，圍繞光伏技術的全產業鏈，建設光伏材料、太陽電池制備、光伏發電和專業基礎四個虛擬仿真實驗資源平臺。其中，光伏發電虛擬仿真實驗教學平臺能夠反映大容量光伏發電系統的生產流程和工作原理，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，為相關專業的理論教學和實踐訓練提供了不同層次需求的豐富教學資源。在高等教育現代化和信息化的新形勢下，通過虛擬仿真技術的應用，保障了實驗教學的高安全性、高度還原性、可重復性和高創新性，有利于發展多學科的交叉融合，也有效解決了實驗教學條件不足的問題[1]。

二、虛擬仿真實驗平臺的架構

光伏發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、電網等組成。光伏電池是能量來源，當硅材料P-N結上受到太陽光照射而產生電動勢，串并聯后形成能夠輸出較大功率的光伏陣列。逆變器是光伏發電的核心設備，通過控制策略和調制方案，形成與電網電壓同頻同相的并網電流。

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

各個組成模塊可以獨立開設相關實驗，也可以連接成集太陽能電池陣列、發電控制、逆變設施、電力系統狀態分析和故障保護等功能為整體實現聯調，滿足不同專業學生、不同學生層次、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，但地形復雜，太陽能輻照量的計算，需要綜合考慮地理位置、天文環境、季節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，計算等效電路模型參數，通過光伏電池的數學模型建立大容量光伏陣列的數學模型。可以針對不同溫度及不同日照強度，對光伏陣列的輸出特性進行仿真，將工業實測數據與仿真結果進行對比，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為可以調節的直流電。光伏發電系統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換效率。當前常用的有固定電壓法、擾動觀測法、電導增量法以及其他智能算法，可以進行算法設計實驗及效果驗證。

（四）逆變器模塊

根據需求可以分別建立離網型或并網型逆變器、傳輸線路和變壓器等部分的數學模型，構建光伏發電系統仿真模型，進行仿真實驗，分別對日負荷和年負荷實發功率進行模擬，反映全年天氣狀態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中的作用

虛擬仿真實驗平臺能夠反映光伏發電實際運行特性，可滿足本科生相關專業課程實驗、綜合性課程設計等實踐環節[4]，也為學生開展科技創新和面向企業人員培訓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、自動化等相關專業，提供《MATLAB系統仿真》《電力電子技術》《電力系統分析》《電力系統繼電保護》等課程的設計型、綜合型實驗，彌補現有實驗項目缺乏工程應用背景的不足。

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

虛擬仿真實驗教學平臺具有開放性，可以進一步進行開發，能滿足畢業設計和科技創新活動和其他自選課題的需求。

3.可以面向企業，開展科研項目合作提供實驗平臺；針對操作運行人員監控各設備運行情況、統計報表、運行曲線；模擬就地交互操作、現場設備巡檢功能；故障消除訓練，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，可以用于光伏發電技術人員的崗前培訓、技能考核等。

四、結論

采用虛擬仿真技術開發了光伏發電系統實驗教學平臺，通過模擬光伏發電的工藝流程和工作原理，為相關專業的理論教學和實踐訓練提供了不同層次需求的豐富教學資源。增強了學生對光伏發電過程的整體認識，同時提供進行系統的設計、優化控制算法開發設計的驗證平臺。虛擬仿真技術具有的安全性、可重復性和開放性，不僅有效解決了實驗教學條件不足的問題，也有利于培養具有創新精神和實踐能力的高素質應用型、復合型的工程技術人才。

參考文獻：

[1]杜彥敏.基于虛擬仿真技術的實驗教學中心建設研究[J].教育教學論壇，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系統設計[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電系統的仿真[J].廣東電力，2016，29（02）：25-29，58.

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