“新能源發(fā)電技術(shù)”課程項目驅(qū)動式教學(xué)研究

周小杰

（安徽科技學(xué)院 電氣與電子工程學(xué)院，安徽 蚌埠 233100）

0 引言

電氣工程及其自動化專業(yè)的“新能源發(fā)電技術(shù)”是一門與現(xiàn)場工程聯(lián)系緊密、專業(yè)綜合性強的課程[1-3].該課程涉及光伏發(fā)電技術(shù)、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)、生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)、水力發(fā)電技術(shù)、核能發(fā)電技術(shù)等，初級能源變換方式較多，知識面較廣[4-5].如果授課教師仍采用傳統(tǒng)課堂講授的方式以教師為中心，因?qū)W生參與度低，不能有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，會導(dǎo)致教學(xué)效果不理想.

項目驅(qū)動式教學(xué)法以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)，以項目為媒介，使學(xué)生主動參與到教學(xué)活動中，充分調(diào)動其主動性和積極性，激發(fā)其求知欲望，進而達到教學(xué)目標(biāo)[6-7].因此，本文將項目驅(qū)動式教學(xué)法引入“新能源發(fā)電技術(shù)”課程中，以單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)為教學(xué)案例介紹項目驅(qū)動式教學(xué)的具體實施過程.

1 項目驅(qū)動教學(xué)案例：單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

1.1 項目描述

依據(jù)教學(xué)大綱目標(biāo)要求，設(shè)計相應(yīng)的項目，并對其設(shè)置多個階段的完成目標(biāo)，描述各個階段具體的要求.項目描述要簡單明了，突出具體實現(xiàn)目標(biāo)，在描述各個階段的要求時保留學(xué)生進一步拓展發(fā)揮的空間.

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)這部分教學(xué)內(nèi)容相應(yīng)的教學(xué)目標(biāo)是掌握光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT 控制技術(shù)、鎖相環(huán)的基本原理和兩級并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理.

PSIM 是面向電力電子以及電機控制領(lǐng)域的仿真軟件，具有用戶界面友好、容易掌握、仿真速度快、兼容性好等優(yōu)點，因此選擇PSIM 作為軟件仿真平臺.本項目采用PSIM 軟件建立3 kW 單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，并通過仿真實現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng).項目中光伏陣列的最大功率電壓為124 V，最大功率電流為19.2 A，直流母線電壓設(shè)為350 V；光伏并網(wǎng)逆變器采用兩級式結(jié)構(gòu)，前級為Boost 變換器，后級為單相兩電平逆變器.

核心目標(biāo)分解：

（1） 實現(xiàn)光伏陣列的最大功率追蹤；

（2） 完成鎖相，實現(xiàn)并網(wǎng)逆變器單位功率因數(shù)并網(wǎng)（僅輸出有功功率）.

課程思政：

在描述項目的過程中，可以加入介紹目前我國能源利用的現(xiàn)狀、發(fā)展新能源發(fā)電技術(shù)的環(huán)境和經(jīng)濟意義、我國光伏并網(wǎng)發(fā)電的發(fā)展歷史及經(jīng)過不懈努力取得輝煌成果的真實事件等，激發(fā)學(xué)生愛國主義情懷和專業(yè)知識探究熱情，使其樹立正確的價值觀.

1.2 項目分析

首先，將全班學(xué)生按每組成員5～6 人進行分組，可以學(xué)生之間自由組合，每組選一名組長負責(zé)組織和協(xié)調(diào)在項目實施過程中遇到的相關(guān)問題.在進行任務(wù)分工時，可以將任務(wù)分為基礎(chǔ)任務(wù)和團隊合作任務(wù)等，基礎(chǔ)任務(wù)是由每個小組成員完成，而團隊合作任務(wù)則由小組內(nèi)成員之間合作完成，組內(nèi)各成員要積極分享與討論，使所有同學(xué)都能掌握相關(guān)的知識和技能.

然后，由教師分析項目所需的相關(guān)理論知識.

構(gòu)成光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的主要有四大部分：光伏陣列、Boost 變換器（包含MPPT 控制算法模塊）、單相并網(wǎng)逆變器（逆變控制模塊）、鎖相環(huán).因Boost 變換器、單相并網(wǎng)逆變器的基本原理在“電力電子技術(shù)”這門課程中已有分析，光伏陣列的輸出特性也比較簡單（PSIM 中有專門的模塊），因此主要分析MPPT 控制算法、逆變控制算法和鎖相環(huán).

（1） MPPT 控制算法.

為方便學(xué)生理解最大功率跟蹤算法，可采用擾動觀察法.教師將該方法的基本原理介紹給學(xué)生，并畫出算法流程圖，如圖1 所示.

圖1 擾動觀察法流程圖

（2） 鎖相環(huán).

光伏發(fā)電系統(tǒng)要接入電網(wǎng)，與電網(wǎng)同步就是一個要解決的關(guān)鍵問題.只有實現(xiàn)同步才能使電網(wǎng)和光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)協(xié)調(diào)一致地工作.這里采用鎖相環(huán)（Phase-Locked Loop，PLL）實現(xiàn)電網(wǎng)同步.對于三相并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，廣泛采用的是基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的鎖相環(huán)（Synchronous Reference Frame Phase-Locked Loop，SRF-PLL），然而對于單相并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，由于只有一相電壓，無法直接利用SRF-PLL.通過構(gòu)造兩相正交量，一相直接取自電網(wǎng)電壓，另一相將電網(wǎng)電壓延時900（即延時1/4T，T 為電網(wǎng)電壓周期）后得到，有了兩相正交電壓后即可使用SRFPLL，實現(xiàn)框圖如圖2 所示.

圖2 單相鎖相環(huán)原理框圖

（3） 逆變控制算法.

檢測直流母線電壓Udc與其給定值比較，進入PI 控制器，PI 控制器輸出為并網(wǎng)電流幅值，將其乘以cos（θ′）得到并網(wǎng)電流瞬時值與實際并網(wǎng)電流瞬時值比較，將比較值送入PI 控制器得到PWM 控制電壓.逆變控制算法原理框圖如圖3 所示.

圖3 逆變控制算法框圖

1.3 項目實施

教師首先介紹光伏發(fā)電的相關(guān)背景，如目前我國電能利用的現(xiàn)狀、環(huán)境保護和化石能源短缺的現(xiàn)狀等，引出發(fā)展新能源發(fā)電的重要性和緊迫性，對學(xué)生進行思想政治教育，激發(fā)同學(xué)們的愛國主義情懷和環(huán)保意識，要求學(xué)生在進行項目匯報時，談?wù)勛约旱睦斫?

然后進行小組分工，教師分析項目核心及知識點，最后由學(xué)生開始進行項目的具體實施.在實施期間如果遇到問題，首先是自己嘗試解決，其次是小組成員間討論解決，最后是尋求教師的幫助.這樣可以養(yǎng)成學(xué)生自己分析問題、解決問題的能力，而不是直接向教師求助.項目驅(qū)動教學(xué)核心是以學(xué)生為中心，使學(xué)生在一個預(yù)先設(shè)計好的項目場景下自主學(xué)習(xí)，促使其發(fā)揮積極性、主動性，充分體現(xiàn)學(xué)生的首創(chuàng)精神.項目基礎(chǔ)任務(wù)和團隊合作任務(wù)的設(shè)置，充分考慮了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和交流協(xié)作學(xué)習(xí)，使每位學(xué)生能夠共享團隊的思想和智慧，共同構(gòu)建知識.

教師由傳統(tǒng)的講授知識轉(zhuǎn)變?yōu)橛^察和引導(dǎo)，采用巡回指導(dǎo)的方式，引導(dǎo)小組內(nèi)成員討論、分析、解決問題，要仔細觀察發(fā)現(xiàn)學(xué)生在項目實施過程中遇到的困難及相應(yīng)學(xué)生的特點和優(yōu)勢，以此幫助學(xué)生發(fā)揮自己的優(yōu)勢克服困難.通過觀察各小組項目實施進度的不同，要對項目實施相對困難的小組給予更多的關(guān)注.

下面是筆者整理后的某一小組通過PSIM軟件平臺搭建的單相光伏發(fā)電系統(tǒng)及相關(guān)仿真結(jié)果.圖4 為學(xué)生在PSIM 環(huán)境下搭建的單相光伏發(fā)電系統(tǒng).

圖4 學(xué)生搭建的單相光伏發(fā)電系統(tǒng)

設(shè)置光伏電池板的相關(guān)輸出參數(shù)，如圖5所示.

圖5 光伏電池板參數(shù)設(shè)置

采用PSIM 內(nèi)部C-Block 模塊，通過C 語言編寫擾動觀察算法模塊，如圖6 所示.

圖6 C-Block 編寫擾動觀察算法

運行最大功率追蹤模塊，觀察所搭建的MPPT 控制模塊能否捕捉到光伏電池板的最大功率點.

圖7 光伏電池板輸出電壓電流功率波形

從圖7 光伏電池板輸出電壓電流功率波形來看，采用擾動觀察法可以比較準(zhǔn)確的捕捉到最大功率點（光伏電池板輸出電壓平均值約123 V，輸出電流平均值約19.3 A，接近設(shè)定值），同學(xué)們通過波形能直觀的觀察追蹤的結(jié)果，能極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

為了驗證鎖相算法的正確性，通過鎖相模塊輸出觀察鎖相算法是否正常，仿真結(jié)果如8所示.從仿真的波形可以看出鎖相算法準(zhǔn)確地跟蹤到了電網(wǎng)電壓角度.

圖8 鎖相環(huán)輸出角度波形

將直流母線電壓設(shè)置為350 V，通過仿真觀察直流電壓控制效果如圖9 所示.

圖9 直流母線電壓波形

通過對圖9 所示波形的觀察，控制算法較好地將直流母線電壓控制在350 V 左右，但是發(fā)現(xiàn)兩電平單相電壓型并網(wǎng)逆變器直流母線電壓存在2 倍于電網(wǎng)電壓頻率的諧波分量，教師可以通過提出“直流母線電壓為什么會有諧波分量、是不是PI 參數(shù)沒調(diào)好還是系統(tǒng)固有”的問題，以此來引導(dǎo)學(xué)生分析問題，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究精神.

圖10 電網(wǎng)電壓、并網(wǎng)輸出電流波形

從圖10 可以看出，逆變輸出電流波形也是標(biāo)準(zhǔn)的正弦電流，并且電流波形與電壓波形同相，將母線能量轉(zhuǎn)化為交流能量傳輸?shù)诫娋W(wǎng)的同時實現(xiàn)了單位功率因數(shù)并網(wǎng).

1.4 項目匯報與評價

項目實施完成后，每個小組匯報本組的項目實施情況和感想.實施情況匯報采用軟件仿真結(jié)果演示和總結(jié)匯報的形式.軟件仿真演示需要演示MPPT 控制算法追蹤結(jié)果、鎖相環(huán)輸出、直流母線電壓和并網(wǎng)電流等關(guān)鍵核心部分的波形，來確定有沒有達到控制目標(biāo)，可以由組長負責(zé)演示.總結(jié)匯報是教學(xué)中的重要環(huán)節(jié)，需要小組全體成員精心合作準(zhǔn)備，主要匯報本小組的工作，匯報主要采用PPT 的方式，匯報過程中還需要回答教師的提問，注重學(xué)生的歸納總結(jié)和語言表達能力.匯報的內(nèi)容主要包括：小組內(nèi)分工情況，具體做了哪些工作，項目實施過程中遇到哪些問題、如何解決、結(jié)果如何，有沒有需要改進的地方以及對項目的感想等.通過匯報可以鍛煉學(xué)生的語言表達能力，讓學(xué)生有自我展示的機會，也可以讓教師更好的了解每個學(xué)生的情況，發(fā)現(xiàn)學(xué)生的長處并加以培養(yǎng).

項目評價分為學(xué)生個人評價和小組評價.

對學(xué)生的個人評價，包括學(xué)生自評、組內(nèi)成員互評、教師評價，將這3 個評價成績按事先定好的權(quán)重系數(shù)累加后得到最終的學(xué)生評價成績.評價的內(nèi)容包括基礎(chǔ)任務(wù)完成情況、團隊任務(wù)完成情況、組長表現(xiàn)等，其中組長表現(xiàn)是對每組組長的評價，因組長負責(zé)組織和協(xié)調(diào)在項目實施過程中遇到的相關(guān)問題，幫助組員完成工作，對項目的結(jié)果負責(zé).

對小組的評價，首先每個小組對本組的項目實施結(jié)果進行自評，然后小組間進行互評，最后教師點評，將這3 個評價成績按事先定好的權(quán)重系數(shù)累加后得到最終的小組評估成績.

教師對每個小組的實施項目情況進行分析和總體評價，特別是一些不足之處如何改進，講解其中涉及的相關(guān)知識，激發(fā)學(xué)生思考.教師對學(xué)生實施項目的感想進行相關(guān)引導(dǎo)，如:有的同學(xué)談到通過查閱資料和項目實施，加深理解了節(jié)能環(huán)保對人類社會可持續(xù)發(fā)展的重要性，教師此時要引導(dǎo)學(xué)生建立節(jié)能環(huán)保意識，激發(fā)學(xué)生的職業(yè)使命感和社會責(zé)任感.

對項目實施結(jié)果較好的小組和表現(xiàn)優(yōu)秀的學(xué)生要提出表揚，對項目實施過程中遇到的一些典型問題進行回顧，最后對本門課程以后的學(xué)習(xí)進行展望.整個教學(xué)活動結(jié)束后，教師復(fù)盤本項目的實施過程，思考教學(xué)中存在哪些需要改進的地方，以便在未來的項目驅(qū)動式教學(xué)中繼續(xù)改進和優(yōu)化.

2 結(jié)語

將項目驅(qū)動式教學(xué)法引入電氣工程及其自動化專業(yè)“新能源發(fā)電技術(shù)”課程中，從本項目實施過程和結(jié)果來看，學(xué)生在“新能源發(fā)電技術(shù)”課程的知識掌握上有明顯的提高，項目驅(qū)動式教學(xué)法創(chuàng)建了一個以學(xué)生為中心的創(chuàng)造性的環(huán)境，使學(xué)生可以將所學(xué)專業(yè)知識聯(lián)系起來分析問題、解決問題，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)探索精神，在團隊合作方面，每個學(xué)生都有自己的任務(wù)分工，具有參與感和責(zé)任感，愿意與其他同學(xué)合作共同為團隊做貢獻，學(xué)生團隊合作意識得到增強.總的來說，項目驅(qū)動式教學(xué)取得了比傳統(tǒng)教學(xué)方法更高的教學(xué)效率和更好的教學(xué)效果.