风光互补发电实训系统教学实验平台设计

㊀ＩＳＳＮ１６７２－４３０５ＣＮ１２－１３５２／Ｎ实㊀㊀验㊀㊀室㊀㊀科㊀㊀学ＬＡＢＯＲＡＴＯＲＹ㊀ＳＣＩＥＮＣＥ第２２卷㊀第１期㊀２０１９年２月Ｖｏｌ ２２㊀Ｎｏ １㊀Ｆｅｂ ２０１９风光互补发电实训系统教学实验平台设计孙长海，文贤萌，陈百通，王㊀明（大连理工大学电气工程学院，辽宁大连㊀１１６０２４）摘㊀要：为增加学术前沿理论教育，解决电气主干理论课与实验教学 脱节 的现象，开发了风光互补发电实训系统教学实验平台㊂基于光伏阵列与风力发电机工作原理，重点阐述了实验平台的原理与构成，深入分析了最大功率跟踪策略的选择与实现㊂然后根据实验平台分析了可开展实验内容与风光互补发电实验平台建设的重要意义㊂该实验平台可完善电气工程专业实验教学知识体系，完成光伏㊁风力发电的相关教学内容，提高毕业生解决复杂工程问题的能力㊂关键词：教学实验平台；最大功率跟踪策略；实验内容；建设意义中图分类号：Ｇ４８２㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２－４３０５．２０１９．０１．０１２ＤｅｓｉｇｎｏｆｔｅａｃｈｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｐｌａｔｆｏｒｍｆｏｒｗｉｎｄａｎｄｓｏｌａｒｈｙｂｒｉｄｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍＳＵＮＣｈａｎｇ－ｈａｉ，ＷＥＮＸｉａｎ－ｍｅｎｇ，ＣＨＥＮＢａｉ－ｔｏｎｇ，ＷＡＮＧＭｉｎｇ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＤａｌｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄａｌｉａｎ１１６０２４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅａｃａｄｅｍｉｃｆｒｏｎｔｉｅｒｔｈｅｏｒｙｅｄｕｃａｔｉｏｎ，ｓｏｌｖｉｎｇｔｈｅｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｏｆ ｄｉｓｃｏｎ⁃ｎｅｃｔ ｆｏｒｍａｉｎｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｔｈｅｏｒｙａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｔｅａｃｈｉｎｇ，ａｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｔｅａｃｈｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｐｌａｔ⁃ｆｏｒｍｆｏｒｗｉｎｄａｎｄｓｏｌａｒｈｙｂｒｉｄｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｐｈｏｔｏ⁃ｖｏｌｔａｉｃａｒｒａｙａｎｄｗｉｎｄｄｒｉｖｅｎｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｍａｉｎｌｙｆｏｃｕｓｅｄｏｎｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｎｇｏｆｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｐｌａｔｆｏｒｍ，ｉｎ－ｄｅｐｔｈａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｃｈｏｉｃｅｏｆｍａｘｉｍｕｍｐｏｗｅｒｔｒａｃｋｉｎｇｓｔｒａｔｅｇｙａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ．Ａｎｄｔｈｅｎｃａｎｃａｒｒｙｏｕｔｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｃｏｎｔｅｎｔｓａｒｅａｎａｌｙｚｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｐｌａｔｆｏｒｍａｎｄｔｈｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｏｆｗｉｎｄ－ｌｉｇｈｔｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｐｌａｔｆｏｒｍｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓｅｘ⁃ｐｅｒｉｍｅｎｔｐｌａｔｆｏｒｍｃａｎｐｅｒｆｅｃｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｔｅａｃｈｉｎｇｋｎｏｗｌｅｄｇｅ，ｃａｒｒｙｏｕｔｔｈｅｔｅａｃｈｉｎｇｃｏｎｔｅｎｔｒｅｌａｔｅｄｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ，ｗｉｎｄｐｏｗｅｒ，ｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅａｂｉｌｉｔｙｏｆｇｒａｄｕａｔｅｓｔｏｓｏｌｖｅｃｏｍｐｌｅｘｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｅａｃｈｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｐｌａｔｆｏｒｍ；ｍａｘｉｍｕｍｐｏｗｅｒｔｒａｃｋｉｎｇｓｔｒａｔｅｇｙ；ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｃｏｎｔｅｎｔ；ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｏｆｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀通讯作者：文贤萌（１９９２－），男，辽宁大连人，硕士，主要研究方向为高电压与绝缘技术㊂㊀㊀近年来，随着煤㊁石油㊁天然气等传统能源的世界储备不断减少，能源供需矛盾的问题正日益突出㊂而传统能源燃烧产生的污染也使生态平衡遭到了严重破坏，现有的能源结构正面临着巨大的挑战［１－２］㊂因此对于新型清洁能源的应用与开发受到了全世界的普遍关注㊂新型清洁能源包括太阳能㊁风能㊁生物能㊁潮汐能等㊂其中太阳能㊁风能是最为普遍的资源，因其来源广泛㊁开发潜力大㊁使用环境良好㊁相关技术较为成熟等优势，受到国内外学者的广泛关注，在国内已具有多个成功的实际工程案例［３］㊂综合利用风光互补发电技术在游牧民族区㊁偏远山区㊁边防哨所等远离电网的地区取代传统能源发电已成为了当前的发展趋势㊂然而，我国的新能源行业由于相对起步较晚，随着新能源行业的飞速进步，正面临着实际工程实力滞后于相关理论知识的问题㊂且由于相关方面专业技术人才的短缺，严重制约了整体行业的发展㊂我国早已提出对于深化教学改革，优化人才培养的相关要求，其中特别强调要大力加强实践教学，切实提高大学生的实践能力㊂因此，在高校建设集风能与太阳能互补发电㊁能源匹配㊁分布式能源集成优化与实现㊁能量储存与管理㊁能量传输于一体的工程型实训平台，对于提高电气工程专业学生跨专业系统地解决复杂电气工程的专业人才培养有着重要意义㊂１㊀风光互补发电实验平台原理与组成风光互补发电实验平台是在室内模拟自然环境中工作条件变化而进行能量转换，电能储存，能量质量智能管理㊂结构图如图１所示㊂图１㊀风光互补发电实验平台结构图实验平台主要由光伏发电模块㊁风力发电模块㊁蓄电池㊁风光互补控制器㊁逆变器㊁能量监控系统㊁交直流负载组成㊂各模块间输入输出集成在主控制台之上，学生可通过修改操作台上接口间连线改变整套系统工作状态㊁有机集成系统㊁灵活调配功能，以便操作人员自主选择所需状态进行学习与研究㊂１．１㊀光伏发电模块实验平台由可调卤素灯模拟实际光源，将两组由两块２５Ｗ的太阳能电池板串联使用将光能转化为电能，采集产生的电能进入控制器中通过改变功率开关的开通占空比进行最大功率控制㊂太阳能电池与常规蓄电池不同，并非稳定的恒流源或恒压源，它属于一种不稳定的非线性直流电源，输出电压受到光照强度与外界温度的影响㊂改变光源的光照强度Ｓ可得到不同光照强度下光伏电池的Ｉ－Ｖ与Ｐ－Ｖ特性曲线如图２所示㊂图２㊀不同光照强度下的太阳能电池板Ｉ－Ｖ及Ｐ－Ｖ特性曲线由于卤素灯功率很高，产热能力很强所以不能忽略温度对于太阳能电池板发电的影响，以同一光照强度Ｓ＝５００Ｗ／ｍ２照射太阳能电池板得到不同温度下光伏电池的Ｉ－Ｖ与Ｐ－Ｖ特性曲线如图３所示㊂图３㊀不同温度下的太阳能电池板Ｉ－Ｖ及Ｐ－Ｖ特性曲线综合图２和图３光伏阵列在不同外界条件下的特性曲线可知，温度与光照强度对光伏阵列的输出电压电流有很大影响，且会改变输出功率㊂根据其Ｐ－Ｖ特性曲线可知光伏阵列在每个光照强度与温度的组合下都有一个最大输出功率点即ｄＰ／ｄＵ＝０㊂因此综合几种常用太阳能最大功率跟踪算法，如恒电压控制法［４］㊁扰动观测法［５］㊁导纳增量法等［６］，可选用导纳增量法作为系统的ＭＰＰＴ算法㊂由Ｐ＝Ｕ∗Ｉ可得，ｄＰ／ｄＵ＝Ｉ＋Ｕ∗ｄＩ／ｄＵ，当ｄＩ／ｄＵ＝－Ｉ／Ｕ时，ｄＰ／ｄＵ＝０即得到太阳能电池的功率最大值㊂在导纳增量法中令步长为ｎ∗ａｂｓ（ｄＰ／ｄＵ），通过实际工作数据找到合适常量ｎ即可实现对其最大功率的追踪㊂此外，光伏阵列固定于双轴电机之上随电机转动改变朝向，控制板比较光辐射强度控制双轴电机横向或纵向转动，自动跟踪光源强点，提高光伏电池板受光面积使光伏阵列接受到模拟光源的光辐射强度达到最大，图４为逐日系统框图㊂同时在上位机的软件中，学生可以通过改变光敏强度，改变驱动控制模块的灵敏度㊂通过观察不同灵敏度下电机的 逐日 效果，学生可对光伏阵列输出电压电流分析此时输出功率，对光敏强度进行调整以达到最大输出功率㊂１．２㊀风力发电模块图５是风力发电模块的整体框图，本实验平台采用轴流风机模拟自然风，带动风力发电机使机械能转化为电能㊂风力计采集轴流风机风速信号经Ａ／Ｄ转换为数字信号传输到上位机中通过软件显㊀孙长海，等：风光互补发电实训系统教学实验平台设计图４㊀光伏阵列 逐日 系统框图示㊂轴流风机可调风速为０ ２５ｍ／ｓ，风力发电机为６００Ｗ水平轴风力发电机㊂风机产生的电能经整流输出较为稳定的直流电能供直流负载使用，多余的电能储存在控制台中的蓄电池内㊂图５㊀风力发电模块框图风力发电机的实际功率可通过根据贝兹理论［７］计算，其有用功率为：Ｐ＝１２ρｖ３ＣＰＳ（１）式中：Ｐ为风力发电机输出功率；ρ为空气密度；Ｓ为风力发电机风轮扫掠面积，ｍ２；ｖ为风速，ｍ／ｓ；ＣＰ为风能利用系数，通常ＣＰɤ０．５９３㊂风力发电机的ＭＰＰＴ控制主要是根据风力计所测的风速，在风速变化中保持风能利用系数ＣＰ达到最大值，根据公式（１）风力发电机Ｐ与风能利用系数ＣＰ成正比［８］，即可实现风力发电机的最大功率追踪㊂硬件中，改变升降压电路ＭＯＳＦＥＴ管信号占空比，风机等效负载变化，风轮速度也随着变化，从而改变风能利用系数ＣＰ获得风力发电机最大输出功率㊂１．３㊀控制台结构本实验平台中的控制台主要包括风光互补控制器㊁风速调节及光照强度调节模块㊁监测仪表㊁储能模块㊁离网模块㊁并网模块㊂同时，控制台也是学生主要的操作平台，各模块间相互独立且输入输出接口均集成在控制台的操作面板之上㊂学生可根据实验内容自行搭建所需实验回路，灵活调配功能，实现需要的工作状态㊂其中风速调节及光照强度调节模块分别在模拟光源与轴流风机回路之中，可通过面板上的旋钮改变光照强度与风速，改变发电端的输出功率㊂储能模块由铅酸蓄电池与充电控制器组成，采用串联式ＰＷＭ充电控制方式，提高电池充电效率与使用寿命㊂离网模块由离网逆变器㊁交流负载㊁交流检测仪表构成如图６所示，其核心部件是离网逆变器㊂逆变器是一种将直流电能转化为交流电能的转换装置，直流电进入逆变器内部电路后经开关管的导通与关断变换为交流方波，通过滤波电路产生可供交流负载使用的交流电能㊂其中逆变器输出的交流电能直接供给交流负载使用的逆变器为无源逆变器，即离网逆变器㊂图６㊀离网模块图学生可以改变实验电路选择输入电能方式（光伏阵列㊁风力发电机㊁蓄电池），并通过上位机和监测仪表观察不同电能输入对逆变器输出电能效率的影响，分析输出电能质量㊂并网模块与离网模块最根本的区别为逆变器的类型，并网逆变器选取有源逆变器㊂因逆变器在并网过程中会对电网造成一定冲击，且会影响设备的安全运行，故需确保并网条件充分前提下进行并网实验㊂２㊀基于实验平台所开展的实验本文所设计风光互补实训系统教学实验平台主要用于本科实验教学以及相关领域人员的科学研究㊂我校现建有电力系统动态模拟和软件仿真实验室，小型智能微电网实验室等，可开出电力系统相关模拟实验㊂对于多能互补发电的教学还停留于课堂之上，因此需让学生自己动手进行光伏㊁风力发电的能量转化㊁储存㊁监测㊁管理等实验，模拟实际清洁能源发电过程㊂在实践中夯实电力系统的相关知识，进而提高学生科学系统地解决复杂电气工程问题的实践能力㊂基于本实验平台可开展以下相关实验㊂２．１㊀外界条件对能量转换的影响实验太阳能与风力发电作为当下解决世界能源问题３４的关键一直受到广泛的关注，其中能量的转换效率是制约其发展的根本因素㊂因此需开展相关实验，模拟实际环境中光伏㊁风力发电的运行条件，改变外界因素观察能量转化效率的变化，分析原因找到其变化规律㊂使学生通过实验掌握光伏㊁风力发电的基本原理，了解影响发电效率的根本因素，为今后进一步的研究打下基础㊂２．２㊀系统的离网运行实验风光互补发电系统的离网运行即将光伏阵列与风力发电机所产生电能作为发电源端，为负荷单独供电㊂在边防哨所及自然资源较为丰富的地区这种小型离网发电系统使用较为广泛［９］㊂学生需根据实验原理自行设计电路，使发电侧㊁逆变器㊁储能系统㊁负载形成完整回路，实现对负载的离网供电㊂在过程中记录发电参数㊁输出电气参数㊁负载运行状态等，综合评价离网逆变器转化效率与离网发电的质量㊂２．３㊀系统的并网运行实验系统的并网运行需在满足并网条件后与电网相连，将系统发出的电能向附近负荷供电，同时电网也向系统中的负荷供电，减小电网的负担㊂在系统并网时会对电网造成一定的冲击，如何使独立发电端 友好 地并入电网中一直是清洁能源发电研究重点之一［１０］㊂所以开展系统并网运行实验，使学生完成模块选择㊁电路设计实现系统并网㊂同时，通过监测仪表与上位机软件观察系统内负载运行状况，分析输出电能质量，通过计算推导所产生电能可否为敏感负荷即受电压波动影响较大，无法在不稳定电压下运行的负荷供电㊂并在并网输出端接入敏感负荷（如微弱信号表㊁高精度仪器等）验证计算结果㊂在系统内加入大功率负载及修改电路过程中会产生谐振现象，可能会使系统无故障脱网，威胁设备及人身安全㊂故需在课前由专业教师完成相关理论教学任务，确保实验安全顺利的进行［１１］㊂基于本实验平台所开展的实验包括电气工程专业的发电㊁储能㊁输变配电㊁用电㊁调度㊁通信等众多专业领域，需要学生具备一定的专业知识与专业视野，在课前由授课教师根据实验内容布置相应的预习任务，使学生在课堂上能依据自身知识完成实验任务，激发学生自主学习的动力，真正达到理论与实践相结合的实验意义㊂３㊀结语我校电气工程学院于２０１６年修订了电气工程专业本科培养计划，把 培养解决复杂工程问题的能力 作为新的培养目标之一㊂为落实新的培养目标，制定了一系列措施：进一步优化课程和实验实践体系，加大学生实验实践环节培养力度，将优秀科研成果转化成为教学资源，加强贴近工程的综合性实验建设等㊂基于此为解决实验体系教学中存在基本理论和学术前沿理论不够突出，实验教学知识体系和实验教学内容更新较慢，教学方法急需改进与丰富等问题㊂我校自主设计研发了风光互补发电实验平台，实现了风光互补发电及其ＭＰＰＴ控制，并对平台可开展的实验进行了一定设计，是一种多功能综合性的风光互补发电实训教学实验平台㊂对丰富实验教学知识体系和实验教学内容以培养学生综合利用所学知识解决实际工程问题的能力有着重要意义㊂参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）：［１］㊀李源启．风光互补发电系统中最大功率跟踪控制策略研究［Ｄ］．兰州：兰州理工大学，２０１７．［２］㊀刘艳．可再生能源与新能源国际科技合作计划启动［Ｃ］／／节能减排论坛 福建省科协学术年会卫星会议论文专刊，福建省能源研究会，２００８：１－１．［３］㊀陈惠俊．风光互补发电应用技术［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２０１６．［４］㊀万军，胡长生．基于ＡＶＲ单片机的光伏系统变步长ＭＰＰＴ控制［Ｊ］．机械与电子，２００８（４）：２０－２２．［５］㊀卢琳，殳国华，张仕文．基于ＭＰＰＴ的智能太阳能充电系统研究［Ｊ］．电力电子技术，２００７，４１（２）：９６－９８．［６］㊀何龙，程树英．基于遗传算法和扰动观察法的ＭＰＰＴ算法［Ｊ］．现代电子技术，２００９，３２（２４）：１９９－２０２．［７］㊀刘细平，林鹤云．风力发电机及风力发电控制技术综述［Ｊ］．大电机技术，２００７（３）：１７－２０．［８］㊀郭栋，徐欣，杨根科，等．基于ＭＰＰＴ算法的风光互补发电实验系统的研究与实现［Ｊ］．实验室研究与探索，２０１３，３２（６）：７１－７６．［９］㊀杨新法，苏剑，吕志鹏，等．微电网技术综述［Ｊ］．中国电机工程学报，２０１４（１）：５７－７０．［１０］㊀张荣甫，高树发，邵振付．风能太阳能综合电源系统设计［Ｊ］．电源技术，２００３，２７（１）：３６－３８．［１１］㊀景新幸，张国庆，周胜源，等．以实验教学创新全面推进国家级实验教学示范中心建设［Ｊ］．实验技术与管理，２０１１，２８（１２）：５－８．收稿日期：２０１７－１２－２５修改日期：２０１８－０１－０６作者简介：孙长海（１９６７－），男，辽宁大连人，硕士，副教授，主要研究方向为高电压与绝缘技术㊂㊀。