曹喜民 張延遲 祁永慶

摘? 要 針對(duì)光伏發(fā)電實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)過(guò)程中實(shí)驗(yàn)設(shè)備少、實(shí)驗(yàn)效率低等問(wèn)題，在對(duì)光伏發(fā)電教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)發(fā)展現(xiàn)狀與PSCAD的特點(diǎn)進(jìn)行介紹的基礎(chǔ)上，對(duì)PSCAD在光伏發(fā)電教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用進(jìn)行探索。結(jié)果表明，利用PSCAD進(jìn)行仿真教學(xué)，能夠有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，克服實(shí)驗(yàn)設(shè)備少的不足，具有較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 光伏發(fā)電;PSCAD;實(shí)驗(yàn)教學(xué);實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2020）22-0121-03

Application of PSCAD in Photovoltaic Power Generation Experi-ment Course//CAO Ximin， ZHANG Yanchi， QI Yongqing

Abstract Aiming at the problems of less experimental equipment and low experimental efficiency in the teaching process of photovol-taic power generation experimental courses， the application of PS-CAD in the teaching experiment of photovoltaic power generation is explored based on the development status of photovoltaic power generation teaching experiment platform and the characteristics of PSCAD. The results show that the use of PSCAD for simulation tea-ching can effectively improve students learning efficiency and has a better teaching effect.

Key words photovoltaic; PSCAD; experimental teaching; experi-mental platform

1 前言

為了應(yīng)對(duì)能源危機(jī)與環(huán)境問(wèn)題，太陽(yáng)能光伏發(fā)電近幾年發(fā)展迅速。隨著國(guó)內(nèi)電力市場(chǎng)和電力運(yùn)行技術(shù)的發(fā)展，從負(fù)荷側(cè)消納大規(guī)模新能源成為可能，大規(guī)模含分布式光伏發(fā)電的微電網(wǎng)發(fā)展前景廣闊，相應(yīng)的，光伏發(fā)電人才需求也會(huì)隨著光伏發(fā)電的快速發(fā)展而急速增加。國(guó)內(nèi)很多高校開(kāi)設(shè)了如光伏發(fā)電技術(shù)與應(yīng)用、太陽(yáng)能光熱技術(shù)與應(yīng)用等新能源相關(guān)專(zhuān)業(yè)。雖然光伏發(fā)電專(zhuān)業(yè)通過(guò)與光伏發(fā)電企業(yè)聯(lián)系開(kāi)展相關(guān)的專(zhuān)業(yè)實(shí)習(xí)以幫助學(xué)生熟悉光伏發(fā)電站的運(yùn)行情況，但由于實(shí)習(xí)時(shí)間較短，出于安全因素，企業(yè)不可能為沒(méi)有受過(guò)安全操作培訓(xùn)的學(xué)生提供可供現(xiàn)場(chǎng)操作實(shí)踐的崗位，專(zhuān)業(yè)教師也無(wú)法將實(shí)踐與理論結(jié)合起來(lái)進(jìn)行深入講解。學(xué)院購(gòu)置相關(guān)的光伏發(fā)電實(shí)驗(yàn)裝置供學(xué)生實(shí)際操作，但由于價(jià)格昂貴，購(gòu)置實(shí)驗(yàn)裝置的套數(shù)較少，如果讓每個(gè)學(xué)生都進(jìn)行實(shí)際操作，需要分幾批進(jìn)行，影響實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)進(jìn)度。如何利用現(xiàn)有的教學(xué)條件在完成教學(xué)目標(biāo)的同時(shí)彌補(bǔ)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件的不足，是本文研究的重點(diǎn)。

2 光伏發(fā)電教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著新能源專(zhuān)業(yè)的開(kāi)設(shè)，光伏發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)也成為各高校及企事業(yè)單位開(kāi)展教學(xué)和培訓(xùn)必不可少的工具。對(duì)光伏發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的教學(xué)研究主要有兩大類(lèi)：側(cè)重于光伏發(fā)電原理的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研發(fā)與側(cè)重于光伏發(fā)電利用的包含儲(chǔ)能、風(fēng)電的微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研發(fā)。針對(duì)側(cè)重光伏發(fā)電原理的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究方面，文獻(xiàn)[1]采用虛擬仿真技術(shù)開(kāi)發(fā)了光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，從太陽(yáng)能輻照度計(jì)算到控制模塊的設(shè)計(jì)等整個(gè)光伏發(fā)電過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足了理論教學(xué)與實(shí)際教學(xué)的需要;文獻(xiàn)[2]基于ARM與LabVIEW提出光伏并網(wǎng)逆變檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái);文獻(xiàn)[3]針對(duì)三相光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)課程設(shè)計(jì)了一種功能完整、上位機(jī)界面友好的三項(xiàng)光伏并網(wǎng)技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。側(cè)重光伏發(fā)電利用的研究成果方面，文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)和搭建了含儲(chǔ)能的3 kW光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

本文將仿真軟件PSCAD應(yīng)用在光伏發(fā)電實(shí)驗(yàn)課程中，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生對(duì)光伏發(fā)電知識(shí)的理解，同時(shí)解決實(shí)驗(yàn)室設(shè)備較少、實(shí)驗(yàn)效率低的問(wèn)題。

3 仿真軟件PSCAD

PSCAD根據(jù)給出的網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的數(shù)學(xué)模型來(lái)搭建仿真模型進(jìn)行仿真分析，由于具備擁有便于使用者利用的電力電子設(shè)備元件模型庫(kù)、仿真精度較高、在搭建模型的時(shí)候方便對(duì)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制、仿真結(jié)果易觀測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，在電力電子仿真中成為應(yīng)用較普遍的仿真軟件之一。PSCAD可以與EMTP、C語(yǔ)言、MATLAB等常見(jiàn)軟件較好地連接，具有良好的可移植性。

4 PSCAD在光伏發(fā)電課程中的應(yīng)用

光伏發(fā)電原理? 光伏發(fā)電是利用太陽(yáng)光照射到光伏電池板上，電池吸收光能，利用光生伏打效應(yīng)，在電池內(nèi)電場(chǎng)的作用下，在電池兩端產(chǎn)生“光生電壓”。令I(lǐng)pv為電池吸收太陽(yáng)能后產(chǎn)生的光電流，ID為反向并聯(lián)的二極管的電流，其是產(chǎn)生電池非線性I-V特性的主要因素。Ish與IL分別為通過(guò)電阻Rsh與Rs的電流，光伏電池的簡(jiǎn)化等效電路由電池吸收太陽(yáng)能后產(chǎn)生的光電流模型（電流源）與二極管反向并聯(lián)，再與電阻Rsh并聯(lián)，再與電阻Rs串聯(lián)組成，如圖1所示。

光電流Ipv表達(dá)式為：

式中，ISCR為參考光照強(qiáng)度GR和參考電池溫度TCR下的短路電流，αT為光電路的溫度系數(shù)，G和Tc分別為實(shí)際光照強(qiáng)度和實(shí)際電池溫度。

由基爾霍夫電流定律可得光伏輸出的電流IL為：

式中，I0為二極管的飽和電流;V為光伏電池的出口電壓;n為發(fā)射系數(shù)，與PN結(jié)的尺寸/材料和通過(guò)的電流有關(guān)，其值在1～2之間;k為玻爾茲曼常數(shù);q為電子電荷常數(shù)。

光伏電池的出力特性實(shí)驗(yàn)? 采用PSCAD自帶的光伏電池電路特性模型來(lái)模擬光伏電池的出力特性，研究當(dāng)外接負(fù)荷電阻變化時(shí)，外電路的電壓與電流的變化情況，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2所示。由圖2經(jīng)仿真計(jì)算可得光伏電池外電壓與功率的關(guān)系和光伏電池外電壓與輸出電流的關(guān)系等光伏電池的外特性，也可分析外接電路電壓與電流隨外接電路電阻變化的變化情況。由仿真結(jié)果可分析得出隨著電阻的增大，外接電路的電流減小、電壓增大的結(jié)論，并與理論分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

光伏發(fā)電并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)? 光伏發(fā)電并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示，光伏發(fā)電裝置經(jīng)DC-DC升壓變換裝置與電壓源換流器并入電網(wǎng)。在并入電網(wǎng)前經(jīng)可控的三項(xiàng)斷路器將可調(diào)負(fù)荷模型接入并網(wǎng)點(diǎn)，電網(wǎng)用一個(gè)簡(jiǎn)單的電壓源模型代替。

設(shè)置光照強(qiáng)度為1200 W/m2，光伏板溫度為30 ℃，負(fù)荷在3.5 s時(shí)并入電網(wǎng)，負(fù)荷有功功率初值為0.28 MW，無(wú)功功率初值為0。在第6.3 s時(shí)刻，讓負(fù)荷有功功率上升到

0.52 MW;在第8.2 s時(shí)刻，負(fù)荷有功功率下降到0.27 MW，保持有功負(fù)荷不變;在10.2 s，讓無(wú)功負(fù)荷上升到0.13 MW。

在以上操作過(guò)程中，光伏發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)潮流變化情況如圖4所示。由圖4可知，負(fù)荷無(wú)功功率變化會(huì)影響負(fù)荷有功功率變化。

功負(fù)荷為0.36 MW，無(wú)功負(fù)荷設(shè)置為0.08 MW，光照強(qiáng)度從1500 W/m2下降到800 W/m2;光伏發(fā)電裝置輸出的功率也隨之變小，從0.29 MW下降到0.21 MW。光伏輸出功率、側(cè)功率與負(fù)荷功率隨光照強(qiáng)度的變化情況如圖5所示。由圖5可以看出，光伏輸出的有功功率隨光照強(qiáng)度的減弱而降低。

5 結(jié)語(yǔ)

光伏發(fā)電是新能源專(zhuān)業(yè)理論性與實(shí)踐性并重的專(zhuān)業(yè)方向，在課堂教學(xué)中在講解理論知識(shí)的同時(shí)應(yīng)該多增加實(shí)際操作的機(jī)會(huì)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與工程意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和工匠精神。本文將仿真軟件PSCAD用在光伏發(fā)電實(shí)驗(yàn)課程中，有效地解決了實(shí)驗(yàn)設(shè)備少的問(wèn)題，加深了學(xué)生對(duì)光伏發(fā)電原理的理解與把握，鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力，對(duì)光伏發(fā)電實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)是一種有益的創(chuàng)新和嘗試，也為光伏發(fā)電技術(shù)等相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新的途徑及方法。在應(yīng)用仿真軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)前，為了達(dá)到理想的教學(xué)效果，需要學(xué)生熟悉仿真軟件的基本操作方法，對(duì)光伏發(fā)電的原理及并網(wǎng)方式的相關(guān)知識(shí)也要較好地掌握。■

參考文獻(xiàn)

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