利用科研平台开设电力电子技术综合实验的探索

王育飞　薛花　王鲁杨　杨兴武　赵玲

摘 要 随着电力电子技术的广泛应用和日益发展，电力电子技术课程的实验教学内容及教学方式需进行改进与探索。在教学创新中，拓展科研平台的单向服务功能，提出基于铅酸蓄电池储能系统的电力电子技术综合实验课程设计，构建先进储能技术工程化应用环境，引导学生深入学习铅酸蓄电池、电池管理系统以及储能变流器等设备的工作原理，掌握系统的运行操作流程，对于电力电子技术在铅酸蓄电池储能系统的微电网应用实现 “三面向”的教学目标，即面向一线、面向电力、面向创新。通过该科研平台的教学型转化，避免了传统理论教学中与实际应用联系较少的不足，提升了教学效果，培养学生学习兴趣的同时增强了动手能力及创新能力。

关键词 电力电子技术综合实验 铅酸蓄电池储能系统 教学型转化 “三面向”教学目标

中图分类号：G642.4 文献标识码：A

0 引言

铅酸蓄电池储能系统能够支撑微电网离网稳定运行，维持微电网电压、频率恒定；并网运行时能够根据调度指令发出或吸收功率，同时可实现并、离网的无缝切换。

在传统教学方法中，通常仅对铅酸蓄电池储能系统主要部分如电池组、储能变流器的工作原理进行介绍，教学效果较差。为便于学生理解，提高教学效率，利用科研平台开设电力电子技术综合实验，实现“面向一线、面向电力、面向创新”的实验教学创新实践，在给予学生感性认识的同时，能够更深刻地理解实际储能系统各硬件设备的工作原理以及运行特点，并能够锻炼学生的动手能力与创新能力。

1 铅酸蓄电池储能系统科研平台

建立的铅酸蓄电池储能系统科研平台主要具有以下功能：（1）有功功率和无功功率控制，可根据微电网监控后台指令控制其有功功率和无功功率输出；（2）V/F控制功能，微电网离网运行时，保证电网电压、频率恒定，作为主电源支撑整个微电网系统稳定运行；（3）无缝切换功能，当电网发生故障时能够快速切除电网，将储能系统从并网工作状态转入独立逆变工作状态；（4）故障保护功能，如欠压/过压保护、过载保护、过热保护以及对地电阻监测和报警功能。

铅酸蓄电池储能系统主要包括三部分：铅酸蓄电池组（额定功率30kW）、电池管理系统（BMS）以及50kW双向储能变流器（PCS）。同时，隔离变压器可实现储能变流器与电网之间的电气隔离，保证平台运行及实验操作的安全性。此外，为了使平台能够正常工作，方便观察、读取数据，还设置了报表查询、数据分析以及状态监测单元。

2 电力电子技术综合实验设计

为了让学生更加直观、更加深刻地理解电力电子技术，根据科研平台现有功能以及电力电子技术教学特点，设计基于铅酸蓄电池储能系统平台的电力电子技术综合实验，实验内容包括铅酸蓄电池充电操作、放电操作以及电池监控操作三部分内容。

在进行电力电子技术综合实验之前，根据工程应用操作需求，学生实验前准备工作：

（1）运行前观察PCS指示灯为“停机”状态，如显示“故障”应停止实验操作；

（2）观察储能系统监控柜操作面板，确保所有电池处于正常状态，无单体端电压过低或过高。

2.1铅酸蓄电池充电操作实验

铅酸蓄电池储能系统连接380V市电时，双向储能变流器可对电池组进行充电。引导学生学习储能变流器控制界面的使用与正确操作，了解“充电”工作模式，学习包括恒流、恒压以及恒功率三种充电模式的工作原理，能够设置合理的充电电压、电流等运行参数。实验过程中，学生可通过电池监控柜操作面板，观察电池端电压曲线、功率曲线以及SOC数值的变化情况。

2.2铅酸蓄电池放电操作实验

铅酸蓄电池储能系统为微电网的一个重要组成部分，能够补偿新能源发电的功率波动，对微电网内的负荷提供持续、稳定电能。通过实验，引导学生学习利用PCS控制界面在“模式控制”中选择“放电”模式，与“充电”模式相同，掌握恒流、恒压以及恒功率三种放电模式的工作原理，能够合理设置放电电压、放电电流等运行参数。实验过程中，学生可通过电池监控柜的操作面板，观察电池端电压曲线、功率曲线以及SOC数值的变化情况。

2.3铅酸蓄电池监控操作实验

铅酸蓄电池管理系统可对电池组电压、内阻、SOC以及温度等参数进行实时监测。通过电池监控柜面板，学生可通过观察、记录系统运行参数，学习判断铅酸蓄电池组的运行状况。

为了锻炼学生应对故障的实践能力，在实验中设置典型故障，让学生学习相应的解决方法：

（1）对铅酸蓄电池进行充放电时，PCS操作面板中不显示工作状态或铅酸蓄电池监控柜显示“开路”。此时，引导学生先观察铅酸蓄电池监控柜中电池总端电压数值，由于PCS控制系统要求储能变流器直流侧即蓄电池总端电压最小值为450V。因此，当实际值低于450V时，PCS无法完成对电池组的充放电操作。

解决方法训练：应用充电机，对铅酸蓄电池组进行分组充电，直到端电压高于450V时，再尝试通过PCS对电池组进行充电。

（2）在进行充放电实验过程中，PCS突然停止工作，操作面板显示“故障”或“停机”。此时，引导学生先（下转第30页）（上接第17页）观察铅酸蓄电池监控柜的显示状态，若电池组运行正常可确定为PCS出现故障。

解决方法训练：储能变流器开关管会由于过电流导致器件保护装置动作。因此在PCS断电情况下，使用万用表测量每个开关管两端的熔断器，若万用表显示无穷大阻值，需更换该熔断器。

3 结语

在传统教学过程中，学生对电力电子理论知识理解困难。通过铅酸蓄电池储能系统实验平台，采用合理的教学方式，可以提高教学质量方便学生理解。同时，可以利用在实验过程中的实际波形以及出现的问题，拓宽教学知识范围，在理论知识的基础上开拓学生的眼界、提高学习效率，并培养学生解决问题的意识、动手能力以及创新能力，实现“三面向”实践教学目标。

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