基于培养学生创新实践能力的离网型光伏系统开放式实践平台的开发

石征锦，皇甫尚伟，郭瑞曦，王康

（沈阳理工大学自动化与电气工程学院，沈阳 110159）

0 引言

近年来，我国光伏发电技术迅猛发展，中国光伏加工和电站建设规模达到全球第一，但是在高等学校的课程教学中，教师只能在课堂上简单介绍相关内容，很多高校大学生们还是很少能见到太阳能发电装置，因此大学生对太阳能发电的知识只是也停留在了解层面上。鉴于，太阳能发电是未来电力行业的一个重要方向，加强高校大学生对太阳能等新能源发电技术的实践教学，成为电气工程、能源工程、自动化等专业需要迫切解决的问题，同时也会大力拓宽毕业生的就业方向。

太阳能的发电形式目前有两种，光热发电和光伏发电。我国在光热发电领域起步比较晚，由于受到各种条件的限制，目前为止国内还没有成功的太阳能光热发电示范项目。光伏发电是目前国内比较成熟的发电系统[1]。光伏发电分为离网和并网两种类型，根据教学实践的特点以及高校资源的限制，本文设计的光伏发电实践平台采用离网型。

1 总体设计思路

本文设计的离网型光伏系统开放式实践平台是供学生进行学习和实践的平台。该平台是从培养学生的创新实践能力、研究性学习能力以及增进学生对新能源发电的了解等方面出发，充分考虑到新能源发电的特点和高校的局限性等特点设计的一个直观，简单的离网光伏系统[2]。实践平台以成熟的光伏发电系统作为基础，同时采用两级监控，即太阳能监控软件Solar Station Monitor、离网型逆变器监控软件Inverter Monitor。该实践平台每个系统均采用模块化设计，平台配置灵活，学生可以方便的由浅入深进行相关方面的研究，并且可以让学生操作的同时看到光伏系统各个环节的数据，了解太阳能发电的流程。此实践平台除了能作为教学演示平台、实践平台外还能用于课程设计和毕业设计，能够给学生充分的空间，了解和学习如何对光伏发电的各种数据进行监控。

光伏系统开放式实践平台以MPPT太阳能控制器和离网型逆变器为核心，由6块30W太阳能电池板组成太阳能组件阵列系统、2块120AH蓄电池组成储能系统，辅以PC机和WiFi信号发射器组成网络监控系统和无线监控APP。该实践平台可以完成多个实验项目：如太阳能发电原理与特性曲线、太阳能组件串、并联输出特性、太阳能组件支架安装、太阳能组件铺设与串、并接离网逆变器安装与接线[3]、蓄电池安装与充放电特性、太阳能控制器安装与接线、离网发电系统组成与接线、离网系统调试运行与测试等。学生可以在该实践平台上进行光伏系统从安装到发电控制各个环节的操作。经过一段时间的学习，学生可以熟练地操作光伏系统。

2 功能简介

离网型光伏系统开放式实践平台由多个模块组成，其功能如下：

光伏方阵：由太阳能组件组成，每个30W，共6片，主要是用来太阳能发电。

离网逆变器：输入电压DC24V，纯正弦波变压器隔离输出，具有输入过过压、电池过放、电池反接、输出过载、短路、过热等保护功能。

太阳能控制器：具有温度补偿、防反充、防雷、过冲、过放等保护功能而且能隔离RS485信号输出。

蓄电池组：铅酸电池12V/120AH，共2块。

WiFi信号发射器：信号发射系统，主要是用来与手机APP信息交互，方便手机APP对光伏系统进行远程监控。

上位机监控软件：基于C++语言开发，采用嵌入式SQLite数据库实施存储数据，能够实时监测并存储系统的发电、用电等信息，具有曲线显示、历史报表查询、EXCEL文档输出、打印等功能。通讯接口：采用RS485隔离通讯方式，标准Modbus协议。直流负载：主要用作太阳能直接供电实验。

交流负载：主要用作模拟现实光伏发电系统的工作实验。

为了保证教学的高效性和安全性，本文设计的实践平台所搭载的直流负载和交流负载均属于小功率设备，大幅度保障学生在实验中的人身安全[4]。整个实践平台接通负载后就能够让学生在教学过程中直观的了解光伏系统的整个运行方式和电源供应方式。

整个系统设计结构图如图1所示

图1 光伏系统设计结构图Fig 1 PV system design structure diagram

3 软件介绍

本文所设计的实践平台主要有太阳能控制器监控软件Solar Station Monitor和离网型逆变器监控软件Inveterate Monitor两种。

（1）Solar Station Monitor提供全局监控和实时监控两种监控方式，实时监控能够直观的提供阵列信息、蓄电池信息、直流负载信息和控制器信息，并且提供了整个系统的电压、电流和功率曲线[5]。全局监控提供的监控项有设备状态、阵列状态、充电状态、放电状态、蓄电池状态、总用电量和总放电量。其数据监控面板如图2所示。

图2 Solar Station Monitor 数据监控面板Fig 2 Solar Station Monitor data monitoring panel

Solar Station Monitor另外提供电流、电压和功率曲线，监控曲线分别如图3，图4，图5所示。

图3 Solar Station Monitor电流监控曲线Fig 3 The current monitoring curve of Solar Station Monitor

图4 Solar Station Monitor电压监控曲线Fig 4 The voltage monitoring curve of Solar Station Monitor

图5 Solar Station Monitor功率监控曲线Fig 5 The power monitoring curve Solar Station Monitor

Solar Station Monitor 的全局监控面板如图6所示

图6 Solar Station Monitor全局监控面板Fig 6 global monitoring panel of Solar Station Monitor

（2）Inveterate Monitor提供了逆变器实时监控这一种监控方式，其中监控项有输入信息、输出信息、控制信息和逆变器信息，并且像Solar Station Monitor一样能够直观地显示输入和输出的电压、电流和功率曲线[6]。其实时监控面板如图7所示。

图7 Inveterate Monitor 实时监控面板Fig 7 Inveterate Monitor real-time monitoring panel

Inveterate Monitor 提供的电压、电流、功率监视曲线分别入图8、图9、图10所示。

图8 Inveterate Monitor 电压监控曲线Fig 8 The voltage monitoring curve of Inveterate Monitor

图9 Inveterate Monitor 电流监控曲线Fig 9 the current Monitor curve of Inveterate Monitor

图10 Inveterate Monitor功率监控曲线Fig 10 The power monitoring curve of Inveterate Monitor

4 结语

离网型光伏系统开放式实践平台在实际应用的时候最大限度的给学生动手的空间，面向的课程也从新能源与分布式发电、开关电源技术扩展到电路、模拟电子技术、数字电子技术、电力电子变换和控制技术、微机原理及应用、单片机原理及应用等课程。适用的专业也涵盖了电气工程及其自动化、自动化、测控技术与仪器等专业。

从光伏阵列的安装到最终数据的采集，教师可以根据课程的进度来安排实验的内容，在光照不足的情况下，学生可以切出光伏阵列使用蓄电池来进行离网系统调试与运行等试验[7]，因此本文设计的实践平台的环境和光照等约束相应的减少，实用性大大增加。

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