光伏发电虚拟仿真实验教学平台

姜萍 张欣 田华 孙荣霞

摘要：新能源产业的迅猛发展对光伏发电技术人才提出了迫切需求，然而光伏发电系统的实验设备成本高、装置多为封闭型难以分析内部复杂原理，仪器台套数量也无法满足学生人数及教学课时的需求。因此，采用虚拟仿真技术开发了光伏发电系统实验教学平台，通过太阳能辐照度计算、光伏阵列数学模型、升压斩波电路及MPPT控制、逆变器等模块的设计，模拟了光伏发电的工艺流程和工作原理，为相关专业的理论教学和实践训练提供了不同层次需求的丰富教学资源。

关键词：虚拟仿真；光伏发电系统；实验教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）03-0277-02

一、引言

在能源危机和环境污染的双重压力下，可再生清洁能源的需求迅猛增长，其中，光伏发电是未来能源领域的重要发展方向。河北省作为中国光伏产业第二大省，拥有光伏行业的多家高新技术企业。在2018年初，河北省发展改革委发布《关于2018-2020年风电、光伏发电项目建设指导意见》，三年内光伏电站将累计新增360万千瓦，到2020年全省光伏发电装机容量达到1500万千瓦，河北省光伏发电的空间潜力十分巨大。

新能源产业的迅猛发展对光伏发电技术人才提出了迫切需要，很多高等院校的相关专业都十分重视光伏技术人才的培养，然而光伏发电相关设备成本高、装置多为封闭型，难以分析内部器件复杂原理，电压等级高而存在高危险性，实验设备仪器的台套数限制也难以满足学生人数及教学课时的需求。

为适应社会对光伏技术人才的需求，河北大学建立了国家级“光伏技术虚拟仿真实验教学中心”，围绕光伏技术的全产业链，建设光伏材料、太阳电池制备、光伏发电和专业基础四个虚拟仿真实验资源平台。其中，光伏发电虚拟仿真实验教学平台能够反映大容量光伏发电系统的生产流程和工作原理，可反映可再生能源特有的随机性和不确定性等影响因素，模拟工程实际运行的工况，为相关专业的理论教学和实践训练提供了不同层次需求的丰富教学资源。在高等教育现代化和信息化的新形势下，通过虚拟仿真技术的应用，保障了实验教学的高安全性、高度还原性、可重复性和高创新性，有利于发展多学科的交叉融合，也有效解决了实验教学条件不足的问题[1]。

二、虚拟仿真实验平台的架构

光伏发电的主要工作流程如图1所示，由光伏电池阵列、DC-DC变换器及MPPT（Maximum Power Point Tracking，最大功率点跟踪）、逆变器及控制器、电网等组成。光伏电池是能量来源，当硅材料P-N结上受到太阳光照射而产生电动势，串并联后形成能够输出较大功率的光伏阵列。逆变器是光伏发电的核心设备，通过控制策略和调制方案，形成与电网电压同频同相的并网电流。

光伏发电虚拟仿真实验教学平台采用模块化的设计理念，通过太阳能辐照度计算、光伏阵列数学模型、升压斩波电路及MPPT、逆变器等，模拟了光伏发电的工作流程[2-3]。

各个组成模块可以独立开设相关实验，也可以连接成集太阳能电池阵列、发电控制、逆变设施、电力系统状态分析和故障保护等功能为整体实现联调，满足不同专业学生、不同学生层次、不同课程要求、不同课时需求等多方位的需求。

（一）太阳能辐照度计算

我国太阳能资源丰富，但地形复杂，太阳能辐照量的计算，需要综合考虑地理位置、天文环境、季节与光照变化等诸多因素，以及光伏电池板安装倾角及照射角等，利用天空散射辐射各向异性模型和双参考气象站辐照量修正法计算太阳能辐照度。

（二）光伏电池阵列

基于光伏电池厂家的铭牌参数，计算等效电路模型参数，通过光伏电池的数学模型建立大容量光伏阵列的数学模型。可以针对不同温度及不同日照强度，对光伏阵列的输出特性进行仿真，将工业实测数据与仿真结果进行对比，验证仿真模型的正确性。

（三）升压电路及MPPT控制

升压模块采用Boost升压电路，将光伏电池输出的直流电压变为可以调节的直流电。光伏发电系统最大功率点跟踪算法（MPPT）能够使光伏电池工作在最大功率点处，很大程度上提高了光伏电池的转换效率。当前常用的有固定电压法、扰动观测法、电导增量法以及其他智能算法，可以进行算法设计实验及效果验证。

（四）逆变器模块

根据需求可以分别建立离网型或并网型逆变器、传输线路和变压器等部分的数学模型，构建光伏发电系统仿真模型，进行仿真实验，分别对日负荷和年负荷实发功率进行模拟，反映全年天气状态下太阳辐照度波动对输出功率的影响。

三、实验平台在人才培养中的作用

虚拟仿真实验平台能够反映光伏发电实际运行特性，可满足本科生相关专业课程实验、综合性课程设计等实践环节[4]，也为学生开展科技创新和面向企业人员培训等提供贴近工程实际的平台，具体分为以下三个层次：

1.为电气工程及其自动化、自动化等相关专业，提供《MATLAB系统仿真》《电力电子技术》《电力系統分析》《电力系统继电保护》等课程的设计型、综合型实验，弥补现有实验项目缺乏工程应用背景的不足。

2.满足相关专业的课程设计、综合实训，可提供相关课程设计题目，例如：基于天文气象信息的光伏功率预测计算、基于用户需求的光伏阵列容量设计、最大功率点跟踪控制系统仿真实验、阴影和失配下的光伏阵列输出特性等研究课题。

虚拟仿真实验教学平台具有开放性，可以进一步进行开发，能满足毕业设计和科技创新活动和其他自选课题的需求。

3.可以面向企业，开展科研项目合作提供实验平台；针对操作运行人员监控各设备运行情况、统计报表、运行曲线；模拟就地交互操作、现场设备巡检功能；故障消除训练，模拟光伏阵列、汇流装置、逆变器、变压器、保护装置等，进一步完善功能后，可以用于光伏发电技术人员的岗前培训、技能考核等。

四、结论

采用虚拟仿真技术开发了光伏发电系统实验教学平台，通过模拟光伏发电的工艺流程和工作原理，为相关专业的理论教学和实践训练提供了不同层次需求的丰富教学资源。增强了学生对光伏发电过程的整体认识，同时提供进行系统的设计、优化控制算法开发设计的验证平台。虚拟仿真技术具有的安全性、可重复性和开放性，不仅有效解决了实验教学条件不足的问题，也有利于培养具有创新精神和实践能力的高素质应用型、复合型的工程技术人才。

参考文献：

[1]杜彦敏.基于虚拟仿真技术的实验教学中心建设研究[J].教育教学论坛，2018，（15）：273-274.

[2]王辉，牛帅，于立君，董泽全，童丽峰.太阳能光伏板角度控制实验教学系统设计[J].实验室科，2017，20（02）：74-77.

[3]陈杏灿，程汉湘，彭湃，杨健.光伏电池的建模与光伏发电系统的仿真[J].广东电力，2016，29（02）：25-29，58.

[4]伦淑娴，李春杰.新能源分布式发电虚拟仿真实践教学平台建设[J].实验技术与管理，2016，33（09）：111-114.