基于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的離網(wǎng)型光伏系統(tǒng)開放式實(shí)踐平臺(tái)的開發(fā)

石征錦，皇甫尚偉，郭瑞曦，王康

（沈陽理工大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，沈陽 110159）

0 引言

近年來，我國光伏發(fā)電技術(shù)迅猛發(fā)展，中國光伏加工和電站建設(shè)規(guī)模達(dá)到全球第一，但是在高等學(xué)校的課程教學(xué)中，教師只能在課堂上簡單介紹相關(guān)內(nèi)容，很多高校大學(xué)生們還是很少能見到太陽能發(fā)電裝置，因此大學(xué)生對(duì)太陽能發(fā)電的知識(shí)只是也停留在了解層面上。鑒于，太陽能發(fā)電是未來電力行業(yè)的一個(gè)重要方向，加強(qiáng)高校大學(xué)生對(duì)太陽能等新能源發(fā)電技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)，成為電氣工程、能源工程、自動(dòng)化等專業(yè)需要迫切解決的問題，同時(shí)也會(huì)大力拓寬畢業(yè)生的就業(yè)方向。

太陽能的發(fā)電形式目前有兩種，光熱發(fā)電和光伏發(fā)電。我國在光熱發(fā)電領(lǐng)域起步比較晚，由于受到各種條件的限制，目前為止國內(nèi)還沒有成功的太陽能光熱發(fā)電示范項(xiàng)目。光伏發(fā)電是目前國內(nèi)比較成熟的發(fā)電系統(tǒng)[1]。光伏發(fā)電分為離網(wǎng)和并網(wǎng)兩種類型，根據(jù)教學(xué)實(shí)踐的特點(diǎn)以及高校資源的限制，本文設(shè)計(jì)的光伏發(fā)電實(shí)踐平臺(tái)采用離網(wǎng)型。

1 總體設(shè)計(jì)思路

本文設(shè)計(jì)的離網(wǎng)型光伏系統(tǒng)開放式實(shí)踐平臺(tái)是供學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)和實(shí)踐的平臺(tái)。該平臺(tái)是從培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力、研究性學(xué)習(xí)能力以及增進(jìn)學(xué)生對(duì)新能源發(fā)電的了解等方面出發(fā)，充分考慮到新能源發(fā)電的特點(diǎn)和高校的局限性等特點(diǎn)設(shè)計(jì)的一個(gè)直觀，簡單的離網(wǎng)光伏系統(tǒng)[2]。實(shí)踐平臺(tái)以成熟的光伏發(fā)電系統(tǒng)作為基礎(chǔ)，同時(shí)采用兩級(jí)監(jiān)控，即太陽能監(jiān)控軟件Solar Station Monitor、離網(wǎng)型逆變器監(jiān)控軟件Inverter Monitor。該實(shí)踐平臺(tái)每個(gè)系統(tǒng)均采用模塊化設(shè)計(jì)，平臺(tái)配置靈活，學(xué)生可以方便的由淺入深進(jìn)行相關(guān)方面的研究，并且可以讓學(xué)生操作的同時(shí)看到光伏系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，了解太陽能發(fā)電的流程。此實(shí)踐平臺(tái)除了能作為教學(xué)演示平臺(tái)、實(shí)踐平臺(tái)外還能用于課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)，能夠給學(xué)生充分的空間，了解和學(xué)習(xí)如何對(duì)光伏發(fā)電的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控。

光伏系統(tǒng)開放式實(shí)踐平臺(tái)以MPPT太陽能控制器和離網(wǎng)型逆變器為核心，由6塊30W太陽能電池板組成太陽能組件陣列系統(tǒng)、2塊120AH蓄電池組成儲(chǔ)能系統(tǒng)，輔以PC機(jī)和WiFi信號(hào)發(fā)射器組成網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)和無線監(jiān)控APP。該實(shí)踐平臺(tái)可以完成多個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：如太陽能發(fā)電原理與特性曲線、太陽能組件串、并聯(lián)輸出特性、太陽能組件支架安裝、太陽能組件鋪設(shè)與串、并接離網(wǎng)逆變器安裝與接線[3]、蓄電池安裝與充放電特性、太陽能控制器安裝與接線、離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)組成與接線、離網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行與測(cè)試等。學(xué)生可以在該實(shí)踐平臺(tái)上進(jìn)行光伏系統(tǒng)從安裝到發(fā)電控制各個(gè)環(huán)節(jié)的操作。經(jīng)過一段時(shí)間的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以熟練地操作光伏系統(tǒng)。

2 功能簡介

離網(wǎng)型光伏系統(tǒng)開放式實(shí)踐平臺(tái)由多個(gè)模塊組成，其功能如下：

光伏方陣：由太陽能組件組成，每個(gè)30W，共6片，主要是用來太陽能發(fā)電。

離網(wǎng)逆變器：輸入電壓DC24V，純正弦波變壓器隔離輸出，具有輸入過過壓、電池過放、電池反接、輸出過載、短路、過熱等保護(hù)功能。

太陽能控制器：具有溫度補(bǔ)償、防反充、防雷、過沖、過放等保護(hù)功能而且能隔離RS485信號(hào)輸出。

蓄電池組：鉛酸電池12V/120AH，共2塊。

WiFi信號(hào)發(fā)射器：信號(hào)發(fā)射系統(tǒng)，主要是用來與手機(jī)APP信息交互，方便手機(jī)APP對(duì)光伏系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

上位機(jī)監(jiān)控軟件：基于C++語言開發(fā)，采用嵌入式SQLite數(shù)據(jù)庫實(shí)施存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)并存儲(chǔ)系統(tǒng)的發(fā)電、用電等信息，具有曲線顯示、歷史報(bào)表查詢、EXCEL文檔輸出、打印等功能。通訊接口：采用RS485隔離通訊方式，標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議。直流負(fù)載：主要用作太陽能直接供電實(shí)驗(yàn)。

交流負(fù)載：主要用作模擬現(xiàn)實(shí)光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作實(shí)驗(yàn)。

為了保證教學(xué)的高效性和安全性，本文設(shè)計(jì)的實(shí)踐平臺(tái)所搭載的直流負(fù)載和交流負(fù)載均屬于小功率設(shè)備，大幅度保障學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的人身安全[4]。整個(gè)實(shí)踐平臺(tái)接通負(fù)載后就能夠讓學(xué)生在教學(xué)過程中直觀的了解光伏系統(tǒng)的整個(gè)運(yùn)行方式和電源供應(yīng)方式。

整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示

圖1 光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖Fig 1 PV system design structure diagram

3 軟件介紹

本文所設(shè)計(jì)的實(shí)踐平臺(tái)主要有太陽能控制器監(jiān)控軟件Solar Station Monitor和離網(wǎng)型逆變器監(jiān)控軟件Inveterate Monitor兩種。

（1）Solar Station Monitor提供全局監(jiān)控和實(shí)時(shí)監(jiān)控兩種監(jiān)控方式，實(shí)時(shí)監(jiān)控能夠直觀的提供陣列信息、蓄電池信息、直流負(fù)載信息和控制器信息，并且提供了整個(gè)系統(tǒng)的電壓、電流和功率曲線[5]。全局監(jiān)控提供的監(jiān)控項(xiàng)有設(shè)備狀態(tài)、陣列狀態(tài)、充電狀態(tài)、放電狀態(tài)、蓄電池狀態(tài)、總用電量和總放電量。其數(shù)據(jù)監(jiān)控面板如圖2所示。

圖2 Solar Station Monitor 數(shù)據(jù)監(jiān)控面板Fig 2 Solar Station Monitor data monitoring panel

Solar Station Monitor另外提供電流、電壓和功率曲線，監(jiān)控曲線分別如圖3，圖4，圖5所示。

圖3 Solar Station Monitor電流監(jiān)控曲線Fig 3 The current monitoring curve of Solar Station Monitor

圖4 Solar Station Monitor電壓監(jiān)控曲線Fig 4 The voltage monitoring curve of Solar Station Monitor

圖5 Solar Station Monitor功率監(jiān)控曲線Fig 5 The power monitoring curve Solar Station Monitor

Solar Station Monitor 的全局監(jiān)控面板如圖6所示

圖6 Solar Station Monitor全局監(jiān)控面板Fig 6 global monitoring panel of Solar Station Monitor

（2）Inveterate Monitor提供了逆變器實(shí)時(shí)監(jiān)控這一種監(jiān)控方式，其中監(jiān)控項(xiàng)有輸入信息、輸出信息、控制信息和逆變器信息，并且像Solar Station Monitor一樣能夠直觀地顯示輸入和輸出的電壓、電流和功率曲線[6]。其實(shí)時(shí)監(jiān)控面板如圖7所示。

圖7 Inveterate Monitor 實(shí)時(shí)監(jiān)控面板Fig 7 Inveterate Monitor real-time monitoring panel

Inveterate Monitor 提供的電壓、電流、功率監(jiān)視曲線分別入圖8、圖9、圖10所示。

圖8 Inveterate Monitor 電壓監(jiān)控曲線Fig 8 The voltage monitoring curve of Inveterate Monitor

圖9 Inveterate Monitor 電流監(jiān)控曲線Fig 9 the current Monitor curve of Inveterate Monitor

圖10 Inveterate Monitor功率監(jiān)控曲線Fig 10 The power monitoring curve of Inveterate Monitor

4 結(jié)語

離網(wǎng)型光伏系統(tǒng)開放式實(shí)踐平臺(tái)在實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候最大限度的給學(xué)生動(dòng)手的空間，面向的課程也從新能源與分布式發(fā)電、開關(guān)電源技術(shù)擴(kuò)展到電路、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、電力電子變換和控制技術(shù)、微機(jī)原理及應(yīng)用、單片機(jī)原理及應(yīng)用等課程。適用的專業(yè)也涵蓋了電氣工程及其自動(dòng)化、自動(dòng)化、測(cè)控技術(shù)與儀器等專業(yè)。

從光伏陣列的安裝到最終數(shù)據(jù)的采集，教師可以根據(jù)課程的進(jìn)度來安排實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，在光照不足的情況下，學(xué)生可以切出光伏陣列使用蓄電池來進(jìn)行離網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)試與運(yùn)行等試驗(yàn)[7]，因此本文設(shè)計(jì)的實(shí)踐平臺(tái)的環(huán)境和光照等約束相應(yīng)的減少，實(shí)用性大大增加。

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