“新能源發(fā)電技術(shù)”課程項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)研究

周小杰

（安徽科技學(xué)院 電氣與電子工程學(xué)院，安徽 蚌埠 233100）

0 引言

電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的“新能源發(fā)電技術(shù)”是一門(mén)與現(xiàn)場(chǎng)工程聯(lián)系緊密、專業(yè)綜合性強(qiáng)的課程[1-3].該課程涉及光伏發(fā)電技術(shù)、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)、生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)、水力發(fā)電技術(shù)、核能發(fā)電技術(shù)等，初級(jí)能源變換方式較多，知識(shí)面較廣[4-5].如果授課教師仍采用傳統(tǒng)課堂講授的方式以教師為中心，因?qū)W生參與度低，不能有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，會(huì)導(dǎo)致教學(xué)效果不理想.

項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)，以項(xiàng)目為媒介，使學(xué)生主動(dòng)參與到教學(xué)活動(dòng)中，充分調(diào)動(dòng)其主動(dòng)性和積極性，激發(fā)其求知欲望，進(jìn)而達(dá)到教學(xué)目標(biāo)[6-7].因此，本文將項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法引入“新能源發(fā)電技術(shù)”課程中，以單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)為教學(xué)案例介紹項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)的具體實(shí)施過(guò)程.

1 項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)案例：?jiǎn)蜗喙夥⒕W(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

1.1 項(xiàng)目描述

依據(jù)教學(xué)大綱目標(biāo)要求，設(shè)計(jì)相應(yīng)的項(xiàng)目，并對(duì)其設(shè)置多個(gè)階段的完成目標(biāo)，描述各個(gè)階段具體的要求.項(xiàng)目描述要簡(jiǎn)單明了，突出具體實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，在描述各個(gè)階段的要求時(shí)保留學(xué)生進(jìn)一步拓展發(fā)揮的空間.

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)這部分教學(xué)內(nèi)容相應(yīng)的教學(xué)目標(biāo)是掌握光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT 控制技術(shù)、鎖相環(huán)的基本原理和兩級(jí)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理.

PSIM 是面向電力電子以及電機(jī)控制領(lǐng)域的仿真軟件，具有用戶界面友好、容易掌握、仿真速度快、兼容性好等優(yōu)點(diǎn)，因此選擇PSIM 作為軟件仿真平臺(tái).本項(xiàng)目采用PSIM 軟件建立3 kW 單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，并通過(guò)仿真實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng).項(xiàng)目中光伏陣列的最大功率電壓為124 V，最大功率電流為19.2 A，直流母線電壓設(shè)為350 V；光伏并網(wǎng)逆變器采用兩級(jí)式結(jié)構(gòu)，前級(jí)為Boost 變換器，后級(jí)為單相兩電平逆變器.

核心目標(biāo)分解：

（1） 實(shí)現(xiàn)光伏陣列的最大功率追蹤；

（2） 完成鎖相，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)逆變器單位功率因數(shù)并網(wǎng)（僅輸出有功功率）.

課程思政：

在描述項(xiàng)目的過(guò)程中，可以加入介紹目前我國(guó)能源利用的現(xiàn)狀、發(fā)展新能源發(fā)電技術(shù)的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)意義、我國(guó)光伏并網(wǎng)發(fā)電的發(fā)展歷史及經(jīng)過(guò)不懈努力取得輝煌成果的真實(shí)事件等，激發(fā)學(xué)生愛(ài)國(guó)主義情懷和專業(yè)知識(shí)探究熱情，使其樹(shù)立正確的價(jià)值觀.

1.2 項(xiàng)目分析

首先，將全班學(xué)生按每組成員5～6 人進(jìn)行分組，可以學(xué)生之間自由組合，每組選一名組長(zhǎng)負(fù)責(zé)組織和協(xié)調(diào)在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中遇到的相關(guān)問(wèn)題.在進(jìn)行任務(wù)分工時(shí)，可以將任務(wù)分為基礎(chǔ)任務(wù)和團(tuán)隊(duì)合作任務(wù)等，基礎(chǔ)任務(wù)是由每個(gè)小組成員完成，而團(tuán)隊(duì)合作任務(wù)則由小組內(nèi)成員之間合作完成，組內(nèi)各成員要積極分享與討論，使所有同學(xué)都能掌握相關(guān)的知識(shí)和技能.

然后，由教師分析項(xiàng)目所需的相關(guān)理論知識(shí).

構(gòu)成光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的主要有四大部分：光伏陣列、Boost 變換器（包含MPPT 控制算法模塊）、單相并網(wǎng)逆變器（逆變控制模塊）、鎖相環(huán).因Boost 變換器、單相并網(wǎng)逆變器的基本原理在“電力電子技術(shù)”這門(mén)課程中已有分析，光伏陣列的輸出特性也比較簡(jiǎn)單（PSIM 中有專門(mén)的模塊），因此主要分析MPPT 控制算法、逆變控制算法和鎖相環(huán).

（1） MPPT 控制算法.

為方便學(xué)生理解最大功率跟蹤算法，可采用擾動(dòng)觀察法.教師將該方法的基本原理介紹給學(xué)生，并畫(huà)出算法流程圖，如圖1 所示.

圖1 擾動(dòng)觀察法流程圖

（2） 鎖相環(huán).

光伏發(fā)電系統(tǒng)要接入電網(wǎng)，與電網(wǎng)同步就是一個(gè)要解決的關(guān)鍵問(wèn)題.只有實(shí)現(xiàn)同步才能使電網(wǎng)和光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)協(xié)調(diào)一致地工作.這里采用鎖相環(huán)（Phase-Locked Loop，PLL）實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)同步.對(duì)于三相并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，廣泛采用的是基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的鎖相環(huán)（Synchronous Reference Frame Phase-Locked Loop，SRF-PLL），然而對(duì)于單相并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，由于只有一相電壓，無(wú)法直接利用SRF-PLL.通過(guò)構(gòu)造兩相正交量，一相直接取自電網(wǎng)電壓，另一相將電網(wǎng)電壓延時(shí)900（即延時(shí)1/4T，T 為電網(wǎng)電壓周期）后得到，有了兩相正交電壓后即可使用SRFPLL，實(shí)現(xiàn)框圖如圖2 所示.

圖2 單相鎖相環(huán)原理框圖

（3） 逆變控制算法.

檢測(cè)直流母線電壓Udc與其給定值比較，進(jìn)入PI 控制器，PI 控制器輸出為并網(wǎng)電流幅值，將其乘以cos（θ′）得到并網(wǎng)電流瞬時(shí)值與實(shí)際并網(wǎng)電流瞬時(shí)值比較，將比較值送入PI 控制器得到PWM 控制電壓.逆變控制算法原理框圖如圖3 所示.

圖3 逆變控制算法框圖

1.3 項(xiàng)目實(shí)施

教師首先介紹光伏發(fā)電的相關(guān)背景，如目前我國(guó)電能利用的現(xiàn)狀、環(huán)境保護(hù)和化石能源短缺的現(xiàn)狀等，引出發(fā)展新能源發(fā)電的重要性和緊迫性，對(duì)學(xué)生進(jìn)行思想政治教育，激發(fā)同學(xué)們的愛(ài)國(guó)主義情懷和環(huán)保意識(shí)，要求學(xué)生在進(jìn)行項(xiàng)目匯報(bào)時(shí)，談?wù)勛约旱睦斫?

然后進(jìn)行小組分工，教師分析項(xiàng)目核心及知識(shí)點(diǎn)，最后由學(xué)生開(kāi)始進(jìn)行項(xiàng)目的具體實(shí)施.在實(shí)施期間如果遇到問(wèn)題，首先是自己嘗試解決，其次是小組成員間討論解決，最后是尋求教師的幫助.這樣可以養(yǎng)成學(xué)生自己分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，而不是直接向教師求助.項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)核心是以學(xué)生為中心，使學(xué)生在一個(gè)預(yù)先設(shè)計(jì)好的項(xiàng)目場(chǎng)景下自主學(xué)習(xí)，促使其發(fā)揮積極性、主動(dòng)性，充分體現(xiàn)學(xué)生的首創(chuàng)精神.項(xiàng)目基礎(chǔ)任務(wù)和團(tuán)隊(duì)合作任務(wù)的設(shè)置，充分考慮了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和交流協(xié)作學(xué)習(xí)，使每位學(xué)生能夠共享團(tuán)隊(duì)的思想和智慧，共同構(gòu)建知識(shí).

教師由傳統(tǒng)的講授知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橛^察和引導(dǎo)，采用巡回指導(dǎo)的方式，引導(dǎo)小組內(nèi)成員討論、分析、解決問(wèn)題，要仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中遇到的困難及相應(yīng)學(xué)生的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，以此幫助學(xué)生發(fā)揮自己的優(yōu)勢(shì)克服困難.通過(guò)觀察各小組項(xiàng)目實(shí)施進(jìn)度的不同，要對(duì)項(xiàng)目實(shí)施相對(duì)困難的小組給予更多的關(guān)注.

下面是筆者整理后的某一小組通過(guò)PSIM軟件平臺(tái)搭建的單相光伏發(fā)電系統(tǒng)及相關(guān)仿真結(jié)果.圖4 為學(xué)生在PSIM 環(huán)境下搭建的單相光伏發(fā)電系統(tǒng).

圖4 學(xué)生搭建的單相光伏發(fā)電系統(tǒng)

設(shè)置光伏電池板的相關(guān)輸出參數(shù)，如圖5所示.

圖5 光伏電池板參數(shù)設(shè)置

采用PSIM 內(nèi)部C-Block 模塊，通過(guò)C 語(yǔ)言編寫(xiě)擾動(dòng)觀察算法模塊，如圖6 所示.

圖6 C-Block 編寫(xiě)擾動(dòng)觀察算法

運(yùn)行最大功率追蹤模塊，觀察所搭建的MPPT 控制模塊能否捕捉到光伏電池板的最大功率點(diǎn).

圖7 光伏電池板輸出電壓電流功率波形

從圖7 光伏電池板輸出電壓電流功率波形來(lái)看，采用擾動(dòng)觀察法可以比較準(zhǔn)確的捕捉到最大功率點(diǎn)（光伏電池板輸出電壓平均值約123 V，輸出電流平均值約19.3 A，接近設(shè)定值），同學(xué)們通過(guò)波形能直觀的觀察追蹤的結(jié)果，能極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

為了驗(yàn)證鎖相算法的正確性，通過(guò)鎖相模塊輸出觀察鎖相算法是否正常，仿真結(jié)果如8所示.從仿真的波形可以看出鎖相算法準(zhǔn)確地跟蹤到了電網(wǎng)電壓角度.

圖8 鎖相環(huán)輸出角度波形

將直流母線電壓設(shè)置為350 V，通過(guò)仿真觀察直流電壓控制效果如圖9 所示.

圖9 直流母線電壓波形

通過(guò)對(duì)圖9 所示波形的觀察，控制算法較好地將直流母線電壓控制在350 V 左右，但是發(fā)現(xiàn)兩電平單相電壓型并網(wǎng)逆變器直流母線電壓存在2 倍于電網(wǎng)電壓頻率的諧波分量，教師可以通過(guò)提出“直流母線電壓為什么會(huì)有諧波分量、是不是PI 參數(shù)沒(méi)調(diào)好還是系統(tǒng)固有”的問(wèn)題，以此來(lái)引導(dǎo)學(xué)生分析問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究精神.

圖10 電網(wǎng)電壓、并網(wǎng)輸出電流波形

從圖10 可以看出，逆變輸出電流波形也是標(biāo)準(zhǔn)的正弦電流，并且電流波形與電壓波形同相，將母線能量轉(zhuǎn)化為交流能量傳輸?shù)诫娋W(wǎng)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)并網(wǎng).

1.4 項(xiàng)目匯報(bào)與評(píng)價(jià)

項(xiàng)目實(shí)施完成后，每個(gè)小組匯報(bào)本組的項(xiàng)目實(shí)施情況和感想.實(shí)施情況匯報(bào)采用軟件仿真結(jié)果演示和總結(jié)匯報(bào)的形式.軟件仿真演示需要演示MPPT 控制算法追蹤結(jié)果、鎖相環(huán)輸出、直流母線電壓和并網(wǎng)電流等關(guān)鍵核心部分的波形，來(lái)確定有沒(méi)有達(dá)到控制目標(biāo)，可以由組長(zhǎng)負(fù)責(zé)演示.總結(jié)匯報(bào)是教學(xué)中的重要環(huán)節(jié)，需要小組全體成員精心合作準(zhǔn)備，主要匯報(bào)本小組的工作，匯報(bào)主要采用PPT 的方式，匯報(bào)過(guò)程中還需要回答教師的提問(wèn)，注重學(xué)生的歸納總結(jié)和語(yǔ)言表達(dá)能力.匯報(bào)的內(nèi)容主要包括：小組內(nèi)分工情況，具體做了哪些工作，項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中遇到哪些問(wèn)題、如何解決、結(jié)果如何，有沒(méi)有需要改進(jìn)的地方以及對(duì)項(xiàng)目的感想等.通過(guò)匯報(bào)可以鍛煉學(xué)生的語(yǔ)言表達(dá)能力，讓學(xué)生有自我展示的機(jī)會(huì)，也可以讓教師更好的了解每個(gè)學(xué)生的情況，發(fā)現(xiàn)學(xué)生的長(zhǎng)處并加以培養(yǎng).

項(xiàng)目評(píng)價(jià)分為學(xué)生個(gè)人評(píng)價(jià)和小組評(píng)價(jià).

對(duì)學(xué)生的個(gè)人評(píng)價(jià)，包括學(xué)生自評(píng)、組內(nèi)成員互評(píng)、教師評(píng)價(jià)，將這3 個(gè)評(píng)價(jià)成績(jī)按事先定好的權(quán)重系數(shù)累加后得到最終的學(xué)生評(píng)價(jià)成績(jī).評(píng)價(jià)的內(nèi)容包括基礎(chǔ)任務(wù)完成情況、團(tuán)隊(duì)任務(wù)完成情況、組長(zhǎng)表現(xiàn)等，其中組長(zhǎng)表現(xiàn)是對(duì)每組組長(zhǎng)的評(píng)價(jià)，因組長(zhǎng)負(fù)責(zé)組織和協(xié)調(diào)在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中遇到的相關(guān)問(wèn)題，幫助組員完成工作，對(duì)項(xiàng)目的結(jié)果負(fù)責(zé).

對(duì)小組的評(píng)價(jià)，首先每個(gè)小組對(duì)本組的項(xiàng)目實(shí)施結(jié)果進(jìn)行自評(píng)，然后小組間進(jìn)行互評(píng)，最后教師點(diǎn)評(píng)，將這3 個(gè)評(píng)價(jià)成績(jī)按事先定好的權(quán)重系數(shù)累加后得到最終的小組評(píng)估成績(jī).

教師對(duì)每個(gè)小組的實(shí)施項(xiàng)目情況進(jìn)行分析和總體評(píng)價(jià)，特別是一些不足之處如何改進(jìn)，講解其中涉及的相關(guān)知識(shí)，激發(fā)學(xué)生思考.教師對(duì)學(xué)生實(shí)施項(xiàng)目的感想進(jìn)行相關(guān)引導(dǎo)，如:有的同學(xué)談到通過(guò)查閱資料和項(xiàng)目實(shí)施，加深理解了節(jié)能環(huán)保對(duì)人類(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要性，教師此時(shí)要引導(dǎo)學(xué)生建立節(jié)能環(huán)保意識(shí)，激發(fā)學(xué)生的職業(yè)使命感和社會(huì)責(zé)任感.

對(duì)項(xiàng)目實(shí)施結(jié)果較好的小組和表現(xiàn)優(yōu)秀的學(xué)生要提出表?yè)P(yáng)，對(duì)項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中遇到的一些典型問(wèn)題進(jìn)行回顧，最后對(duì)本門(mén)課程以后的學(xué)習(xí)進(jìn)行展望.整個(gè)教學(xué)活動(dòng)結(jié)束后，教師復(fù)盤(pán)本項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程，思考教學(xué)中存在哪些需要改進(jìn)的地方，以便在未來(lái)的項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)中繼續(xù)改進(jìn)和優(yōu)化.

2 結(jié)語(yǔ)

將項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法引入電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)“新能源發(fā)電技術(shù)”課程中，從本項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程和結(jié)果來(lái)看，學(xué)生在“新能源發(fā)電技術(shù)”課程的知識(shí)掌握上有明顯的提高，項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法創(chuàng)建了一個(gè)以學(xué)生為中心的創(chuàng)造性的環(huán)境，使學(xué)生可以將所學(xué)專業(yè)知識(shí)聯(lián)系起來(lái)分析問(wèn)題、解決問(wèn)題，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)探索精神，在團(tuán)隊(duì)合作方面，每個(gè)學(xué)生都有自己的任務(wù)分工，具有參與感和責(zé)任感，愿意與其他同學(xué)合作共同為團(tuán)隊(duì)做貢獻(xiàn)，學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)得到增強(qiáng).總的來(lái)說(shuō)，項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)取得了比傳統(tǒng)教學(xué)方法更高的教學(xué)效率和更好的教學(xué)效果.