PSCAD在光伏发电实验课程中的应用

曹喜民 张延迟 祁永庆

摘  要 针对光伏发电实验课程教学过程中实验设备少、实验效率低等问题，在对光伏发电教学实验平台发展现状与PSCAD的特点进行介绍的基础上，对PSCAD在光伏发电教学实验中的应用进行探索。结果表明，利用PSCAD进行仿真教学，能够有效提高学生的学习效率，克服实验设备少的不足，具有较好的教学效果。

关键词 光伏发电;PSCAD;实验教学;实验平台

中图分类号：G642    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2020）22-0121-03

Application of PSCAD in Photovoltaic Power Generation Experi-ment Course//CAO Ximin， ZHANG Yanchi， QI Yongqing

Abstract Aiming at the problems of less experimental equipment and low experimental efficiency in the teaching process of photovol-taic power generation experimental courses， the application of PS-CAD in the teaching experiment of photovoltaic power generation is explored based on the development status of photovoltaic power generation teaching experiment platform and the characteristics of PSCAD. The results show that the use of PSCAD for simulation tea-ching can effectively improve students learning efficiency and has a better teaching effect.

Key words photovoltaic; PSCAD; experimental teaching; experi-mental platform

1 前言

为了应对能源危机与环境问题，太阳能光伏发电近几年发展迅速。随着国内电力市场和电力运行技术的发展，从负荷侧消纳大规模新能源成为可能，大规模含分布式光伏发电的微电网发展前景广阔，相应的，光伏发电人才需求也会随着光伏发电的快速发展而急速增加。国内很多高校开设了如光伏发电技术与应用、太阳能光热技术与应用等新能源相关专业。虽然光伏发电专业通过与光伏发电企业联系开展相关的专业实习以帮助学生熟悉光伏发电站的运行情况，但由于实习时间较短，出于安全因素，企业不可能为没有受过安全操作培训的学生提供可供现场操作实践的岗位，專业教师也无法将实践与理论结合起来进行深入讲解。学院购置相关的光伏发电实验装置供学生实际操作，但由于价格昂贵，购置实验装置的套数较少，如果让每个学生都进行实际操作，需要分几批进行，影响实验课程的教学进度。如何利用现有的教学条件在完成教学目标的同时弥补现有实验条件的不足，是本文研究的重点。

2 光伏发电教学实验平台发展现状

随着新能源专业的开设，光伏发电实验平台也成为各高校及企事业单位开展教学和培训必不可少的工具。对光伏发电实验平台的教学研究主要有两大类：侧重于光伏发电原理的实验平台研发与侧重于光伏发电利用的包含储能、风电的微电网实验平台研发。针对侧重光伏发电原理的实验平台研究方面，文献[1]采用虚拟仿真技术开发了光伏发电系统实验教学平台，从太阳能辐照度计算到控制模块的设计等整个光伏发电过程进行实验设计，满足了理论教学与实际教学的需要;文献[2]基于ARM与LabVIEW提出光伏并网逆变检测系统实验教学平台;文献[3]针对三相光伏发电并网技术课程设计了一种功能完整、上位机界面友好的三项光伏并网技术教学实验平台。侧重光伏发电利用的研究成果方面，文献[4]设计和搭建了含储能的3 kW光伏发电系统实验平台。

本文将仿真软件PSCAD应用在光伏发电实验课程中，提高学生的学习兴趣，加深学生对光伏发电知识的理解，同时解决实验室设备较少、实验效率低的问题。

3 仿真软件PSCAD

PSCAD根据给出的网络和设备的数学模型来搭建仿真模型进行仿真分析，由于具备拥有便于使用者利用的电力电子设备元件模型库、仿真精度较高、在搭建模型的时候方便对参数进行实时控制、仿真结果易观测等优点，在电力电子仿真中成为应用较普遍的仿真软件之一。PSCAD可以与EMTP、C语言、MATLAB等常见软件较好地连接，具有良好的可移植性。

4 PSCAD在光伏发电课程中的应用

光伏发电原理  光伏发电是利用太阳光照射到光伏电池板上，电池吸收光能，利用光生伏打效应，在电池内电场的作用下，在电池两端产生“光生电压”。令Ipv为电池吸收太阳能后产生的光电流，ID为反向并联的二极管的电流，其是产生电池非线性I-V特性的主要因素。Ish与IL分别为通过电阻Rsh与Rs的电流，光伏电池的简化等效电路由电池吸收太阳能后产生的光电流模型（电流源）与二极管反向并联，再与电阻Rsh并联，再与电阻Rs串联组成，如图1所示。

光电流Ipv表达式为：

式中，ISCR为参考光照强度GR和参考电池温度TCR下的短路电流，αT为光电路的温度系数，G和Tc分别为实际光照强度和实际电池温度。

由基尔霍夫电流定律可得光伏输出的电流IL为：

式中，I0为二极管的饱和电流;V为光伏电池的出口电压;n为发射系数，与PN结的尺寸/材料和通过的电流有关，其值在1～2之间;k为玻尔兹曼常数;q为电子电荷常数。

光伏电池的出力特性实验  采用PSCAD自带的光伏电池电路特性模型来模拟光伏电池的出力特性，研究当外接负荷电阻变化时，外电路的电压与电流的变化情况，实验模型如图2所示。由图2经仿真计算可得光伏电池外电压与功率的关系和光伏电池外电压与输出电流的关系等光伏电池的外特性，也可分析外接电路电压与电流随外接电路电阻变化的变化情况。由仿真结果可分析得出随着电阻的增大，外接电路的电流减小、电压增大的结论，并与理论分析结果进行对比分析。

光伏发电并网实验  光伏发电并网实验系统如图3所示，光伏发电装置经DC-DC升压变换装置与电压源换流器并入电网。在并入电网前经可控的三项断路器将可调负荷模型接入并网点，电网用一个简单的电压源模型代替。

设置光照强度为1200 W/m2，光伏板温度为30 ℃，负荷在3.5 s时并入电网，负荷有功功率初值为0.28 MW，无功功率初值为0。在第6.3 s时刻，让负荷有功功率上升到

0.52 MW;在第8.2 s時刻，负荷有功功率下降到0.27 MW，保持有功负荷不变;在10.2 s，让无功负荷上升到0.13 MW。

在以上操作过程中，光伏发电系统关键节点潮流变化情况如图4所示。由图4可知，负荷无功功率变化会影响负荷有功功率变化。

功负荷为0.36 MW，无功负荷设置为0.08 MW，光照强度从1500 W/m2下降到800 W/m2;光伏发电装置输出的功率也随之变小，从0.29 MW下降到0.21 MW。光伏输出功率、侧功率与负荷功率随光照强度的变化情况如图5所示。由图5可以看出，光伏输出的有功功率随光照强度的减弱而降低。

5 结语

光伏发电是新能源专业理论性与实践性并重的专业方向，在课堂教学中在讲解理论知识的同时应该多增加实际操作的机会，提高学生的学习兴趣与工程意识，培养学生的创新精神和工匠精神。本文将仿真软件PSCAD用在光伏发电实验课程中，有效地解决了实验设备少的问题，加深了学生对光伏发电原理的理解与把握，锻炼了学生的动手能力，对光伏发电实验课程的教学是一种有益的创新和尝试，也为光伏发电技术等相关课程的实验教学提供了新的途径及方法。在应用仿真软件进行实验教学前，为了达到理想的教学效果，需要学生熟悉仿真软件的基本操作方法，对光伏发电的原理及并网方式的相关知识也要较好地掌握。■

参考文献

[1]姜萍，张欣，田华，等.光伏发电虚拟仿真实验教学平台[J].教育教学论坛，2019（3）：277-278.

[2]王卫，刘鸿鹏，吴辉.光伏并网逆变检测系统实验教学平台设计[J].电气电子教学学报，2015（5）：90-93.

[3]毕大强，郭瑞光.三相光伏并网发电技术实验平台设计[J].实验技术与管理，2018（2）：67-72.

[4]陈启卷，周元贵，何昌炎，等.储能型光伏发电系统实验平台研究[J].实验技术与管理，2015（9）：68-71，79.