“新能源发电技术”课程项目驱动式教学研究

周小杰

（安徽科技学院 电气与电子工程学院，安徽 蚌埠 233100）

0 引言

电气工程及其自动化专业的“新能源发电技术”是一门与现场工程联系紧密、专业综合性强的课程[1-3].该课程涉及光伏发电技术、风力发电技术、生物质能发电技术、水力发电技术、核能发电技术等，初级能源变换方式较多，知识面较广[4-5].如果授课教师仍采用传统课堂讲授的方式以教师为中心，因学生参与度低，不能有效激发学生的学习兴趣，会导致教学效果不理想.

项目驱动式教学法以学生为主体、教师为主导，以项目为媒介，使学生主动参与到教学活动中，充分调动其主动性和积极性，激发其求知欲望，进而达到教学目标[6-7].因此，本文将项目驱动式教学法引入“新能源发电技术”课程中，以单相光伏并网发电系统为教学案例介绍项目驱动式教学的具体实施过程.

1 项目驱动教学案例：单相光伏并网发电系统

1.1 项目描述

依据教学大纲目标要求，设计相应的项目，并对其设置多个阶段的完成目标，描述各个阶段具体的要求.项目描述要简单明了，突出具体实现目标，在描述各个阶段的要求时保留学生进一步拓展发挥的空间.

光伏并网发电系统这部分教学内容相应的教学目标是掌握光伏发电系统MPPT 控制技术、锁相环的基本原理和两级并网光伏发电系统的工作原理.

PSIM 是面向电力电子以及电机控制领域的仿真软件，具有用户界面友好、容易掌握、仿真速度快、兼容性好等优点，因此选择PSIM 作为软件仿真平台.本项目采用PSIM 软件建立3 kW 单相光伏并网发电系统，并通过仿真实现单位功率因数并网.项目中光伏阵列的最大功率电压为124 V，最大功率电流为19.2 A，直流母线电压设为350 V；光伏并网逆变器采用两级式结构，前级为Boost 变换器，后级为单相两电平逆变器.

核心目标分解：

（1） 实现光伏阵列的最大功率追踪；

（2） 完成锁相，实现并网逆变器单位功率因数并网（仅输出有功功率）.

课程思政：

在描述项目的过程中，可以加入介绍目前我国能源利用的现状、发展新能源发电技术的环境和经济意义、我国光伏并网发电的发展历史及经过不懈努力取得辉煌成果的真实事件等，激发学生爱国主义情怀和专业知识探究热情，使其树立正确的价值观.

1.2 项目分析

首先，将全班学生按每组成员5～6 人进行分组，可以学生之间自由组合，每组选一名组长负责组织和协调在项目实施过程中遇到的相关问题.在进行任务分工时，可以将任务分为基础任务和团队合作任务等，基础任务是由每个小组成员完成，而团队合作任务则由小组内成员之间合作完成，组内各成员要积极分享与讨论，使所有同学都能掌握相关的知识和技能.

然后，由教师分析项目所需的相关理论知识.

构成光伏并网发电系统的主要有四大部分：光伏阵列、Boost 变换器（包含MPPT 控制算法模块）、单相并网逆变器（逆变控制模块）、锁相环.因Boost 变换器、单相并网逆变器的基本原理在“电力电子技术”这门课程中已有分析，光伏阵列的输出特性也比较简单（PSIM 中有专门的模块），因此主要分析MPPT 控制算法、逆变控制算法和锁相环.

（1） MPPT 控制算法.

为方便学生理解最大功率跟踪算法，可采用扰动观察法.教师将该方法的基本原理介绍给学生，并画出算法流程图，如图1 所示.

图1 扰动观察法流程图

（2） 锁相环.

光伏发电系统要接入电网，与电网同步就是一个要解决的关键问题.只有实现同步才能使电网和光伏并网发电系统协调一致地工作.这里采用锁相环（Phase-Locked Loop，PLL）实现电网同步.对于三相并网发电系统，广泛采用的是基于同步旋转坐标系的锁相环（Synchronous Reference Frame Phase-Locked Loop，SRF-PLL），然而对于单相并网发电系统，由于只有一相电压，无法直接利用SRF-PLL.通过构造两相正交量，一相直接取自电网电压，另一相将电网电压延时900（即延时1/4T，T 为电网电压周期）后得到，有了两相正交电压后即可使用SRFPLL，实现框图如图2 所示.

图2 单相锁相环原理框图

（3） 逆变控制算法.

检测直流母线电压Udc与其给定值比较，进入PI 控制器，PI 控制器输出为并网电流幅值，将其乘以cos（θ′）得到并网电流瞬时值与实际并网电流瞬时值比较，将比较值送入PI 控制器得到PWM 控制电压.逆变控制算法原理框图如图3 所示.

图3 逆变控制算法框图

1.3 项目实施

教师首先介绍光伏发电的相关背景，如目前我国电能利用的现状、环境保护和化石能源短缺的现状等，引出发展新能源发电的重要性和紧迫性，对学生进行思想政治教育，激发同学们的爱国主义情怀和环保意识，要求学生在进行项目汇报时，谈谈自己的理解.

然后进行小组分工，教师分析项目核心及知识点，最后由学生开始进行项目的具体实施.在实施期间如果遇到问题，首先是自己尝试解决，其次是小组成员间讨论解决，最后是寻求教师的帮助.这样可以养成学生自己分析问题、解决问题的能力，而不是直接向教师求助.项目驱动教学核心是以学生为中心，使学生在一个预先设计好的项目场景下自主学习，促使其发挥积极性、主动性，充分体现学生的首创精神.项目基础任务和团队合作任务的设置，充分考虑了学生的自主学习和交流协作学习，使每位学生能够共享团队的思想和智慧，共同构建知识.

教师由传统的讲授知识转变为观察和引导，采用巡回指导的方式，引导小组内成员讨论、分析、解决问题，要仔细观察发现学生在项目实施过程中遇到的困难及相应学生的特点和优势，以此帮助学生发挥自己的优势克服困难.通过观察各小组项目实施进度的不同，要对项目实施相对困难的小组给予更多的关注.

下面是笔者整理后的某一小组通过PSIM软件平台搭建的单相光伏发电系统及相关仿真结果.图4 为学生在PSIM 环境下搭建的单相光伏发电系统.

图4 学生搭建的单相光伏发电系统

设置光伏电池板的相关输出参数，如图5所示.

图5 光伏电池板参数设置

采用PSIM 内部C-Block 模块，通过C 语言编写扰动观察算法模块，如图6 所示.

图6 C-Block 编写扰动观察算法

运行最大功率追踪模块，观察所搭建的MPPT 控制模块能否捕捉到光伏电池板的最大功率点.

图7 光伏电池板输出电压电流功率波形

从图7 光伏电池板输出电压电流功率波形来看，采用扰动观察法可以比较准确的捕捉到最大功率点（光伏电池板输出电压平均值约123 V，输出电流平均值约19.3 A，接近设定值），同学们通过波形能直观的观察追踪的结果，能极大地提高学生的学习兴趣.

为了验证锁相算法的正确性，通过锁相模块输出观察锁相算法是否正常，仿真结果如8所示.从仿真的波形可以看出锁相算法准确地跟踪到了电网电压角度.

图8 锁相环输出角度波形

将直流母线电压设置为350 V，通过仿真观察直流电压控制效果如图9 所示.

图9 直流母线电压波形

通过对图9 所示波形的观察，控制算法较好地将直流母线电压控制在350 V 左右，但是发现两电平单相电压型并网逆变器直流母线电压存在2 倍于电网电压频率的谐波分量，教师可以通过提出“直流母线电压为什么会有谐波分量、是不是PI 参数没调好还是系统固有”的问题，以此来引导学生分析问题，培养学生的科学探究精神.

图10 电网电压、并网输出电流波形

从图10 可以看出，逆变输出电流波形也是标准的正弦电流，并且电流波形与电压波形同相，将母线能量转化为交流能量传输到电网的同时实现了单位功率因数并网.

1.4 项目汇报与评价

项目实施完成后，每个小组汇报本组的项目实施情况和感想.实施情况汇报采用软件仿真结果演示和总结汇报的形式.软件仿真演示需要演示MPPT 控制算法追踪结果、锁相环输出、直流母线电压和并网电流等关键核心部分的波形，来确定有没有达到控制目标，可以由组长负责演示.总结汇报是教学中的重要环节，需要小组全体成员精心合作准备，主要汇报本小组的工作，汇报主要采用PPT 的方式，汇报过程中还需要回答教师的提问，注重学生的归纳总结和语言表达能力.汇报的内容主要包括：小组内分工情况，具体做了哪些工作，项目实施过程中遇到哪些问题、如何解决、结果如何，有没有需要改进的地方以及对项目的感想等.通过汇报可以锻炼学生的语言表达能力，让学生有自我展示的机会，也可以让教师更好的了解每个学生的情况，发现学生的长处并加以培养.

项目评价分为学生个人评价和小组评价.

对学生的个人评价，包括学生自评、组内成员互评、教师评价，将这3 个评价成绩按事先定好的权重系数累加后得到最终的学生评价成绩.评价的内容包括基础任务完成情况、团队任务完成情况、组长表现等，其中组长表现是对每组组长的评价，因组长负责组织和协调在项目实施过程中遇到的相关问题，帮助组员完成工作，对项目的结果负责.

对小组的评价，首先每个小组对本组的项目实施结果进行自评，然后小组间进行互评，最后教师点评，将这3 个评价成绩按事先定好的权重系数累加后得到最终的小组评估成绩.

教师对每个小组的实施项目情况进行分析和总体评价，特别是一些不足之处如何改进，讲解其中涉及的相关知识，激发学生思考.教师对学生实施项目的感想进行相关引导，如:有的同学谈到通过查阅资料和项目实施，加深理解了节能环保对人类社会可持续发展的重要性，教师此时要引导学生建立节能环保意识，激发学生的职业使命感和社会责任感.

对项目实施结果较好的小组和表现优秀的学生要提出表扬，对项目实施过程中遇到的一些典型问题进行回顾，最后对本门课程以后的学习进行展望.整个教学活动结束后，教师复盘本项目的实施过程，思考教学中存在哪些需要改进的地方，以便在未来的项目驱动式教学中继续改进和优化.

2 结语

将项目驱动式教学法引入电气工程及其自动化专业“新能源发电技术”课程中，从本项目实施过程和结果来看，学生在“新能源发电技术”课程的知识掌握上有明显的提高，项目驱动式教学法创建了一个以学生为中心的创造性的环境，使学生可以将所学专业知识联系起来分析问题、解决问题，激发了学生的学习兴趣，培养了学生的科学探索精神，在团队合作方面，每个学生都有自己的任务分工，具有参与感和责任感，愿意与其他同学合作共同为团队做贡献，学生团队合作意识得到增强.总的来说，项目驱动式教学取得了比传统教学方法更高的教学效率和更好的教学效果.