虚实结合的光伏电池最大功率跟踪控制实验

罗萍 熊飞 吕霞付 申国勇

[摘 要] 针对光伏电池最大功率跟踪控制实验特点，为启发学生积极探索，以虚拟仿真实验对现有实验设备进行有效的补充，将理论分析与实际编程控制及调试完善很好结合，改革实验教学模式和考评办法，强化学生创新能力和综合能力培养。

[关键词] 光伏电池;最大功率跟踪;教学模式;虚实结合

[基金项目] 2018年度教育部产学合作协同育人项目“多学科交叉融合的风光互补发电系统实验实训教学改革与实践”（201801071016）;2018年度重庆邮电大学重点教改项目“新工科背景下能源互联网实验室立体化实验项目开发及教学研究”（XJG18107）;2019年度教育部产学合作协同育人项目“虚实结合智能电网信息工程专业实验改革与实践”（201901039065）

[作者简介] 罗 萍（1971—），女（布依族），贵州人，硕士，重庆邮电大学副教授，主要从事新能源技术研究。

[中图分类号] G642   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）02-0033-04    [收稿日期] 2020-04-28

一、引言

随着教育信息化的发展，《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》要求高等教育与信息技术进行深度融合，对人才培养模式进行创新[1]，国内越来越多的高校开始建立专业的虚拟仿真实验室[2]。教育部《关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》，鼓励依托现代信息技术，以相关专业类急需的实验教学信息化内容为指向，以完整的实验教学项目为基础，开展虚拟仿真实验教学项目的建设和申报，提高学生实践能力和创新精神[3]。随着世界能源危机以及生态环境的恶化，风能、太阳能等可再生能源被重视，光伏产业得到了快速发展，对产业人才也有大量的需求[4]。人才培养过程中，实验教学是教学活动中的重要环节，对于培养大学生的实践动手能力、开拓创新能力和提升大学生综合素质等方面起着举足轻重的作用[5]。因此，针对目前新能源实验中存在深入度不够，控制方法受设备限制无法开展创新设计，实验受环境条件限制等问题，结合学校已有实验教学设备，开展虚实结合的光伏电池最大功率跟踪控制实验的教学内容和模式改革。

二、光伏电池最大功率跟踪控制实验面临的问题

新能源发电与并网技术是智能电网信息工程专业、电气专业一门重要的专业课程。光伏发电系统是一种直接将清洁可再生的太阳能经光生伏特效应转换为电能的装置，光伏电池由于其特性转换效率低，在运行中需要进行最大功率跟踪控制。最大功率跟踪（Maximum power point tracking （MPPT）是指不断地跟踪最大功率点的过程，使得光伏方阵能以最大的功率输出，可以提高系统的输出，最大限度进行光电转换[6]。目前学校开展光伏电池最大功率跟踪控制实验面临的问题，主要有几个方面：（1）由于光伏发电系统内部工作机理复杂，学生无法真实感受和理解;（2）实验设备仪器成本较高，占地面积较大，实验设备仪器的台套数有限，影响学生对实验的更深入的开展;（3）受设备限制，光伏电池最大功率跟踪控制控制方法无法开展创新设计;（4）由于光伏电池输出功率受到光照、温度等多种因素的影响，实验设备不能模拟所有的环境和条件。由于上述原因制约了学生对相关理论知识点的理解以及利用相关知识解决实际光伏发电问题的能力，基于此，利用現代信息技术和相关仿真软件，拓展实验内容，拓展教学方式。

三、虚实结合的光伏电池最大功率跟踪控制实验

（一）目前实验条件分析

（1）并网及离网光伏发电系统一套，本套实验装置可开设光伏电池板认识实验，光伏发电系统认知实验，该装置优点是结合工程实际建设，可让学生认识光伏发电系统工程的组成、设备、基本控制原理与操作等，缺点是无法深入进行控制系统的设计，只能进行基本参数的设置。（2）风光互补发电实验系统五套，由于是实验台，因此相关控制板安装于面板上，便于学生了解控制系统的硬件组成，和进行一些控制回路的程序设计，但由于设备已经固定，无法进行发电系统的灵活设计，无法模拟环境的各种变化情况下的设备运行情况。（3）PSCAD/EMTDC电力系统仿真软件，依托该软件可以灵活组建光伏发电系统，设计控制方法等，但缺乏实际系统的认知与调试过程中解决问题的能力提升。

（二）知识点梳理

光伏电池最大功率跟踪控制实验可开展的实验项目性质包括：验证性实验、综合性实验和设计性实验，涉及的课程知识点包括以下五个部分。

1.新能源发电与并网技术，相关知识点为太阳能发电技术的结构构成与作用，光伏电池板特性，太阳能光伏发电的功率模型，太阳能发电控制技术等。

2.电力电子技术，包括直流—直流（DC—DC）变换电路，直流—交流（DC—AC）逆变电路，脉宽调制控制技术（PWM），储能系统中的双向DC—DC变换等。

3.单片机控制技术，包括单片机控制系统的硬件设计，单片机控制系统软件设计等。

4.传感器与自动检测技术，包括电压电流霍尔式传感器、光照传感器、温度传感器，检测与调理电路设计等。

5.电力系统仿真，包括PSCAD/EMTDC软件认识，PROTUES软件认识，光伏发电系统建模与仿真，PROTUES电压电流检测及仿真等。

通过实验培养学生能够基于电子电路、计算机、信号检测等科学原理，采用数学建模、系统仿真、分析设计等科学方法，对新能源领域的工程问题进行研究，能够采用计算机仿真、实物或半实物仿真等方法设计实验方案，搭建实验系统，进行实验，包括设计实验、分析与解释实验数据并得到合理有效的结论。

（三）虚拟仿真实验教学项目

虚拟实验，是指按照实验教学的目标要求，建立虚拟的工程实验环境，运用各种虚拟仪器和设备，对建立起来的实验模型进行实时仿真，构成新型的实验教学的方法[7]。虚拟仿真实验教学项目包括三个部分：光伏电池组件的建模和特性仿真、光伏电池最大功率跟踪控制仿真、电压电流检测硬件电路及软件AD变换仿真。

1.光伏电池组件的建模和特性仿真。本部分实验侧重于电池组件的特性与数学模型的建立，并基于仿真软件搭建光伏电池组件的测试电路，并改变环境温度和光照功率，测量电路电压和电流，并将其输出用曲线进行显示。

2.基于PSCAD/EMTDC的光伏发电最大功率跟踪控制。通过对光伏电池组件进行建模和特性仿真，了解光伏电池组件的结构与特性，了解在光伏发电系统中面临的问题，思考并设计跟踪控制方法。通过PSCAD/EMTDC仿真软件对光伏发电系统进行建模，对输出电压、电流进行检测和显示，设置MPPT参数，对发电系统输出功率进行测量和显示，分析和比较光伏发电系统最大功率跟踪控制输出功率与参数之间的关系。

3.电压电流检测调理电路设计及软件AD变换仿真。在进行实际设备的MPPT控制设计与调试前，基于仿真软件可以弥补设备台套数不够情况下的实验教学效果，仿真时可以采用8051或STM32进行AD转换，并进行程序的编写与调试。调理电路学生可以自行设计，针对不同的电路修改AD转换程序，并将结果显示出来，并进行调试修改和完善。

（四）扩展和充实学生实验

虚拟仿真实验通过计算机模拟真实实验所获得的已知规律，存在理想化和缺乏真实实验环境等不足的情况，而实际实验设备仪器的台套数有限，学生实验的深入程度不够，针对目前光伏发电实验系统面临的问题，利用已有实验条件，结合实验室PSCAD和风光互补发电实验装置，扩展和充实学生实验，开发虚实结合的光伏电池最大功率跟踪控制实验。虚实结合的光伏电池最大功率跟踪控制实验如图1所示，通过虚拟仿真实验加强学生理解光伏电池特性及影响因素，认识光伏发电系统组成，进行仿真，研究不同工作环境包括温度、照度等对光伏电池板输出特性的影响，仿真后，学生在实际光伏发电系统进行实验，对最大功率跟踪控制方法进行硬件组成认识，绘制图纸，编写控制程序，并在实验台进行调试。

虚实结合的光伏电池最大功率跟踪控制实验包括如下模块。

1.光伏电池板仿真与测试实验。在对光伏电池板建模仿真的基础上，利用现有实验装置，改变通过调光模块调节光照功率，测试记录并绘制光伏电池板的特性，与仿真结果进行比较，并分析实验结果。

2.DC-DC变换控制实验。本部分为电力电子变换模块，结合仿真模型调试，搭建不同的拓扑电路结构，改变PWM测试DC-DC变换电路的输出，并在风光互补发电实验装置上开展从电力电子器件到BOOST电路，再到控制电路、保护电路的认识，并测试和记录和分析输入输出与控制电路PWM之间的关系。

3.传感器检测实验。在PROTUES中进行仿真时，由于受到元件库的影响，霍尔元件只能采用已有的器件型号，但其原理是相通的，在AD变换时，程序也基本相同，只需根据实际电路修改变换参数即可。根据虚拟仿真结构，结构实际的检测模块，进行电压电流的测试，了解信号电压的偏移放大如何利用电路实现，测试过程中影响检测精度的因数。

4.最大功率跟踪控制与调试实验。本模块实验是前面各模块的综合，控制核心是检测BOOST电路输入、输出端的电压电流，采用恒定电压法、扰动电压法等方法，通过改变PWM占空比实现电路等效阻抗的改变，从而调节输出电压电流，使光伏电池工作在最大功率输出状态。实验中要求学生测试光伏电池板特性，绘制曲线，找出电池板最大功率点，然后编写程序进行自动控制，最后调试完善，观察记录最终系统稳定运行时最大功率与测量出的最大功率点是否一致，并与仿真结果比较，如图2所示并完善程序。

四、教学方法与考评方法改革

虚实结合的实验实训教学中，对实验内容的组织和实验过程的设计尤其重要，同时课程教学模式与完善的考评方法对学生的学习积极性有着极大的促进作用。明确虚实结合的光伏电池最大功率跟踪控制实验项目、教学方法、考评方法及能力培养相互关系，提高学生创新思维与工程能力。

（一）教学内容、实验模式层层递进

从电池板模型到电池板特性，从电池板特性到电力电子变换，从参数测量到最大功率跟踪控制，实验模式也从虚拟仿真—现场实操—虚实结合之间根据教学内容而变。

（二）丰富教学方法

针对实验项目内容与性质、虚拟仿真与现场实操，针对性开展翻转式教学，包括课前、课中和课后环节。课前，发布任务，提供教学视频，学生可以借助网络、图书馆等资源开展预习，并利用仿真软件完成部分实验;课中，针对实验利用学习通等发布部分随堂练习，了解学生学习情况，并依托实验平台，进行多媒体讲解，现场演示，实验要求，分组设计与实验，程序编写，现场调试，问题分析，完善设计，解决问题;课后，虚实结果的对比分析总结，并按要求完成实验报告。教学中强化课程思政与教学内容的结合，明确能源与环境，设备与安全规程，鼓励团队合作，创新思维设计等。由于采用虚实结合的实验教学，因此学生分组更细，实验更深入，虚拟仿真实验每组1人开展实验，现场发电装置最大功率跟踪控制实验时，分组实验，每组4—6人。现场分组人数虽然较多，但由于虚拟仿真实验的补充，强化了学生对实验中相关专业知识点的理解，部分实验内容可以在虚拟仿真实验中进行，并在现场实验平台上进行验证，因此虚实结合的光伏电池板最大功率跟踪实验保证了在有限的课时和较好的教学效果。

（三）完善考评方法

考评环节综合考虑各环节的实验情况，实验成绩包括平时成绩和报告成绩，平时成绩则包括方案设计、仿真及调试结果，相互协作，现场表现及学习通随堂练习等，针对学生的设计、动手、仿真、调试等各个环节分别进行打分。例如光伏电池板特性仿真实验按每个人单独进行评价，现场发电装置最大功率跟踪控制实验按组考核学生，确保每位学生认真参与实验实训的各个环节，同时考评中鼓励学生创新思维，综合多项评分完成学生的考评。目前，虚实结合光伏电池板最大功率跟踪控制实验已经开展，可面向智能電网信息工程、电气工程等专业开展相关实验，在重庆邮电大学该实验是独立实验，以智能电网信息工程专业实验、智能电网信息工程综合实验的形式开展，可以设置为综合实验中的一个新能源模块，也可以在专业实验和综合实验中分阶段开展，并取得较好的教学效果。

五、结论

通过结合PSCAD/EMTDC和PROTUES等仿真软件，并与学校现有风光互补发电实验装置结合，开展虚实结合的光伏电池板最大功率跟踪控制实验内容的设计和实验过程的组织，改革考评方法，合理实现虚拟仿真与传统实验的优势互补，将虚拟实验与现有设备相结合，通过分阶段、相融合的方法，启发学生积极探索，培养学生创新思维，强化了学生综合能力和工程能力的培养。

参考文献

[1]杜月林，黄刚，王峰，等.建设虚拟仿真实验平台 探索创新人才培养[J].实验技术与管理，2015，32（12）：26-29.

[2]祖强，魏永军.国家级虚拟仿真实验教学中心建设现状探析[J].实验技术与管理，2015，32（11）：156-158.

[3]中华人民共和国教育部.教育部办公厅关于2017-2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知[S].北京：中华人民共和国教育部，2017

[4]郭连贵，张洪涛，周青，等.光伏专业应用型本科人才培养模式探析[J].职业技术教育，2012，26（33）：31-34.

[5]王晓岗，张星，李静，等.开放实验教学管理研究[J].實验技术与管理，2012，29（4）：155—157.

[6]于少娟，刘立群，贾燕冰.新能源开发与应用[M].北京：电子工业出版社，2014.

[7]宋象军.虚拟实验室在高校实验教学中的应用前景[J].实验技术与管理，2005，22（1）：35-37.

On Maximum Power Point Tracking Control Experiments of Photovoltaic Cell Based on the Combination of Virtual and Real Experiments

LUO Ping， XIONG Fei， Lu Xia-fu， SHEN Guo-yong

（School of Automation / School of Industrial Internet， Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 400065，China）

Abstract：According to the characteristics of the maximum power point tracking control experiment of photovoltaic cell， and in order to inspire students to explore actively， the virtual simulation experiment is used to effectively supplement the existing experimental equipment. It shows the theoretical analysis is well combined with the actual programming control and debugging， the experimental teaching model and evaluation method are reformed， and the innovation ability and comprehensive ability of students are strengthened.

Key words：photovoltaic cell; maximum power point tracking（MPPT）; teaching model; combination of virtual and real experiments