孙章 陈湘 阎铁生 宋潇潇
摘 要
针对光伏发电技术，探索以工程实践为导向的实验教学改革。提出实验教学设计的具体方法，包括搭建基于Matlab/Simulink软件的开放性实验模块，设计光伏发电特性分析实验，在此基础上探索了改进的实验教学方法。结果表明，改革成果促进了课程实践教学质量的提升，培养了学生分析问题能力、创新学习能力，以及实践应用能力。
关键词
光伏发电技术;工程实践;模块化实验模型;实验教学改革
中图分类号： TM615 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.16.018
光伏发电技术和新能源行业发展紧密相关，近年来新能源行业发展迅速，市场应用规模逐年增长[1]，倒逼高校进行课程教学改革，尤其在实践教学环节，迫切需要研究面向工程实践应用的教学改革，从而适应行业技术水平的发展。本文针对光伏发电技术实验教学进行改革，提出以工程实践问题为导向的改革方法，采用递进式方法设计基础验证型和拓展创新型实验，并借助Matlab/Simulink软件，为学生搭建模块化实验模型具有良好的灵活开放性，并提供简洁的操作界面，有效丰富实验内容。在此基础上改革实验教学方法，利用仿真实验和实践操作相结合，项目分组式教学，深度融合科研与教学，并建立“理论+技术+实践”的成绩评价指标。通过对光伏发电技术实验教学的改革探索，形成的成果可推广至风力发电、储能、温差、潮汐、地热等多种新能源与分布式发电实验教学，促进新能源与分布式发电技术教学水平的提升。
1 实验教学内容设
分布式光伏发电工程实践建设过程中需要综合评估光伏电池产品的性能指标及其输出特性，环境影响因素，以及系统容量配置等方面。以此为出发点，研究设计基础验证型实验，包括搭建基于Matlab/Simulink的光伏阵列PV模块，科学设置针对性的实验内容，培养学生扎实的专业基础理论知识，较强的数据分析能力及实践应用能力。
1.1 实验模块搭建
根据光伏阵列的数学模型[7]，利用Matlab/Simulink软件搭建光伏阵列的PV仿真模型，如图1（a）所示，其参数设置模块如图1（b）所示，其中Isc、Im、Um、Uoc、Sref、Tref为常量，其取值根据光伏电池板的具体型号设定。光伏阵列PV模块左边为输入设置部分，可以模拟设置温度变化曲线和光照变化曲线，以及固定温度和光照强度的设定，通过设置参数[m1，m2，m3，m4]，灵活切换不同的输入模式，以配合光伏特性实验分析;PV模块右边为输出显示的示波器部分，用于观测温度、光照变化曲線，输出功率曲线，以及功率特性曲线，输出的数据也可以单独保存。
1.2 实验1：光伏发电系统容量配置及其影响因素
本实验重点学习分析光伏组件容量配置，以及分析影响光伏发电系统输出功率的因素。结合实际工程中由若干光伏电池组件进行串并联构成光伏发电系统的容量，实验要求学生以某型号250W光伏电池板为例，分析设计一套10kW的光伏组件。同时，要求学生针对单个电池板，分析影响其功率输出的因素及规律，合理评估光伏系统工程应用时的环境影响因素。
1.2.1 光伏阵列参数设置：
双击PV模块进入参数设置界面，根据某型250W光伏电池板参数，设置[Im，Um，Uoc，Isc，Sref，Tref]=[8.31，30.1，37.8，8.78，1000，25]，如图1（b）所示;输入部分设置[m1，m2，m3，m4]=[0，0，1，0]，此时光照强度、温度均为标准值S=1000Lux/m2，T=25℃;输出部分通过示波器观测输出功率如图2（a）所示，符合实际功率输出指标。
1.2.2 光伏发电系统容量配置
根据单块电池板的功率为250W，实验配置10kW光伏发电系统，需要40块电池板进行串并联构成，要求学生确定串并联的具体结构，需要兼顾实际系统的电压与电流的匹配问题。以直流母线电压600V为例，可以采用10×4结构，采用10块一串（电压300～400V），然后4串并联（峰值电流约13A）。设置参数[Im，Um，Uoc，Isc，Sref，Tref]=[8.31×4，30.1×10，37.8×10，8.78 ×4，1000，25]，输入部分设置[m1，m2，m3，m4]=[0，0，1，0]，输出结果如图2（b）所示，符合系统指标。
1.2.3 光伏发电影响因素分析
以单个250W电池板为例设置PV模块的参数，实验分析考虑光照和温度的变化对输出功率的影响规律，从而学会根据安装环境条件对实际光伏发电系统的容量进行配置。输入部分设置[m1，m2，m3，m4]=[1，0，1，0]，分析温度对输出功率的影响，学生可以通过调研某地实际的温度情况，通过输入部分的T1模块植入温度曲线，结果如图2（c）所示;同时，设置[m1，m2，m3，m4]=[0，1，1，0]，学生可以通过调研某地实际的光照情况，通过输入部分的S1模块植入光照曲线，分析光照对输出功率影响，结果如图2（d）所示。
1.3 实验2：光伏阵列输出特性分析
光伏阵列发电输出的功率需要经过变换处理之后才能使用，设计实验对光伏阵列的输出特性进行分析，包括功率-电压特性曲线（P-U），电压-电流特性曲线（U-I）。本实验以单个250W电池板为例分析温度固定情况下，实验分析不同光照强度下的特性曲线，设置[m1，m2，m3，m4]=[0，0，0，0]，改变输入部分光照S的给定值，得到输出的P-U曲线和I-U曲线如图3（a）所示;当光照不变情况下，改变温度T的给定值，绘制特性曲线如图3（b）所示。学生根据曲线进行分析，深入了解光伏阵列的发电特性，提高发现、分析问题的能力，并可以指导工程实践。
2 教学方法设计
依托我校电气专业实验中心的计算机和新能源发电实物平台，将本文研究设计的光伏发电技术实验教学改革的成果推广应用到新能源与分布式发电课程实践教学环节，充分考虑课程的工程技术性、综合交叉性等特点，探索适应课程特点的教学方法，研究提出的具体教学改革方法如下：
2.1 仿真实验与实践操作相结合
依托实验中心现有的计算机及其安装的Matlab/Simulink软件，将教学改革的实验仿真模型配置到现有计算机，不需要重复性的软硬件投入，有效丰富实验教学的内容，培养学生扎实的基础理论知识，较强的工程实践应用能力。同时，依托中心的新能源与微电网实验平台，帮助学生熟悉分布式发电系统构成及运行控制操作学习，增强学生的感性认识，以及实践动手操作技能。
2.2 项目分组式教学方法
依托实验教学改革提供的实验仿真模型和具体实验内容，采用项目分组式教学方法，学生分组讨论方案+实验方法+汇报答辩主动参与，积极调动学生实验的自主创新学习能力。教师负责提供过程辅导，答疑及方案评估，从而培养学生发现问题、分析问题，解决新能源与分布式发电技术工程实践问题的能力。
2.3 建立综合性考核评价指标
新能源与分布式发电涉及分布式光伏、风力、储能、温差等多种发电形式，基础理论知识涉及面广泛，工程技术实践性强，要求从业人员既要掌握新能源的基本原理，还要熟悉新能源应用的电力变换处理技术，以及工程安装应用技术。针对以上特点，研究设计一套涵盖理论考核指标+技术性考核指标+工程实践指标的综合评价体系，从而合理评价学生的专业基础知识，技术创新能力及工程运用能力，激发学生的积极性和创造性。
2.4 加强科研与教学的融合
依托我校电力电子节能技术与装备四川省高校重点实验室科研团队资源，积极将新能源分布式发电技术相关的部分科研课题与实验教学相融合。教师结合科研项目任务，发布一些微型子课题，让感兴趣的学生参与进来，指导教师负责确定实验课题，技术路线指导，从而引导学生积极投身科研，培养良好的科研实验习惯，实践能力，扩展学生视野。
3 结语
本文针对光伏发电技术进行实验教学的改革研究，提出了以工程实践为导向的教学改革具体方法，搭建了灵活开放的模块化实验仿真模型，建立了光伏发电特性分析实验内容体系，并完成了对实验教学方法的改革探究。目前，已经将教学改革取得的成果推广至风力发电、储能、温差、潮汐、地热等多种新能源与分布式发电实验教学，并应用到我校2015级和2016级学生的实践教学，有效促进了教学水平的提升。同时，我校已于2018年通过了工程教育专业认证，有效期6年，我们也将根据工程认证的要求，加强对实验教学环节的持续性改进。
参考文献
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