实验题目：光伏发电系统自动跟光的设计与调试

1. 课程简要信息

课程名称：电工实训
课程学时：30学时
项目学时：课内10学时 $+$ 课外 2学时
适用专业：发电厂及电力系统专业
学生年级：大三上半学期

2. 实验内容与任务

KNT-WP01型风光互补发电实训系统采用模块式结构，各装置和系统具有独立的功能，可以组合成光伏发电实训系统、风力发电实训系统。该系统能够使学生掌握风光互补的发电原理、发电装置安装、系统设计、系统联调、能源信息与互联、故障排除、情景分析以及职业素养等方面的团队协作能力。

光伏发电系统自动跟踪设计与调试实训项目以光伏发电实训系统为对象，光伏发电实训系统主要包括光伏供电装置和光伏供电系统。本实验实现光伏电池组件光源跟踪控制，其目的是使光伏电池组件跟踪光源以获取较大的光能、输出较大的电能。具体要求如下。

基本要求：

（1）完成光伏供电系统相关电路的绘制与分析（2）实现光伏电站对光源跟光功能。（3）完成光伏电站特性参数测试。（4）完成光伏供电系统调试及排故障。

拓展要求：

（1）完成光伏电站搭建。（2）光伏电站规划设计，利用规划软件设计出合理的光伏电站规划方案，编制可行性实施报告。

3. 实验过程及要求

（1）理解光伏供电装置和光伏供电系统的组成。（2）掌握光伏供电系统各组成部分的工作原理。（3）识读光伏电源控制单元面板、电气原理图和光伏输出单元显示面板（4）绘制光伏供电主电路的电气原理图。（5）光伏供电装置实训：光伏电池方阵和光伏供电装置组装及排故障（6）光伏供电系统实训分别四部分内容。 $\textcircled{1}$ 光伏供电系统接线。 $\textcircled{2}$ 正确使用光纤传感器。 $\textcircled{3}$ 光伏电池组件光源跟踪控制程序设计。 $\textcircled{4}$ 光伏电池的输出特性测试及排障。（7）分组比拼、讨论心得体会，撰写实验总结报告。

4. 相关知识及背景

本实训授课对象为发电厂及电力系统专业大三学生，前期已学习过《新能源技术》、《光伏发电及应用》、《电气控制与 PLC》、《AutoCAD 电气工程制图》等课程，已经掌握了光伏发电基本理论知识，已具有基本识图和绘图的能力。前期已修完《电工仪表实习》、《电气控制实习》、《金工实习》等实训，已具备 PLC 编程能力和较强的接线能力。

本实训围绕光伏发电系统自动跟光展开，采用企业研发 KNT-WP01 型风光互补发电实训系统，需要学生运用光伏发电技术、发电装置安装、系统设计、电气控制与PLC技术、传感器及检测技术等相关知识与技术方法，并涉及系统联调、能源信息与互联、情景分析等新能源产业发展新技术、新方法。

5. 实验环境条件

（1）KNT-WP01 型风光互补发电实训系统

KNT-WP01型风光互补发电实训系统主要由光伏供电装置、光伏供电系统、风力供电装置、风力供电系统、逆变与负载系统、监控系统、能源管理云平台等组成。如图5-1所示。

图 5-1 风光互补发电实训系统

（2）软件资源

$\textcircled{1}$ 西门子 STEP7-MicroWIN SMART V2.4 软件

软件 STEP7-MicroWIN SMARTV2.4 可以用来 PLC 编程，绘制电气原理图等。如图5-2 所示。

$\textcircled{2}$ KNET-SPVS 光伏系统设计软件

光伏系统设计软件能够用于光伏电站和光伏发电应用系统的的规划设计和仿真，主要包含路灯系统、光伏水泵系统、离网系统、用户侧并网系统、高压并网系统五个典型系统的设计类型。如图 5-3 所示。

$\textcircled{3}$ 能源互联网云平台和组态监控系统软件。

能源互联网云平台能够完成信息化系统的组网搭建，通过配置采集光伏电站、风电场以及能源转换平台的关键数据并登记至云平台，能够编程开发发电站功率的边缘计算算法，在云平台端登记历史数据及报警规则等。

组态监控软件能完成通信建立和本地监控系统搭建，如完成对光伏电站设备运营管理、检测与控制、特性测试界面的查看等功能，如图5-4 所示。

图 5-2 STEP7-MicroWIN SMART V2.4 软件

图 5-3 KNET-SPVS 光伏系统设计软件

图5-4 能源互联网网络结构图

图 5-5 组态监控软件中的电站设备检测与控制界面

（3）其他硬件资源

示波器、万用表、导线套管打码机、光线传感器、网线测试仪、电烙铁及其他常用电子元器件和电工工具等。

6. 教学目标与目的

以完成光伏发电系统自动跟光为实训目的，引导学生掌握光伏发电原理，理解光伏供电装置和供电系统的组成，掌握光伏电池方阵的安装和光伏供电装置组装方法，掌握光伏电池组件跟踪手动控制和自动控制程序设计的方法，引导学生完成系统接线，正确使用万用表、光线传感器，完成系统设计和联调、能源信息与互联、故障排除，培养学生情景分析以及职业素养等方面的团队协作能力。

7. 教学设计与实施进程

本实验的过程一个比较完整的工程实践工程，主要分为光伏发电基本理论知识学习、识读电气接线图、绘制电气原理图、光伏发电设备的安装与接线、光源跟踪程序设计、光伏电站的特性参数测试等几个环节。主要采用精讲理论-动手操练-实践提升-多方位评价的教学过程，改变原有“填鸭式”满堂灌的教学模式，把学生作为实训课程主角，教师和企业导师起引导作用，将实训课堂还给学生。同时在实训过程中对接国际相关标准，国家相关标准和行业相关标准，培养学生职业素养和岗位工作能力，实现后续就业“零距离”上岗。

本实训使用全国职业院校技能大赛高职组赛项制定设备，将课程考试考核与职业技能鉴定合并进行，全面融入《GB/T18210-2000 晶体硅光伏方阵I-V 特性的现场测量》、《 GB/T19115.1-2003 风 光 互 补 发 电 系 统 》 、 《 IEC61194Characteristic parameters ofstand-alone photovoltaic（PV）独立光伏系统的特性参数》、《IEC61173 Overvoltageprotection for photovoltaic（PV）Power generating systems-Guide 光伏发电系统过电压保护》等国际相关标准，国家相关标准和行业相关标准，将教学内容进行梳理，主要分为望 识 绘 $\ \longrightarrow$ 接 $\ \stackrel { \cdot \to } { \longrightarrow }$ 设 问 测 评 拓，九个教学流程。

【望】：现场观察光伏发电装置和光伏发电系统的结构和组成，分析各组成部分的工作原理。回顾复习光伏发电原理、电气控制与 PLC 等相关理论知识，为后续学习打下坚实理论基础。

【识】：识读光伏供电控制单元面板及电气原理图等，进一步提升学生读图能力。理解设备、器件的安装和接线是设备运行前最重要的工作。深刻理解光伏供电装置工作原理，为攻克教学重点：何为最大功率点，做铺垫。

【绘】：绘制光伏供电主电路电气原理图，掌握光伏供电系统工作原理，进一步提升学生绘图能力，为后面识读光伏电站特性曲线做铺垫，为攻克教学难点 $\textcircled{1}$ ：光伏电池最大功率点跟踪光源控制能够使光伏电池组件获得最大光能而输出最大的电能，做准备。

【接】：光伏供电装置的组装和光伏供电系统的接线。学生按照设备、器件和安装和接线工艺要求进行操作，将行业标准和企业考核标准引入课堂，培养学生遵守操作规程、安全、文明生产的习惯，认真负责的态度，吃苦耐劳的精神，同时要求学生着装规范整洁，爱护设备，保持工作环境清洁有序。将课程思政以润物细无声的形式播撒在授课过程中。培养学生较强的动手操作能力，为攻克教学难点 $\textcircled{2}$ ：光伏电站特性参数测试，做准备。

【设】：根据前期所学电气控制与 PLC 相关知识，进行光伏电池组件电源手动和自动跟踪控制程序设计和调试。理解光伏电池组件光源跟踪控制能够使光伏电池组件获取较大的光能而输出较大的电能，为攻克教学难点 $\textcircled{1}$ 做进一步准备。

【问】：精讲最大功率点，光伏电池的开路电压、短路电流等特性参数，精讲输出特性和输出功率特性，攻克教学重点和教学难点 $\textcircled{1}$ 。

【测】：光伏电站特性参数测试。通过测试相关光伏电站的输出参数得到不同光照强度下，光伏电池方阵的输出特性和输出功率是不同的，最大功率点跟踪控制能够使光伏电池组件获得最大光能而输出最大的电能。攻克教学难点 $\textcircled{2}$ 。

【评】：引入全国职业技能大赛高职组“风光互补发电系统安装与调试”赛项考核标准和行业企业标准，进行过程评价、现场评价和结果评价，企业导师、校内导师、组内成员和组外成员作为多方评价员，边学边评，边评边做，以评促学，学做评同步。同时对评价数据进行实时采集和统计分析。

【拓】：学习兴趣浓厚的学生课下可进行新能源等技术的科学研究，可进一步进行研究风力发电系统等，夯实专业知识，提升岗位能力和职业技能，为“零距离”对接企业做准备。还可参加全国职业技能大赛，提升实践操作技能等。

8. 实验原理及方案

【望】光伏供电装置和光伏供电系统的组成。

（1）光伏供电装置

光伏供电装置主要由光伏电池组件、投射灯、光线传感器、光线传感器控制盒、光照度传感器、汇流箱、水平方向和俯仰方向运动机构、摆杆、摆杆减速箱、摆杆支架、单相交流电动机、电容器、直流电动机、接近开关、微动开关、底座支架等设备与器件组成。光伏供电装置的电站移动方向的定义和摆杆移动方向等的定义如图8-1 所示.

将四块光伏电池组件并联构成光伏电池方阵，光线传感器和光照度传感器安装在光伏电池方阵中央。2盏300W 的投射灯安装在摆杆支架上，摆杆底端与减速箱输出端连接，减速箱输入端连接单相交流电动机。电动机旋转时，通过减速箱驱动摆杆作圆周摆动。摆杆底端与底座支架连接部分安装了接近开关和微动开关，用于摆杆位置的限位和保护.

水平和俯仰方向运动机构由水平运动减速箱、俯仰运动减速箱、直流电动机、接近开关和微动开关组成。直流电动机旋转时，水平运动减速箱驱动光伏电池方阵作向东方向或向西方向的水平移动、俯仰运动减速箱驱动光伏电池方阵作向北方向或向南方向的俯仰移动，接近开关和微动开关用于光伏电池方阵位置的限位和保护。光线传感器用于检测东、西、南、北四个方位的光线信号，光照度传感器用于检测照射在太阳能电池板表面的辐照强度。

（2）光伏供电系统

光伏供电系统主要由光伏电源控制单元、光伏输出显示单元、触摸屏、光伏供电 控制单元、充/放电控制单元、信号处理单元、西门子 S7-200 smart PLC、继电器组、 接线端子排、蓄电池组、可调电阻、断路器、24V 开关电源、网孔架等组成，如图8-2 所示。光伏供电控制单元的追日功能有手动控制和自动控制两个状态，可以进行手动或自动运行光伏电池组件双轴跟踪、灯状态、灯运动操作。

KNT-WP01 型风光互补发电实训系统如图8-3 所示。

图 8-1 光伏供电装置外形图及方向定义
图 8-2光伏发电供电系统
图 8-3KNT-WP01 型风光互补发电实训系统

【识】光伏供电装置与供电系统的安装接线图

光伏供电装置与供电系统的安装接线图，如图8-4所示。

图 8-4 光伏供电装置与供电系统的安装接线图

【绘】光伏供电主电路电气原理图

光伏供电主电路电气原理图，如图8-5所示。

图 8-5 光伏供电主电路电气原理图

【接】光伏供电装置和供电系统的安装与接线

（1）完成光伏供电装置的组织，并根据光伏供电系统朱电路电气原理图和接插座图，将将电源线、信号线和控制线接在相应的接插座中。即完成光伏供电装置的安装。

（2）完成光伏电源控制单元、输出显示单元、供电控制单元的接线以及 S7-200SMARTPLC 的布线及接线。即完成光伏供电系统的接线。

图8-6 为学生在进行光伏供电系统接线。

【设】光伏电池组件光源跟踪控制程序设计

完成光伏电池组件跟踪手动控制和自动控制程序设计。光伏电池组件光源跟踪控制的目的是使光伏电池组件跟踪光源以获取较大的光能、输出较大的电能。图8-7 为部分光伏供电主程序。

图 8-6光伏供电系统接线

图 8-7光伏供电主程序图

【问】光伏电池开路电压在不同光照下的区别。何为最大功率点。

分析在室外自然光照条件下和在室内灯光的情况下，用万用表测量光伏电池方阵的开路电压，分析光伏电池方阵在室内、外光照条件下开路电压区别的原因。

所谓光伏电池的开路电压是将光伏电池置于特定的太阳光照强度和环境温度下，输出开路时，光伏电池的输出电压。光伏电池的开路电压与光谱辐照度有关，与光伏电池的P-N结面积无关。当入射光谱辐照度变化时，光伏电池的开路电压UOC与入射光谱辐射度的对数成正比。环境温度升高时，光伏电池的开路电压UOC将下降，一般讲，环境温度升高 $1 ^ { \circ } \mathrm { C }$ ，光伏电池的开路电压UOC将下降 $3 \sim 5 \mathrm { m V }$ 。

光伏阵列输出特性具有非线性特征，并且其输出受太阳辐照度、环境温度负载情 况影响。只有在某一输出电压值时，光伏阵列的输出功率才能达到最大值这时光伏阵 列的工作点就达到了输出功率电压曲线的最高点，称之为最大功率点。

光伏电池最大功率点跟踪光源控制能够使光伏电池组件获得最大光能而输出最大的电能。

图 8-8 光伏电池的输出特性曲线

图 8-9 光伏电池的输出功率特性曲线

【测】光伏电站的特性测试

（1）正确使用光线传感器。操作光伏供电控制单元的有关按钮，移动点亮的投射灯，通过PLC 的输入输出端口的发光二极管观察光线传感器的输出状态。

（2）调整光伏电池方阵与投射灯1、灯2的位置，改变光伏电池方阵负载的阻值，记录光伏电池方阵的输出电压值和电流值，绘制光伏电池的 I—V 特性曲线和输出功率曲线。

图 8-10光伏电站特性测试

图 8-11 观察光伏电池自动跟光情况
图 8-12 监控系统显示的输出特性曲线和输出功率特性曲线
图 8-13 部分评价标准和评分方式

【评】校内指导教师评价、企业导师评价、组内评价、组间互评等多方评价，过程评价、现场评价和结果评价覆盖整个实训过程。

（1）过程评价。由企业导师依据评分表，对学生的操作规范、职业素养、赛场表现、是否满足职业技能考核标准、是否满足企业考核标准等进行评分。

（2）结果评分。由校内老师依据评分表，对学生规划设计，组装和调试设备和实现功能等进行评分。

（3）现场评价。由校内老师和小组成员依据评分表，对学生基本理论知识掌握情况、绘图规范程度等进行现场评分。

部分评分标准和评分方式图 8-13所示。

表1·评分标准和评分方式

表2过程评价之职业素养评分表

【拓】课外拓展

动手能力较强，理论知识扎实，学习兴趣浓厚的同学在课下可以完成完整光伏电站搭建任务，并利用光伏电站规划设计软件设计出合理的光伏电站规划方案，并编制可行性实施报告。因该实训系统可满足新能源相关技术专业实训教学，也能为科技创新提供平台和基础，抛砖引玉，可以利用本实训系统进行风光互补发电、新能源技术等方面的科学研究。

本实训系统为全国职业院校技能大赛高职组“风光互补发电设备安装与调试”赛项考核设备，鼓励有兴趣的同学积极参加全国职业院校技能大赛。

9. 实验报告要求

实验报告要求具有以下主要内容：

（1）简述光伏发电原理及基本绘图、识图知识等相关知识。（2）光伏供电主电路等电气原理图的绘制。（3）光伏供电装置组装和光伏供电系统接线等实训内容的具体操作步骤。（4）光伏电站手动和自动程序的设计、调试步骤和记录。（5）光伏电站输出特性曲线绘制，如光伏电池组件输出功率（纵坐标）-电压（横坐标）特性曲线和光伏电池组件电流（纵坐标）-电压（横坐标）特性曲线等。（6）实验结果总结、经验分享和心得体会。

10.考核要求与方法

（1）实验验收：完成系统安装与接线。完成光伏电站的特性测试。

（2）实验质量：接线和安装符合控制要求和工艺规范。

（3）实验数据：要求自行合理选取光伏供电系统电压表、电流表实时采集的数据测试点（必须包含最大功率点、短路点、开路点），功率数据精确到小数点第2位。绘图要求合理选取横纵坐标的分度值，使得所画曲线能充满所给画面 $80 %$ 以上的区域。

（4）自主创新：能独立思考完成光伏电站的搭建，能进行光伏电站创新规划设计。

（5）实验报告：实验报告的规范性与完整性。

11. 项目特色或创新

（1）通用性。本实训以光伏发电系统为基础，注重知识和能力并重，重点考核安装、操作和调试，体现风光互补发电系统的先进技术和应用，呈现新能源领域的人才培养和需求的特点。

（2）拓展性。本实训设备上均设有预留接口，能够实现“即插即用”，自适应其他形式的新能源设备以及相关的扩展训练同时为高职院校学生进行科学研究打开了一扇窗。

（3）实用性。在教学中，将行业标准引入课堂，将相关课程考试考核与职业技能鉴定合并进行，培养学生的职业技能和岗位工作能力，实现后续就业“零距离”上岗。

（4）先进性。本实训设备平台贴近工业现场，融入当前行业发展的“能源互联网”技术和最新的工业互联网技术，引入分布式能源控制策略，符合真实分布式新能源发电、智能微电网工业现场实际技术。

（5）综合性。本实训涉及电子技术、自动控制、机械设计、传感器 与检测技术、低压电器及 PLC 技术应用等知识，是典型的综合性实训项目。

（6）多方位评价体系。本实训主要评分人为企业导师和校内导师，结合组内评

价、组与组评价，采用现场评价、过程评价和结果评价，建立全方位、多角度评价体系。