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摘要：以光伏发电系统监测为背景，设计了信号分析与处理教学案例——光伏系统谐波监测与效率分析，阐述了案例设计的工程背景分析、理论方法提炼、案例内容筛选等过程。分析了案例的实施方法，给出了光伏系统监测数据的测试方法、谐波数据与效率的分析方法、光伏状态的评估方法等。
关键词： 教学案例；信号分析与处理；光伏发电系统监测；案例设计方法
中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2018）01-0036-04
案例教学寓理论知识于工程实际，可提高学生学习兴趣、提升学生综合能力、促进双向交流，在理论教学及人才培养中起到了积极作用。优秀教学案例的设计在案例教学实施中至关重要，依托工程应用实际对其进行分析与提取是案例设计的有效途径。以光伏发电系统监测为背景阐述教学案例设计的方法与过程，提炼信号分析与处理教学案例——光伏系统谐波监测与效率分析。案例主要包括光伏发电系统电压谐波的测试与评估、光伏系统工作效率的分析等。案例详细设计了谐波以及系统交直流效率等关键参数的测试流程与方法、测试数据的分析与评估等。
1 案例的工程背景与来源
信号与系统课程等是电子信息工程类专业必修的基础课程，该课程内容极为丰富抽象，且专业理论性和工程实用性很强。案例教学相较于传统教学方法而言是一种启发式教学方法，它能使同学们主动学习，避免学生在被动学习中逐渐反感，增加了大学生学习专业知识的主动性。太阳能作为人类利用最早的可再生能源，分布广泛且资源非常丰富，越来越受到人们的重视，具有环保清洁、无需运输和可再生等特点。合理利用太阳能资源是新能源供给不可或缺的一部分。太阳能光伏发电属于一种高新技术，能够充分利用太阳能资源而不需要任何燃料，不会对环境造成污染，也没有地域限制，能够有效解决目前我国资源短缺的现状。
近年来，随着光伏电站的快速发展，出现了光伏系统的管理缺乏系统维护的现象，导致光伏发电效率持续降低，制约了光伏产业的发展。为保证光伏电站的系统效率，提高发电量，必须针对光伏系统的周边环境和气候条件制定合理运维方案。可以通过安装分析管理与智能监控系统以及周期性巡检来降低发电站内设备的安全隐患和故障，通过组件清洁来保障组件的发电效率，使光伏电站的经济效益和发电量得到提高。具体操作涉及到电子信息工程专业信号采集、数据分析等相关理论知识和学生的实践操作能力。本案例结合光伏电站全周期运维科研课题，从中筛选、提取、凝练成信号分析处理教学案例。
2 光伏系统谐波监测与效率测试方案设计
光伏发电系统主要由光伏组件、逆变器、配电柜、蓄电池以及实时监测系统等部分组成。全周期指电站从开始投入建设到不能再利用的全过程管理，分为设计阶段、建设阶段、生产运营阶段。其中，以生产运营为主导，围绕生产运营开展管理。日常运行维护不仅是建设和管理光伏电站的必备条件，而且还能通过这一步骤收集光伏电站的运行数据并加以合理处理，从而预判、解决运行过程中出现的问题，弥补光伏电站易受外界环境影响、稳定性不佳等缺点，充分发挥光伏电站的潜在优势，及时发现问题、解决问题，使光伏电站能够得到充分、高效利用。
2.1 电压谐波测试方案
光伏发电系统通过逆变器将直流电压转换为交流电并网，并网时产生的谐波一定程度上反映了系统的运行情况，电压谐波偏差过大可能受到外部发电条件影响，因此，电压谐波是电能质量检测中最明显的反映系统健康程度的指标。采用FLUKE435-Ⅱ电能质量分析仪测试电压谐波，将仪器的电流线圈放置在交流配电柜中三相电流上，电压线连接在配电柜下游、并网之前的电压接线柱上；打开仪器，连接电脑中FLUKE公司开发的Power Log430-Ⅱ软件进行有关设置，包括测试周期、记录时间间隔、测量项目（包含电能质量各类参数）等，记录的时间间隔为10 s。
2.2 光伏发电效率测试方案
采用SOLAR300N光伏综合测试仪监测系统发电效率，设定所要测试系统的标称功率（Pnom）、功率温度系数（γ）、环境温度（Tenv）、组件标准工作温度（NOCT）等，设定远程单元中辐照计敏感系数（Pyranometer）、最小辐照度（Irr.min）等并保存；对于远程单元SOLAR-02，首先按ESC电源键和SET键同时开机，参照辐照度计标片背面参数设定敏感度系数（Uv/W/m2）和温度系数（Te），按Esc退出。最后按ESC电源键和FUNC键同时开机，确认RF无线功能打开，界面显示rFON。测试完毕后按GO/STOP开始或停止测试。
3 光伏系统监测数据分析与状态评估
3.1 电压谐波分析
监测时间分别为2016年3月2日、9日、16日、23日和30日共5个整天，足够完成一个完整的辐射周期测试。测试采用连续测试方式，测量的时间间隔为1 min/次。将选取5个日期的电压谐波检测数据作为每周电压谐波情况的代表，选取每周的电能质量谐波数据最大值进行统计和谐波含量计算，对照电压谐波允许限值对谐波水平进行评估。
选取谐波畸变率较大的A相最大值作为对比对象，监测非零三相电压谐波畸变率和电流谐波数据如表1、图1所示。
图1中A相电压谐波畸变率最大的是三次谐波，在1.5%上下波动；其次是9次谐波，谐波畸变率为1.05%；其他谐波均不超过0.5%，总的谐波畸变率保持在2.1%。在停止发电之前谐波比较严重，最大不超过2.7%，整体变化反映了外部发电条件对光伏电站电能质量的影响。
表1和图1是三相的电压谐波畸变率最大值汇总，三相电压总谐波畸变率分别为2.2%、2.4%、2.25%；电压奇次谐波含量高于偶次谐波含量，奇次谐波中的前几次谐波含量较高，其中三次谐波含量最大分别为1.55%、1.65%、1.52%，其次是九次谐波，含量分別为1.16%、1.35%、1.25%，三相的其他奇次谐波含量不超过0.75%。国家光伏系统并网标准中规定，电压谐波畸变率不大于4%，总畸变率不大于5%。从收集的电压谐波对比来看均未超限，监测时间范围内光伏系统电能质量正常，系统内并未出现大的波动，因此认为光伏系统运行状况良好。 3.2 光伏系统效率测试分析
3.2.1 直流效率测试结果分析 经过对2016年3月的数据进行整理和筛选，确定发电时间为7∶20-16∶50，光电转换效率统计2 min内记录一次平均水平，去掉刚达到系统发电要求的起始和终止时段等效率值出现跳跃的部分，剩下的效率值平均后得到的结果如图2和表2所示。
由图2和表2表可知，光电转换效率能够维持在40%左右，比厂家提供的标称值经计算后得到的光电转换效率45%相比低一些，符合光伏电池板随着时间效能衰减的真实情况。
3.2.2 逆变器效率测试结果分析 逆变器效率通过SOLAR300N得到的交流效率中获得，与直流效率相同，每2 min统计一次效率平均值，去掉系统起始和终止时段等效率值出现跳跃的部分，选择观测9∶40到16∶30之间的效率值，如图3和表3所示。
从图3和表3中显示的信息可以得出，虽然存在一定的波动情况，但逆变器的交直流效率能够维持在0.9以上，平均值处于0.92以上，转换效率较高，大部分数值维持在0.95左右，与逆变出厂最大效率0.981相比并未下降过多，总体上逆变器处于正常运营的状态。
参考文献：
[1] 陶丹，胡健，陈后金. “信号与系统”课程案例教学探讨[J]. 电气电子教学学报， 2015， 37（5）：55-57 120.
[2] 宦梦蕾，张邦樂，崔晗，等.基于微课的药剂学案例教学全过程建设探索[J].医学教育研究与实践，2018，26（1）：167-170.
[3] 曹英丽，许童羽，王立地，等.以信号类课程为核心构建农业信息化背景下电子信息专业实践教学新体系[J]. 高等农业教育，2016（3）：81-83.
[4] 姚俊. 电子信息工程专业人才培养模式研究[J]. 山东社会科学，2016（S1）：357-358.
[5] 孙明. 《信号与系统》课程案例教学方法研究[J]. 武汉大学学报（理学版），2012，58（S2）：173-176.
[6] 丁明，王伟胜，王秀丽，等. 大规模光伏发电对电力系统影响综述[J]. 中国电机工程学报，2014，34（1）：1-14.
[7] 黄远，程菲，张俊红，等.设施农业科学与工程本科专业实践教学的改革与创新——以华中农业大学为例[J].高等农业教育，2017（1）：68-71.
关键词： 教学案例；信号分析与处理；光伏发电系统监测；案例设计方法
中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2018）01-0036-04
案例教学寓理论知识于工程实际，可提高学生学习兴趣、提升学生综合能力、促进双向交流，在理论教学及人才培养中起到了积极作用。优秀教学案例的设计在案例教学实施中至关重要，依托工程应用实际对其进行分析与提取是案例设计的有效途径。以光伏发电系统监测为背景阐述教学案例设计的方法与过程，提炼信号分析与处理教学案例——光伏系统谐波监测与效率分析。案例主要包括光伏发电系统电压谐波的测试与评估、光伏系统工作效率的分析等。案例详细设计了谐波以及系统交直流效率等关键参数的测试流程与方法、测试数据的分析与评估等。
1 案例的工程背景与来源
信号与系统课程等是电子信息工程类专业必修的基础课程，该课程内容极为丰富抽象，且专业理论性和工程实用性很强。案例教学相较于传统教学方法而言是一种启发式教学方法，它能使同学们主动学习，避免学生在被动学习中逐渐反感，增加了大学生学习专业知识的主动性。太阳能作为人类利用最早的可再生能源，分布广泛且资源非常丰富，越来越受到人们的重视，具有环保清洁、无需运输和可再生等特点。合理利用太阳能资源是新能源供给不可或缺的一部分。太阳能光伏发电属于一种高新技术，能够充分利用太阳能资源而不需要任何燃料，不会对环境造成污染，也没有地域限制，能够有效解决目前我国资源短缺的现状。
近年来，随着光伏电站的快速发展，出现了光伏系统的管理缺乏系统维护的现象，导致光伏发电效率持续降低，制约了光伏产业的发展。为保证光伏电站的系统效率，提高发电量，必须针对光伏系统的周边环境和气候条件制定合理运维方案。可以通过安装分析管理与智能监控系统以及周期性巡检来降低发电站内设备的安全隐患和故障，通过组件清洁来保障组件的发电效率，使光伏电站的经济效益和发电量得到提高。具体操作涉及到电子信息工程专业信号采集、数据分析等相关理论知识和学生的实践操作能力。本案例结合光伏电站全周期运维科研课题，从中筛选、提取、凝练成信号分析处理教学案例。
2 光伏系统谐波监测与效率测试方案设计
光伏发电系统主要由光伏组件、逆变器、配电柜、蓄电池以及实时监测系统等部分组成。全周期指电站从开始投入建设到不能再利用的全过程管理，分为设计阶段、建设阶段、生产运营阶段。其中，以生产运营为主导，围绕生产运营开展管理。日常运行维护不仅是建设和管理光伏电站的必备条件，而且还能通过这一步骤收集光伏电站的运行数据并加以合理处理，从而预判、解决运行过程中出现的问题，弥补光伏电站易受外界环境影响、稳定性不佳等缺点，充分发挥光伏电站的潜在优势，及时发现问题、解决问题，使光伏电站能够得到充分、高效利用。
2.1 电压谐波测试方案
光伏发电系统通过逆变器将直流电压转换为交流电并网，并网时产生的谐波一定程度上反映了系统的运行情况，电压谐波偏差过大可能受到外部发电条件影响，因此，电压谐波是电能质量检测中最明显的反映系统健康程度的指标。采用FLUKE435-Ⅱ电能质量分析仪测试电压谐波，将仪器的电流线圈放置在交流配电柜中三相电流上，电压线连接在配电柜下游、并网之前的电压接线柱上；打开仪器，连接电脑中FLUKE公司开发的Power Log430-Ⅱ软件进行有关设置，包括测试周期、记录时间间隔、测量项目（包含电能质量各类参数）等，记录的时间间隔为10 s。
2.2 光伏发电效率测试方案
采用SOLAR300N光伏综合测试仪监测系统发电效率，设定所要测试系统的标称功率（Pnom）、功率温度系数（γ）、环境温度（Tenv）、组件标准工作温度（NOCT）等，设定远程单元中辐照计敏感系数（Pyranometer）、最小辐照度（Irr.min）等并保存；对于远程单元SOLAR-02，首先按ESC电源键和SET键同时开机，参照辐照度计标片背面参数设定敏感度系数（Uv/W/m2）和温度系数（Te），按Esc退出。最后按ESC电源键和FUNC键同时开机，确认RF无线功能打开，界面显示rFON。测试完毕后按GO/STOP开始或停止测试。
3 光伏系统监测数据分析与状态评估
3.1 电压谐波分析
监测时间分别为2016年3月2日、9日、16日、23日和30日共5个整天，足够完成一个完整的辐射周期测试。测试采用连续测试方式，测量的时间间隔为1 min/次。将选取5个日期的电压谐波检测数据作为每周电压谐波情况的代表，选取每周的电能质量谐波数据最大值进行统计和谐波含量计算，对照电压谐波允许限值对谐波水平进行评估。
选取谐波畸变率较大的A相最大值作为对比对象，监测非零三相电压谐波畸变率和电流谐波数据如表1、图1所示。
图1中A相电压谐波畸变率最大的是三次谐波，在1.5%上下波动；其次是9次谐波，谐波畸变率为1.05%；其他谐波均不超过0.5%，总的谐波畸变率保持在2.1%。在停止发电之前谐波比较严重，最大不超过2.7%，整体变化反映了外部发电条件对光伏电站电能质量的影响。
表1和图1是三相的电压谐波畸变率最大值汇总，三相电压总谐波畸变率分别为2.2%、2.4%、2.25%；电压奇次谐波含量高于偶次谐波含量，奇次谐波中的前几次谐波含量较高，其中三次谐波含量最大分别为1.55%、1.65%、1.52%，其次是九次谐波，含量分別为1.16%、1.35%、1.25%，三相的其他奇次谐波含量不超过0.75%。国家光伏系统并网标准中规定，电压谐波畸变率不大于4%，总畸变率不大于5%。从收集的电压谐波对比来看均未超限，监测时间范围内光伏系统电能质量正常，系统内并未出现大的波动，因此认为光伏系统运行状况良好。 3.2 光伏系统效率测试分析
3.2.1 直流效率测试结果分析 经过对2016年3月的数据进行整理和筛选，确定发电时间为7∶20-16∶50，光电转换效率统计2 min内记录一次平均水平，去掉刚达到系统发电要求的起始和终止时段等效率值出现跳跃的部分，剩下的效率值平均后得到的结果如图2和表2所示。
由图2和表2表可知，光电转换效率能够维持在40%左右，比厂家提供的标称值经计算后得到的光电转换效率45%相比低一些，符合光伏电池板随着时间效能衰减的真实情况。
3.2.2 逆变器效率测试结果分析 逆变器效率通过SOLAR300N得到的交流效率中获得，与直流效率相同，每2 min统计一次效率平均值，去掉系统起始和终止时段等效率值出现跳跃的部分，选择观测9∶40到16∶30之间的效率值，如图3和表3所示。
从图3和表3中显示的信息可以得出，虽然存在一定的波动情况，但逆变器的交直流效率能够维持在0.9以上，平均值处于0.92以上，转换效率较高，大部分数值维持在0.95左右，与逆变出厂最大效率0.981相比并未下降过多，总体上逆变器处于正常运营的状态。
参考文献：
[1] 陶丹，胡健，陈后金. “信号与系统”课程案例教学探讨[J]. 电气电子教学学报， 2015， 37（5）：55-57 120.
[2] 宦梦蕾，张邦樂，崔晗，等.基于微课的药剂学案例教学全过程建设探索[J].医学教育研究与实践，2018，26（1）：167-170.
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[7] 黄远，程菲，张俊红，等.设施农业科学与工程本科专业实践教学的改革与创新——以华中农业大学为例[J].高等农业教育，2017（1）：68-71.