项目坚持立德树人根本，紧密围绕南邮大信息办学特色，基于新能源发电技术在5G基站中的应用，将实际复杂工程问题和虚拟仿真信息化技术相结合，课程思政、知识学习与运用、能力训练与实践有机结合，培养和提高学生解决电气工程领域复杂工程问题的能力。

具体教学目标包括：

l 培养学生严格的科学态度和科学的工作方法，强化安全意识；

l 能综合运用《自动控制原理》、《电机学》、《电力电子技术》、《新能源发电技术》、《电力系统分析》等多门课程知识，分析和理解复杂工程，探索解决实际场景条件下供电系统的思路和手段；

l 能正确分析新能源发电中的问题，探究并完成基站交直流混合微网供电系统设计搭建、算法设计和验证，具备较好的实践动手能力，并初步具备解决复杂工程的能力。

l 风力发电系统单元的原理

项目采用永磁同步发电机实现，系统组成如图3-4-1所示，主要包括风力机、永磁同步发电机（PMSG）、机侧变流器（AC/DC）、直流电容和网侧变流器（DC/AC）几个部分。

图3-4-1 直驱风电系统拓扑

风力机产生的机械能由风能转化而成，其表达式如下：

（1）

式中，ρ为空气密度（kg/m3）；R为风机叶片的半径（m）；v为风速（m/s）；C_p为风能利用系数，是叶尖速比λ与叶片桨距角θ的函数：

（2）

叶尖速比λ的定义为：

（3）

式中，w_m为风机机械角速度（rad/s）。

从式（1）可以看出，风机转化的机械能P_mech会受到风能利用系数C_p的影响，而同时C_p与叶尖速比λ和叶片桨距角θ相关，具体如图3-4-2所示。随着桨距角θ的增大，C_p曲线整体降低，输出的机械能也会降低。当桨距角θ为0时，存在一个风力机最佳运行点，即风能利用系数的最大点,当风力机运行于该点时，拥有最大的风能转化效率。

图3-4-2 风能转化效率C_p特性曲线

l 光伏发电系统单元的原理

光伏电池是把太阳能转化为电能的一种新型能源，其与能量变换器结合构成的光伏并网发电单元如图3-4-3所示，由左至右主要包括光伏电池板、升压斩波电路（Boost电路）、逆变器及滤波器等几个部分。

图3-4-3 双极式光伏并网发电系统原理

系统的工作原理为：光伏电池将太阳能转化为电能；斩波DC/DC变换电路（Boost电路）对光伏电池输出直流电进行电压幅值的变换；并网逆变器将直流电变换成交流电，最终并网。

l 现代通信基站供电单元的工作原理

现代通信基站供电单元是微电网虚拟实验项目中强化对通信负荷的认知，是后续交互性实验操作步骤的基础，力图使学生能快速、清晰的熟悉仿真对象负荷特性的组成与连接方式。

现代通信基站绿色供电系统由包括市电、太阳能发电、风力发电、储能单元、直流负荷、交流负荷等组成，系统组成如图3-4-4所示。

系统的工作原理为：交流市电电网提供新能源发电不足部分；太阳能发电和风力发电提供直流负荷和交流负荷；储能电源用于新能源发电能量的存储和用电安全；能源管理对直流母线电压进行控制，同时将直流电逆变成交流电，多余的能量也可反馈给电网。

图3-4-4 现代通信基站绿色供电系统原理

该实验项目设计了6大功能场景，具有管理系统、场景漫游、原理学习、系统搭建、仿真分析、在线考核等功能。

图3-5-1 虚拟仿真实验项目功能场景

实验项目设计了系统认知、系统搭建、系统设计、风力发电、光伏发电、在线考核等7个学习模块，实验模块、环节、交互步骤之间的对应关系如图3-5-2所示。各功能模块设置合理，层次清晰，符合学生的认知规律。学生可以分块进行实验，通过对各个模块的操作，直观地理解微电网中各个装置的连接方式，掌握其运行原理与控制方法等关键知识点。

图3-5-2 虚拟仿真实验项目功能

1）系统认知模块：学生通过对实验目的、实验意义、实验原理的学习和浏览，了解和理解本实验的相关教学内容和教学目标，并梳理与本实验相关的知识点，为后续的实验开展提供理论基础。

2）风光交直流混合微网系统搭建模块：以虚拟化的工程测试场景为背景，学生通过漫游等方式，了解真实基站供电系统的环节和对象，并对相关的设备、模块进行学习和认知；按照给出的原理和系统框架，设计完成交直流微网系统的搭建，为后续的实验提供实验设备条件。

3）系统配置模块：基于虚拟仿真平台提供的数据模型，学生通过参数调整和波形分析，分析需要配置的太阳能电池板、风力发电机和储能单元，对基站负荷特性进行直观的探究和分析，找出合理的能源配置比例和方案，理清发电过程中需要关注的设计要点。

4）风电、光伏仿真模块：风电系统虚拟仿真包含7个仿真步骤，针对风力发电的特点，选择合理的风力发电机，开展风力机功率、最大风能跟踪和风力发电并网设计等功能；光伏系统仿真包含8个仿真步骤，针对光伏发电的特点，进行光伏电池板的配置，开展光伏特性分析、最大功率点跟踪和光伏发电并网设计等功能。

5）在线考核模块：学生在完成全部的操作之后，在实验报告模块，可以获取到各个步骤的实验结果得分，并通过对比标准数据，全面掌握实验全流程的操作情况，并根据得分，学生可返回上述模块步骤，不断改进优化方案设计与参数，从而强化和培养学生开展工程测试的能力。