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新能源與電力系統研究生課程建設論文
第1篇:新能源與電力系統研究生課程建設探析
大量風電、光伏等新能源發(fā)電在現代電力系統中的接入，使得電網需要在規(guī)劃、運行等多方面作出調整，以便能更好地適應新能源的發(fā)電隨機性和波動性對電力系統電壓、頻率穩(wěn)定性等方面產生的影響。首先介紹了上海電力學院“新能源與電力系統研究生課程的建設情況，然后對課程結構與教學內容設計、教學方法與手段、實踐環(huán)節(jié)建設等方面進行了探析。
21世紀人類面臨的兩大基本問題是能源問題與環(huán)境問題，發(fā)展新能源是解決這兩大問題的必由之路。新能源是相對于常規(guī)能源而言的，是指采用新技術和新材料或在新技術基礎上系統地開發(fā)利用的能源，如太陽能、風能、地熱能、海洋能等，大部分新能源被轉換成電能接入電力系統中。新能源在地理位置上高度分散、受氣候影響大，因此新能源發(fā)電的控制方式比傳統石化燃料發(fā)電復雜。要將大量新能源電能接入現有電力系統，需要電網在規(guī)劃、運行及控制等諸多方面作出調整，以便能更好地適應新能源隨機性、波動性對電力系統電壓、頻率、穩(wěn)定性等方面帶來的影響。
2013年，為促進上海電力學院電力系統及其自動化專業(yè)研究生適應新能源大量并網后電力系統發(fā)展的需要，上海電力學院電氣工程學院新開設了“新能源與電力系統”研究生專業(yè)選修課程。該課程旨在使學生對新能源發(fā)電技術的基本原理、風力與光伏發(fā)電等可再生能源并網后電力系統的運行特點有一個全面的了解，并能夠利用電力系統專業(yè)分析方法解決新能源并網給電力系統帶來的新問題，為進一步分析和研究新能源并網后電力系統的規(guī)劃、設計、運行打下良好基礎。
一、課程結構與教學內容的設計
“新能源與電力系統”課程的內容涉及電氣、動力、機械、控制等許多學科領域，其中新能源發(fā)電技術主要包括太陽能發(fā)電、風能發(fā)電、生物質能發(fā)電、氫能發(fā)電、天然氣、燃氣發(fā)電、小水力發(fā)電、地熱能發(fā)電和海洋能發(fā)電等多種發(fā)電技術。新能源發(fā)電并網后對電力系統的影響包括規(guī)劃、運行、控制等諸多方面。該課程涉及“新能源發(fā)電技術”與“電力系統分析”兩部分內容，概念多、知識面廣、工程應用性強。但授課學時僅為36學時，內容多，課時少，要在有限的課堂教學時間內使學生有效掌握重要知識，需要合理設置課程結構，并對教學內容進行篩選。
在過去10年中，世界風電裝機容量以平均每年30%累計速度迅速增長。截止到2013年，中國風電累計裝機已突破90GW，全球總裝機容量達到318GW。中國光伏發(fā)電累計裝機容量達到17.16GW，其中，大規(guī)模光伏電站累計裝機容量達到11.18GW，分布式光伏發(fā)電累計裝機容量達到5.98GW。風力發(fā)電和太陽發(fā)電占據新能源發(fā)電總裝機容量的91.5%，是新能源利用的主力軍。生物質能、海洋能、地熱源等其他新能源發(fā)電技術還處于實驗研究或商業(yè)探索階段，市場份額較小。
大量隨機性、波動性的風電和光伏發(fā)電并網后對電力系統運行帶來較大的影響，特別是中國部分北方地區(qū)千萬千瓦級風電場集中接入當地110kV或220kV電網，對風電接入地區(qū)電力系統的運行與控制產生了相當大的影響。因此，該課程將風力發(fā)電并網后對電力系統的影響作為課程主要講授內容之一。而太陽能光伏發(fā)電裝機容量較小，大型的光伏電站裝機容量一般在幾兆瓦以內，如果直接接入當地110kV或220kV電網，對電網影響不大。但大量的分布式光伏發(fā)電并入配電網后對配電網的影響卻不可忽視，因此該課程將光伏發(fā)電并網后對配電網的影響也作為課程主要講授內容之一。其他新能源發(fā)電形式由于裝機容量均較小，對電力系統影響并不大，則用較少的課時泛講。新能源并網后對電力系統的影響包含對電壓、頻率穩(wěn)定、調度、規(guī)劃、控制等諸多方面，因此課程安排了較多的課時對新能源并網后的電力系統分析進行講授，具體課時安排如下：新能源發(fā)電及并網技術基礎知識2學時，風力、太陽能光伏發(fā)電6學時，生物質能發(fā)電、氫能發(fā)電、天然氣/燃氣發(fā)電、地熱能發(fā)電和海洋能發(fā)電共2學時，風電、光伏功率預測2學時，新能源并網的經濟性2學時，海上風電2學時，新能源并網對電力系統的影響共20學時（主要包括新能源并網后的消納、電力系統優(yōu)化調度、電力系統有功平衡與頻率控制、電力系統無功電壓控制、電力系統穩(wěn)定性分析等）。
二、教學方法和手段優(yōu)化
“新能源與電力系統”課程教學中需要積極探索、發(fā)掘與課程特點相匹配的教學方法和手段；強調知識的系統性、完整性；注重理論與實際、知識深度與廣度的結合；重視科研動態(tài)的傳遞及科研方法的引導；加強對學生實踐環(huán)節(jié)的培養(yǎng)。
1.課程深度與廣度相協調
課程內容在滿足廣度的基礎上還應保證一定的深度。課程內容應包括各種新能源發(fā)電技術基本原理、電力系統分析方法等基礎知識，在新能源發(fā)電控制技術，電力系統運行、調度、控制等方面還應具有一定深度，從而使得學生掌握分析新能源發(fā)電并網對電力系統影響的方法。
2.經典理論與科研前沿技術并重
傳統的“電力系統分析”課程由于理論較深、涉及面廣、工程性強，歷來被視為電氣專業(yè)難教、難學的一門課程。新能源發(fā)電并網后，對電力系統的分析仍是建立在傳統電力系統分析方法的基礎上，但又存在傳統分析方法不能解決的新問題。由于新能源發(fā)電發(fā)展時間不長，上述許多新問題還未得到全面解決，因此，在教學上應重視對科研前沿研究成果的呈現。通過對新能源并網技術方面最新科研成果的介紹、高水平學術期刊的查閱、電力系統運行中實際問題的調研，培養(yǎng)學生檢索文獻、查閱資料的能力，引導學生掌握提出問題并分析問題的能力。
3.教學案例的分析與討論
課程教學過程中還應設置少量教學案例分析與討論環(huán)節(jié)。學生通過具體案例分析，課堂上以討論的形式讓學生將自己的觀點表述出來，不但鍛煉了學生分析和歸納總結的能力，同時也加深了他們對所學內容的理解和掌握。例如，可讓學生對采用不同風電機組類型、不同安裝容量，接入不同地區(qū)的實際風電接入案例進行分析，以了解風電場并網后對接入地區(qū)電力系統的電壓的影響。教學案例的分析與討論比課本上教條的說詞更能引導學生充分認識到所學知識的實際價值，明確學習目標，從而激發(fā)學生的興趣，引領學生去深入理解課程內容。
三、實踐環(huán)節(jié)建設
實踐教學內容對課程理論的理解幫助較大。在實驗教學方面，課程應設置一些新能源并網后電力系統分析的綜合性實驗，如新能源并網后電力系統的潮流計算、暫態(tài)穩(wěn)定性分析、無功電壓控制等。學生以實驗小組為單位，實驗方案設計、參數調整計算、電網接線到數據整理、實驗結果分析和撰寫實驗報告等一整套工作都由實驗小組通過合作來完成。通過新能源并網實際案例的仿真分析實踐環(huán)節(jié)，能加深學生對理論知識的認識，有效加強學生的動手實踐能力和綜合科研能力。
四、教學團隊的建設
本課程內容涉及電氣、動力、機械、控制等許多學科領域，因此教學團隊應老中青搭配，從而達到專業(yè)職務和知識結構合理的效果。課程負責人應為具有較深的學術造詣和創(chuàng)新性學術思想的本學科的專家，同時要具有團結、協作精神和較好的組織、管理和領導能力。主講教師知識結構最好能覆蓋電力系統、控制等多個領域，這樣才能準確把握課程內容的廣度和深度。
五、結論
本文對上海電力學院“新能源與電力系統”研究生課程建設的方案進行了探析。通過對上海電力學院電力系統自動化專業(yè)建設、新能源技術在電力行業(yè)的發(fā)展態(tài)勢等方面的分析，制訂了合理的課程結構與教學內容，并發(fā)掘了與課程特點相匹配的教學方法和手段。課程建設注重理論與實際的有效結合，提出加強課程實踐環(huán)節(jié)建設的思想。通過開展課程建設，找出了該課程教學的薄弱環(huán)節(jié)，制訂了符合電力專業(yè)的建設目標和滿足電力企業(yè)對上海電力學院研究生專業(yè)能力要求的切實可行的課程建設發(fā)展規(guī)劃。
第2篇:“電力電子在電力系統中的應用”研究生課程教改與實踐
研究生課程建設不同于本科生課程建設，需要突出應用特色和使用新型教學方法。對“電力電子技術在電力系統中的應用”課程的教學內容進行了梳理，構建了知識模塊。知識模塊重點強調以應用為特色，抓住實際工程應用為主的案例，配以基礎知識模塊。在教學方法上采用團隊研究型教學模式，精心組織案例教學，指導學生從系統到裝置設計去整體理解裝置基本原理。教學實踐效果表明，課程組織內容合理，學生研究能力有所提高。
電力電子技術在電力系統中的應用有較長的歷史。早期的直流輸電采用大功率晶閘管閥作為換流閥，現在輕型直流則采用IGBT器件。自20世紀80年代，柔性交流輸電（FACTS）的概念被提出來后，電力電子技術深入到電力系統的發(fā)、輸、配各環(huán)節(jié)中，成為新型學科領域。[1，2]學科方向涉及電力電子、控制理論、電力系統分析、高電壓等多門學科領域，具有較強的綜合性。
為適應新技術的發(fā)展，國內高校大部分電氣工程專業(yè)都開設了該課程。但該課程內容的高深讓學生和教師都感到困惑。筆者曾討論過本科生課程建設內容，提出了合理的教學改革方案，[3]但研究生課程建設不同于本科生課程建設，研究生課程體系強調提高應用特色和構建實踐創(chuàng)新教育模式。筆者結合自身的教學實踐，做了有益探索。
一、國內高校課程建設現狀
對國內高校該課程開設現狀進行了調研，見表1。
該課程作為電力系統自動化或者電力電子及其傳動專業(yè)的專業(yè)選修課程。學分是2學分的高校為75%，學分是1學分的高校為25%。課程名稱不統一，有“復雜電力電子系統”、“柔性輸電技術”等。授課教師的專業(yè)背景：電力系統專業(yè)背景的教師占90%，電力電子技術專業(yè)背景的教師占10%。國內設置有傳統的電氣工程專業(yè)的重點大學均開設了此課程，一般電力院校也開設了此課程。課程考核方式中，筆試占80%，作業(yè)占20%。教材包括：清華大學出版社出版的《柔性交流輸電原理與應用》；機械工業(yè)出版社出版的《柔性交流輸電系統》和《電力電子技術在電力系統中的應用》；中國水利水電出版社出版的《柔性輸電技術概論》。重點院校在專業(yè)選修課的師資上均配備了從事該方向的教授級研究人員，一般電力院校則是從事該方向的副教授以上研究人員。選修該課程的研究生依據導師的研究方向而選修，一般在該方向實力較強的高校的課題組的研究生選修較多。通過調研發(fā)現，主要有以下幾個問題：
1.知識點較多且雜亂
電力電子技術在電力系統的輸、發(fā)、配電各個環(huán)節(jié)都有應用，課程內容豐富，知識面廣。但教師只是在某個問題上有所專研，不可能面面俱到。如：懂電力系統的教師卻不懂裝置；懂裝置的教師卻不懂電力系統。
2.研究生層次不一
研究生依據選修方向而選課。電力電子傳動專業(yè)的學生不懂電力系統；電力系統專業(yè)學生不懂電力電子技術。講授某方面知識點過深時，部分學生就會跟不上教師進度。
3.書本跟不上技術的發(fā)展
電力電子技術極大地推進了生產力，新型技術在電力系統中的應用非常迅速。如柔性直流輸電技術在中國從35kV的示范工程發(fā)展到300kV的示范工程，傳統的直流輸電面臨著被柔性直流取代的局面。但現有教材對于柔性直流的介紹卻很少。
二、上海電力學院課程建設現狀
上海電力學院于2005年開設了本科課程，本科課程名稱為“柔性輸電技術”，在2009年開設了研究生課程，研究生課程名稱為“電力電子技術在電力系統中的應用”。本科生課程的學分為1分，研究生課程的學分為2分。研究生授課教師均為副教授以上研究人員，在該方向上都有過研究經歷�，F主講教師為2名，一位為電力系統背景，一位為電力電子技術背景�？己朔绞綖榇笞鳂I(yè)形式，教材采用上海電力學院教師編寫的《柔性輸電技術概論》。在“電力電子技術在電力系統中的應用”課程的多年專業(yè)教學中，存在如下幾個教學問題：
1.教學內容過于深奧
該技術處于學科前沿領域，科學專著較多，但教材較少，可選擇的教材《柔性輸電技術概論》偏重于柔性交流輸電，《電力電子技術在電力系統中應用》偏重于電力電子。教學內容方面有與電力電子技術重復之處，未能與專業(yè)核心課程很好的銜接。
2.教學方法未與時俱進
研究生專業(yè)教學與本科教學有極大的不同，理論的深度和廣度都超于本科教學。面向本科的教學方法不適應研究生教學。研究生教育要培養(yǎng)創(chuàng)新人才，教師要引導學生去發(fā)現問題、解決問題。
三、教學內容構建
針對知識點內容分散和銜接度不夠緊密等問題，筆者對教學知識點進行梳理，如表2所示。知識內容體系構建為五大模塊：學科綜述、基礎理論、發(fā)、輸、配應用。對知識模塊中的教學內容和知識點做了設計。對電力電子裝置的應用有所選取，抓住實際工程中主要應用的類型。在教學內容組織上，教學重點放在發(fā)、輸、配的應用上，尤其是輸電網的應用。發(fā)電應用主要講述風力發(fā)電機組的控制；輸電網應用主要介紹串補、并補裝置和柔性直流輸電；配電網應用主要介紹有源濾波器裝置�；A知識模塊的內容設計是為了應用做準備，該模塊介紹了電力電子裝置接入電力系統的建模方法和大功率變量器拓撲結構的基礎知識。這些屬于電力電子裝置的共性知識。這種教學內容的安排可以承接電力電子和電力系統基礎知識，又能強調本門課程的特色。
四、團隊研討型學習方式
傳統教學方法以灌輸為主，選修課的教學方法采用傳統教學方法，教學效果不好。文獻[4]介紹了團隊教學方法在控制理論課程中的應用�！半娏﹄娮蛹夹g在電力系統中的應用”課程也引入了團隊教學方式。團隊教學牽涉兩個方面：教師要設計好研究內容，學生要分工明確。團隊教學組織見表3。在研究內容上以應用為主進行劃分，按照發(fā)輸配環(huán)節(jié)，給學生若干個任務。如可控串補裝置在電力系統應用中可以組建一個3人的團隊：1人研究可控串補提高系統輸送能力，側重于電力系統；1人研究可控串補的控制算法；1人研究可控串補的裝置設計�？煽卮a的理論從機電暫態(tài)到電磁暫態(tài)各個層面均有，學生任務各有側重。在考核環(huán)節(jié)，學生的成績由團隊學習質量和論文質量兩部分綜合評分。團隊學習質量和論文質量各占50%。
五、教學反饋
學期結束后了解到，教學效果較好。學生團隊90%完成任務，10%的學生團隊接近完成任務。各專業(yè)的學生都能較好地分工融入團隊，對裝置的原理能深入理解。通過仿真計算環(huán)節(jié)，學生們普遍提高了研究能力和創(chuàng)新能力。通過對知識點的梳理，教師對本課程知識點的理解更加全面，學科知識融合度也大幅提高。但由于團隊教學課堂上不能花費大量時間指導學生，加上團隊課外交流不夠，也影響了團隊教學組織質量。對于存在的問題，將在以后的教學中采用流程優(yōu)化、加強監(jiān)督等措施加以改進。
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