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(fēng)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(wǎng)需要在規劃、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(dòng)性對電力系統電壓、頻率穩定性等方面產(chǎn)生的影響。首先介紹了上海電力學(xué)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(xué)內容設計、教學(xué)方法與手段、實(shí)踐環(huán)節建設等方面進(jìn)行了探析。
21世紀人類(lèi)面臨的兩大基本問(wèn)題是能源問(wèn)題與環(huán)境問(wèn)題，發(fā)展新能源是解決這兩大問(wèn)題的必由之路。新能源是相對于常規能源而言的，是指采用新技術(shù)和新材料或在新技術(shù)基礎上系統地開(kāi)發(fā)利用的能源，如太陽(yáng)能、風(fēng)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(wǎng)在規劃、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(dòng)性對電力系統電壓、頻率、穩定性等方面帶來(lái)的影響。
2013年，為促進(jìn)上海電力學(xué)院電力系統及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)研究生適應新能源大量并網(wǎng)后電力系統發(fā)展的需要，上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院新開(kāi)設了“新能源與電力系統”研究生專(zhuān)業(yè)選修課程。該課程旨在使學(xué)生對新能源發(fā)電技術(shù)的基本原理、風(fēng)力與光伏發(fā)電等可再生能源并網(wǎng)后電力系統的運行特點(diǎn)有一個(gè)全面的了解，并能夠利用電力系統專(zhuān)業(yè)分析方法解決新能源并網(wǎng)給電力系統帶來(lái)的新問(wèn)題，為進(jìn)一步分析和研究新能源并網(wǎng)后電力系統的規劃、設計、運行打下良好基礎。
一、課程結構與教學(xué)內容的設計
“新能源與電力系統”課程的內容涉及電氣、動(dòng)力、機械、控制等許多學(xué)科領(lǐng)域，其中新能源發(fā)電技術(shù)主要包括太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電、生物質(zhì)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(shù)。新能源發(fā)電并網(wǎng)后對電力系統的影響包括規劃、運行、控制等諸多方面。該課程涉及“新能源發(fā)電技術(shù)”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(xué)時(shí)僅為36學(xué)時(shí)，內容多，課時(shí)少，要在有限的課堂教學(xué)時(shí)間內使學(xué)生有效掌握重要知識，需要合理設置課程結構，并對教學(xué)內容進(jìn)行篩選。
在過(guò)去10年中，世界風(fēng)電裝機容量以平均每年30%累計速度迅速增長(cháng)。截止到2013年，中國風(fēng)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(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)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(zhì)能、海洋能、地熱源等其他新能源發(fā)電技術(shù)還處于實(shí)驗研究或商業(yè)探索階段，市場(chǎng)份額較小。
大量隨機性、波動(dòng)性的風(fēng)電和光伏發(fā)電并網(wǎng)后對電力系統運行帶來(lái)較大的影響，特別是中國部分北方地區千萬(wàn)千瓦級風(fēng)電場(chǎng)集中接入當地110kV或220kV電網(wǎng)，對風(fēng)電接入地區電力系統的運行與控制產(chǎn)生了相當大的影響。因此，該課程將風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)后對電力系統的影響作為課程主要講授內容之一。而太陽(yáng)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?xún)�，如果直接接入當�?10kV或220kV電網(wǎng)，對電網(wǎng)影響不大。但大量的分布式光伏發(fā)電并入配電網(wǎng)后對配電網(wǎng)的影響卻不可忽視，因此該課程將光伏發(fā)電并網(wǎng)后對配電網(wǎng)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(shí)泛講。新能源并網(wǎng)后對電力系統的影響包含對電壓、頻率穩定、調度、規劃、控制等諸多方面，因此課程安排了較多的課時(shí)對新能源并網(wǎng)后的電力系統分析進(jìn)行講授，具體課時(shí)安排如下：新能源發(fā)電及并網(wǎng)技術(shù)基礎知識2學(xué)時(shí)，風(fēng)力、太陽(yáng)能光伏發(fā)電6學(xué)時(shí)，生物質(zhì)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(xué)時(shí)，風(fēng)電、光伏功率預測2學(xué)時(shí)，新能源并網(wǎng)的經(jīng)濟性2學(xué)時(shí)，海上風(fēng)電2學(xué)時(shí)，新能源并網(wǎng)對電力系統的影響共20學(xué)時(shí)（主要包括新能源并網(wǎng)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(wú)功電壓控制、電力系統穩定性分析等）。
二、教學(xué)方法和手段優(yōu)化
“新能源與電力系統”課程教學(xué)中需要積極探索、發(fā)掘與課程特點(diǎn)相匹配的教學(xué)方法和手段；強調知識的系統性、完整性；注重理論與實(shí)際、知識深度與廣度的結合；重視科研動(dòng)態(tài)的傳遞及科研方法的引導；加強對學(xué)生實(shí)踐環(huán)節的培養。
1.課程深度與廣度相協(xié)調
課程內容在滿(mǎn)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(shù)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(shù)，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(xué)生掌握分析新能源發(fā)電并網(wǎng)對電力系統影響的方法。
2.經(jīng)典理論與科研前沿技術(shù)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(lái)被視為電氣專(zhuān)業(yè)難教、難學(xué)的一門(mén)課程。新能源發(fā)電并網(wǎng)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(wèn)題。由于新能源發(fā)電發(fā)展時(shí)間不長(cháng)，上述許多新問(wèn)題還未得到全面解決，因此，在教學(xué)上應重視對科研前沿研究成果的呈現。通過(guò)對新能源并網(wǎng)技術(shù)方面最新科研成果的介紹、高水平學(xué)術(shù)期刊的查閱、電力系統運行中實(shí)際問(wèn)題的調研，培養學(xué)生檢索文獻、查閱資料的能力，引導學(xué)生掌握提出問(wèn)題并分析問(wèn)題的能力。
3.教學(xué)案例的分析與討論
課程教學(xué)過(guò)程中還應設置少量教學(xué)案例分析與討論環(huán)節。學(xué)生通過(guò)具體案例分析，課堂上以討論的形式讓學(xué)生將自己的觀(guān)點(diǎn)表述出來(lái)，不但鍛煉了學(xué)生分析和歸納總結的能力，同時(shí)也加深了他們對所學(xué)內容的理解和掌握。例如，可讓學(xué)生對采用不同風(fēng)電機組類(lèi)型、不同安裝容量，接入不同地區的實(shí)際風(fēng)電接入案例進(jìn)行分析，以了解風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)后對接入地區電力系統的電壓的影響。教學(xué)案例的分析與討論比課本上教條的說(shuō)詞更能引導學(xué)生充分認識到所學(xué)知識的實(shí)際價(jià)值，明確學(xué)習目標，從而激發(fā)學(xué)生的興趣，引領(lǐng)學(xué)生去深入理解課程內容。
三、實(shí)踐環(huán)節建設
實(shí)踐教學(xué)內容對課程理論的理解幫助較大。在實(shí)驗教學(xué)方面，課程應設置一些新能源并網(wǎng)后電力系統分析的綜合性實(shí)驗，如新能源并網(wǎng)后電力系統的潮流計算、暫態(tài)穩定性分析、無(wú)功電壓控制等。學(xué)生以實(shí)驗小組為單位，實(shí)驗方案設計、參數調整計算、電網(wǎng)接線(xiàn)到數據整理、實(shí)驗結果分析和撰寫(xiě)實(shí)驗報告等一整套工作都由實(shí)驗小組通過(guò)合作來(lái)完成。通過(guò)新能源并網(wǎng)實(shí)際案例的仿真分析實(shí)踐環(huán)節，能加深學(xué)生對理論知識的認識，有效加強學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力和綜合科研能力。
四、教學(xué)團隊的建設
本課程內容涉及電氣、動(dòng)力、機械、控制等許多學(xué)科領(lǐng)域，因此教學(xué)團隊應老中青搭配，從而達到專(zhuān)業(yè)職務(wù)和知識結構合理的效果。課程負責人應為具有較深的學(xué)術(shù)造詣和創(chuàng )新性學(xué)術(shù)思想的本學(xué)科的專(zhuān)家，同時(shí)要具有團結、協(xié)作精神和較好的組織、管理和領(lǐng)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(gè)領(lǐng)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(xué)院“新能源與電力系統”研究生課程建設的方案進(jìn)行了探析。通過(guò)對上海電力學(xué)院電力系統自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)建設、新能源技術(shù)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(xué)內容，并發(fā)掘了與課程特點(diǎn)相匹配的教學(xué)方法和手段。課程建設注重理論與實(shí)際的有效結合，提出加強課程實(shí)踐環(huán)節建設的思想。通過(guò)開(kāi)展課程建設，找出了該課程教學(xué)的薄弱環(huán)節，制訂了符合電力專(zhuān)業(yè)的建設目標和滿(mǎn)足電力企業(yè)對上海電力學(xué)院研究生專(zhuān)業(yè)能力要求的切實(shí)可行的課程建設發(fā)展規劃。
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(shí)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(xué)方法。對“電力電子技術(shù)在電力系統中的應用”課程的教學(xué)內容進(jìn)行了梳理，構建了知識模塊。知識模塊重點(diǎn)強調以應用為特色，抓住實(shí)際工程應用為主的案例，配以基礎知識模塊。在教學(xué)方法上采用團隊研究型教學(xué)模式，精心組織案例教學(xué)，指導學(xué)生從系統到裝置設計去整體理解裝置基本原理。教學(xué)實(shí)踐效果表明，課程組織內容合理，學(xué)生研究能力有所提高。
電力電子技術(shù)在電力系統中的應用有較長(cháng)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(lái)后，電力電子技術(shù)深入到電力系統的發(fā)、輸、配各環(huán)節中，成為新型學(xué)科領(lǐng)域。[1，2]學(xué)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(mén)學(xué)科領(lǐng)域，具有較強的綜合性。
為適應新技術(shù)的發(fā)展，國內高校大部分電氣工程專(zhuān)業(yè)都開(kāi)設了該課程。但該課程內容的高深讓學(xué)生和教師都感到困惑。筆者曾討論過(guò)本科生課程建設內容，提出了合理的教學(xué)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(shí)踐創(chuàng )新教育模式。筆者結合自身的教學(xué)實(shí)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(kāi)設現狀進(jìn)行了調研，見(jiàn)表1。
該課程作為電力系統自動(dòng)化或者電力電子及其傳動(dòng)專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)選修課程。學(xué)分是2學(xué)分的高校為75%，學(xué)分是1學(xué)分的高校為25%。課程名稱(chēng)不統一，有“復雜電力電子系統”、“柔性輸電技術(shù)”等。授課教師的專(zhuān)業(yè)背景：電力系統專(zhuān)業(yè)背景的教師占90%，電力電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)背景的教師占10%。國內設置有傳統的電氣工程專(zhuān)業(yè)的重點(diǎn)大學(xué)均開(kāi)設了此課程，一般電力院校也開(kāi)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(xué)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(shù)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(shù)概論》。重點(diǎn)院校在專(zhuān)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(shí)力較強的高校的課題組的研究生選修較多。通過(guò)調研發(fā)現，主要有以下幾個(gè)問(wèn)題：
1.知識點(diǎn)較多且雜亂
電力電子技術(shù)在電力系統的輸、發(fā)、配電各個(gè)環(huán)節都有應用，課程內容豐富，知識面廣。但教師只是在某個(gè)問(wèn)題上有所專(zhuān)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(dòng)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生不懂電力系統；電力系統專(zhuān)業(yè)學(xué)生不懂電力電子技術(shù)。講授某方面知識點(diǎn)過(guò)深時(shí)，部分學(xué)生就會(huì )跟不上教師進(jìn)度。
3.書(shū)本跟不上技術(shù)的發(fā)展
電力電子技術(shù)極大地推進(jìn)了生產(chǎn)力，新型技術(shù)在電力系統中的應用非常迅速。如柔性直流輸電技術(shù)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(zhù)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(xué)院課程建設現狀
上海電力學(xué)院于2005年開(kāi)設了本科課程，本科課程名稱(chēng)為“柔性輸電技術(shù)”，在2009年開(kāi)設了研究生課程，研究生課程名稱(chēng)為“電力電子技術(shù)在電力系統中的應用”。本科生課程的學(xué)分為1分，研究生課程的學(xué)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(guò)研究經(jīng)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(shù)背景�？己朔绞綖榇笞鳂I(yè)形式，教材采用上海電力學(xué)院教師編寫(xiě)的《柔性輸電技術(shù)概論》。在“電力電子技術(shù)在電力系統中的應用”課程的多年專(zhuān)業(yè)教學(xué)中，存在如下幾個(gè)教學(xué)問(wèn)題：
1.教學(xué)內容過(guò)于深奧
該技術(shù)處于學(xué)科前沿領(lǐng)域，科學(xué)專(zhuān)著(zhù)較多，但教材較少，可選擇的教材《柔性輸電技術(shù)概論》偏重于柔性交流輸電，《電力電子技術(shù)在電力系統中應用》偏重于電力電子。教學(xué)內容方面有與電力電子技術(shù)重復之處，未能與專(zhuān)業(yè)核心課程很好的銜接。
2.教學(xué)方法未與時(shí)俱進(jìn)
研究生專(zhuān)業(yè)教學(xué)與本科教學(xué)有極大的不同，理論的深度和廣度都超于本科教學(xué)。面向本科的教學(xué)方法不適應研究生教學(xué)。研究生教育要培養創(chuàng )新人才，教師要引導學(xué)生去發(fā)現問(wèn)題、解決問(wèn)題。
三、教學(xué)內容構建
針對知識點(diǎn)內容分散和銜接度不夠緊密等問(wèn)題，筆者對教學(xué)知識點(diǎn)進(jìn)行梳理，如表2所示。知識內容體系構建為五大模塊：學(xué)科綜述、基礎理論、發(fā)、輸、配應用。對知識模塊中的教學(xué)內容和知識點(diǎn)做了設計。對電力電子裝置的應用有所選取，抓住實(shí)際工程中主要應用的類(lèi)型。在教學(xué)內容組織上，教學(xué)重點(diǎn)放在發(fā)、輸、配的應用上，尤其是輸電網(wǎng)的應用。發(fā)電應用主要講述風(fēng)力發(fā)電機組的控制；輸電網(wǎng)應用主要介紹串補、并補裝置和柔性直流輸電；配電網(wǎng)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(xué)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(mén)課程的特色。
四、團隊研討型學(xué)習方式
傳統教學(xué)方法以灌輸為主，選修課的教學(xué)方法采用傳統教學(xué)方法，教學(xué)效果不好。文獻[4]介紹了團隊教學(xué)方法在控制理論課程中的應用�！半娏﹄娮蛹夹g(shù)在電力系統中的應用”課程也引入了團隊教學(xué)方式。團隊教學(xué)牽涉兩個(gè)方面：教師要設計好研究?jì)热�，學(xué)生要分工明確。團隊教學(xué)組織見(jiàn)表3。在研究?jì)热萆弦詰脼橹鬟M(jìn)行劃分，按照發(fā)輸配環(huán)節，給學(xué)生若干個(gè)任務(wù)。如可控串補裝置在電力系統應用中可以組建一個(gè)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(gè)層面均有，學(xué)生任務(wù)各有側重。在考核環(huán)節，學(xué)生的成績(jì)由團隊學(xué)習質(zhì)量和論文質(zhì)量?jì)刹糠志C合評分。團隊學(xué)習質(zhì)量和論文質(zhì)量各占50%。
五、教學(xué)反饋
學(xué)期結束后了解到，教學(xué)效果較好。學(xué)生團隊90%完成任務(wù)，10%的學(xué)生團隊接近完成任務(wù)。各專(zhuān)業(yè)的學(xué)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(guò)仿真計算環(huán)節，學(xué)生們普遍提高了研究能力和創(chuàng )新能力。通過(guò)對知識點(diǎn)的梳理，教師對本課程知識點(diǎn)的理解更加全面，學(xué)科知識融合度也大幅提高。但由于團隊教學(xué)課堂上不能花費大量時(shí)間指導學(xué)生，加上團隊課外交流不夠，也影響了團隊教學(xué)組織質(zhì)量。對于存在的問(wèn)題，將在以后的教學(xué)中采用流程優(yōu)化、加強監督等措施加以改進(jìn)。
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