“風力機組控制”課程教學研究

摘要：“風力機組控制”是新能源科學與工程專業的核心課程，在專業建設中起著舉足輕重的作用。為了提高教學質量，培養學生對專業知識的掌握和解決實際工程問題的能力，激發學生對專業課程的學習興趣，本文就風力機組控制的課程體系、教學內容以及教學方法進行了研究和探討，希望更多的同行共同探討。

關鍵詞：風力機組控制；教學內容；教學方法

中圖分類號：G642.421 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）30-0047-02

一、課程體系的探討

隨著常規能源的日益枯竭、人類賴以生存的地球所面臨的環境問題日益突出，風能作為未來清潔替代能源之一，與其他新能源相比，風能有著自身獨特的優勢，對于緩解能源匱乏、改善環境都有著非同尋常的意義。我國正在大力發展并網型風力發電，以解決由常規能源發電帶來的經濟、能源和環境三者之間的矛盾。

風資源豐富的地區通常都是位于邊遠地區或海島甚至是海上，自然環境比較惡劣，一般需要無人職守和遠程監控，這就對風力發電機組控制系統的可靠性和安全性提出了較高的要求。我國風力資源豐富，近十幾年來，我國在風力發電機組國產化方面也取得了較快進展。但是，總體來說我國風力發電事業還處于剛剛起步階段，我國的風力發電機組控制技術與國際先進水平相比，還存在著較大的差距。眾所周知，風力發電機組控制系統是保證機組正常運行的核心，控制系統性能的優劣直接決定了風力發電機組是否能夠安全高效穩定運行。

由于風速的隨機性與不確定性，與一般工業控制過程不同，風力發電機組在運行過程中不僅要監視機組自身的運行參數（機組各部件的溫度、壓力、低速軸及高速軸的轉速等），還要隨時關注自然界的風況（風速、風向等）以及電網（三相電壓、電流等）的參數，所以風力發電機組的控制系統是綜合性控制系統。系統根據這些參數及相應的控制算法來決定什么時候執行變槳控制、偏航控制、轉速控制及功率控制。

二、合理安排教學內容

“風力機組控制”作為新能源科學與工程專業的核心課程，其重要性不言而喻，目前國內高校中開設這門課程的還非常少，“風力機制控制”是一門嶄新的專業課程，涉及的知識面廣、內容豐富，它是流體力學、材料力學、理論力學、空氣動力學、氣象學、電力電子、電機學、風力機原理、電子技術、自動控制理論、電路、機械原理等多學科相交叉的一個新興學科。本課程的教學難點在于這門課程理論性強、概念抽象、缺少相應教學實驗設備及參考書籍等，國內對這方面的教學研究還很少。因此，我們教研室建立了一套包括課堂講授與實踐教學相結合的教學體系，旨在充分調動學生的積極性和主觀能動性，力爭全面提高“風力機制控制”的教學質量。

在教學實踐中，我們在保證風力機組控制課程內容的嚴謹性和系統性的前提下，適當忽略了一些繁瑣數學公式的推導，著重解釋推導過程的基本思想和方法，重點強調推導結果的內涵和實際的工程意義。在理論闡述上力求嚴謹、實用和易懂。

任何事情都不是一勞永逸的，基于2010年第一輪教學中使用的教材（《風力機組控制技術》霍志紅等，中國水利水電出版社，2010），我們考慮到風力發電技術發展的快速性，在教學過程中不斷更新教學內容，與時俱進，摸索合適的教學內容和教學模式，以適應新形勢下的教學任務，不斷改善教學效果。在新一輪教學當中，為了使教學內容更加合理，我們對原來的教學內容進行了相應的調整（調整前后的內容體系分別見圖1和圖2），調整后的教學內容更加合理，其中包括以下幾個方面：

將原來的第三章（風力發電機組的控制系統）與第四章（典型風力發電機組控制系統結構）整合為一章（第三章 風力發電機組的基本控制理論）主要內容包括：控制系統的基本組成、基本控制要求、定槳距機組、變槳距機組及變速機組的特點及基本控制策略。對于不同類型的風力發電機，控制單元會有所不同，但主要是因為發電機的結構或類型不同而使得控制方法不同以及定槳距和變槳距，從而形成多種結構和控制方案。

增加了第四章（變槳距控制系統）內容，變槳距是指大型風力發電機安裝在輪轂上的葉片借助控制技術和動力系統改變槳距角的大小從而改變葉片氣動特性，變槳距控制技術使槳葉和整機的受力狀況大為改善。變槳控制系統是一個閉環反饋控制系統，一般根據風速、轉速與輸出功率作為控制量來給出槳距角指令。這一章中詳細介紹了電動變槳控制技術（統一變槳、獨立變槳）與液壓變槳控制技術（統一變槳、獨立變槳）以及聯合變槳控制技術。

根據前兩輪的教學經驗，為了使學生更好了解與掌握課程內容，液壓與制動系統這部分在原教材的基礎上增加了對基本液壓元件與制動器的詳細介紹。液壓系統在風力發電機組中的應用主要有以下幾個方面：變槳距控制、偏航驅動與制動、定槳距空氣動力制動、機械制動、風輪鎖定、開關機艙和驅動起重機、齒輪箱油液冷卻和過濾，發電機、變壓器冷卻、變流器油液溫度控制等。

增加了第九章（風力發電機組的監控系統）內容，由于氣候條件所限，風電場一般都比較偏遠，風電場之間的距離比較遠（特別是對于海上風電場的情況），監控中心與實際風電場的物理位置相距很遠。監控系就像一個人的眼睛一樣，它對風電機組正常、安全可靠運行至關重要。SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統即數據采集與監視控制系統，是電網調度自動化系統的重要組成部分，通過SCADA系統可以使電網調度中心及時獲風電場的各項數據信息。與此同時，調度中心也會通過系統將控制指令傳送到風電場和變電站，實現電網的穩定、安全、經濟運行。這一章中主要包括以下內容：數據通信的基礎知識、風電場SCADA系統、風電機組的數據采集系統、風電機組的監控系統。

補充和增加了第十二章風力發電機組的維護，隨著科技的進步，風電事業的不斷發展，新機組不斷投運，舊機組不斷老化，風機日常運行維護也是越來越重要。這一章中主要介紹了維護工作的主要內容、機組各部件的維護工作，使課程內容更加合理。

三、理論教學與仿真實驗相結合

對于一門主要的專業課程，實驗的重要性不言而喻。《風力機組控制》的實驗教學不但是課程的重要組成部分而且也是理論聯系實際的重要環節，它還是促進風力機組控制技術發展的根本途徑，是學生在《風力機組控制》課程學習中所要掌握的重要知識。實驗教學可以將枯燥的理論知識轉化為生動、直觀的實際工程案例。在實驗教學過程中，注意理論與實踐的結合，引導學生從基本操作入手，循序漸進，逐步過渡到系統模型的建立、計算機輔助分析和系統設計上。

風力發電機組運行過程仿真實驗旨在使學生了解風力發電的基本原理及熟練掌握風力發電運行的全過程。其中包括：風向變化引發的風機偏航控制實驗、風速變化引發的風機切入和切出控制實驗、風機扭纜引發的風機偏航解纜控制實驗、風機偏航故障引發安全鏈動作實驗、風機扭纜故障引發安全鏈動作實驗、機艙振動超限故障引發安全鏈動作實驗、齒輪箱、發電機超速故障引發安全鏈動作實驗、風機其它故障引發安全鏈動作實驗、風機自檢和啟動動作實驗、風機正常停機和緊急停機動作實驗。可完成風力機控制系統的運行過程模擬及在線運行狀態檢測。轉速參數包括：發電機轉速、齒輪箱轉速、電動機帶動輪轂轉速；溫度參數：發電機溫度、齒輪箱溫度；齒輪箱油壓、齒輪箱液位等振動與噪聲參數。可進行風能與輪轂轉速對比實驗、輪轂、齒箱及發電機轉速對比及效率實驗。《風力機組控制》實驗課程培養了學生獨立思考和研究的能力，為學生日后的工作學習打好基礎。

四、加強師生交流

“風力機組控制”課程涉及的學科范圍非常廣泛，有些概念對于初次接觸的學生而言會比較抽象，在教學過程中，不但要在課堂上保證教學質量。而且還要在教與學的過程中進行不斷的摸索，課后要與學生多溝通交流，及時發現學生在專業課學習中的遇到的困難和問題，通過教與學的相互反饋，及時解決學習當中的疑難問題。加強師生交流主要包括兩個方面：一方面是課堂上積極與學生互動；二是加強課下與學生交流談心。針對不同的教學對象，及時對教學進行調整，以提高教學質量。除此之外，教師還要掌握國內外風力發電機組控制技術發展的新動向、新知識，并將這些新知識融入到教學和科研上。不斷地探索和采用新的教學方法和手段，為學生創造更愉悅的學習環境，全面提高教學質量。

參考文獻：

[1]霍志紅，鄭源，左潞，等.風力發電機組控制技術[M].：中國水利水電出版社，2010.

[2]葉杭冶.風力發電機組的控制技術[M].北京：機械工業出版社，2002.

[3]王承煦，張源.風力發電[M].北京：中國電力出版社，2002.

[4]霍志紅，鄭源，許昌，等.《風力機組控制技術》教材編寫心得與體會[J].中國電力教育，2012，（18）：51，61.

（責任編輯：劉翠枝）