雙饋風電實驗平臺在實踐教學中的應用研究

梅柏杉， 吳 迪， 馮江波

(上海電力學院 電氣工程學院, 上海 200090)

雙饋風電實驗平臺在實踐教學中的應用研究

梅柏杉， 吳 迪， 馮江波

(上海電力學院 電氣工程學院, 上海 200090)

對風電專業本科實踐教學進行探索，將雙饋風力發電實驗平臺應用于專業課的實踐教學。在常規專業理論教學的基礎上,基于德國Lucas-nuelle公司的雙饋風力發電教學實驗平臺，開展雙饋風力發電的各類典型實驗，加深學生對理論知識的理解。同時，學生通過對實驗平臺的操作實踐，使他們對風力發電的生產流程和崗位技能要求有更直觀的體驗，激發學生的學習興趣，有效提升專業課教學的質量，提高了風電專業教學的趣味性和直觀性。

雙饋風力發電； 實驗平臺； 實踐教學

風能作為重要的可再生清潔能源，正越來越多的得到世界各國的關注。根據中國風能協會初步統計數據，2013年中國風電新增裝機容量為1 610萬kW，中國風電累計裝機已突破9 000萬kW。2014年上半年公開招標的裝機容量將超過11 GW，規模同比增長27%以上[1]。根據對國內主流風電項目業主2014年裝機計劃的統計，我國2014年風電裝機大概率將超過18 GW，甚至有望超過2010年18.9 GW的水平，創出歷史新高[2]。

隨著風力發電產業的高速發展，各企事業單位對風電專業的人才需求日益提高。為風電產業培養更多專業基礎扎實和實踐能力出色的優秀人才，一直是擺在風電一線教學工作者面前的艱巨任務[3]。風電專業學生需要學習風電場運行控制、安全、施工、經營管理、信息系統等多門專業課程知識，所以風電專業課教學中有大量的學科理論教學[4]。雖然目前風電專業通過與企事業單位聯系，開展了相關的專業實踐課程，一定程度上幫助學生熟悉風電場運行現狀和了解風電相關崗位的工作內容，但由于這些實踐課程時間較短，可供學生選擇的實踐崗位和實習內容較為單一，出于安全考慮，一些復雜事件處置和核心崗位無法提供給學生進行實踐，實踐課程指導教師無法將風電專業理論知識在現場實踐環節中進行系統深入的講解和分析[5]。因此，如何應用一些先進的教學方式和教學平臺來填補目前風電專業課實踐教學中的不足，促進風電專業課實踐教學的發展，是本文著重探討的問題[3]。文中以德國Lucas-nuelle公司的雙饋風力發電教學實驗平臺，以直流電機模擬風力機，簡化了實驗條件，采用半物理仿真的方式[6]，在實驗室內部就可以進行雙饋風力發電系統的各類典型實驗，將風電運行控制的整個過程生動的展示在學生面前，既提高了風電專業教學的趣味性和直觀性，又增加了學生動手操作的機會，加深了學生對風電知識的理解。

1 教學實驗平臺的發展現狀

教學實驗平臺已經成為一個非常具有前景的產業，各類仿真模擬技術和動態顯示技術不斷發展。各種各樣的教學實驗平臺也已經成為高校、科研院所以及企事業單位開展相關研究、教學和培訓工作必不可少的工具[7]。它們不僅應用于工程領域，如機械、航空、航天、電力、冶金、化工、電子等方面，還廣泛應用于非工程領域，如交通管理、生產調度、庫存控制、生態環境以及社會經濟等方面，成為分析、研究各種系統，尤其是復雜系統的重要工具。

對于風力發電行業來說，市場上的各類教學實驗平臺很多，但是在技術層次、用戶交互設計，安全性、經濟性和實用性等方面，水平參差不齊。浙江天煌科技實業有限公司(天煌教儀)的THNRSK-1型雙饋異步風力發電實驗系統和江蘇偉創晶光電設備有限公司的室內模擬風力發電實驗系統，均有不錯的表現。綜合了考慮風力機的簡化模擬、用戶界面的友好程度、實驗平臺的直觀性和實驗內容的全面性等方面后，我們最終采用了德國Lucas-nuelle公司的雙饋風力發電教學實驗平臺。該平臺除了可以模擬真實的雙饋風力發電系統運行過程。完成一般風電教學實驗平臺不能模擬的故障穿越實驗外，還能參與交互和控制，大大提高了學生參與實驗過程的直觀性和逼真性。在風電專業課實踐教學中，可以充分利用該雙饋風力發電教學實驗平臺所提供的直觀性和參與性，提高學生的學習興趣[8]。

2 雙饋風力發電教學實驗平臺應用于實踐教學

雙饋風力發電機是當下風力發電中最前沿的技術。由于實際中的雙饋風力機組容量和體積都很龐大，無法搬進實驗室進行教學。

2.1 雙饋風力發電教學實驗平臺

德國Lucas-nuelle公司的雙饋風力發電教學實驗平臺(見圖1)，采用半物理仿真的方式，模擬風能與風機，結合小容量異步電機，組成雙饋發電系統，專門用于實驗室教學演示和學習研究現代風力發電站的工作原理過程。配套的互動實驗室輔助課程用以介紹相關背景和理論知識，并為實驗的測量與控制提供互動支持，展示了一種全新的實驗形式與理念。該平臺具有以下主要特點：

(1) 采用半物理仿真的思想，通過電機轉矩/轉速控制平臺與一臺交流伺服電機連接，從細節上高精度模擬風機運行，把現實中的大機組模擬搬進實驗室。結合實驗界面，還可以自己設計風況的動態變化過程用于模擬實驗。

(2) 與現代工業技術結合，系統結合虛擬儀器測量技術，實現計算機輔助測量控制。軟件系統中的相量圖及示波器等虛擬儀表可供實驗中調用，幫助學生更形象地理解電機矢量控制等基本原理，并為進一步全開放環境提供基礎。

(3) 配套專用Labsoft課程軟件，包含相關多種背景知識和基本原理，提供學生實驗互動操作支持和測量儀表調用，并采用動畫的形式，生動形式地演示各種艱澀的理論知識，定子和轉子的磁場與電參數關系等。該軟件可以作為課件直接用于課堂教學。

圖1 雙饋風力發電教學實驗平臺

2.2 雙饋風力發電教學實驗平臺的實驗設置

該平臺結合風力發電的關鍵技術以及課程教學的科學合理性，設置了多種多樣的實驗，全面覆蓋了風力發電技術的各部分內容，典型的實驗有：

(1) 風速模擬和風力機控制實驗。該實驗是用直流電機來簡化模擬風力機，帶動雙饋風力發電機旋轉，通過控制直流電機來模擬風速和風輪槳距角的變化，進而影響功率的變化，實現最大功率跟蹤控制。該實驗可以讓學生更好地理解風力機的運行原理和控制方法。圖2為該實驗控制面板圖。

圖2 風力機模擬實驗控制面板圖

(2) 雙饋風力發電并網實驗。該實驗是模擬雙饋風力發電系統的并網過程，通過調節同步器上的輸出電壓頻率和幅值，使風力發電系統的輸出電壓的頻率和幅值滿足并網條件，并在同步器的指示下，找準合適的相位，進行手動并網操作。同時，也可以采用系統的自動并網操作。該實驗可以讓學生更好地掌握風力發電并網的條件和操作方法[9]。圖3為風力發電并網實驗同步器面板圖。

(3) 雙饋風力發電功率控制實驗。該實驗是模擬并網型雙饋風力發電系統的功率控制過程，通過調節風力發電系統機側和網側變流器的有功功率和無功功率設置，實時地調整雙饋風力發電系統定子側、轉子側和電網側的功率變化。該實驗可以讓學生更好地理解雙饋風力發電系統運行在超同步和次同步狀態下，雙饋風力發電機定子側、轉子側和電網側的功率狀態，掌握變速恒頻雙饋風力發電系統的功率控制方法。圖4為風力發電功率控制面板圖。

圖4 雙饋風力發電功率控制面板圖

(4) 雙饋風力發電低電壓穿越實驗。由于雙饋風力發電系統的低電壓穿越實驗平臺設計難度較大，目前市場上的教學實驗平臺鮮有具備此項實驗功能的，該實驗是此實驗平臺的特色實驗。實驗主要是模擬并網型雙饋風力發電系統的低電壓穿越過程，通過實驗臺進行人為的低電壓故障設定，進而模擬低電壓穿越的過程[10]。該實驗可以讓學生更好地理解雙饋風力發電系統低電壓穿越的原理和過程，加深對課程知識的理解。圖5為低電壓穿越實驗電壓/電流監視面板圖。

圖5 低電壓穿越實驗電壓電流監視面板圖

3 結束語

風力發電是新能源領域理論性和實踐性都很強的專業方向，課堂講解知識的實用化主要靠實驗和實踐來支持[5]。在專業教學過程中，應該注重激發學生的自主性和創新性，加強學生的工程意識，鼓勵學生運用已經學習與掌握的理論，通過實驗和實踐，加深對大型風力發電機組工作原理和特性的理解[11]。本文中的雙饋風力發電實驗平臺，采用半物理仿真的方法，創設了模擬現代大型風力發電機組的實驗條件，設計了大量貼近工程實際的實驗，讓學生在對實驗平臺的實踐操作過程中，快速地掌握風電行業對應崗位的要求和技能，加快了從學到用的轉變過程，加深了學生對理論知識的理解，鍛煉了學生動手能力，增加了學生學習興趣，有效提高了風電專業教學的質量[12]。

References)

[1] 吳廣龍.淺談風力發電的技術現狀與發展趨勢[J].裝備制造,2010(1):115.

[2] 張興然.淺談風力發電[J].中國電力教育,2011(18):84-85.

[3] 何建軍,陳薦.風電人才需求與人才培養模式的研究[J].中國電力教育,2010(31):31-33.

[4] 蘇曉.風電教育:高校,企業各有千秋[J].風能,2012(12)：52-53.

[5] 姜玉立,何偉軍.我國風電人才培養現狀,問題及對策[J].中國電力教育,2012(24):36-37.

[6] 林勇剛,徐立,李偉,等.電液比例變槳距風力機半物理仿真試驗臺[J].中國機械工程,2005,16(8):667-670.

[7] 王建林,何蘇勤,孫洪程.構建實驗教學平臺,培養學生創新精神和實踐能力[J].實驗技術與管理,2005,22(4):9-12.

[8] 唐幼純,胡浩民,王澤杰.基于軟件實驗平臺的課程教學模式的實踐研究[J].計算機教育,2008 (18):23-24.

[9] 吳國祥,馬神煒,陳國呈,等.雙饋變速恒頻風力發電空載并網控制策略[J].電工技術學報,2007,22(7):169-175.

[10] 梁亮,李建林,許洪華.雙饋感應式風力發電系統低電壓穿越研究[J].電力電子技術,2008,42(3):19-21.

[11] 左曉明,許兆美,鄭曉虎,等.應用型人才培養模式創新實驗區的探索與實踐[J].中國制造業信息化:學術版,2010,39(12):76-78.

[12] 黃大明,黃俊明,黃偉,等.改革與創新實踐教學模式 推進校企合作平臺的建設[J].實驗室研究與探索,2012 (6):140-143.

Study on application of double-fed wind power experimentalplatform in practical teaching

Mei Baishan， Wu Di， Feng Jiangbo

(Institute of Electrical Engineering,Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200090,China)

With the rapid development of Chinese wind power industry,the personnel needs of power system and wind power companies are increasing.Aiming at making a useful exploration on the practical teaching of undergraduate majoring in wind power, the doubly-fed wind power experiment platform into specialized practical teaching process is applied. On the basis of the general theoretical teaching,using the double-fed wind power experiment platform from Lucas-nuelle in German to carry out all kinds of typical experiment of double-fed wind power, can deepen students’ understanding of theoretical knowledge.In addition, the students will have a more intuitive experience of the wind production process and job skills required while operating the platform to finish experiments.Then students’ interests in learning will be stimulated,the quality of courses teaching will be effectively enhanced, and the interest and intuitive of teaching will be improved.

double-fed wind power generation; experimental platform; practical teaching

2014- 10- 26 修改日期：2014- 12- 09

梅柏杉(1957—)，男，湖南湘潭，教授，研究方向為大型風力發電.

E-mail：meibs@163.com

G484;TK83

B

1002-4956(2015)5- 0101- 03