新能源与电力系统研究生课程建设论文

研究生毕业论文 时间:2018-08-30 我要投稿

  第1篇:新能源与电力系统研究生课程建设探析

  大量风电、光伏等新能源发电在现代电力系统中的接入,使得电网需要在规划、运行等多方面作出调整,以便能更好地适应新能源的发电随机性和波动性对电力系统电压、频率稳定性等方面产生的影响。首先介绍了上海电力学院“新能源与电力系统研究生课程的建设情况,然后对课程结构与教学内容设计、教学方法与手段、实践环节建设等方面进行了探析。

  21世纪人类面临的两大基本问题是能源问题与环境问题,发展新能源是解决这两大问题的必由之路。新能源是相对于常规能源而言的,是指采用新技术和新材料或在新技术基础上系统地开发利用的能源,如太阳能、风能、地热能、海洋能等,大部分新能源被转换成电能接入电力系统中。新能源在地理位置上高度分散、受气候影响大,因此新能源发电的控制方式比传统石化燃料发电复杂。要将大量新能源电能接入现有电力系统,需要电网在规划、运行及控制等诸多方面作出调整,以便能更好地适应新能源随机性、波动性对电力系统电压、频率、稳定性等方面带来的影响。

  2013年,为促进上海电力学院电力系统及其自动化专业研究生适应新能源大量并网后电力系统发展的需要,上海电力学院电气工程学院新开设了“新能源与电力系统”研究生专业选修课程。该课程旨在使学生对新能源发电技术的基本原理、风力与光伏发电等可再生能源并网后电力系统的运行特点有一个全面的了解,并能够利用电力系统专业分析方法解决新能源并网给电力系统带来的新问题,为进一步分析和研究新能源并网后电力系统的规划、设计、运行打下良好基础。

  一、课程结构与教学内容的设计

  “新能源与电力系统”课程的内容涉及电气、动力、机械、控制等许多学科领域,其中新能源发电技术主要包括太阳能发电、风能发电、生物质能发电、氢能发电、天然气、燃气发电、小水力发电、地热能发电和海洋能发电等多种发电技术。新能源发电并网后对电力系统的影响包括规划、运行、控制等诸多方面。该课程涉及“新能源发电技术”与“电力系统分析”两部分内容,概念多、知识面广、工程应用性强。但授课学时仅为36学时,内容多,课时少,要在有限的课堂教学时间内使学生有效掌握重要知识,需要合理设置课程结构,并对教学内容进行筛选。

  在过去10年中,世界风电装机容量以平均每年30%累计速度迅速增长。截止到2013年,中国风电累计装机已突破90GW,全球总装机容量达到318GW。中国光伏发电累计装机容量达到17.16GW,其中,大规模光伏电站累计装机容量达到11.18GW,分布式光伏发电累计装机容量达到5.98GW。风力发电和太阳发电占据新能源发电总装机容量的91.5%,是新能源利用的主力军。生物质能、海洋能、地热源等其他新能源发电技术还处于实验研究或商业探索阶段,市场份额较小。

  大量随机性、波动性的风电和光伏发电并网后对电力系统运行带来较大的影响,特别是中国部分北方地区千万千瓦级风电场集中接入当地110kV或220kV电网,对风电接入地区电力系统的运行与控制产生了相当大的影响。因此,该课程将风力发电并网后对电力系统的影响作为课程主要讲授内容之一。而太阳能光伏发电装机容量较小,大型的光伏电站装机容量一般在几兆瓦以内,如果直接接入当地110kV或220kV电网,对电网影响不大。但大量的分布式光伏发电并入配电网后对配电网的影响却不可忽视,因此该课程将光伏发电并网后对配电网的影响也作为课程主要讲授内容之一。其他新能源发电形式由于装机容量均较小,对电力系统影响并不大,则用较少的课时泛讲。新能源并网后对电力系统的影响包含对电压、频率稳定、调度、规划、控制等诸多方面,因此课程安排了较多的课时对新能源并网后的电力系统分析进行讲授,具体课时安排如下:新能源发电及并网技术基础知识2学时,风力、太阳能光伏发电6学时,生物质能发电、氢能发电、天然气/燃气发电、地热能发电和海洋能发电共2学时,风电、光伏功率预测2学时,新能源并网的经济性2学时,海上风电2学时,新能源并网对电力系统的影响共20学时(主要包括新能源并网后的消纳、电力系统优化调度、电力系统有功平衡与频率控制、电力系统无功电压控制、电力系统稳定性分析等)。

  二、教学方法和手段优化

  “新能源与电力系统”课程教学中需要积极探索、发掘与课程特点相匹配的教学方法和手段;强调知识的系统性、完整性;注重理论与实际、知识深度与广度的结合;重视科研动态的传递及科研方法的引导;加强对学生实践环节的培养。

  1.课程深度与广度相协调

  课程内容在满足广度的基础上还应保证一定的深度。课程内容应包括各种新能源发电技术基本原理、电力系统分析方法等基础知识,在新能源发电控制技术,电力系统运行、调度、控制等方面还应具有一定深度,从而使得学生掌握分析新能源发电并网对电力系统影响的方法。

  2.经典理论与科研前沿技术并重

  传统的“电力系统分析”课程由于理论较深、涉及面广、工程性强,历来被视为电气专业难教、难学的一门课程。新能源发电并网后,对电力系统的分析仍是建立在传统电力系统分析方法的基础上,但又存在传统分析方法不能解决的新问题。由于新能源发电发展时间不长,上述许多新问题还未得到全面解决,因此,在教学上应重视对科研前沿研究成果的呈现。通过对新能源并网技术方面最新科研成果的介绍、高水平学术期刊的查阅、电力系统运行中实际问题的调研,培养学生检索文献、查阅资料的能力,引导学生掌握提出问题并分析问题的能力。

  3.教学案例的分析与讨论

  课程教学过程中还应设置少量教学案例分析与讨论环节。学生通过具体案例分析,课堂上以讨论的形式让学生将自己的观点表述出来,不但锻炼了学生分析和归纳总结的能力,同时也加深了他们对所学内容的理解和掌握。例如,可让学生对采用不同风电机组类型、不同安装容量,接入不同地区的实际风电接入案例进行分析,以了解风电场并网后对接入地区电力系统的电压的影响。教学案例的分析与讨论比课本上教条的说词更能引导学生充分认识到所学知识的实际价值,明确学习目标,从而激发学生的兴趣,引领学生去深入理解课程内容。

  三、实践环节建设

  实践教学内容对课程理论的理解帮助较大。在实验教学方面,课程应设置一些新能源并网后电力系统分析的综合性实验,如新能源并网后电力系统的潮流计算、暂态稳定性分析、无功电压控制等。学生以实验小组为单位,实验方案设计、参数调整计算、电网接线到数据整理、实验结果分析和撰写实验报告等一整套工作都由实验小组通过合作来完成。通过新能源并网实际案例的仿真分析实践环节,能加深学生对理论知识的认识,有效加强学生的动手实践能力和综合科研能力。

  四、教学团队的建设

  本课程内容涉及电气、动力、机械、控制等许多学科领域,因此教学团队应老中青搭配,从而达到专业职务和知识结构合理的效果。课程负责人应为具有较深的学术造诣和创新性学术思想的本学科的专家,同时要具有团结、协作精神和较好的组织、管理和领导能力。主讲教师知识结构最好能覆盖电力系统、控制等多个领域,这样才能准确把握课程内容的广度和深度。

  五、结论

  本文对上海电力学院“新能源与电力系统”研究生课程建设的方案进行了探析。通过对上海电力学院电力系统自动化专业建设、新能源技术在电力行业的发展态势等方面的分析,制订了合理的课程结构与教学内容,并发掘了与课程特点相匹配的教学方法和手段。课程建设注重理论与实际的有效结合,提出加强课程实践环节建设的思想。通过开展课程建设,找出了该课程教学的薄弱环节,制订了符合电力专业的建设目标和满足电力企业对上海电力学院研究生专业能力要求的切实可行的课程建设发展规划。

  第2篇:“电力电子在电力系统中的应用”研究生课程教改与实践

  研究生课程建设不同于本科生课程建设,需要突出应用特色和使用新型教学方法。对“电力电子技术在电力系统中的应用”课程的教学内容进行了梳理,构建了知识模块。知识模块重点强调以应用为特色,抓住实际工程应用为主的案例,配以基础知识模块。在教学方法上采用团队研究型教学模式,精心组织案例教学,指导学生从系统到装置设计去整体理解装置基本原理。教学实践效果表明,课程组织内容合理,学生研究能力有所提高。

  电力电子技术在电力系统中的应用有较长的历史。早期的直流输电采用大功率晶闸管阀作为换流阀,现在轻型直流则采用IGBT器件。自20世纪80年代,柔性交流输电(FACTS)的概念被提出来后,电力电子技术深入到电力系统的发、输、配各环节中,成为新型学科领域。[1,2]学科方向涉及电力电子、控制理论、电力系统分析、高电压等多门学科领域,具有较强的综合性。

  为适应新技术的发展,国内高校大部分电气工程专业都开设了该课程。但该课程内容的高深让学生和教师都感到困惑。笔者曾讨论过本科生课程建设内容,提出了合理的教学改革方案,[3]但研究生课程建设不同于本科生课程建设,研究生课程体系强调提高应用特色和构建实践创新教育模式。笔者结合自身的教学实践,做了有益探索。

  一、国内高校课程建设现状

  对国内高校该课程开设现状进行了调研,见表1。

  该课程作为电力系统自动化或者电力电子及其传动专业的专业选修课程。学分是2学分的高校为75%,学分是1学分的高校为25%。课程名称不统一,有“复杂电力电子系统”、“柔性输电技术”等。授课教师的专业背景:电力系统专业背景的教师占90%,电力电子技术专业背景的教师占10%。国内设置有传统的电气工程专业的重点大学均开设了此课程,一般电力院校也开设了此课程。课程考核方式中,笔试占80%,作业占20%。教材包括:清华大学出版社出版的《柔性交流输电原理与应用》;机械工业出版社出版的《柔性交流输电系统》和《电力电子技术在电力系统中的应用》;中国水利水电出版社出版的《柔性输电技术概论》。重点院校在专业选修课的师资上均配备了从事该方向的教授级研究人员,一般电力院校则是从事该方向的副教授以上研究人员。选修该课程的研究生依据导师的研究方向而选修,一般在该方向实力较强的高校的课题组的研究生选修较多。通过调研发现,主要有以下几个问题:

  1.知识点较多且杂乱

  电力电子技术在电力系统的输、发、配电各个环节都有应用,课程内容丰富,知识面广。但教师只是在某个问题上有所专研,不可能面面俱到。如:懂电力系统的教师却不懂装置;懂装置的教师却不懂电力系统。

  2.研究生层次不一

  研究生依据选修方向而选课。电力电子传动专业的学生不懂电力系统;电力系统专业学生不懂电力电子技术。讲授某方面知识点过深时,部分学生就会跟不上教师进度。

  3.书本跟不上技术的发展

  电力电子技术极大地推进了生产力,新型技术在电力系统中的应用非常迅速。如柔性直流输电技术在中国从35kV的示范工程发展到300kV的示范工程,传统的直流输电面临着被柔性直流取代的局面。但现有教材对于柔性直流的介绍却很少。

  二、上海电力学院课程建设现状

  上海电力学院于2005年开设了本科课程,本科课程名称为“柔性输电技术”,在2009年开设了研究生课程,研究生课程名称为“电力电子技术在电力系统中的应用”。本科生课程的学分为1分,研究生课程的学分为2分。研究生授课教师均为副教授以上研究人员,在该方向上都有过研究经历。现主讲教师为2名,一位为电力系统背景,一位为电力电子技术背景。考核方式为大作业形式,教材采用上海电力学院教师编写的《柔性输电技术概论》。在“电力电子技术在电力系统中的应用”课程的多年专业教学中,存在如下几个教学问题:

  1.教学内容过于深奥

  该技术处于学科前沿领域,科学专著较多,但教材较少,可选择的教材《柔性输电技术概论》偏重于柔性交流输电,《电力电子技术在电力系统中应用》偏重于电力电子。教学内容方面有与电力电子技术重复之处,未能与专业核心课程很好的衔接。

  2.教学方法未与时俱进

  研究生专业教学与本科教学有极大的不同,理论的深度和广度都超于本科教学。面向本科的教学方法不适应研究生教学。研究生教育要培养创新人才,教师要引导学生去发现问题、解决问题。

  三、教学内容构建

  针对知识点内容分散和衔接度不够紧密等问题,笔者对教学知识点进行梳理,如表2所示。知识内容体系构建为五大模块:学科综述、基础理论、发、输、配应用。对知识模块中的教学内容和知识点做了设计。对电力电子装置的应用有所选取,抓住实际工程中主要应用的类型。在教学内容组织上,教学重点放在发、输、配的应用上,尤其是输电网的应用。发电应用主要讲述风力发电机组的控制;输电网应用主要介绍串补、并补装置和柔性直流输电;配电网应用主要介绍有源滤波器装置。基础知识模块的内容设计是为了应用做准备,该模块介绍了电力电子装置接入电力系统的建模方法和大功率变量器拓扑结构的基础知识。这些属于电力电子装置的共性知识。这种教学内容的安排可以承接电力电子和电力系统基础知识,又能强调本门课程的特色。

  四、团队研讨型学习方式

  传统教学方法以灌输为主,选修课的教学方法采用传统教学方法,教学效果不好。文献[4]介绍了团队教学方法在控制理论课程中的应用。“电力电子技术在电力系统中的应用”课程也引入了团队教学方式。团队教学牵涉两个方面:教师要设计好研究内容,学生要分工明确。团队教学组织见表3。在研究内容上以应用为主进行划分,按照发输配环节,给学生若干个任务。如可控串补装置在电力系统应用中可以组建一个3人的团队:1人研究可控串补提高系统输送能力,侧重于电力系统;1人研究可控串补的控制算法;1人研究可控串补的装置设计。可控串补的理论从机电暂态到电磁暂态各个层面均有,学生任务各有侧重。在考核环节,学生的成绩由团队学习质量和论文质量两部分综合评分。团队学习质量和论文质量各占50%。

  五、教学反馈

  学期结束后了解到,教学效果较好。学生团队90%完成任务,10%的学生团队接近完成任务。各专业的学生都能较好地分工融入团队,对装置的原理能深入理解。通过仿真计算环节,学生们普遍提高了研究能力和创新能力。通过对知识点的梳理,教师对本课程知识点的理解更加全面,学科知识融合度也大幅提高。但由于团队教学课堂上不能花费大量时间指导学生,加上团队课外交流不够,也影响了团队教学组织质量。对于存在的问题,将在以后的教学中采用流程优化、加强监督等措施加以改进。

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