“風(fēng)力機(jī)組控制”課程教學(xué)研究

摘要：“風(fēng)力機(jī)組控制”是新能源科學(xué)與工程專業(yè)的核心課程，在專業(yè)建設(shè)中起著舉足輕重的作用。為了提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的掌握和解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，激發(fā)學(xué)生對(duì)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)興趣，本文就風(fēng)力機(jī)組控制的課程體系、教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)方法進(jìn)行了研究和探討，希望更多的同行共同探討。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力機(jī)組控制；教學(xué)內(nèi)容；教學(xué)方法

中圖分類號(hào)：G642.421 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）30-0047-02

一、課程體系的探討

隨著常規(guī)能源的日益枯竭、人類賴以生存的地球所面臨的環(huán)境問(wèn)題日益突出，風(fēng)能作為未來(lái)清潔替代能源之一，與其他新能源相比，風(fēng)能有著自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于緩解能源匱乏、改善環(huán)境都有著非同尋常的意義。我國(guó)正在大力發(fā)展并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電，以解決由常規(guī)能源發(fā)電帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)、能源和環(huán)境三者之間的矛盾。

風(fēng)資源豐富的地區(qū)通常都是位于邊遠(yuǎn)地區(qū)或海島甚至是海上，自然環(huán)境比較惡劣，一般需要無(wú)人職守和遠(yuǎn)程監(jiān)控，這就對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的可靠性和安全性提出了較高的要求。我國(guó)風(fēng)力資源豐富，近十幾年來(lái)，我國(guó)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組國(guó)產(chǎn)化方面也取得了較快進(jìn)展。但是，總體來(lái)說(shuō)我國(guó)風(fēng)力發(fā)電事業(yè)還處于剛剛起步階段，我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)與國(guó)際先進(jìn)水平相比，還存在著較大的差距。眾所周知，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)是保證機(jī)組正常運(yùn)行的核心，控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣直接決定了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是否能夠安全高效穩(wěn)定運(yùn)行。

由于風(fēng)速的隨機(jī)性與不確定性，與一般工業(yè)控制過(guò)程不同，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中不僅要監(jiān)視機(jī)組自身的運(yùn)行參數(shù)（機(jī)組各部件的溫度、壓力、低速軸及高速軸的轉(zhuǎn)速等），還要隨時(shí)關(guān)注自然界的風(fēng)況（風(fēng)速、風(fēng)向等）以及電網(wǎng)（三相電壓、電流等）的參數(shù)，所以風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)是綜合性控制系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)這些參數(shù)及相應(yīng)的控制算法來(lái)決定什么時(shí)候執(zhí)行變槳控制、偏航控制、轉(zhuǎn)速控制及功率控制。

二、合理安排教學(xué)內(nèi)容

“風(fēng)力機(jī)組控制”作為新能源科學(xué)與工程專業(yè)的核心課程，其重要性不言而喻，目前國(guó)內(nèi)高校中開設(shè)這門課程的還非常少，“風(fēng)力機(jī)制控制”是一門嶄新的專業(yè)課程，涉及的知識(shí)面廣、內(nèi)容豐富，它是流體力學(xué)、材料力學(xué)、理論力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、氣象學(xué)、電力電子、電機(jī)學(xué)、風(fēng)力機(jī)原理、電子技術(shù)、自動(dòng)控制理論、電路、機(jī)械原理等多學(xué)科相交叉的一個(gè)新興學(xué)科。本課程的教學(xué)難點(diǎn)在于這門課程理論性強(qiáng)、概念抽象、缺少相應(yīng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備及參考書籍等，國(guó)內(nèi)對(duì)這方面的教學(xué)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(shí)踐教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)體系，旨在充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和主觀能動(dòng)性，力爭(zhēng)全面提高“風(fēng)力機(jī)制控制”的教學(xué)質(zhì)量。

在教學(xué)實(shí)踐中，我們?cè)诒ＷC風(fēng)力機(jī)組控制課程內(nèi)容的嚴(yán)謹(jǐn)性和系統(tǒng)性的前提下，適當(dāng)忽略了一些繁瑣數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)，著重解釋推導(dǎo)過(guò)程的基本思想和方法，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)推導(dǎo)結(jié)果的內(nèi)涵和實(shí)際的工程意義。在理論闡述上力求嚴(yán)謹(jǐn)、實(shí)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(xué)中使用的教材（《風(fēng)力機(jī)組控制技術(shù)》霍志紅等，中國(guó)水利水電出版社，2010），我們考慮到風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展的快速性，在教學(xué)過(guò)程中不斷更新教學(xué)內(nèi)容，與時(shí)俱進(jìn)，摸索合適的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式，以適應(yīng)新形勢(shì)下的教學(xué)任務(wù)，不斷改善教學(xué)效果。在新一輪教學(xué)當(dāng)中，為了使教學(xué)內(nèi)容更加合理，我們對(duì)原來(lái)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整（調(diào)整前后的內(nèi)容體系分別見圖1和圖2），調(diào)整后的教學(xué)內(nèi)容更加合理，其中包括以下幾個(gè)方面：

將原來(lái)的第三章（風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)）與第四章（典型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)）整合為一章（第三章 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本控制理論）主要內(nèi)容包括：控制系統(tǒng)的基本組成、基本控制要求、定槳距機(jī)組、變槳距機(jī)組及變速機(jī)組的特點(diǎn)及基本控制策略。對(duì)于不同類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，控制單元會(huì)有所不同，但主要是因?yàn)榘l(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和控制方案。

增加了第四章（變槳距控制系統(tǒng)）內(nèi)容，變槳距是指大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝在輪轂上的葉片借助控制技術(shù)和動(dòng)力系統(tǒng)改變槳距角的大小從而改變?nèi)~片氣動(dòng)特性，變槳距控制技術(shù)使槳葉和整機(jī)的受力狀況大為改善。變槳控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，一般根據(jù)風(fēng)速、轉(zhuǎn)速與輸出功率作為控制量來(lái)給出槳距角指令。這一章中詳細(xì)介紹了電動(dòng)變槳控制技術(shù)（統(tǒng)一變槳、獨(dú)立變槳）與液壓變槳控制技術(shù)（統(tǒng)一變槳、獨(dú)立變槳）以及聯(lián)合變槳控制技術(shù)。

根據(jù)前兩輪的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，為了使學(xué)生更好了解與掌握課程內(nèi)容，液壓與制動(dòng)系統(tǒng)這部分在原教材的基礎(chǔ)上增加了對(duì)基本液壓元件與制動(dòng)器的詳細(xì)介紹。液壓系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面：變槳距控制、偏航驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)、定槳距空氣動(dòng)力制動(dòng)、機(jī)械制動(dòng)、風(fēng)輪鎖定、開關(guān)機(jī)艙和驅(qū)動(dòng)起重機(jī)、齒輪箱油液冷卻和過(guò)濾，發(fā)電機(jī)、變壓器冷卻、變流器油液溫度控制等。

增加了第九章（風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的監(jiān)控系統(tǒng)）內(nèi)容，由于氣候條件所限，風(fēng)電場(chǎng)一般都比較偏遠(yuǎn)，風(fēng)電場(chǎng)之間的距離比較遠(yuǎn)（特別是對(duì)于海上風(fēng)電場(chǎng)的情況），監(jiān)控中心與實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)的物理位置相距很遠(yuǎn)。監(jiān)控系就像一個(gè)人的眼睛一樣，它對(duì)風(fēng)電機(jī)組正常、安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要。SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統(tǒng)即數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)，是電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的重要組成部分，通過(guò)SCADA系統(tǒng)可以使電網(wǎng)調(diào)度中心及時(shí)獲風(fēng)電場(chǎng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息。與此同時(shí)，調(diào)度中心也會(huì)通過(guò)系統(tǒng)將控制指令傳送到風(fēng)電場(chǎng)和變電站，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的穩(wěn)定、安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。這一章中主要包括以下內(nèi)容：數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識(shí)、風(fēng)電場(chǎng)SCADA系統(tǒng)、風(fēng)電機(jī)組的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、風(fēng)電機(jī)組的監(jiān)控系統(tǒng)。

補(bǔ)充和增加了第十二章風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的維護(hù)，隨著科技的進(jìn)步，風(fēng)電事業(yè)的不斷發(fā)展，新機(jī)組不斷投運(yùn)，舊機(jī)組不斷老化，風(fēng)機(jī)日常運(yùn)行維護(hù)也是越來(lái)越重要。這一章中主要介紹了維護(hù)工作的主要內(nèi)容、機(jī)組各部件的維護(hù)工作，使課程內(nèi)容更加合理。

三、理論教學(xué)與仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合

對(duì)于一門主要的專業(yè)課程，實(shí)驗(yàn)的重要性不言而喻。《風(fēng)力機(jī)組控制》的實(shí)驗(yàn)教學(xué)不但是課程的重要組成部分而且也是理論聯(lián)系實(shí)際的重要環(huán)節(jié)，它還是促進(jìn)風(fēng)力機(jī)組控制技術(shù)發(fā)展的根本途徑，是學(xué)生在《風(fēng)力機(jī)組控制》課程學(xué)習(xí)中所要掌握的重要知識(shí)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以將枯燥的理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為生動(dòng)、直觀的實(shí)際工程案例。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，注意理論與實(shí)踐的結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生從基本操作入手，循序漸進(jìn)，逐步過(guò)渡到系統(tǒng)模型的建立、計(jì)算機(jī)輔助分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)上。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程仿真實(shí)驗(yàn)旨在使學(xué)生了解風(fēng)力發(fā)電的基本原理及熟練掌握風(fēng)力發(fā)電運(yùn)行的全過(guò)程。其中包括：風(fēng)向變化引發(fā)的風(fēng)機(jī)偏航控制實(shí)驗(yàn)、風(fēng)速變化引發(fā)的風(fēng)機(jī)切入和切出控制實(shí)驗(yàn)、風(fēng)機(jī)扭纜引發(fā)的風(fēng)機(jī)偏航解纜控制實(shí)驗(yàn)、風(fēng)機(jī)偏航故障引發(fā)安全鏈動(dòng)作實(shí)驗(yàn)、風(fēng)機(jī)扭纜故障引發(fā)安全鏈動(dòng)作實(shí)驗(yàn)、機(jī)艙振動(dòng)超限故障引發(fā)安全鏈動(dòng)作實(shí)驗(yàn)、齒輪箱、發(fā)電機(jī)超速故障引發(fā)安全鏈動(dòng)作實(shí)驗(yàn)、風(fēng)機(jī)其它故障引發(fā)安全鏈動(dòng)作實(shí)驗(yàn)、風(fēng)機(jī)自檢和啟動(dòng)動(dòng)作實(shí)驗(yàn)、風(fēng)機(jī)正常停機(jī)和緊急停機(jī)動(dòng)作實(shí)驗(yàn)?？赏瓿娠L(fēng)力機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程模擬及在線運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)。轉(zhuǎn)速參數(shù)包括：發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、齒輪箱轉(zhuǎn)速、電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)輪轂轉(zhuǎn)速；溫度參數(shù)：發(fā)電機(jī)溫度、齒輪箱溫度；齒輪箱油壓、齒輪箱液位等振動(dòng)與噪聲參數(shù)。可進(jìn)行風(fēng)能與輪轂轉(zhuǎn)速對(duì)比實(shí)驗(yàn)、輪轂、齒箱及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)比及效率實(shí)驗(yàn)。《風(fēng)力機(jī)組控制》實(shí)驗(yàn)課程培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立思考和研究的能力，為學(xué)生日后的工作學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。

四、加強(qiáng)師生交流

“風(fēng)力機(jī)組控制”課程涉及的學(xué)科范圍非常廣泛，有些概念對(duì)于初次接觸的學(xué)生而言會(huì)比較抽象，在教學(xué)過(guò)程中，不但要在課堂上保證教學(xué)質(zhì)量。而且還要在教與學(xué)的過(guò)程中進(jìn)行不斷的摸索，課后要與學(xué)生多溝通交流，及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生在專業(yè)課學(xué)習(xí)中的遇到的困難和問(wèn)題，通過(guò)教與學(xué)的相互反饋，及時(shí)解決學(xué)習(xí)當(dāng)中的疑難問(wèn)題。加強(qiáng)師生交流主要包括兩個(gè)方面：一方面是課堂上積極與學(xué)生互動(dòng)；二是加強(qiáng)課下與學(xué)生交流談心。針對(duì)不同的教學(xué)對(duì)象，及時(shí)對(duì)教學(xué)進(jìn)行調(diào)整，以提高教學(xué)質(zhì)量。除此之外，教師還要掌握國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)發(fā)展的新動(dòng)向、新知識(shí)，并將這些新知識(shí)融入到教學(xué)和科研上。不斷地探索和采用新的教學(xué)方法和手段，為學(xué)生創(chuàng)造更愉悅的學(xué)習(xí)環(huán)境，全面提高教學(xué)質(zhì)量。

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（責(zé)任編輯：劉翠枝）