“電力電子在電力系統(tǒng)中應(yīng)用”課程群團隊建設(shè)

王華昕, 王育飛, 薛 花

(上海電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院, 上海 200090)

“電力電子在電力系統(tǒng)中應(yīng)用”課程群團隊建設(shè)

王華昕, 王育飛, 薛 花

(上海電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院, 上海 200090)

“電力電子在電力系統(tǒng)中應(yīng)用”課程團隊以三門應(yīng)用選修課程為核心，展開課程內(nèi)涵建設(shè)。該課程群建設(shè)強調(diào)以行業(yè)應(yīng)用特色為主線，由點到面逐級深入核心領(lǐng)域。通過對課程體系的梳理，課程教學(xué)內(nèi)容得到優(yōu)化；教學(xué)方法采用案例教學(xué)和團隊教學(xué)法，著重培養(yǎng)研究生創(chuàng)新能力。教學(xué)效果良好。

課程團隊建設(shè)；體系結(jié)構(gòu)；創(chuàng)新能力

0 引言

我院2008年設(shè)置電力系統(tǒng)及其自動化碩士點后，就開設(shè)了“電力電子在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用”課程群。該課程群有：“柔性輸電技術(shù)”、“電力電子在新能源的應(yīng)用”和“電力電子裝置及系統(tǒng)”等三門課程。這三門課程有其共性且有各自的特性，是針對不同的領(lǐng)域的應(yīng)用而展開的課程?！叭嵝暂旊娂夹g(shù)”針對輸電領(lǐng)域的電力電子的應(yīng)用；“電力電子在新能源的應(yīng)用”針對配網(wǎng)領(lǐng)域的新能源接入問題；“電力電子裝置及系統(tǒng)”主要針對電力電子裝置高精尖端應(yīng)用。

現(xiàn)階段教學(xué)中發(fā)現(xiàn)：這三門課程之間存在內(nèi)容重復(fù)、案例教學(xué)單一、教師間交流欠缺等問題。課程群教學(xué)團隊的教改探索強調(diào)課程之間的相互配合，加深每門課程深度，提供給研究生一個豐富的具有電力電子行業(yè)應(yīng)用特色的課程群。

1 構(gòu)建以工程應(yīng)用為目標的課程體系

電力系統(tǒng)及其自動化和電力電子與電力傳動這兩個二級學(xué)科在傳統(tǒng)上交叉關(guān)聯(lián)度較弱。隨著電力電子在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的發(fā)展。電力電子接入問題和電力電子適用于高電壓復(fù)雜電磁環(huán)境的電力系統(tǒng)裝置問題使得這兩個學(xué)科交叉緊密起來[1-4]。清華大學(xué)、武漢大學(xué)、華北電力大學(xué)等都成立了相關(guān)研究所開展電力電子在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的研究，與此相適應(yīng)的課程也相繼開設(shè)，如“柔性輸電技術(shù)”、“直流輸電技術(shù)”和“新能源技術(shù)”課程等，國內(nèi)高校分別開展了這些課程內(nèi)涵建設(shè)。但以應(yīng)用為特色的課程團隊建設(shè)還未見有報道。

我院“電力電子在電力系統(tǒng)中應(yīng)用”課程團隊以上述的三門應(yīng)用選修課程為核心，展開課程群內(nèi)涵建設(shè)，強調(diào)以行業(yè)應(yīng)用特色為主線，不同課程圍繞應(yīng)用展開不同層面內(nèi)容。從裝置到系統(tǒng)接入，由點到面逐級深入核心領(lǐng)域，突破傳統(tǒng)課程之間的隔離，從而推動整個課程體系的建設(shè)。課程體系改革思路如圖1所示。

圖1 教學(xué)改革思路

各門課程教學(xué)重點見表1所示。

表1 課程教學(xué)內(nèi)容

表中，“柔性交流輸電技術(shù)”(簡稱FACTS)課程的教學(xué)模塊為串補、并補和柔性直流三塊。串補又分為可控串補和靜止同步串補，并補有靜止無功補償器和靜止無功發(fā)生器之分。柔性直流技術(shù)是電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中重大應(yīng)用，所以單列出來?！靶履茉础苯虒W(xué)重點是風、光、儲三個模塊的并網(wǎng)技術(shù)。風機模塊講授雙饋和永磁機的并網(wǎng)控制，光模塊講授光伏陣列并網(wǎng)最佳追蹤技術(shù)，儲能模塊講授超級電容器和鋰電池在微網(wǎng)中的應(yīng)用?！半娏﹄娮友b置”三個模塊是開關(guān)電源、逆變器和直流—直流變換器。開關(guān)電源講授高頻整流器的控制策略，逆變器講授單相恒壓恒頻正弦波逆變裝置工作原理，直流—直流變換器講授具有高頻環(huán)節(jié)的直流變換器工作原理。

從教學(xué)內(nèi)容上看，這三門課程基本覆蓋了電力電子在電力系統(tǒng)應(yīng)用的各個方面。柔性交流重點是補償和直流技術(shù)，是電力電子在輸電領(lǐng)域的典型應(yīng)用；新能源是電力電子在新興能源并網(wǎng)中的應(yīng)用；電力電子裝置面向裝置，強調(diào)裝置的工程設(shè)計和逆變器的控制方法。

三門選修課程特色明細，在學(xué)科上有交叉之處。

三門課程在前言上都需要講授部分電力電子學(xué)的基礎(chǔ)知識。牽涉到裝置需要講裝置的基本原理和工程設(shè)計中的難點。三門課程的內(nèi)容還有相近之處。如柔性交流輸電技術(shù)講用戶電力技術(shù)內(nèi)容時有有源濾波器模塊，電力電子裝置有電力電子在電力系統(tǒng)的應(yīng)用的宏觀介紹之類的知識點。

作為整體進行教學(xué)改革設(shè)計時，三門課程的教學(xué)內(nèi)容重新做了優(yōu)化設(shè)計。

(1)加入新元素

“柔性交流輸電技術(shù)”在用戶電力技術(shù)知識模塊處理上原先采用弱處理，現(xiàn)得到了“電力電子裝置”課程支持，強化了該知識模塊內(nèi)容；“電力電子裝置”中關(guān)于電力電子在電力系統(tǒng)應(yīng)用知識點也得到了“柔性交流輸電技術(shù)”課程支持；“新能源”中關(guān)于直流并網(wǎng)技術(shù)得到了柔性輸電課程支持。三門課程知識點相互補償，完善了電力電子在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用的課程體系結(jié)構(gòu)。

(2)教學(xué)內(nèi)容交叉部分做減法

FACTS課程內(nèi)容上對配電領(lǐng)域和新能源接入問題做減法。把教學(xué)內(nèi)容集中到補償技術(shù)和直流技術(shù)領(lǐng)域；“新能源”課程對于逆變器裝置方面也做減法，重點放在新能源并網(wǎng)控制技術(shù)上。“電力電子裝置”減少了新能源和輸電領(lǐng)域課程介紹，聚焦點在裝置的工程設(shè)計方面。

2 研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)方法

研究生教學(xué)不同于本科教學(xué)，教學(xué)內(nèi)容不再全堂灌輸，需要增加研討、實驗和參觀等諸多教學(xué)環(huán)節(jié)。三門課程教師在討論教學(xué)時迫切感受到研究生創(chuàng)新能力薄弱，特別關(guān)注如何通過課程學(xué)習(xí)體會到前人研究的方法，而不是單純追求結(jié)論的灌輸。教師對研究生們進行了訪談，了解其對當下研究生課程的看法。研究生們表示選修課程要有實用性，課程的內(nèi)容與研究方向要有關(guān)系，至少要為二年級的研究打個基礎(chǔ)。研究生課程考核不能單單評估考試成績，更要考核學(xué)生的創(chuàng)新能力。為此教師在教學(xué)方法上做了些調(diào)整，引入了案例教學(xué)和團隊教學(xué)方法。

1)案例教學(xué)法

教學(xué)內(nèi)容模塊化設(shè)計完成后，教學(xué)方法的改進體現(xiàn)在教學(xué)課件和仿真工具上。教學(xué)課件充分體現(xiàn)現(xiàn)代化多媒體的優(yōu)勢，在課件設(shè)計上以教學(xué)模塊為依據(jù)，將最新的科研和工程成果充實教學(xué)內(nèi)容。教師選擇了代表性示范工程，從系統(tǒng)設(shè)計、裝置基本參數(shù)、控制方法到試驗結(jié)果一一展現(xiàn)電力電子在電力系統(tǒng)應(yīng)用中的進展。學(xué)生從這些具體工程實例明白理論到現(xiàn)實之間需作的努力以及工程需求不斷提出的新的課題。

圖2 案例教學(xué)方法

以“柔性輸電技術(shù)”課程為例，仿真工具PSCAD是研究柔性輸電的很好仿真手段。PSCAD有友好的用戶界面，使得用戶能更方便地使用EMTDC進行電力系統(tǒng)分析，而且軟件可以作為實時數(shù)字仿真器的前置端，可模擬任意大小的交直流系統(tǒng)。筆者介紹裝置基本理論后，用PSCAD搭建裝置模型，設(shè)計控制策略，直接觀察裝置仿真波形。課程設(shè)計案例中利用Matlab工具，對永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)及并網(wǎng)控制系統(tǒng)進行仿真研究。所研究的仿真系統(tǒng)由永磁同步風力發(fā)電機、不可控整流器、升壓斬波、DC-AC并網(wǎng)逆變器等部分組成。學(xué)生可以把該風力發(fā)電仿真模型分成同步發(fā)電機仿真模塊、斬波變流器仿真模塊和逆變仿真模塊，就每個模塊運用理論知識進行仿真，最后將各模塊結(jié)合起來實現(xiàn)對整個案例體系的研究。同時結(jié)合啟發(fā)式教學(xué)：從工程實際問題引入，到問題的分析、歸類、解決，再回到實際工程中，每個環(huán)節(jié)都讓學(xué)生真正理解和領(lǐng)會各種新能源發(fā)電系統(tǒng)變換裝置的來龍去脈，使學(xué)生形成一條脈絡(luò)清晰的主線。

2)團隊教學(xué)法

傳統(tǒng)教學(xué)方法以灌輸為主，往往是教師講得天花亂墜，學(xué)生聽得想睡，教學(xué)效果不是很好。文獻[5-6]介紹了團隊教學(xué)方法在“控制理論”課程中的應(yīng)用。我們的FACTS課程也引入了團隊教學(xué)方法。團隊教學(xué)牽涉兩方面內(nèi)容，教師要設(shè)計好教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生要分工明確。團隊教學(xué)組織見表2。在研究內(nèi)容上以應(yīng)用為主進行劃分，按照發(fā)輸配環(huán)節(jié)，給學(xué)生布置若干個任務(wù)。如針對可控串補裝置在電力系統(tǒng)的應(yīng)用可以組建一個3人的團隊。1人研究可控串補提高系統(tǒng)輸送能力，側(cè)重于電力系統(tǒng)；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(shè)計。可控串補的理論從機電暫態(tài)到電磁暫態(tài)各個層面均有涉及，學(xué)生任務(wù)各有側(cè)重?？己谁h(huán)節(jié)上，學(xué)生的成績由團隊學(xué)習(xí)質(zhì)量和論文質(zhì)量綜合評分。團隊學(xué)習(xí)質(zhì)量和論文質(zhì)量各占50%。

表2 團隊教學(xué)組織安排

3)積極開展工程實踐教育

以工程應(yīng)用為特色的課程團隊建設(shè)應(yīng)從各個方面加強工程實踐教育。利用中央與地方共建高等學(xué)校專項基金建設(shè)的風力發(fā)電并網(wǎng)實驗室和085工程專項基金建設(shè)的微電網(wǎng)實驗室，開設(shè)雙饋感應(yīng)風力發(fā)電機/永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)、單晶硅/多晶硅/非晶硅薄膜光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能裝置與分布式控制系統(tǒng)、新能源發(fā)電與電力電子系統(tǒng)仿真等教學(xué)實驗，為學(xué)生課程學(xué)習(xí)、課題研究以及科技創(chuàng)新活動提供必要的硬件支持，引導(dǎo)學(xué)生參加教師的科研工作或開展自主性創(chuàng)造發(fā)明活動。FACTS課程結(jié)合上海南橋直流輸電工程和南匯輕型直流輸電工程，現(xiàn)場參觀實習(xí)；“新能源”和“電力電子裝置”課程結(jié)合學(xué)校微網(wǎng)實驗室，開展教學(xué)實驗。課堂教學(xué)與實驗同步進行，不僅包括基礎(chǔ)性原理知識與驗證性實驗，還提供了綜合設(shè)計和綜合測試內(nèi)容，與理論教材相得益彰，并將理論和實踐教學(xué)部分相對分離，相互配合，單獨考核，從而達到強調(diào)實踐的效果，也大大改善了理論教學(xué)效果。

3 教學(xué)效果反饋

通過一年來的教學(xué)改革與探索，課程群教學(xué)取得了豐碩的成果?！叭嵝暂旊娂夹g(shù)”課程對研究生課程論文進行了跟蹤評價如圖3所示。課程論文評價指標有5項，綜合成績指標為5項疊加。2015年論文水平整體上升10%，其中文獻調(diào)研和工作量增長顯著。提高的原因正是采用了團隊教學(xué)法和案例教學(xué)法?！半娏﹄娮友b置”和“新能源”以課程表現(xiàn)、主題宣講情況作為學(xué)生平時成績的打分依據(jù)，平時成績占總分的30%；期末閉卷考試成績占總分的70%。但實際操作下來，感覺還不能精確反映學(xué)生的知識水平，所以后期打算將平時成績的占比提高到50%左右。通過教學(xué)實踐發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容、方法還需要進一步改進。教學(xué)內(nèi)容需要更加重點突出，如UPS裝置需全面深入介紹，應(yīng)延伸模塊化及串并聯(lián)冗余技術(shù)；學(xué)生交流的主題需加強審核，強調(diào)與電力電子裝置及系統(tǒng)的相關(guān)性。

圖3 研究生課程論文評價指標

4 結(jié)語

通過對課程體系的梳理，“電力電子在電力系統(tǒng)中應(yīng)用”課程群教學(xué)內(nèi)容得到優(yōu)化；在研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面，教學(xué)方法多元化，使得學(xué)生得到良好的訓(xùn)練。教學(xué)反饋表明，所屬的三門課程的滿意度均得到提升，研究生反映課程改革強度大，考核環(huán)節(jié)設(shè)計合理，從中學(xué)習(xí)到了新知識。團隊課程教學(xué)改革將在日后的教學(xué)實踐中不斷總結(jié)和完善，為全校教學(xué)體系改革積累經(jīng)驗。

[1] 張文亮,湯廣福,查鯤鵬,賀之淵. 先進電力電子技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用[J]. 北京：中國電機工程學(xué)報,2010,30(4):1-6．

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本刊已在《中國學(xué)術(shù)期刊評價研究報告(武大版)》中被評為“RCCSE中國核心學(xué)術(shù)期刊A”

Construction of The Educational Team on The Power Electronics Application in Power System

WANG Hua-xin, WAN Yu-fei, XUE Hua

(CollegeofElectricalEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,shanghai200090,China)

Courses team of Power Electronics Application in Power System′ uses three elective courses as the core of the curriculum to carry out connotation development.Industry application feature is the key to the development ,from the device to the system access,to the core areas gradually.Through the combing of curriculum system,teaching contents are optimized.The teaching method uses multiplication method,including case teaching and group teaching method.Teaching feedback is good.

team construction;architecture; innovation ability

2015-07-24;

2015-11- 09

本文系2015年上海電力學(xué)院研究生教學(xué)改革基金項目研究成果

王華昕(1975-)，男，博士，副教授，主要從事柔性輸電技術(shù)的教學(xué)和研究，E-mail:2009000032@shiep.edu.cn

G426

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