“新能源與并網(wǎng)”課程特色教學(xué)改革探究

張 巍

（上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 上海 200093）

0 引言

隨著2030年碳達(dá)峰和2060年碳中和的總體戰(zhàn)略目標(biāo)的提出，如何逐步過渡到低碳社會(huì)成為當(dāng)今能源行業(yè)最重要的課題之一。而在整個(gè)能源行業(yè)中首當(dāng)其沖的就是電力行業(yè)，特別是新能源能發(fā)電領(lǐng)域[1]。通過加快新能源發(fā)電以及配套的電力系統(tǒng)建設(shè)，才能夠破解從高耗能的傳統(tǒng)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)向低碳清潔的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的制約。而電氣工程專業(yè)需要順應(yīng)這一大的趨勢(shì)，積極轉(zhuǎn)變教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)理念，在相關(guān)課程中全面普及這一理念，才能在電氣工程專業(yè)教育中推動(dòng)“雙碳目標(biāo)”的全覆蓋。

“新能源與并網(wǎng)”是面向電氣工程及其自動(dòng)專業(yè)學(xué)生的一門新的專業(yè)課程，本課程的任務(wù)是使學(xué)生獲得有關(guān)能源的基本理論和基本知識(shí)；掌握對(duì)二次能源及新能源的開發(fā)、轉(zhuǎn)換與利用，了解主流新能源發(fā)電并網(wǎng)方式并安全運(yùn)行，使學(xué)生獲得較寬廣的新能源發(fā)電科學(xué)技術(shù)知識(shí)。課程涵蓋了目前國際上主流的新能源發(fā)電模式，并兼顧到與新能源直接相關(guān)的儲(chǔ)能和微電網(wǎng)等知識(shí)點(diǎn)，使學(xué)生掌握新能源發(fā)電與并網(wǎng)的基本內(nèi)容及其分析方法。

該課程以自然界中可再生能源輸入的配網(wǎng)運(yùn)行方向?yàn)橹饕獌?nèi)容，但是目前與本學(xué)科其它課程的關(guān)聯(lián)度一般，教學(xué)內(nèi)容相對(duì)陳舊。該課程實(shí)際上是一門偏重應(yīng)用的課程，單純的理論教學(xué)顯得過于抽象、乏味，無法調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自主學(xué)習(xí)的動(dòng)力。學(xué)生無法感受到新能源發(fā)電技術(shù)在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)、生活中的重要性；導(dǎo)致學(xué)習(xí)只是為了拿到學(xué)分，為了考試通過而采取死記硬背的方法。并且該課程與本學(xué)科的其它課程具有較強(qiáng)的聯(lián)系，尤其是在發(fā)電機(jī)并網(wǎng)部分，與電力系統(tǒng)分析課程具有直接的聯(lián)系。因此需要對(duì)“新能源與并網(wǎng)”進(jìn)行有針對(duì)性的特色教學(xué)改革。

本文將從教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化、實(shí)踐環(huán)節(jié)加強(qiáng)、教學(xué)方法改革三個(gè)方面來分別闡述“新能源與并網(wǎng)”課程特色教學(xué)改革的策略，以期推動(dòng)高校電氣工程專業(yè)新能源類課程的健康發(fā)展。

1 課程背景與開設(shè)情況

“新能源與并網(wǎng)”課程的設(shè)置主要用于支撐畢業(yè)要求中“能夠理解和評(píng)價(jià)針對(duì)電氣工程領(lǐng)域中復(fù)雜工程問題的工程實(shí)踐對(duì)環(huán)境、社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的影響”的要求，主要的課程目標(biāo)包括：（1）掌握世界和中國新能源的發(fā)展現(xiàn)狀，掌握新能源發(fā)電中的電力電子技術(shù)；（2）掌握風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電的基本原理；（3）掌握多種儲(chǔ)能方式的基本原理及微電網(wǎng)的組成。

在知識(shí)點(diǎn)的設(shè)置上，包含了新能源與可再生能源概述、風(fēng)力發(fā)電及并網(wǎng)技術(shù)、太陽能發(fā)電及并網(wǎng)技術(shù)、新能源發(fā)電中的電力電子技術(shù)、電能存儲(chǔ)技術(shù)、分布式電源并網(wǎng)及微電網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)等主要的內(nèi)容。

在學(xué)習(xí)本課程之前，學(xué)生應(yīng)該先掌握“電氣工程學(xué)導(dǎo)論”“電力電子技術(shù)”“電力系統(tǒng)分析”等相關(guān)課程的基礎(chǔ)知識(shí)。通過進(jìn)一步學(xué)習(xí)本課程，學(xué)生應(yīng)該將“電力電子技術(shù)”中學(xué)習(xí)的變流器相關(guān)知識(shí)點(diǎn)與本課程中的風(fēng)力發(fā)電結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及微電網(wǎng)控制部分相聯(lián)系；同時(shí)還應(yīng)該將“電力系統(tǒng)分析”中學(xué)習(xí)的電力系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、電力系統(tǒng)的調(diào)頻和調(diào)壓等知識(shí)點(diǎn)與本課程中涉及的新能源并網(wǎng)控制相聯(lián)系，并明確新能源發(fā)電的主要特點(diǎn)以及困難。因此不難看出，本課程具有與電氣工程專業(yè)其他前置課程之間聯(lián)系比較緊密、知識(shí)點(diǎn)緊密結(jié)合實(shí)際、綜合性非常強(qiáng)的特點(diǎn)。如果在課程教學(xué)中面面俱到，事無巨細(xì)，很容易導(dǎo)致學(xué)生無法形成清晰的脈絡(luò)，從而收不到良好的教學(xué)效果。

從目前的課程開設(shè)情況來看，如果不做調(diào)整，直接采用通行的教材進(jìn)行教學(xué)，在學(xué)生的反饋中存在較多的問題，如風(fēng)力發(fā)電的機(jī)械原理部分，涉及部分力學(xué)知識(shí)，但是電氣工程專業(yè)的學(xué)生并沒有這一部分知識(shí)的儲(chǔ)備，因此在消化相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)時(shí)比較難以接受，同時(shí)，因?yàn)槿狈φ鎸?shí)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型，僅靠圖片的介紹也很難建立對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的具體印象。

同時(shí)，在部分高校還有專門的新能源科學(xué)與工程專業(yè)開設(shè)類似的課程[2-4]，在能源與動(dòng)力專業(yè)也會(huì)涉及類似的課程，如何在電氣工程專業(yè)中體現(xiàn)本課程的特點(diǎn)，并緊密與電氣工程專業(yè)的其他課程形成良好的銜接，形成面向電氣工程專業(yè)學(xué)生的特色性課程，是非常值得探究的問題。

2 課程特色教學(xué)改革探究

2.1 更新并優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，加強(qiáng)低碳內(nèi)涵延伸

上海理工大學(xué)所選用的教材是王曼、楊素琴編寫的《新能源發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)》，2017由中國電力出版社出版，該教材是“十三五”普通高等教育規(guī)劃教材，其結(jié)合新能源發(fā)電技術(shù)的最新發(fā)展，系統(tǒng)介紹了多種新能源發(fā)電技術(shù)的原理和模型；分析了新能源發(fā)電并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)的影響；闡述了新能源電源并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的新近發(fā)展、新能源發(fā)電中應(yīng)用的電力電子技術(shù)；最后對(duì)分布式電源并網(wǎng)和微網(wǎng)技術(shù)做了介紹。

如果直接按照教材進(jìn)行講解，存在與“電氣工程學(xué)導(dǎo)論”“電力電子技術(shù)”“電力系統(tǒng)分析”等相關(guān)課程知識(shí)點(diǎn)聯(lián)系不緊密的情況，同時(shí)低碳的理念還沒有深入融合到課程教學(xué)中，因此需要對(duì)教材的內(nèi)容進(jìn)行一定程度的調(diào)整和更新，從而加強(qiáng)本課程的內(nèi)涵延伸。

例如，為了進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)本課程與“電力系統(tǒng)分析”的聯(lián)系，在課堂上增加目前新能源發(fā)電與火力發(fā)電、水力發(fā)電在中國的分布情況，以及簡(jiǎn)要介紹新能源發(fā)電在電力系統(tǒng)調(diào)度過程中與火力發(fā)電、水力發(fā)電的不同之處，使學(xué)生通過回憶在“電力系統(tǒng)分析”中學(xué)習(xí)到的火力發(fā)電的調(diào)度過程，來對(duì)比新能源發(fā)電在電力系統(tǒng)調(diào)度過程中面臨的不確定性和波動(dòng)性，并進(jìn)一步理解為何新能源發(fā)電存在滲透率限制的問題，最后得出我國在大力發(fā)展新能源發(fā)電所面臨的實(shí)際問題。由此學(xué)生將進(jìn)一步思考在電力系統(tǒng)調(diào)度中，新能源發(fā)電如果要逐步替代火力發(fā)電，如何用在“電力系統(tǒng)分析”的相關(guān)理論知識(shí)來分析該問題。

為了進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)本課程與前置課程“電力電子技術(shù)”的聯(lián)系，在內(nèi)容設(shè)置上，將儲(chǔ)能系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)中均涉及的變流器知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。由于“電力電子技術(shù)”對(duì)相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)的學(xué)習(xí)，因此本課程主要著眼于變流器應(yīng)用于儲(chǔ)能系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)的原因、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制方式，分析各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，并聯(lián)系目前工程實(shí)際，引導(dǎo)學(xué)生討論為何選擇某種變流器作為主流的結(jié)構(gòu)，從而將“電力電子技術(shù)”所學(xué)習(xí)到的知識(shí)點(diǎn)應(yīng)用到本課程的具體環(huán)境中來。

同時(shí)引入實(shí)際的電網(wǎng)工程應(yīng)用案例，特別是我國在新能源開發(fā)與應(yīng)用領(lǐng)域的最新成果，例如太陽能和風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，微電網(wǎng)和智能電網(wǎng)的建設(shè)，儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車和高速鐵路中的應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自主學(xué)習(xí)的熱情，大量增加與電力系統(tǒng)分析課程有關(guān)的新能源并網(wǎng)后對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行的影響分析等內(nèi)容，引發(fā)學(xué)生對(duì)新能源發(fā)電更全面的認(rèn)識(shí)。對(duì)于一些老舊、重復(fù)的內(nèi)容需進(jìn)行適當(dāng)刪減，重構(gòu)知識(shí)架構(gòu)，側(cè)重應(yīng)用，盡量避免過多的復(fù)雜理論推導(dǎo)。

通過以上教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化，一方面，學(xué)生將全面梳理電力系統(tǒng)中的能源利用的總體趨勢(shì)，明確能源利用多樣化，新發(fā)電方式層出不窮，朝著可持續(xù)能源利用方向發(fā)展的總體印象，從而將本課程的內(nèi)涵延伸到低碳這一概念上。另一方面，明確了采用潔凈或可再生能源面臨電力系統(tǒng)的客觀規(guī)律的限制的問題。

2.2 加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)，樹立直觀印象

以實(shí)際工程案例為素材，以問題為線索，通過flash動(dòng)畫、視頻等資源展示課程內(nèi)容，豐富課堂教學(xué)環(huán)節(jié)。特別通過高質(zhì)量的紀(jì)錄片使學(xué)生更直觀的感受到新能源在中國的高速發(fā)展。提供相關(guān)的課外學(xué)習(xí)資料，并對(duì)部分熱點(diǎn)、難點(diǎn)問題進(jìn)行課堂討論。我校已經(jīng)建立了新能源發(fā)電、智能微電網(wǎng)相關(guān)的風(fēng)光儲(chǔ)一體化微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上通過配套的實(shí)驗(yàn)課程開展部分實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生有機(jī)會(huì)感受到所學(xué)知識(shí)具體應(yīng)用的一面。充分利用國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享服務(wù)平臺(tái)的功能，采用工程虛擬仿真系統(tǒng)教學(xué)，例如采用風(fēng)力發(fā)電原理虛擬仿真教學(xué)軟件，以風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為對(duì)象，真實(shí)模擬風(fēng)力發(fā)電的三維場(chǎng)景，通過整流、儲(chǔ)能、逆變等裝置將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出的電能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的交流電輸出。

例如，在學(xué)習(xí)“新能源與可再生能源概述”這一章節(jié)時(shí)，不僅僅局限于課本上的內(nèi)容，在課堂上觀看《創(chuàng)新中國能源篇》等新能源視頻節(jié)選，在視頻中全面展示了我國在新能源領(lǐng)域取得的創(chuàng)新性成果，如亞洲最大雞糞發(fā)電廠、世界上效率最高的發(fā)電廠、龍羊峽大壩“水光互補(bǔ)”項(xiàng)目、核聚變“東方超環(huán)”、納米發(fā)電、河北張北光伏能源基地項(xiàng)目、熔鹽塔式太陽能光熱電站、大同熊貓光伏電站等具有較強(qiáng)震撼力的內(nèi)容。學(xué)生可以通過屏幕直接感受到中國能源革新的變化，從而樹立最為直觀的印象。為后面進(jìn)一步具體學(xué)習(xí)相關(guān)的知識(shí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，并提升興趣。

2.3 改進(jìn)教學(xué)方法，授課兼具模塊化與整體化

將整門課程切割為四個(gè)部分，風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、儲(chǔ)能以及微電網(wǎng)，相互獨(dú)立又相互聯(lián)系。其中，由于每種新能源技術(shù)各自獨(dú)立、自成系統(tǒng)，授課過程中比較適合采用專題講解的方式。

以新能源技術(shù)中的風(fēng)能為例，教師采用啟發(fā)式教學(xué)，深入剖析風(fēng)能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、工作原理、利用方式、研究現(xiàn)狀及開發(fā)過程中存在的問題，并在課堂上向?qū)W生展示文獻(xiàn)調(diào)研、PPT制作及工程實(shí)例分析等教學(xué)方法和技巧，并著重分析風(fēng)力發(fā)電帶來的新的問題。在講述風(fēng)力發(fā)電的過程中，通過強(qiáng)調(diào)其不確定性給電網(wǎng)帶來的危害，留下后續(xù)進(jìn)一步講解儲(chǔ)能系統(tǒng)的引子。

在儲(chǔ)能系統(tǒng)講解的過程中，首先通過講解一個(gè)典型的風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生思考風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，如何更加有效的控制整個(gè)系統(tǒng)的控制，從而引出微電網(wǎng)的概念。

而在微電網(wǎng)教學(xué)階段，充分結(jié)合前面所介紹的風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電帶來的新的問題，強(qiáng)調(diào)其產(chǎn)生的原因與發(fā)展的趨勢(shì)，使學(xué)生對(duì)新能源并網(wǎng)產(chǎn)生更全面的認(rèn)識(shí)，并理解微電網(wǎng)產(chǎn)生的必然性。

通過以上內(nèi)容相互獨(dú)立又彼此串聯(lián)的教學(xué)安排，使本課程形成兼具模塊化與整體化的教學(xué)風(fēng)格，學(xué)生在授課過程中不會(huì)有明顯的跳躍的感覺，更加容易融會(huì)貫通，但是教學(xué)重點(diǎn)彼此獨(dú)立，線索清晰，有利于教學(xué)和學(xué)生的復(fù)習(xí)。

3 特色改革效果及反思

本課程在上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院已經(jīng)連續(xù)開設(shè)了三年，從現(xiàn)場(chǎng)的教學(xué)效果以及期末考試的分?jǐn)?shù)分布結(jié)果來看，本課程逐步形成了一定的特點(diǎn)，并取得了一定的成效。期末考試成績(jī)平均分較調(diào)整前有了較大的提升，甚至有部分畢業(yè)生在完成本課程的學(xué)習(xí)后，選擇了新能源相關(guān)行業(yè)就業(yè)，充分說明通過前述改革，激發(fā)了學(xué)生的興趣，而不是填鴨式教學(xué)。通過對(duì)本課程的學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到大力發(fā)展可再生能源不僅是出于生存的原因，更是為了獲得可持續(xù)的發(fā)展，樹立學(xué)生的可持續(xù)發(fā)展世界觀；并且通過介紹我國發(fā)展新能源發(fā)電的宏偉藍(lán)圖，激發(fā)學(xué)生的愛國熱情和參與激情，并且初步的掌握了新能源領(lǐng)域最主要的發(fā)電形式的基本原理。對(duì)“新能源與并網(wǎng)”課程進(jìn)行的特色教學(xué)改革，形成了一門內(nèi)涵延伸更全面、教學(xué)方法更生動(dòng)、內(nèi)容展示更靈活的電氣工程類特色課程。

當(dāng)然，本課程的特色改革還有較大的余地，在目前眾多課程采取線上線下混合式教學(xué)的趨勢(shì)下，如何進(jìn)一步的充分利用線上教學(xué)平臺(tái)，保證課堂上的黃金教學(xué)時(shí)間，又可以給予學(xué)生足夠的時(shí)間自行消化吸收，是值得進(jìn)一步探索的問題，特別是在線上教學(xué)中，需要引導(dǎo)學(xué)生觀看與課堂內(nèi)容相關(guān)的新聞、視頻、圖片等，這都需要教師提前進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)。同時(shí)如何進(jìn)一步加強(qiáng)本課程的思政教育環(huán)節(jié)，幫助學(xué)生更好的理解專業(yè)知識(shí)，開闊學(xué)生科研視野，正成為學(xué)生感興趣和有解決愿望的好課程，是需要進(jìn)一步加以改進(jìn)的。

4 總結(jié)

基于上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院所開設(shè)的面向電氣工程專業(yè)的“新能源與并網(wǎng)”課程的實(shí)際情況，本文從更新并優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)、改進(jìn)教學(xué)方法等三個(gè)方面分析了“新能源與并網(wǎng)”課程的特色教學(xué)改革方案。加強(qiáng)了“新能源與并網(wǎng)”課程與電氣工程其他前置課程之間的關(guān)系、排除了學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)、強(qiáng)化了本課程與國家低碳戰(zhàn)略的緊密聯(lián)系，本課程的嘗試可以為面向電氣工程專業(yè)的新能源類課程教學(xué)改革提供一定的參考價(jià)值和有益的借鑒。