節(jié)能減排背景下高校新能源發(fā)電與智能微網(wǎng)實驗中心的建設與探索

吳慶干

（無錫學院自動化學院，江蘇 無錫 214000）

秉持人類命運共同體的理念，為提高國家貢獻度，習近平總書記在聯(lián)大會議期間莊嚴承諾“2030 年前實現(xiàn)碳排放達到峰值，2060 年前實現(xiàn)碳中和，實現(xiàn)應對氣候變化《巴黎協(xié)定》確定的目標”，到2030 年，中國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放量將比2005年減少65%以上[1]。距離2030 年還有不到10 年時間，中國要加快優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，大力發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)，減少燃煤等傳統(tǒng)發(fā)電所占比例。

隨著中國新能源行業(yè)快速發(fā)展，光伏發(fā)電、風電等裝機容量不斷增加，行業(yè)人才需求量增加，對行業(yè)人才的產(chǎn)品研發(fā)能力、設備操作能力、場站運行管理能力等要求不斷提升，作為人才培養(yǎng)前沿陣地的高等院校承擔著人才培養(yǎng)的重任，新能源發(fā)電實驗室在行業(yè)人才培養(yǎng)過程中起著不可替代的作用。

1 新能源發(fā)電實驗室概述

中國風力發(fā)電和光伏發(fā)電在裝備生產(chǎn)量和裝機容量方面都已穩(wěn)居世界第一[2]。然而，在電氣工程領域，教學、科研居于前列的高等院校國家重點實驗室中以新能源發(fā)電作為研究方向的相對較少，高校教學、研究的主流方向仍以傳統(tǒng)電力系統(tǒng)為主。建設新能源實驗室的高等院校相對較少，新能源發(fā)電技術技能人才數(shù)量和人才培養(yǎng)規(guī)格與行業(yè)用人需求有較大差距[2]。新能源發(fā)電行業(yè)人才培養(yǎng)不僅要在數(shù)量上滿足國家發(fā)展需求，還應做到知識與能力并重、面向人才市場，提升人才質(zhì)量，為國家長期穩(wěn)定的輸送高質(zhì)量人才。

培養(yǎng)新能源發(fā)電行業(yè)人才，保障行業(yè)人才的培養(yǎng)質(zhì)量，新能源實驗室建設目標應包括：①通用性。對電氣工程及其自動化、自動化、新能源發(fā)電工程技術等多專業(yè)學生均可通用。②實用性。不同階段的學生實驗室均可完成教學任務。③仿真性。實驗室能夠模擬新能源發(fā)電真實場景，加強學生實踐能力培養(yǎng)。④先進性。讓學生了解最前沿的發(fā)電技術，為教師提供更加先進的科研平臺。⑤開放性。實驗室除面向本科生開展教學，還可作為研究生學術研究、教師科研的支撐，同時可面向社會企業(yè)實現(xiàn)校企合作等。⑥可擴展性。實驗室硬件設計需預留通信接口等，硬件設備采用國際通用標準，便于后期增加設備及維護，軟件程序應利于后期更新和漏洞修復[3]?；诖嗽O計思想及新能源行業(yè)人才的培養(yǎng)目標，最終完成新能源實驗室的設計、建設任務。

2 新能源實驗室建設的實施

新能源發(fā)電與智能微網(wǎng)實驗中心定位于滿足電氣工程、電氣工程及其自動化等專業(yè)的“新能源發(fā)電”等課程教學，為研究生及相關教師提供科研平臺，實現(xiàn)教學認知、實習實踐、科研試驗等多種功能。實驗室框架如圖1 所示。

2.1 硬件建設

新能源發(fā)電與智能微網(wǎng)實驗中心室內(nèi)設備包括控制系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、負載、顯示模塊等。根據(jù)能量轉(zhuǎn)換順序依次排布，實驗中心前門旁設置總控臺，總控臺連接實驗中心主顯示屏，做到數(shù)據(jù)投屏、實時監(jiān)控。實驗中心設置服務器，采集存儲實驗數(shù)據(jù)，通過實驗數(shù)據(jù)分析對設備控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)進行優(yōu)化，助力教學和科研。根據(jù)新能源發(fā)電與智能微網(wǎng)實驗中心現(xiàn)有實驗設備種類及數(shù)量，對實驗設備進行合理化布局，如圖2 所示。

圖1 新能源發(fā)電實驗室框架

圖2 新能源發(fā)電實驗室教學設施布局

室外發(fā)電設備包括光伏發(fā)電系統(tǒng)、風力發(fā)電系統(tǒng)、小型氣象站等。光伏發(fā)電總功率為30 kW，分為6 組。風力發(fā)電機為小型風機，功率為5 kW，風力發(fā)電機總體高度約12 m，為保證整體穩(wěn)定性，在樓體頂部架設風機基座，基座底部安裝于樓體主承重柱上，該設計方法有效地減少了樓層面的受力，同時增加了風力發(fā)電機基座的穩(wěn)定性。新能源發(fā)電與智能微網(wǎng)實驗中心硬件實物如圖3 所示。

圖3 硬件實物圖

2.2 軟件建設

新能源發(fā)電與智能微網(wǎng)實驗中心軟件部分由各分控單元和PLC 主控制系統(tǒng)構(gòu)成。分控單元包括風力發(fā)電機控制系統(tǒng)、光伏發(fā)電控制系統(tǒng)、PCS 等。用戶可根據(jù)實際需求更改控制系統(tǒng)程序、控制策略、采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理等信息，完成對各分控單元的控制優(yōu)化、數(shù)據(jù)采集等操作。PLC 主控系統(tǒng)可以完成新能源發(fā)電系統(tǒng)各分控單元的協(xié)調(diào)控制和數(shù)據(jù)采集、處理等功能。自主設計人機交互界面，在主顯示器上顯示新能源發(fā)電系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)及系統(tǒng)運行狀態(tài)，可通過交互界面實時調(diào)用采集獲得的數(shù)據(jù)曲線圖。

新能源發(fā)電與智能微網(wǎng)實驗中心配套建設智能微網(wǎng)仿真系統(tǒng)，仿真系統(tǒng)可完成電力系統(tǒng)、新能源發(fā)電等實驗仿真，仿真完成后可在實驗中心進行部分實驗驗證，實現(xiàn)理論與實踐相結(jié)合的教學目標。

2.3 課程建設

課程建設是實現(xiàn)培養(yǎng)目標的基本單元，課程的設置必須支撐培養(yǎng)目標的實現(xiàn)與核心能力的獲得[4]。課程建設注重將知識面的深度和廣度相結(jié)合、理論和實踐相結(jié)合[5]。以此為目標導向，新能源發(fā)電與智能電網(wǎng)實驗中心構(gòu)建了包括認知實習、理論學習、實驗教學、工程訓練等多層次的教學體系。

3 新能源發(fā)電實驗室建設成效

新能源發(fā)電與智能微網(wǎng)實驗中心的服務包括電氣工程及其自動化等專業(yè)學生實驗教學、專任教師及研究生科研、工程認證、企業(yè)人員培訓等，實驗室建設、使用可達到以下成效。

3.1 提升學生的認知能力

新能源發(fā)電與智能微網(wǎng)實驗中心采用工業(yè)級產(chǎn)品，與教學緊密結(jié)合，配合導論課程理論教學，使學生切身理解并掌握新能源發(fā)電的基本原理，了解儲能系統(tǒng)的工作方式，了解微電網(wǎng)系統(tǒng)的最新進展與發(fā)展動態(tài)。

3.2 提升學生的實際操作能力和協(xié)作能力

通過開展新能源發(fā)電相關實訓，提升了學生操作與運行新能源設備和管理新能源工程技術的基本能力，提升了微電網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)運行與維護和現(xiàn)場事故分析及處理的能力，具備應用新系統(tǒng)、新技術的初步技能。

3.3 為教師及學生科研提供有力支撐

教師可對智能感知系統(tǒng)采集獲得的數(shù)據(jù)進行分析處理，實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化，平衡發(fā)電、儲能、用電負荷之間的關系，實現(xiàn)綜合能源管理，探索儲能、節(jié)能新模式。

4 結(jié)語

節(jié)能減排背景下新能源發(fā)電與智能微網(wǎng)實驗中心的建設，是對現(xiàn)有電力系統(tǒng)綜合自動化實驗系統(tǒng)很好的補充，對教學實訓模式進行了進一步完善和提升。在實驗實訓過程中，學生在理論知識、操作能力、故障排查能力、科研能力等諸多方面得到了全面提升。為培養(yǎng)新能源發(fā)電相關人才提供了可靠平臺，為探索人才培養(yǎng)方式提供了有利條件。實驗中心還可在此基礎上拓展新的實驗教學方式，開發(fā)線上教學課程，采用線上、線下教學全方位發(fā)展的新模式。