论文部分内容阅读
摘要：“风力机组控制”是新能源科学与工程专业的核心课程，在专业建设中起着举足轻重的作用。为了提高教学质量，培养学生对专业知识的掌握和解决实际工程问题的能力，激发学生对专业课程的学习兴趣，本文就风力机组控制的课程体系、教学内容以及教学方法进行了研究和探讨，希望更多的同行共同探讨。
关键词：风力机组控制；教学内容；教学方法
中图分类号：G642.421 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）30-0047-02
一、课程体系的探讨
随着常规能源的日益枯竭、人类赖以生存的地球所面临的环境问题日益突出，风能作为未来清洁替代能源之一，与其他新能源相比，风能有着自身独特的优势，对于缓解能源匮乏、改善环境都有着非同寻常的意义。我国正在大力发展并网型风力发电，以解决由常规能源发电带来的经济、能源和环境三者之间的矛盾。
风资源丰富的地区通常都是位于边远地区或海岛甚至是海上，自然环境比较恶劣，一般需要无人职守和远程监控，这就对风力发电机组控制系统的可靠性和安全性提出了较高的要求。我国风力资源丰富，近十几年来，我国在风力发电机组国产化方面也取得了较快进展。但是，总体来说我国风力发电事业还处于刚刚起步阶段，我国的风力发电机组控制技术与国际先进水平相比，还存在着较大的差距。众所周知，风力发电机组控制系统是保证机组正常运行的核心，控制系统性能的优劣直接决定了风力发电机组是否能够安全高效稳定运行。
由于风速的随机性与不确定性，与一般工业控制过程不同，风力发电机组在运行过程中不仅要监视机组自身的运行参数（机组各部件的温度、压力、低速轴及高速轴的转速等），还要随时关注自然界的风况（风速、风向等）以及电网（三相电压、电流等）的参数，所以风力发电机组的控制系统是综合性控制系统。系统根据这些参数及相应的控制算法来决定什么时候执行变桨控制、偏航控制、转速控制及功率控制。
二、合理安排教学内容
“风力机组控制”作为新能源科学与工程专业的核心课程，其重要性不言而喻，目前国内高校中开设这门课程的还非常少，“风力机制控制”是一门崭新的专业课程，涉及的知识面广、内容丰富，它是流体力学、材料力学、理论力学、空气动力学、气象学、电力电子、电机学、风力机原理、电子技术、自动控制理论、电路、机械原理等多学科相交叉的一个新兴学科。本课程的教学难点在于这门课程理论性强、概念抽象、缺少相应教学实验设备及参考书籍等，国内对这方面的教学研究还很少。因此，我们教研室建立了一套包括课堂讲授与实践教学相结合的教学体系，旨在充分调动学生的积极性和主观能动性，力争全面提高“风力机制控制”的教学质量。
在教学实践中，我们在保证风力机组控制课程内容的严谨性和系统性的前提下，适当忽略了一些繁琐数学公式的推导，着重解释推导过程的基本思想和方法，重点强调推导结果的内涵和实际的工程意义。在理论阐述上力求严谨、实用和易懂。
任何事情都不是一劳永逸的，基于2010年第一轮教学中使用的教材（《风力机组控制技术》霍志红等，中国水利水电出版社，2010），我们考虑到风力发电技术发展的快速性，在教学过程中不断更新教学内容，与时俱进，摸索合适的教学内容和教学模式，以适应新形势下的教学任务，不断改善教学效果。在新一轮教学当中，为了使教学内容更加合理，我们对原来的教学内容进行了相应的调整（调整前后的内容体系分别见图1和图2），调整后的教学内容更加合理，其中包括以下几个方面：
将原来的第三章（风力发电机组的控制系统）与第四章（典型风力发电机组控制系统结构）整合为一章（第三章 风力发电机组的基本控制理论）主要内容包括：控制系统的基本组成、基本控制要求、定桨距机组、变桨距机组及变速机组的特点及基本控制策略。对于不同类型的风力发电机，控制单元会有所不同，但主要是因为发电机的结构或类型不同而使得控制方法不同以及定桨距和变桨距，从而形成多种结构和控制方案。
增加了第四章（变桨距控制系统）内容，变桨距是指大型风力发电机安装在轮毂上的叶片借助控制技术和动力系统改变桨距角的大小从而改变叶片气动特性，变桨距控制技术使桨叶和整机的受力状况大为改善。变桨控制系统是一个闭环反馈控制系统，一般根据风速、转速与输出功率作为控制量来给出桨距角指令。这一章中详细介绍了电动变桨控制技术（统一变桨、独立变桨）与液压变桨控制技术（统一变桨、独立变桨）以及联合变桨控制技术。
根据前两轮的教学经验，为了使学生更好了解与掌握课程内容，液压与制动系统这部分在原教材的基础上增加了对基本液压元件与制动器的详细介绍。液压系统在风力发电机组中的应用主要有以下几个方面：变桨距控制、偏航驱动与制动、定桨距空气动力制动、机械制动、风轮锁定、开关机舱和驱动起重机、齿轮箱油液冷却和过滤，发电机、变压器冷却、变流器油液温度控制等。
增加了第九章（风力发电机组的监控系统）内容，由于气候条件所限，风电场一般都比较偏远，风电场之间的距离比较远（特别是对于海上风电场的情况），监控中心与实际风电场的物理位置相距很远。监控系就像一个人的眼睛一样，它对风电机组正常、安全可靠运行至关重要。SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系统即数据采集与监视控制系统，是电网调度自动化系统的重要组成部分，通过SCADA系统可以使电网调度中心及时获风电场的各项数据信息。与此同时，调度中心也会通过系统将控制指令传送到风电场和变电站，实现电网的稳定、安全、经济运行。这一章中主要包括以下内容：数据通信的基础知识、风电场SCADA系统、风电机组的数据采集系统、风电机组的监控系统。
补充和增加了第十二章风力发电机组的维护，随着科技的进步，风电事业的不断发展，新机组不断投运，旧机组不断老化，风机日常运行维护也是越来越重要。这一章中主要介绍了维护工作的主要内容、机组各部件的维护工作，使课程内容更加合理。 三、理论教学与仿真实验相结合
对于一门主要的专业课程，实验的重要性不言而喻。《风力机组控制》的实验教学不但是课程的重要组成部分而且也是理论联系实际的重要环节，它还是促进风力机组控制技术发展的根本途径，是学生在《风力机组控制》课程学习中所要掌握的重要知识。实验教学可以将枯燥的理论知识转化为生动、直观的实际工程案例。在实验教学过程中，注意理论与实践的结合，引导学生从基本操作入手，循序渐进，逐步过渡到系统模型的建立、计算机辅助分析和系统设计上。
风力发电机组运行过程仿真实验旨在使学生了解风力发电的基本原理及熟练掌握风力发电运行的全过程。其中包括：风向变化引发的风机偏航控制实验、风速变化引发的风机切入和切出控制实验、风机扭缆引发的风机偏航解缆控制实验、风机偏航故障引发安全链动作实验、风机扭缆故障引发安全链动作实验、机舱振动超限故障引发安全链动作实验、齿轮箱、发电机超速故障引发安全链动作实验、风机其它故障引发安全链动作实验、风机自检和启动动作实验、风机正常停机和紧急停机动作实验。可完成风力机控制系统的运行过程模拟及在线运行状态检测。转速参数包括：发电机转速、齿轮箱转速、电动机带动轮毂转速；温度参数：发电机温度、齿轮箱温度；齿轮箱油压、齿轮箱液位等振动与噪声参数。可进行风能与轮毂转速对比实验、轮毂、齿箱及发电机转速对比及效率实验。《风力机组控制》实验课程培养了学生独立思考和研究的能力，为学生日后的工作学习打好基础。
四、加强师生交流
“风力机组控制”课程涉及的学科范围非常广泛，有些概念对于初次接触的学生而言会比较抽象，在教学过程中，不但要在课堂上保证教学质量。而且还要在教与学的过程中进行不断的摸索，课后要与学生多沟通交流，及时发现学生在专业课学习中的遇到的困难和问题，通过教与学的相互反馈，及时解决学习当中的疑难问题。加强师生交流主要包括两个方面：一方面是课堂上积极与学生互动；二是加强课下与学生交流谈心。针对不同的教学对象，及时对教学进行调整，以提高教学质量。除此之外，教师还要掌握国内外风力发电机组控制技术发展的新动向、新知识，并将这些新知识融入到教学和科研上。不断地探索和采用新的教学方法和手段，为学生创造更愉悦的学习环境，全面提高教学质量。
参考文献：
[1]霍志红，郑源，左潞，等.风力发电机组控制技术[M].：中国水利水电出版社，2010.
[2]叶杭冶.风力发电机组的控制技术[M].北京：机械工业出版社，2002.
[3]王承煦，张源.风力发电[M].北京：中国电力出版社，2002.
[4]霍志红，郑源，许昌，等.《风力机组控制技术》教材编写心得与体会[J].中国电力教育，2012，（18）：51，61.
（责任编辑：刘翠枝）
关键词：风力机组控制；教学内容；教学方法
中图分类号：G642.421 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）30-0047-02
一、课程体系的探讨
随着常规能源的日益枯竭、人类赖以生存的地球所面临的环境问题日益突出，风能作为未来清洁替代能源之一，与其他新能源相比，风能有着自身独特的优势，对于缓解能源匮乏、改善环境都有着非同寻常的意义。我国正在大力发展并网型风力发电，以解决由常规能源发电带来的经济、能源和环境三者之间的矛盾。
风资源丰富的地区通常都是位于边远地区或海岛甚至是海上，自然环境比较恶劣，一般需要无人职守和远程监控，这就对风力发电机组控制系统的可靠性和安全性提出了较高的要求。我国风力资源丰富，近十几年来，我国在风力发电机组国产化方面也取得了较快进展。但是，总体来说我国风力发电事业还处于刚刚起步阶段，我国的风力发电机组控制技术与国际先进水平相比，还存在着较大的差距。众所周知，风力发电机组控制系统是保证机组正常运行的核心，控制系统性能的优劣直接决定了风力发电机组是否能够安全高效稳定运行。
由于风速的随机性与不确定性，与一般工业控制过程不同，风力发电机组在运行过程中不仅要监视机组自身的运行参数（机组各部件的温度、压力、低速轴及高速轴的转速等），还要随时关注自然界的风况（风速、风向等）以及电网（三相电压、电流等）的参数，所以风力发电机组的控制系统是综合性控制系统。系统根据这些参数及相应的控制算法来决定什么时候执行变桨控制、偏航控制、转速控制及功率控制。
二、合理安排教学内容
“风力机组控制”作为新能源科学与工程专业的核心课程，其重要性不言而喻，目前国内高校中开设这门课程的还非常少，“风力机制控制”是一门崭新的专业课程，涉及的知识面广、内容丰富，它是流体力学、材料力学、理论力学、空气动力学、气象学、电力电子、电机学、风力机原理、电子技术、自动控制理论、电路、机械原理等多学科相交叉的一个新兴学科。本课程的教学难点在于这门课程理论性强、概念抽象、缺少相应教学实验设备及参考书籍等，国内对这方面的教学研究还很少。因此，我们教研室建立了一套包括课堂讲授与实践教学相结合的教学体系，旨在充分调动学生的积极性和主观能动性，力争全面提高“风力机制控制”的教学质量。
在教学实践中，我们在保证风力机组控制课程内容的严谨性和系统性的前提下，适当忽略了一些繁琐数学公式的推导，着重解释推导过程的基本思想和方法，重点强调推导结果的内涵和实际的工程意义。在理论阐述上力求严谨、实用和易懂。
任何事情都不是一劳永逸的，基于2010年第一轮教学中使用的教材（《风力机组控制技术》霍志红等，中国水利水电出版社，2010），我们考虑到风力发电技术发展的快速性，在教学过程中不断更新教学内容，与时俱进，摸索合适的教学内容和教学模式，以适应新形势下的教学任务，不断改善教学效果。在新一轮教学当中，为了使教学内容更加合理，我们对原来的教学内容进行了相应的调整（调整前后的内容体系分别见图1和图2），调整后的教学内容更加合理，其中包括以下几个方面：
将原来的第三章（风力发电机组的控制系统）与第四章（典型风力发电机组控制系统结构）整合为一章（第三章 风力发电机组的基本控制理论）主要内容包括：控制系统的基本组成、基本控制要求、定桨距机组、变桨距机组及变速机组的特点及基本控制策略。对于不同类型的风力发电机，控制单元会有所不同，但主要是因为发电机的结构或类型不同而使得控制方法不同以及定桨距和变桨距，从而形成多种结构和控制方案。
增加了第四章（变桨距控制系统）内容，变桨距是指大型风力发电机安装在轮毂上的叶片借助控制技术和动力系统改变桨距角的大小从而改变叶片气动特性，变桨距控制技术使桨叶和整机的受力状况大为改善。变桨控制系统是一个闭环反馈控制系统，一般根据风速、转速与输出功率作为控制量来给出桨距角指令。这一章中详细介绍了电动变桨控制技术（统一变桨、独立变桨）与液压变桨控制技术（统一变桨、独立变桨）以及联合变桨控制技术。
根据前两轮的教学经验，为了使学生更好了解与掌握课程内容，液压与制动系统这部分在原教材的基础上增加了对基本液压元件与制动器的详细介绍。液压系统在风力发电机组中的应用主要有以下几个方面：变桨距控制、偏航驱动与制动、定桨距空气动力制动、机械制动、风轮锁定、开关机舱和驱动起重机、齿轮箱油液冷却和过滤，发电机、变压器冷却、变流器油液温度控制等。
增加了第九章（风力发电机组的监控系统）内容，由于气候条件所限，风电场一般都比较偏远，风电场之间的距离比较远（特别是对于海上风电场的情况），监控中心与实际风电场的物理位置相距很远。监控系就像一个人的眼睛一样，它对风电机组正常、安全可靠运行至关重要。SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系统即数据采集与监视控制系统，是电网调度自动化系统的重要组成部分，通过SCADA系统可以使电网调度中心及时获风电场的各项数据信息。与此同时，调度中心也会通过系统将控制指令传送到风电场和变电站，实现电网的稳定、安全、经济运行。这一章中主要包括以下内容：数据通信的基础知识、风电场SCADA系统、风电机组的数据采集系统、风电机组的监控系统。
补充和增加了第十二章风力发电机组的维护，随着科技的进步，风电事业的不断发展，新机组不断投运，旧机组不断老化，风机日常运行维护也是越来越重要。这一章中主要介绍了维护工作的主要内容、机组各部件的维护工作，使课程内容更加合理。 三、理论教学与仿真实验相结合
对于一门主要的专业课程，实验的重要性不言而喻。《风力机组控制》的实验教学不但是课程的重要组成部分而且也是理论联系实际的重要环节，它还是促进风力机组控制技术发展的根本途径，是学生在《风力机组控制》课程学习中所要掌握的重要知识。实验教学可以将枯燥的理论知识转化为生动、直观的实际工程案例。在实验教学过程中，注意理论与实践的结合，引导学生从基本操作入手，循序渐进，逐步过渡到系统模型的建立、计算机辅助分析和系统设计上。
风力发电机组运行过程仿真实验旨在使学生了解风力发电的基本原理及熟练掌握风力发电运行的全过程。其中包括：风向变化引发的风机偏航控制实验、风速变化引发的风机切入和切出控制实验、风机扭缆引发的风机偏航解缆控制实验、风机偏航故障引发安全链动作实验、风机扭缆故障引发安全链动作实验、机舱振动超限故障引发安全链动作实验、齿轮箱、发电机超速故障引发安全链动作实验、风机其它故障引发安全链动作实验、风机自检和启动动作实验、风机正常停机和紧急停机动作实验。可完成风力机控制系统的运行过程模拟及在线运行状态检测。转速参数包括：发电机转速、齿轮箱转速、电动机带动轮毂转速；温度参数：发电机温度、齿轮箱温度；齿轮箱油压、齿轮箱液位等振动与噪声参数。可进行风能与轮毂转速对比实验、轮毂、齿箱及发电机转速对比及效率实验。《风力机组控制》实验课程培养了学生独立思考和研究的能力，为学生日后的工作学习打好基础。
四、加强师生交流
“风力机组控制”课程涉及的学科范围非常广泛，有些概念对于初次接触的学生而言会比较抽象，在教学过程中，不但要在课堂上保证教学质量。而且还要在教与学的过程中进行不断的摸索，课后要与学生多沟通交流，及时发现学生在专业课学习中的遇到的困难和问题，通过教与学的相互反馈，及时解决学习当中的疑难问题。加强师生交流主要包括两个方面：一方面是课堂上积极与学生互动；二是加强课下与学生交流谈心。针对不同的教学对象，及时对教学进行调整，以提高教学质量。除此之外，教师还要掌握国内外风力发电机组控制技术发展的新动向、新知识，并将这些新知识融入到教学和科研上。不断地探索和采用新的教学方法和手段，为学生创造更愉悦的学习环境，全面提高教学质量。
参考文献：
[1]霍志红，郑源，左潞，等.风力发电机组控制技术[M].：中国水利水电出版社，2010.
[2]叶杭冶.风力发电机组的控制技术[M].北京：机械工业出版社，2002.
[3]王承煦，张源.风力发电[M].北京：中国电力出版社，2002.
[4]霍志红，郑源，许昌，等.《风力机组控制技术》教材编写心得与体会[J].中国电力教育，2012，（18）：51，61.
（责任编辑：刘翠枝）