风能与动力工程本科专业人才培养与教学实验建设的探讨

2013-12-18邢作霞井艳军王雅光

风能 2013年3期

邢作霞，井艳军，王雅光

（沈阳工业大学新能源工程学院，辽宁沈阳 110023）

0 引言

随着高等教育改革的深化、新能源利用和风力发电产业的大规模发展，为适应国家产业结构调整和发展战略性新兴产业的人才需求[1-3]，培养新能源领域的现场工程师、设计开发工程师和研究型工程师等多种类型工程师后备人才的专业教育也应运而生[4]。风能与动力工程的本科专业正是在这种环境下发展起来的。

自2006年华北电力大学首先向教育部申请并获批“风能与动力工程”的专业建设以来，国内已有20余所高等院校[5]开展了相应的本科、高职高专教育。响应国家“卓越工程师”的培养精神和大政方针，实验教学是素质和能力培养的重要环节，实验课程的全面性、整体性对于强化学生的实践动手环节、工程创新能力起着至关重要的作用。本文将针对风能与动力工程本科专业的人才培养与教学实验建设进行深入探讨。

1 培养目标分析

1.1 风能方向的本科培养目标分析

目前，国内开设风能与动力工程专业的本科院校有华北电力大学、河北工业大学、河海大学、长沙理工大学、兰州理工大学、内蒙古工业大学、沈阳工业大学等。针对本科面向科研院所培养[6]理论研究型人才的主要目标，各个学校在课程设置体系上各有特色，各有专攻。

风电专业本科毕业后的应用需求一般覆盖到从事风电场的规划、设计、施工、运行与维护等技术或管理工作领域。专业课程设置一般会围绕流体机械、电气等学科进行，如学习风能资源测量与评估、空气动力学、机械设计与制造、自动控制的理论和技术，并接受一些专业技能的基本训练，使学生具有风电机组和风电场设计、制造、运行、试验研究、项目投资与管理的基本创新能力，以及较强的实践能力和发展潜力。

风电本科专业的主干课程一般涵盖工程图学、理论力学、材料力学、风力机空气动力学、电路、电机学、电子技术基础、自动控制理论、金属工艺学、机械设计基础、机械制造技术基础、风力发电原理、风电机组设计与制造、风电机组检测与控制、风电场电气工程、风力发电场等。

1.2 高职高专院校培养目标分析

面向生产、建设、服务和管理第一线高技能人才的培养一直为高职高专的培养目标和职责。随着风电制造产业的发展，国内也有不少高职高专院校开设了风能与动力工程相关专业。如：赣西科技职业学院、吉林电子信息技术学院、天津中德职业技术学院、天津职业技术师范大学等。

高职高专的风电专业培养目标一般要求学生具备风力发电设备的装配、调试、检测、维护与维修等基本能力。核心课程包括：机械制图、计算机绘图、电工基础、机械设计基础、机械制造基础、电机学、单片机原理及应用、液压与气动技术、新能源概论、风力发电原理与应用、电气控制与PLC技术、自动控制系统、风电机组检测技术、风电机组的装配与调试。

主要实践环节包括：机加工实习、钳工实习、部件测绘、机械设计基础课程设计、维修电工技能实训、风电机组装配与调试实训、风力发电综合实训等。

高职高专的人才培养在从业职业资格证方面有一定倾斜考虑。如学生毕业后，希望学生能获得AutoCAD中级证、维修电工中级证、钳工技能中级证、风电机组装配工（中级）、风电机组维修保养工（中级）、风力发电运行检修员等资格。风电领域从业资格证的评定也正在进行。

2 风能与动力工程本科专业的课程设置与实验规划

结合多年的科研经验，为培养风电机组系统设计、制造、运行与维护的应用型高级工程技术人才，本文认为有几项专业基础课及专业课值得推荐：机械设计基础、液压与气压传动、电力电子技术、电气控制及PLC技术、电机学、电力工程、风电机组及能量转换、风力机空气动力学、风电机组机械系统设计、风电机组控制技术、风电场电气工程、风电机组检测技术等、MATLAB与风力发电系统仿真、风电机组计算机辅助设计、风电场规划与设计、风电场运行与维护。

对于重要的几门专业课程的主要内容设置建议如下：

《风电机组机械系统设计》课程，旨在引导学生理解与掌握风电设备的主要机械设计知识。内容涵盖风电机组的结构与原理、风电机组机械设计基础、风电机组总体设计、主传动系统设计、偏航与变桨机构设计、支撑系统设计等。

《风电机组及能量转换》课程，旨在引导学生理解与掌握风力发电系统的风能转换为电能的整个工作原理过程。内容涵盖异步发电机及控制技术、同步发电机及控制技术、双馈异步发电机特性及控制技术、永磁同步发电机特性及控制技术等。

《风电场电气工程》课程，旨在引导学生理解与掌握风力发电电气工程一次、二次设备与系统的工作原理与过程。内容涵盖风电场和电气部分的基本概念、风电场电气部分构成和主接线方式、风电场主要一次设备、风电场电气二次系统、配电装置、风电场的防雷和接地、风电场中的电力电子设备等内容。

《风电机组控制技术》课程，旨在引导学生理解与掌握风电机组设备运行的控制原理及过程。内容涵盖风电机组主要执行机构及其控制、定桨恒速风电机组的控制、变速恒频风电机组的控制、风电机组主控软件编制规则、风电机组的监测与故障诊断等内容。

《风电机组检测技术》课程，旨在引导学生理解与掌握风电机组常规的检测、测试技术，掌握设备运行的故障分析手段。内容涵盖测量误差与数据处理、传感器原理与应用、电能质量测量、功率特性测量、风电机组载荷测量、风电机组噪声测量、低电压穿越测试等内容。

为配合前面的主要课程内容，推荐规划的实验[7-9]课程如下：

整机模型机械结构认知与拆装实验；

整机模型控制系统认知与拆装实验；

风力发电能量转换与并网实验；

电能质量检测实验；

电气运行控制、原理设计与编程实验；

变桨距控制原理实验。

3 风能与动力工程本科专业实验规划研究

为配合课程建设，通过教学讲授和动手实践环节，使学生深入了解风电的基本理论与知识体系，在电气控制方面的实验规划中有几个必要实验手段值得考虑。分别介绍如下：

3.1 风电机组缩比模拟实验台

为方便学生对风电机组有一个整体的认识并理解风电机组的工作原理，在风电机组缩比模拟实验台上实现工作过程的模拟非常有必要。功能可涵盖偏航系统、变桨距系统、液压系统、机组传动系统和制动系统、启动、对风、并网、变桨距、大风脱网停机等动作逻辑的演示、控制策略模拟等。整个风电机组缩比模型效果如图1所示，操作台与控制柜模型设计如图2所示，实验台控制系统配置如图3所示。

设计的技术规格描述如表1所示。

实验台上进行的主要实验可规划为：

（1）机械结构认识与拆装实习；

（2）电气构成认识与拆装实习；

（3）风电机组工作原理及动作逻辑的演示，启动、对风、并网、变桨距、大风脱网停机；

（4）风能转换原理的模拟与实现；

（5）机组并网过程与功率调节功能的实现；

（6）输出电能质量检测及电压稳定性控制功能的实现；

（7）风速、风向测量编程实现；

（8）自动偏航对风、扭缆保护、手动偏航功能编程实现；

（9）齿轮箱温度、压力、油循环系统模拟控制实验；

（10）液压系统刹车功能演示与实现；

（11）电动驱动变桨距机构认识与控制实现；

（12）额定风速之下MPPT转矩控制功能实现；

（13）额定风速之上恒功率变桨距调节功能实现；

（14）有功、无功功率输出控制的实现；

（15）安全链动作保护与功能实现；

（16）远程监控SCADA功能设计与实现；

（17）多种通讯协议的编程实现；

（18）电气防雷保护设计。

3.2 双馈风力发电机风电机组并网实验台

风电机组的并网及电能质量一直是发电集团主要关心的技术指标，同时也是国家电网规范接入技术条件、实施电网导则的重要方面。配合《风力发电机及能量转换》课程的并网实验台的规划非常有必要。

该实验台可按照双馈或者永磁风力发电系统进行配置设计，实验台设计的技术规格描述如表2所示。

实验功能可规划为：

（1）风功率模拟实验：利用能量转换台模拟风轮吸收功率实验，掌握风轮吸收最大功率的影响因素，以及他们各因素与风轮最大功率之间的关系。理解影响双馈风力发电系统中能量转换效率的物理量或参数。

（2）双馈/永磁电机工作特性试验：使学生了解发电机的外特性，调节特性。加深对风力发电系统运行特性的理解。

（3）发电机并网同步化过程实验：验证并网需要满足的条件，观察并网动态过程，定子电流电压的变化关系。

（4）自动并网功率因数调节实验：在并网状态下，对发电机功率因数进行调节，测量电能质量。通过对电能的测量使学生能熟练使用电能质量测试传感器，仪器仪表的观察和使用。

3.3 风电机组运行控制PLC编程实验台

风电机组的运行控制技术一直是国内外争论创新点的主要关注点。由于其高风险性和高可靠性要求，很多厂家和设计单位都依靠国外技术引进来解决。配合《风电机组控制技术》课程的风电机组运行控制PLC编程实验台的规划非常有必要。

实验平台可主要由控制器PLC以及一些虚拟软件仿真来实现。功能可设置为：偏航、变桨、液压站、刹车、齿轮箱润滑、变桨轴承润滑、机舱温度及热交换、航空障碍灯及机组运行状态、安全链等控制编程训练。也可结合一些运行风电机组的3D simulation模型，进行三维模拟变桨、偏航、齿轮箱、发电机等过程的人性化体现，逼真而且有直观效果。学生可进行的实验规划可列为：

表1 缩比模拟实验台设计规格主要技术参数

表2 并网实验台设计规格主要技术参数

（1）偏航电路硬件互锁功能线路设计；

（2）偏航传感信号采集和自动对风编程实验；

（3）机组正常启动、停机实验；

（4）液压机构原理及控制实验；

（5）齿轮箱油循环、机舱通风温度控制编程实验；

（6）机组安全保护实验；

（7）额定风速下转矩优化控制编程实验；

（8）额定风速上变桨距PID功率控制编程实验。

3.4 三轴联动电动变桨实验台

风电的电动变桨距机构在机组运行维护过程中一直是频繁的故障源。设计规划一套模拟风电机组的变桨执行机构及变桨控制原理实现的实验台，可以作为本科专业学生理解变桨距机构工作原理和高职院校锻炼变桨距机构维修维护技能训练的最佳设备。主要的设计思路可考虑为：系统由3套独立的模拟变桨装置组成，包含3组伺服变桨电机、伺服驱动、磁粉力矩负荷、减速机构、叶片传感器和叶片限位开关，通过通信进行PLC和伺服驱动数据交换，由PLC分别对其进行控制。整个变桨实验台模拟效果如图4所示，设计的技术规格描述如表3所示。

可规划的学生实验包括：

（1）建立变桨伺服和变桨电机的连接，通过变桨伺服手动操作对变桨电机的控制实现开桨、关桨等控制过程；

表3 变桨实验台设计规格主要技术参数

（2）建立变桨控制器和变桨驱动之间的通信，并进行状态和控制信息数据交换；

（3）通过PLC编程，实现变桨系统开桨、关桨动作；

（4）手动给定位置目标，通过PLC实现变桨的PID位置控制；

（5）模拟机组安全链及其他故障处理动作，实现变桨系统的保护过程。

4 结论

近年来，我国风力发电产业迅猛发展，风电方面的人才需求量越来越大。国家《可再生能源中长期发展规划》指出，到2020年前，平均每年要新增风电装机容量约200万千瓦，未来风电行业保持持续增长态势，而风电人才缺口将达到10万以上。配合本科教学和高级技能人才职业培训的实验台、实训台的开发都将面临更大的发展机遇和创新空间。专业培养教育刚刚起步，系统性和完整性都期待着不断改善和完备，相信跟随着国家迈向教育强国的步伐，风能领域的专业人才培养一定能不断地前进和创新。