風能及動力工程教學實驗構建范文

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風電本科專業的主干課程一般涵蓋工程圖學、理論力學、材料力學、風力機空氣動力學、電路、電機學、電子技術基礎、自動控制理論、金屬工藝學、機械設計基礎、機械制造技術基礎、風力發電原理、風電機組設計與制造、風電機組檢測與控制、風電場電氣工程、風力發電場等。

1高職高專院校培養目標分析

面向生產、建設、服務和管理第一線高技能人才的培養一直為高職高專的培養目標和職責。隨著風電制造產業的發展，國內也有不少高職高專院校開設了風能與動力工程相關專業。如：贛西科技職業學院、吉林電子信息技術學院、天津中德職業技術學院、天津職業技術師范大學等。高職高專的風電專業培養目標一般要求學生具備風力發電設備的裝配、調試、檢測、維護與維修等基本能力。核心課程包括：機械制圖、計算機繪圖、電工基礎、機械設計基礎、機械制造基礎、電機學、單片機原理及應用、液壓與氣動技術、新能源概論、風力發電原理與應用、電氣控制與PLC技術、自動控制系統、風電機組檢測技術、風電機組的裝配與調試。主要實踐環節包括：機加工實習、鉗工實習、部件測繪、機械設計基礎課程設計、維修電工技能實訓、風電機組裝配與調試實訓、風力發電綜合實訓等。高職高專的人才培養在從業職業資格證方面有一定傾斜考慮。如學生畢業后，希望學生能獲得AutoCAD中級證、維修電工中級證、鉗工技能中級證、風電機組裝配工（中級）、風電機組維修保養工（中級）、風力發電運行檢修員等資格。風電領域從業資格證的評定也正在進行。

2風能與動力工程本科專業的課程設置與實驗規劃

結合多年的科研經驗，為培養風電機組系統設計、制造、運行與維護的應用型高級工程技術人才，本文認為有幾項專業基礎課及專業課值得推薦：機械設計基礎、液壓與氣壓傳動、電力電子技術、電氣控制及PLC技術、電機學、電力工程、風電機組及能量轉換、風力機空氣動力學、風電機組機械系統設計、風電機組控制技術、風電場電氣工程、風電機組檢測技術等、MATLAB與風力發電系統仿真、風電機組計算機輔助設計、風電場規劃與設計、風電場運行與維護。對于重要的幾門專業課程的主要內容設置建議如下：《風電機組機械系統設計》課程，旨在引導學生理解與掌握風電設備的主要機械設計知識。內容涵蓋風電機組的結構與原理、風電機組機械設計基礎、風電機組總體設計、主傳動系統設計、偏航與變槳機構設計、支撐系統設計等。《風電機組及能量轉換》課程，旨在引導學生理解與掌握風力發電系統的風能轉換為電能的整個工作原理過程。內容涵蓋異步發電機及控制技術、同步發電機及控制技術、雙饋異步發電機特性及控制技術、永磁同步發電機特性及控制技術等。《風電場電氣工程》課程，旨在引導學生理解與掌握風力發電電氣工程一次、二次設備與系統的工作原理與過程。內容涵蓋風電場和電氣部分的基本概念、風電場電氣部分構成和主接線方式、風電場主要一次設備、風電場電氣二次系統、配電裝置、風電場的防雷和接地、風電場中的電力電子設備等內容。《風電機組控制技術》課程，旨在引導學生理解與掌握風電機組設備運行的控制原理及過程。內容涵蓋風電機組主要執行機構及其控制、定槳恒速風電機組的控制、變速恒頻風電機組的控制、風電機組主控軟件編制規則、風電機組的監測與故障診斷等內容。《風電機組檢測技術》課程，旨在引導學生理解與掌握風電機組常規的檢測、測試技術，掌握設備運行的故障分析手段。內容涵蓋測量誤差與數據處理、傳感器原理與應用、電能質量測量、功率特性測量、風電機組載荷測量、風電機組噪聲測量、低電壓穿越測試等內容。為配合前面的主要課程內容，推薦規劃的實驗[7-9]課程如下：整機模型機械結構認知與拆裝實驗；整機模型控制系統認知與拆裝實驗；風力發電能量轉換與并網實驗；電能質量檢測實驗；電氣運行控制、原理設計與編程實驗；變槳距控制原理實驗。

3風能與動力工程本科專業實驗規劃研究

為配合課程建設，通過教學講授和動手實踐環節，使學生深入了解風電的基本理論與知識體系，在電氣控制方面的實驗規劃中有幾個必要實驗手段值得考慮。分別介紹如下：

3.1風電機組縮比模擬實驗臺為方便學生對風電機組有一個整體的認識并理解風電機組的工作原理，在風電機組縮比模擬實驗臺上實現工作過程的模擬非常有必要。功能可涵蓋偏航系統、變槳距系統、液壓系統、機組傳動系統和制動系統、啟動、對風、并網、變槳距、大風脫網停機等動作邏輯的演示、控制策略模擬等。整個風電機組縮比模型效果如圖1所示，操作臺與控制柜模型設計如圖2所示，實驗臺控制系統配置如圖3所示。設計的技術規格描述如表1所示。實驗臺上進行的主要實驗可規劃為：（1）機械結構認識與拆裝實習；（2）電氣構成認識與拆裝實習；（3）風電機組工作原理及動作邏輯的演示，啟動、對風、并網、變槳距、大風脫網停機；（4）風能轉換原理的模擬與實現；（5）機組并網過程與功率調節功能的實現；（6）輸出電能質量檢測及電壓穩定性控制功能的實現；（7）風速、風向測量編程實現；（8）自動偏航對風、扭纜保護、手動偏航功能編程實現；（9）齒輪箱溫度、壓力、油循環系統模擬控制實驗；（10）液壓系統剎車功能演示與實現；（11）電動驅動變槳距機構認識與控制實現；（12）額定風速之下MPPT轉矩控制功能實現；（13）額定風速之上恒功率變槳距調節功能實現；（14）有功、無功功率輸出控制的實現；（15）安全鏈動作保護與功能實現；（16）遠程監控SCADA功能設計與實現；（17）多種通訊協議的編程實現；（18）電氣防雷保護設計。

3.2雙饋風力發電機風電機組并網實驗臺風電機組的并網及電能質量一直是發電集團主要關心的技術指標，同時也是國家電網規范接入技術條件、實施電網導則的重要方面。配合《風力發電機及能量轉換》課程的并網實驗臺的規劃非常有必要。該實驗臺可按照雙饋或者永磁風力發電系統進行配置設計，實驗臺設計的技術規格描述如表2所示。實驗功能可規劃為：（1）風功率模擬實驗：利用能量轉換臺模擬風輪吸收功率實驗，掌握風輪吸收最大功率的影響因素，以及他們各因素與風輪最大功率之間的關系。理解影響雙饋風力發電系統中能量轉換效率的物理量或參數。（2）雙饋/永磁電機工作特性試驗：使學生了解發電機的外特性，調節特性。加深對風力發電系統運行特性的理解。（3）發電機并網同步化過程實驗：驗證并網需要滿足的條件，觀察并網動態過程，定子電流電壓的變化關系。（4）自動并網功率因數調節實驗：在并網狀態下，對發電機功率因數進行調節，測量電能質量。通過對電能的測量使學生能熟練使用電能質量測試傳感器，儀器儀表的觀察和使用。

3.3風電機組運行控制PLC編程實驗臺風電機組的運行控制技術一直是國內外爭論創新點的主要關注點。由于其高風險性和高可靠性要求，很多廠家和設計單位都依靠國外技術引進來解決。配合《風電機組控制技術》課程的風電機組運行控制PLC編程實驗臺的規劃非常有必要。實驗平臺可主要由控制器PLC以及一些虛擬軟件仿真來實現。功能可設置為：偏航、變槳、液壓站、剎車、齒輪箱潤滑、變槳軸承潤滑、機艙溫度及熱交換、航空障礙燈及機組運行狀態、安全鏈等控制編程訓練。也可結合一些運行風電機組的3Dsimulation模型，進行三維模擬變槳、偏航、齒輪箱、發電機等過程的人性化體現，逼真而且有直觀效果。學生可進行的實驗規劃可列為：（1）偏航電路硬件互鎖功能線路設計；（2）偏航傳感信號采集和自動對風編程實驗；（3）機組正常啟動、停機實驗；（4）液壓機構原理及控制實驗；（5）齒輪箱油循環、機艙通風溫度控制編程實驗；（6）機組安全保護實驗；（7）額定風速下轉矩優化控制編程實驗；（8）額定風速上變槳距PID功率控制編程實驗。

3.4三軸聯動電動變槳實驗臺風電的電動變槳距機構在機組運行維護過程中一直是頻繁的故障源。設計規劃一套模擬風電機組的變槳執行機構及變槳控制原理實現的實驗臺，可以作為本科專業學生理解變槳距機構工作原理和高職院校鍛煉變槳距機構維修維護技能訓練的最佳設備。主要的設計思路可考慮為：系統由3套獨立的模擬變槳裝置組成，包含3組伺服變槳電機、伺服驅動、磁粉力矩負荷、減速機構、葉片傳感器和葉片限位開關，通過通信進行PLC和伺服驅動數據交換，由PLC分別對其進行控制。整個變槳實驗臺模擬效果如圖4所示，設計的技術規格描述如表3所示。可規劃的學生實驗包括：（1）建立變槳伺服和變槳電機的連接，通過變槳伺服手動操作對變槳電機的控制實現開槳、關槳等控制過程；（2）建立變槳控制器和變槳驅動之間的通信，并進行狀態和控制信息數據交換；（3）通過PLC編程，實現變槳系統開槳、關槳動作；（4）手動給定位置目標，通過PLC實現變槳的PID位置控制；（5）模擬機組安全鏈及其他故障處理動作，實現變槳系統的保護過程。

4結論

近年來，我國風力發電產業迅猛發展，風電方面的人才需求量越來越大。國家《可再生能源中長期發展規劃》指出，到2020年前，平均每年要新增風電裝機容量約200萬千瓦，未來風電行業保持持續增長態勢，而風電人才缺口將達到10萬以上。配合本科教學和高級技能人才職業培訓的實驗臺、實訓臺的開發都將面臨更大的發展機遇和創新空間。專業培養教育剛剛起步，系統性和完整性都期待著不斷改善和完備，相信跟隨著國家邁向教育強國的步伐，風能領域的專業人才培養一定能不斷地前進和創新。

作者：邢作霞井艷軍王雅光單位：沈陽工業大學新能源工程學院