邢作霞，井艷軍，王雅光

（沈陽工業(yè)大學新能源工程學院，遼寧 沈陽 110023）

0 引言

隨著高等教育改革的深化、新能源利用和風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模發(fā)展，為適應(yīng)國家產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的人才需求[1-3]，培養(yǎng)新能源領(lǐng)域的現(xiàn)場工程師、設(shè)計開發(fā)工程師和研究型工程師等多種類型工程師后備人才的專業(yè)教育也應(yīng)運而生[4]。風能與動力工程的本科專業(yè)正是在這種環(huán)境下發(fā)展起來的。

自2006年華北電力大學首先向教育部申請并獲批“風能與動力工程”的專業(yè)建設(shè)以來，國內(nèi)已有20余所高等院校[5]開展了相應(yīng)的本科、高職高專教育。響應(yīng)國家“卓越工程師”的培養(yǎng)精神和大政方針，實驗教學是素質(zhì)和能力培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，實驗課程的全面性、整體性對于強化學生的實踐動手環(huán)節(jié)、工程創(chuàng)新能力起著至關(guān)重要的作用。本文將針對風能與動力工程本科專業(yè)的人才培養(yǎng)與教學實驗建設(shè)進行深入探討。

1 培養(yǎng)目標分析

1.1 風能方向的本科培養(yǎng)目標分析

目前，國內(nèi)開設(shè)風能與動力工程專業(yè)的本科院校有華北電力大學、河北工業(yè)大學、河海大學、長沙理工大學、蘭州理工大學、內(nèi)蒙古工業(yè)大學、沈陽工業(yè)大學等。針對本科面向科研院所培養(yǎng)[6]理論研究型人才的主要目標，各個學校在課程設(shè)置體系上各有特色，各有專攻。

風電專業(yè)本科畢業(yè)后的應(yīng)用需求一般覆蓋到從事風電場的規(guī)劃、設(shè)計、施工、運行與維護等技術(shù)或管理工作領(lǐng)域。專業(yè)課程設(shè)置一般會圍繞流體機械、電氣等學科進行，如學習風能資源測量與評估、空氣動力學、機械設(shè)計與制造、自動控制的理論和技術(shù)，并接受一些專業(yè)技能的基本訓練，使學生具有風電機組和風電場設(shè)計、制造、運行、試驗研究、項目投資與管理的基本創(chuàng)新能力，以及較強的實踐能力和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

風電本科專業(yè)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(shù)基礎(chǔ)、自動控制理論、金屬工藝學、機械設(shè)計基礎(chǔ)、機械制造技術(shù)基礎(chǔ)、風力發(fā)電原理、風電機組設(shè)計與制造、風電機組檢測與控制、風電場電氣工程、風力發(fā)電場等。

1.2 高職高專院校培養(yǎng)目標分析

面向生產(chǎn)、建設(shè)、服務(wù)和管理第一線高技能人才的培養(yǎng)一直為高職高專的培養(yǎng)目標和職責。隨著風電制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)也有不少高職高專院校開設(shè)了風能與動力工程相關(guān)專業(yè)。如：贛西科技職業(yè)學院、吉林電子信息技術(shù)學院、天津中德職業(yè)技術(shù)學院、天津職業(yè)技術(shù)師范大學等。

高職高專的風電專業(yè)培養(yǎng)目標一般要求學生具備風力發(fā)電設(shè)備的裝配、調(diào)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(chǔ)、機械設(shè)計基礎(chǔ)、機械制造基礎(chǔ)、電機學、單片機原理及應(yīng)用、液壓與氣動技術(shù)、新能源概論、風力發(fā)電原理與應(yīng)用、電氣控制與PLC技術(shù)、自動控制系統(tǒng)、風電機組檢測技術(shù)、風電機組的裝配與調(diào)試。

主要實踐環(huán)節(jié)包括：機加工實習、鉗工實習、部件測繪、機械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計、維修電工技能實訓、風電機組裝配與調(diào)試實訓、風力發(fā)電綜合實訓等。

高職高專的人才培養(yǎng)在從業(yè)職業(yè)資格證方面有一定傾斜考慮。如學生畢業(yè)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(yǎng)工（中級）、風力發(fā)電運行檢修員等資格。風電領(lǐng)域從業(yè)資格證的評定也正在進行。

2 風能與動力工程本科專業(yè)的課程設(shè)置與實驗規(guī)劃

結(jié)合多年的科研經(jīng)驗，為培養(yǎng)風電機組系統(tǒng)設(shè)計、制造、運行與維護的應(yīng)用型高級工程技術(shù)人才，本文認為有幾項專業(yè)基礎(chǔ)課及專業(yè)課值得推薦：機械設(shè)計基礎(chǔ)、液壓與氣壓傳動、電力電子技術(shù)、電氣控制及PLC技術(shù)、電機學、電力工程、風電機組及能量轉(zhuǎn)換、風力機空氣動力學、風電機組機械系統(tǒng)設(shè)計、風電機組控制技術(shù)、風電場電氣工程、風電機組檢測技術(shù)等、MATLAB與風力發(fā)電系統(tǒng)仿真、風電機組計算機輔助設(shè)計、風電場規(guī)劃與設(shè)計、風電場運行與維護。

對于重要的幾門專業(yè)課程的主要內(nèi)容設(shè)置建議如下：

《風電機組機械系統(tǒng)設(shè)計》課程，旨在引導(dǎo)學生理解與掌握風電設(shè)備的主要機械設(shè)計知識。內(nèi)容涵蓋風電機組的結(jié)構(gòu)與原理、風電機組機械設(shè)計基礎(chǔ)、風電機組總體設(shè)計、主傳動系統(tǒng)設(shè)計、偏航與變槳機構(gòu)設(shè)計、支撐系統(tǒng)設(shè)計等。

《風電機組及能量轉(zhuǎn)換》課程，旨在引導(dǎo)學生理解與掌握風力發(fā)電系統(tǒng)的風能轉(zhuǎn)換為電能的整個工作原理過程。內(nèi)容涵蓋異步發(fā)電機及控制技術(shù)、同步發(fā)電機及控制技術(shù)、雙饋異步發(fā)電機特性及控制技術(shù)、永磁同步發(fā)電機特性及控制技術(shù)等。

《風電場電氣工程》課程，旨在引導(dǎo)學生理解與掌握風力發(fā)電電氣工程一次、二次設(shè)備與系統(tǒng)的工作原理與過程。內(nèi)容涵蓋風電場和電氣部分的基本概念、風電場電氣部分構(gòu)成和主接線方式、風電場主要一次設(shè)備、風電場電氣二次系統(tǒng)、配電裝置、風電場的防雷和接地、風電場中的電力電子設(shè)備等內(nèi)容。

《風電機組控制技術(shù)》課程，旨在引導(dǎo)學生理解與掌握風電機組設(shè)備運行的控制原理及過程。內(nèi)容涵蓋風電機組主要執(zhí)行機構(gòu)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(guī)則、風電機組的監(jiān)測與故障診斷等內(nèi)容。

《風電機組檢測技術(shù)》課程，旨在引導(dǎo)學生理解與掌握風電機組常規(guī)的檢測、測試技術(shù)，掌握設(shè)備運行的故障分析手段。內(nèi)容涵蓋測量誤差與數(shù)據(jù)處理、傳感器原理與應(yīng)用、電能質(zhì)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(nèi)容。

為配合前面的主要課程內(nèi)容，推薦規(guī)劃的實驗[7-9]課程如下：

整機模型機械結(jié)構(gòu)認知與拆裝實驗；

整機模型控制系統(tǒng)認知與拆裝實驗；

風力發(fā)電能量轉(zhuǎn)換與并網(wǎng)實驗；

電能質(zhì)量檢測實驗；

電氣運行控制、原理設(shè)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(yè)實驗規(guī)劃研究

為配合課程建設(shè)，通過教學講授和動手實踐環(huán)節(jié)，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(guī)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(xiàn)工作過程的模擬非常有必要。功能可涵蓋偏航系統(tǒng)、變槳距系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、機組傳動系統(tǒng)和制動系統(tǒng)、啟動、對風、并網(wǎng)、變槳距、大風脫網(wǎng)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(shè)計如圖2所示，實驗臺控制系統(tǒng)配置如圖3所示。

設(shè)計的技術(shù)規(guī)格描述如表1所示。

實驗臺上進行的主要實驗可規(guī)劃為：

（1）機械結(jié)構(gòu)認識與拆裝實習；

（2）電氣構(gòu)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(wǎng)、變槳距、大風脫網(wǎng)停機；

（4）風能轉(zhuǎn)換原理的模擬與實現(xiàn)；

（5）機組并網(wǎng)過程與功率調(diào)節(jié)功能的實現(xiàn)；

（6）輸出電能質(zhì)量檢測及電壓穩(wěn)定性控制功能的實現(xiàn)；

（7）風速、風向測量編程實現(xiàn)；

（8）自動偏航對風、扭纜保護、手動偏航功能編程實現(xiàn)；

（9）齒輪箱溫度、壓力、油循環(huán)系統(tǒng)模擬控制實驗；

（10）液壓系統(tǒng)剎車功能演示與實現(xiàn)；

（11）電動驅(qū)動變槳距機構(gòu)認識與控制實現(xiàn)；

（12）額定風速之下MPPT轉(zhuǎn)矩控制功能實現(xiàn)；

（13）額定風速之上恒功率變槳距調(diào)節(jié)功能實現(xiàn)；

（14）有功、無功功率輸出控制的實現(xiàn)；

（15）安全鏈動作保護與功能實現(xiàn)；

（16）遠程監(jiān)控SCADA功能設(shè)計與實現(xiàn)；

（17）多種通訊協(xié)議的編程實現(xiàn)；

（18）電氣防雷保護設(shè)計。

3.2 雙饋風力發(fā)電機風電機組并網(wǎng)實驗臺

風電機組的并網(wǎng)及電能質(zhì)量一直是發(fā)電集團主要關(guān)心的技術(shù)指標，同時也是國家電網(wǎng)規(guī)范接入技術(shù)條件、實施電網(wǎng)導(dǎo)則的重要方面。配合《風力發(fā)電機及能量轉(zhuǎn)換》課程的并網(wǎng)實驗臺的規(guī)劃非常有必要。

該實驗臺可按照雙饋或者永磁風力發(fā)電系統(tǒng)進行配置設(shè)計，實驗臺設(shè)計的技術(shù)規(guī)格描述如表2所示。

實驗功能可規(guī)劃為：

（1）風功率模擬實驗：利用能量轉(zhuǎn)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(guān)系。理解影響雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)中能量轉(zhuǎn)換效率的物理量或參數(shù)。

（2）雙饋/永磁電機工作特性試驗：使學生了解發(fā)電機的外特性，調(diào)節(jié)特性。加深對風力發(fā)電系統(tǒng)運行特性的理解。

（3）發(fā)電機并網(wǎng)同步化過程實驗：驗證并網(wǎng)需要滿足的條件，觀察并網(wǎng)動態(tài)過程，定子電流電壓的變化關(guān)系。

（4）自動并網(wǎng)功率因數(shù)調(diào)節(jié)實驗：在并網(wǎng)狀態(tài)下，對發(fā)電機功率因數(shù)進行調(diào)節(jié)，測量電能質(zhì)量。通過對電能的測量使學生能熟練使用電能質(zhì)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(shù)一直是國內(nèi)外爭論創(chuàng)新點的主要關(guān)注點。由于其高風險性和高可靠性要求，很多廠家和設(shè)計單位都依靠國外技術(shù)引進來解決。配合《風電機組控制技術(shù)》課程的風電機組運行控制PLC編程實驗臺的規(guī)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(xiàn)。功能可設(shè)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(tài)、安全鏈等控制編程訓練。也可結(jié)合一些運行風電機組的3D simulation模型，進行三維模擬變槳、偏航、齒輪箱、發(fā)電機等過程的人性化體現(xiàn)，逼真而且有直觀效果。學生可進行的實驗規(guī)劃可列為：

表1 縮比模擬實驗臺設(shè)計規(guī)格主要技術(shù)參數(shù)

表2 并網(wǎng)實驗臺設(shè)計規(guī)格主要技術(shù)參數(shù)

（1）偏航電路硬件互鎖功能線路設(shè)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(gòu)原理及控制實驗；

（5）齒輪箱油循環(huán)、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(zhuǎn)矩優(yōu)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(lián)動電動變槳實驗臺

風電的電動變槳距機構(gòu)在機組運行維護過程中一直是頻繁的故障源。設(shè)計規(guī)劃一套模擬風電機組的變槳執(zhí)行機構(gòu)及變槳控制原理實現(xiàn)的實驗臺，可以作為本科專業(yè)學生理解變槳距機構(gòu)工作原理和高職院校鍛煉變槳距機構(gòu)維修維護技能訓練的最佳設(shè)備。主要的設(shè)計思路可考慮為：系統(tǒng)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(qū)動、磁粉力矩負荷、減速機構(gòu)、葉片傳感器和葉片限位開關(guān)，通過通信進行PLC和伺服驅(qū)動數(shù)據(jù)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(shè)計的技術(shù)規(guī)格描述如表3所示。

可規(guī)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(xiàn)開槳、關(guān)槳等控制過程；

表3 變槳實驗臺設(shè)計規(guī)格主要技術(shù)參數(shù)

（2）建立變槳控制器和變槳驅(qū)動之間的通信，并進行狀態(tài)和控制信息數(shù)據(jù)交換；

（3）通過PLC編程，實現(xiàn)變槳系統(tǒng)開槳、關(guān)槳動作；

（4）手動給定位置目標，通過PLC實現(xiàn)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(xiàn)變槳系統(tǒng)的保護過程。

4 結(jié)論

近年來，我國風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)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(fā)展規(guī)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(yè)保持持續(xù)增長態(tài)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(yè)培訓的實驗臺、實訓臺的開發(fā)都將面臨更大的發(fā)展機遇和創(chuàng)新空間。專業(yè)培養(yǎng)教育剛剛起步，系統(tǒng)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(lǐng)域的專業(yè)人才培養(yǎng)一定能不斷地前進和創(chuàng)新。

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