風(fēng)能及動力工程教學(xué)實驗構(gòu)建范文
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風(fēng)電本科專業(yè)的主干課程一般涵蓋工程圖學(xué)、理論力學(xué)、材料力學(xué)、風(fēng)力機(jī)空氣動力學(xué)、電路、電機(jī)學(xué)、電子技術(shù)基礎(chǔ)、自動控制理論、金屬工藝學(xué)、機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)、機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)、風(fēng)力發(fā)電原理、風(fēng)電機(jī)組設(shè)計與制造、風(fēng)電機(jī)組檢測與控制、風(fēng)電場電氣工程、風(fēng)力發(fā)電場等。
1高職高專院校培養(yǎng)目標(biāo)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(biāo)和職責(zé)。隨著風(fēng)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(fēng)能與動力工程相關(guān)專業(yè)。如：贛西科技職業(yè)學(xué)院、吉林電子信息技術(shù)學(xué)院、天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院、天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)等。高職高專的風(fēng)電專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)一般要求學(xué)生具備風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的裝配、調(diào)試、檢測、維護(hù)與維修等基本能力。核心課程包括：機(jī)械制圖、計算機(jī)繪圖、電工基礎(chǔ)、機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)、機(jī)械制造基礎(chǔ)、電機(jī)學(xué)、單片機(jī)原理及應(yīng)用、液壓與氣動技術(shù)、新能源概論、風(fēng)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(fēng)電機(jī)組檢測技術(shù)、風(fēng)電機(jī)組的裝配與調(diào)試。主要實踐環(huán)節(jié)包括：機(jī)加工實習(xí)、鉗工實習(xí)、部件測繪、機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計、維修電工技能實訓(xùn)、風(fēng)電機(jī)組裝配與調(diào)試實訓(xùn)、風(fēng)力發(fā)電綜合實訓(xùn)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(xué)生畢業(yè)后，希望學(xué)生能獲得AutoCAD中級證、維修電工中級證、鉗工技能中級證、風(fēng)電機(jī)組裝配工（中級）、風(fēng)電機(jī)組維修保養(yǎng)工（中級）、風(fēng)力發(fā)電運(yùn)行檢修員等資格。風(fēng)電領(lǐng)域從業(yè)資格證的評定也正在進(jìn)行。
2風(fēng)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(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)設(shè)計、制造、運(yùn)行與維護(hù)的應(yīng)用型高級工程技術(shù)人才，本文認(rèn)為有幾項專業(yè)基礎(chǔ)課及專業(yè)課值得推薦：機(jī)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(jī)學(xué)、電力工程、風(fēng)電機(jī)組及能量轉(zhuǎn)換、風(fēng)力機(jī)空氣動力學(xué)、風(fēng)電機(jī)組機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計、風(fēng)電機(jī)組控制技術(shù)、風(fēng)電場電氣工程、風(fēng)電機(jī)組檢測技術(shù)等、MATLAB與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真、風(fēng)電機(jī)組計算機(jī)輔助設(shè)計、風(fēng)電場規(guī)劃與設(shè)計、風(fēng)電場運(yùn)行與維護(hù)。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(fēng)電機(jī)組機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計》課程，旨在引導(dǎo)學(xué)生理解與掌握風(fēng)電設(shè)備的主要機(jī)械設(shè)計知識。內(nèi)容涵蓋風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)與原理、風(fēng)電機(jī)組機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)、風(fēng)電機(jī)組總體設(shè)計、主傳動系統(tǒng)設(shè)計、偏航與變槳機(jī)構(gòu)設(shè)計、支撐系統(tǒng)設(shè)計等。《風(fēng)電機(jī)組及能量轉(zhuǎn)換》課程，旨在引導(dǎo)學(xué)生理解與掌握風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的風(fēng)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(jī)及控制技術(shù)、同步發(fā)電機(jī)及控制技術(shù)、雙饋異步發(fā)電機(jī)特性及控制技術(shù)、永磁同步發(fā)電機(jī)特性及控制技術(shù)等。《風(fēng)電場電氣工程》課程，旨在引導(dǎo)學(xué)生理解與掌握風(fēng)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(fēng)電場和電氣部分的基本概念、風(fēng)電場電氣部分構(gòu)成和主接線方式、風(fēng)電場主要一次設(shè)備、風(fēng)電場電氣二次系統(tǒng)、配電裝置、風(fēng)電場的防雷和接地、風(fēng)電場中的電力電子設(shè)備等內(nèi)容。《風(fēng)電機(jī)組控制技術(shù)》課程，旨在引導(dǎo)學(xué)生理解與掌握風(fēng)電機(jī)組設(shè)備運(yùn)行的控制原理及過程。內(nèi)容涵蓋風(fēng)電機(jī)組主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)及其控制、定槳恒速風(fēng)電機(jī)組的控制、變速恒頻風(fēng)電機(jī)組的控制、風(fēng)電機(jī)組主控軟件編制規(guī)則、風(fēng)電機(jī)組的監(jiān)測與故障診斷等內(nèi)容。《風(fēng)電機(jī)組檢測技術(shù)》課程，旨在引導(dǎo)學(xué)生理解與掌握風(fēng)電機(jī)組常規(guī)的檢測、測試技術(shù)，掌握設(shè)備運(yùn)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(fēng)電機(jī)組載荷測量、風(fēng)電機(jī)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(jī)模型機(jī)械結(jié)構(gòu)認(rèn)知與拆裝實驗；整機(jī)模型控制系統(tǒng)認(rèn)知與拆裝實驗；風(fēng)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(yùn)行控制、原理設(shè)計與編程實驗；變槳距控制原理實驗。
3風(fēng)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(xué)講授和動手實踐環(huán)節(jié)，使學(xué)生深入了解風(fēng)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(fēng)電機(jī)組縮比模擬實驗臺為方便學(xué)生對風(fēng)電機(jī)組有一個整體的認(rèn)識并理解風(fēng)電機(jī)組的工作原理，在風(fēng)電機(jī)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(jī)組傳動系統(tǒng)和制動系統(tǒng)、啟動、對風(fēng)、并網(wǎng)、變槳距、大風(fēng)脫網(wǎng)停機(jī)等動作邏輯的演示、控制策略模擬等。整個風(fēng)電機(jī)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(jìn)行的主要實驗可規(guī)劃為：（1）機(jī)械結(jié)構(gòu)認(rèn)識與拆裝實習(xí)；（2）電氣構(gòu)成認(rèn)識與拆裝實習(xí)；（3）風(fēng)電機(jī)組工作原理及動作邏輯的演示，啟動、對風(fēng)、并網(wǎng)、變槳距、大風(fēng)脫網(wǎng)停機(jī)；（4）風(fēng)能轉(zhuǎn)換原理的模擬與實現(xiàn)；（5）機(jī)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(fēng)速、風(fēng)向測量編程實現(xiàn)；（8）自動偏航對風(fēng)、扭纜保護(hù)、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(jī)構(gòu)認(rèn)識與控制實現(xiàn)；（12）額定風(fēng)速之下MPPT轉(zhuǎn)矩控制功能實現(xiàn)；（13）額定風(fēng)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(hù)與功能實現(xiàn)；（16）遠(yuǎn)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(hù)設(shè)計。
3.2雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)實驗臺風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)及電能質(zhì)量一直是發(fā)電集團(tuán)主要關(guān)心的技術(shù)指標(biāo)，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(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)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(fēng)功率模擬實驗：利用能量轉(zhuǎn)換臺模擬風(fēng)輪吸收功率實驗，掌握風(fēng)輪吸收最大功率的影響因素，以及他們各因素與風(fēng)輪最大功率之間的關(guān)系。理解影響雙饋風(fēng)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(jī)工作特性試驗：使學(xué)生了解發(fā)電機(jī)的外特性，調(diào)節(jié)特性。加深對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行特性的理解。（3）發(fā)電機(jī)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(jī)功率因數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，測量電能質(zhì)量。通過對電能的測量使學(xué)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(fēng)電機(jī)組運(yùn)行控制PLC編程實驗臺風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)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(fēng)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(jìn)來解決。配合《風(fēng)電機(jī)組控制技術(shù)》課程的風(fēng)電機(jī)組運(yùn)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(jī)艙溫度及熱交換、航空障礙燈及機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)、安全鏈等控制編程訓(xùn)練。也可結(jié)合一些運(yùn)行風(fēng)電機(jī)組的3Dsimulation模型，進(jìn)行三維模擬變槳、偏航、齒輪箱、發(fā)電機(jī)等過程的人性化體現(xiàn)，逼真而且有直觀效果。學(xué)生可進(jìn)行的實驗規(guī)劃可列為：（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(fēng)編程實驗；（3）機(jī)組正常啟動、停機(jī)實驗；（4）液壓機(jī)構(gòu)原理及控制實驗；（5）齒輪箱油循環(huán)、機(jī)艙通風(fēng)溫度控制編程實驗；（6）機(jī)組安全保護(hù)實驗；（7）額定風(fēng)速下轉(zhuǎn)矩優(yōu)化控制編程實驗；（8）額定風(fēng)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(fēng)電的電動變槳距機(jī)構(gòu)在機(jī)組運(yùn)行維護(hù)過程中一直是頻繁的故障源。設(shè)計規(guī)劃一套模擬風(fēng)電機(jī)組的變槳執(zhí)行機(jī)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(xué)生理解變槳距機(jī)構(gòu)工作原理和高職院校鍛煉變槳距機(jī)構(gòu)維修維護(hù)技能訓(xùn)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(dú)立的模擬變槳裝置組成，包含3組伺服變槳電機(jī)、伺服驅(qū)動、磁粉力矩負(fù)荷、減速機(jī)構(gòu)、葉片傳感器和葉片限位開關(guān)，通過通信進(jìn)行PLC和伺服驅(qū)動數(shù)據(jù)交換，由PLC分別對其進(jìn)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(xué)生實驗包括：（1）建立變槳伺服和變槳電機(jī)的連接，通過變槳伺服手動操作對變槳電機(jī)的控制實現(xiàn)開槳、關(guān)槳等控制過程；（2）建立變槳控制器和變槳驅(qū)動之間的通信，并進(jìn)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(biāo)，通過PLC實現(xiàn)變槳的PID位置控制；（5）模擬機(jī)組安全鏈及其他故障處理動作，實現(xiàn)變槳系統(tǒng)的保護(hù)過程。
4結(jié)論
近年來，我國風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，風(fēng)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(fēng)電裝機(jī)容量約200萬千瓦，未來風(fēng)電行業(yè)保持持續(xù)增長態(tài)勢，而風(fēng)電人才缺口將達(dá)到10萬以上。配合本科教學(xué)和高級技能人才職業(yè)培訓(xùn)的實驗臺、實訓(xùn)臺的開發(fā)都將面臨更大的發(fā)展機(jī)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(qiáng)國的步伐，風(fēng)能領(lǐng)域的專業(yè)人才培養(yǎng)一定能不斷地前進(jìn)和創(chuàng)新。
作者：邢作霞井艷軍王雅光單位：沈陽工業(yè)大學(xué)新能源工程學(xué)院
