双馈风电实验平台在实践教学中的应用研究

梅柏杉， 吴 迪， 冯江波

(上海电力学院 电气工程学院, 上海 200090)

双馈风电实验平台在实践教学中的应用研究

梅柏杉， 吴 迪， 冯江波

(上海电力学院 电气工程学院, 上海 200090)

对风电专业本科实践教学进行探索，将双馈风力发电实验平台应用于专业课的实践教学。在常规专业理论教学的基础上,基于德国Lucas-nuelle公司的双馈风力发电教学实验平台，开展双馈风力发电的各类典型实验，加深学生对理论知识的理解。同时，学生通过对实验平台的操作实践，使他们对风力发电的生产流程和岗位技能要求有更直观的体验，激发学生的学习兴趣，有效提升专业课教学的质量，提高了风电专业教学的趣味性和直观性。

双馈风力发电； 实验平台； 实践教学

风能作为重要的可再生清洁能源，正越来越多的得到世界各国的关注。根据中国风能协会初步统计数据，2013年中国风电新增装机容量为1 610万kW，中国风电累计装机已突破9 000万kW。2014年上半年公开招标的装机容量将超过11 GW，规模同比增长27%以上[1]。根据对国内主流风电项目业主2014年装机计划的统计，我国2014年风电装机大概率将超过18 GW，甚至有望超过2010年18.9 GW的水平，创出历史新高[2]。

随着风力发电产业的高速发展，各企事业单位对风电专业的人才需求日益提高。为风电产业培养更多专业基础扎实和实践能力出色的优秀人才，一直是摆在风电一线教学工作者面前的艰巨任务[3]。风电专业学生需要学习风电场运行控制、安全、施工、经营管理、信息系统等多门专业课程知识，所以风电专业课教学中有大量的学科理论教学[4]。虽然目前风电专业通过与企事业单位联系，开展了相关的专业实践课程，一定程度上帮助学生熟悉风电场运行现状和了解风电相关岗位的工作内容，但由于这些实践课程时间较短，可供学生选择的实践岗位和实习内容较为单一，出于安全考虑，一些复杂事件处置和核心岗位无法提供给学生进行实践，实践课程指导教师无法将风电专业理论知识在现场实践环节中进行系统深入的讲解和分析[5]。因此，如何应用一些先进的教学方式和教学平台来填补目前风电专业课实践教学中的不足，促进风电专业课实践教学的发展，是本文着重探讨的问题[3]。文中以德国Lucas-nuelle公司的双馈风力发电教学实验平台，以直流电机模拟风力机，简化了实验条件，采用半物理仿真的方式[6]，在实验室内部就可以进行双馈风力发电系统的各类典型实验，将风电运行控制的整个过程生动的展示在学生面前，既提高了风电专业教学的趣味性和直观性，又增加了学生动手操作的机会，加深了学生对风电知识的理解。

1 教学实验平台的发展现状

教学实验平台已经成为一个非常具有前景的产业，各类仿真模拟技术和动态显示技术不断发展。各种各样的教学实验平台也已经成为高校、科研院所以及企事业单位开展相关研究、教学和培训工作必不可少的工具[7]。它们不仅应用于工程领域，如机械、航空、航天、电力、冶金、化工、电子等方面，还广泛应用于非工程领域，如交通管理、生产调度、库存控制、生态环境以及社会经济等方面，成为分析、研究各种系统，尤其是复杂系统的重要工具。

对于风力发电行业来说，市场上的各类教学实验平台很多，但是在技术层次、用户交互设计，安全性、经济性和实用性等方面，水平参差不齐。浙江天煌科技实业有限公司(天煌教仪)的THNRSK-1型双馈异步风力发电实验系统和江苏伟创晶光电设备有限公司的室内模拟风力发电实验系统，均有不错的表现。综合了考虑风力机的简化模拟、用户界面的友好程度、实验平台的直观性和实验内容的全面性等方面后，我们最终采用了德国Lucas-nuelle公司的双馈风力发电教学实验平台。该平台除了可以模拟真实的双馈风力发电系统运行过程。完成一般风电教学实验平台不能模拟的故障穿越实验外，还能参与交互和控制，大大提高了学生参与实验过程的直观性和逼真性。在风电专业课实践教学中，可以充分利用该双馈风力发电教学实验平台所提供的直观性和参与性，提高学生的学习兴趣[8]。

2 双馈风力发电教学实验平台应用于实践教学

双馈风力发电机是当下风力发电中最前沿的技术。由于实际中的双馈风力机组容量和体积都很庞大，无法搬进实验室进行教学。

2.1 双馈风力发电教学实验平台

德国Lucas-nuelle公司的双馈风力发电教学实验平台(见图1)，采用半物理仿真的方式，模拟风能与风机，结合小容量异步电机，组成双馈发电系统，专门用于实验室教学演示和学习研究现代风力发电站的工作原理过程。配套的互动实验室辅助课程用以介绍相关背景和理论知识，并为实验的测量与控制提供互动支持，展示了一种全新的实验形式与理念。该平台具有以下主要特点：

(1) 采用半物理仿真的思想，通过电机转矩/转速控制平台与一台交流伺服电机连接，从细节上高精度模拟风机运行，把现实中的大机组模拟搬进实验室。结合实验界面，还可以自己设计风况的动态变化过程用于模拟实验。

(2) 与现代工业技术结合，系统结合虚拟仪器测量技术，实现计算机辅助测量控制。软件系统中的相量图及示波器等虚拟仪表可供实验中调用，帮助学生更形象地理解电机矢量控制等基本原理，并为进一步全开放环境提供基础。

(3) 配套专用Labsoft课程软件，包含相关多种背景知识和基本原理，提供学生实验互动操作支持和测量仪表调用，并采用动画的形式，生动形式地演示各种艰涩的理论知识，定子和转子的磁场与电参数关系等。该软件可以作为课件直接用于课堂教学。

图1 双馈风力发电教学实验平台

2.2 双馈风力发电教学实验平台的实验设置

该平台结合风力发电的关键技术以及课程教学的科学合理性，设置了多种多样的实验，全面覆盖了风力发电技术的各部分内容，典型的实验有：

(1) 风速模拟和风力机控制实验。该实验是用直流电机来简化模拟风力机，带动双馈风力发电机旋转，通过控制直流电机来模拟风速和风轮桨距角的变化，进而影响功率的变化，实现最大功率跟踪控制。该实验可以让学生更好地理解风力机的运行原理和控制方法。图2为该实验控制面板图。

图2 风力机模拟实验控制面板图

(2) 双馈风力发电并网实验。该实验是模拟双馈风力发电系统的并网过程，通过调节同步器上的输出电压频率和幅值，使风力发电系统的输出电压的频率和幅值满足并网条件，并在同步器的指示下，找准合适的相位，进行手动并网操作。同时，也可以采用系统的自动并网操作。该实验可以让学生更好地掌握风力发电并网的条件和操作方法[9]。图3为风力发电并网实验同步器面板图。

(3) 双馈风力发电功率控制实验。该实验是模拟并网型双馈风力发电系统的功率控制过程，通过调节风力发电系统机侧和网侧变流器的有功功率和无功功率设置，实时地调整双馈风力发电系统定子侧、转子侧和电网侧的功率变化。该实验可以让学生更好地理解双馈风力发电系统运行在超同步和次同步状态下，双馈风力发电机定子侧、转子侧和电网侧的功率状态，掌握变速恒频双馈风力发电系统的功率控制方法。图4为风力发电功率控制面板图。

图4 双馈风力发电功率控制面板图

(4) 双馈风力发电低电压穿越实验。由于双馈风力发电系统的低电压穿越实验平台设计难度较大，目前市场上的教学实验平台鲜有具备此项实验功能的，该实验是此实验平台的特色实验。实验主要是模拟并网型双馈风力发电系统的低电压穿越过程，通过实验台进行人为的低电压故障设定，进而模拟低电压穿越的过程[10]。该实验可以让学生更好地理解双馈风力发电系统低电压穿越的原理和过程，加深对课程知识的理解。图5为低电压穿越实验电压/电流监视面板图。

图5 低电压穿越实验电压电流监视面板图

3 结束语

风力发电是新能源领域理论性和实践性都很强的专业方向，课堂讲解知识的实用化主要靠实验和实践来支持[5]。在专业教学过程中，应该注重激发学生的自主性和创新性，加强学生的工程意识，鼓励学生运用已经学习与掌握的理论，通过实验和实践，加深对大型风力发电机组工作原理和特性的理解[11]。本文中的双馈风力发电实验平台，采用半物理仿真的方法，创设了模拟现代大型风力发电机组的实验条件，设计了大量贴近工程实际的实验，让学生在对实验平台的实践操作过程中，快速地掌握风电行业对应岗位的要求和技能，加快了从学到用的转变过程，加深了学生对理论知识的理解，锻炼了学生动手能力，增加了学生学习兴趣，有效提高了风电专业教学的质量[12]。

References)

[1] 吴广龙.浅谈风力发电的技术现状与发展趋势[J].装备制造,2010(1):115.

[2] 张兴然.浅谈风力发电[J].中国电力教育,2011(18):84-85.

[3] 何建军,陈荐.风电人才需求与人才培养模式的研究[J].中国电力教育,2010(31):31-33.

[4] 苏晓.风电教育:高校,企业各有千秋[J].风能,2012(12)：52-53.

[5] 姜玉立,何伟军.我国风电人才培养现状,问题及对策[J].中国电力教育,2012(24):36-37.

[6] 林勇刚,徐立,李伟,等.电液比例变桨距风力机半物理仿真试验台[J].中国机械工程,2005,16(8):667-670.

[7] 王建林,何苏勤,孙洪程.构建实验教学平台,培养学生创新精神和实践能力[J].实验技术与管理,2005,22(4):9-12.

[8] 唐幼纯,胡浩民,王泽杰.基于软件实验平台的课程教学模式的实践研究[J].计算机教育,2008 (18):23-24.

[9] 吴国祥,马神炜,陈国呈,等.双馈变速恒频风力发电空载并网控制策略[J].电工技术学报,2007,22(7):169-175.

[10] 梁亮,李建林,许洪华.双馈感应式风力发电系统低电压穿越研究[J].电力电子技术,2008,42(3):19-21.

[11] 左晓明,许兆美,郑晓虎,等.应用型人才培养模式创新实验区的探索与实践[J].中国制造业信息化:学术版,2010,39(12):76-78.

[12] 黄大明,黄俊明,黄伟,等.改革与创新实践教学模式 推进校企合作平台的建设[J].实验室研究与探索,2012 (6):140-143.

Study on application of double-fed wind power experimentalplatform in practical teaching

Mei Baishan， Wu Di， Feng Jiangbo

(Institute of Electrical Engineering,Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200090,China)

With the rapid development of Chinese wind power industry,the personnel needs of power system and wind power companies are increasing.Aiming at making a useful exploration on the practical teaching of undergraduate majoring in wind power, the doubly-fed wind power experiment platform into specialized practical teaching process is applied. On the basis of the general theoretical teaching,using the double-fed wind power experiment platform from Lucas-nuelle in German to carry out all kinds of typical experiment of double-fed wind power, can deepen students’ understanding of theoretical knowledge.In addition, the students will have a more intuitive experience of the wind production process and job skills required while operating the platform to finish experiments.Then students’ interests in learning will be stimulated,the quality of courses teaching will be effectively enhanced, and the interest and intuitive of teaching will be improved.

double-fed wind power generation; experimental platform; practical teaching

2014- 10- 26 修改日期：2014- 12- 09

梅柏杉(1957—)，男，湖南湘潭，教授，研究方向为大型风力发电.

E-mail：meibs@163.com

G484;TK83

B

1002-4956(2015)5- 0101- 03