“电力电子在电力系统中应用”课程群团队建设

2016-06-05王华昕王育飞

电气电子教学学报 2016年3期

关键词：柔性研究生教学内容

王华昕, 王育飞, 薛花

(上海电力学院电气工程学院, 上海 200090)

“电力电子在电力系统中应用”课程群团队建设

王华昕, 王育飞, 薛花

(上海电力学院电气工程学院, 上海 200090)

“电力电子在电力系统中应用”课程团队以三门应用选修课程为核心，展开课程内涵建设。该课程群建设强调以行业应用特色为主线，由点到面逐级深入核心领域。通过对课程体系的梳理，课程教学内容得到优化；教学方法采用案例教学和团队教学法，着重培养研究生创新能力。教学效果良好。

课程团队建设；体系结构；创新能力

0 引言

我院2008年设置电力系统及其自动化硕士点后，就开设了“电力电子在电力系统中的应用”课程群。该课程群有：“柔性输电技术”、“电力电子在新能源的应用”和“电力电子装置及系统”等三门课程。这三门课程有其共性且有各自的特性，是针对不同的领域的应用而展开的课程。“柔性输电技术”针对输电领域的电力电子的应用；“电力电子在新能源的应用”针对配网领域的新能源接入问题；“电力电子装置及系统”主要针对电力电子装置高精尖端应用。

现阶段教学中发现：这三门课程之间存在内容重复、案例教学单一、教师间交流欠缺等问题。课程群教学团队的教改探索强调课程之间的相互配合，加深每门课程深度，提供给研究生一个丰富的具有电力电子行业应用特色的课程群。

1 构建以工程应用为目标的课程体系

电力系统及其自动化和电力电子与电力传动这两个二级学科在传统上交叉关联度较弱。随着电力电子在电力系统中应用的发展。电力电子接入问题和电力电子适用于高电压复杂电磁环境的电力系统装置问题使得这两个学科交叉紧密起来[1-4]。清华大学、武汉大学、华北电力大学等都成立了相关研究所开展电力电子在电力系统中应用的研究，与此相适应的课程也相继开设，如“柔性输电技术”、“直流输电技术”和“新能源技术”课程等，国内高校分别开展了这些课程内涵建设。但以应用为特色的课程团队建设还未见有报道。

我院“电力电子在电力系统中应用”课程团队以上述的三门应用选修课程为核心，展开课程群内涵建设，强调以行业应用特色为主线，不同课程围绕应用展开不同层面内容。从装置到系统接入，由点到面逐级深入核心领域，突破传统课程之间的隔离，从而推动整个课程体系的建设。课程体系改革思路如图1所示。

图1 教学改革思路

各门课程教学重点见表1所示。

表1 课程教学内容

表中，“柔性交流输电技术”(简称FACTS)课程的教学模块为串补、并补和柔性直流三块。串补又分为可控串补和静止同步串补，并补有静止无功补偿器和静止无功发生器之分。柔性直流技术是电力电子技术在电力系统中重大应用，所以单列出来。“新能源”教学重点是风、光、储三个模块的并网技术。风机模块讲授双馈和永磁机的并网控制，光模块讲授光伏阵列并网最佳追踪技术，储能模块讲授超级电容器和锂电池在微网中的应用。“电力电子装置”三个模块是开关电源、逆变器和直流—直流变换器。开关电源讲授高频整流器的控制策略，逆变器讲授单相恒压恒频正弦波逆变装置工作原理，直流—直流变换器讲授具有高频环节的直流变换器工作原理。

从教学内容上看，这三门课程基本覆盖了电力电子在电力系统应用的各个方面。柔性交流重点是补偿和直流技术，是电力电子在输电领域的典型应用；新能源是电力电子在新兴能源并网中的应用；电力电子装置面向装置，强调装置的工程设计和逆变器的控制方法。

三门选修课程特色明细，在学科上有交叉之处。

三门课程在前言上都需要讲授部分电力电子学的基础知识。牵涉到装置需要讲装置的基本原理和工程设计中的难点。三门课程的内容还有相近之处。如柔性交流输电技术讲用户电力技术内容时有有源滤波器模块，电力电子装置有电力电子在电力系统的应用的宏观介绍之类的知识点。

作为整体进行教学改革设计时，三门课程的教学内容重新做了优化设计。

(1)加入新元素

“柔性交流输电技术”在用户电力技术知识模块处理上原先采用弱处理，现得到了“电力电子装置”课程支持，强化了该知识模块内容；“电力电子装置”中关于电力电子在电力系统应用知识点也得到了“柔性交流输电技术”课程支持；“新能源”中关于直流并网技术得到了柔性输电课程支持。三门课程知识点相互补偿，完善了电力电子在电力系统中的应用的课程体系结构。

(2)教学内容交叉部分做减法

FACTS课程内容上对配电领域和新能源接入问题做减法。把教学内容集中到补偿技术和直流技术领域；“新能源”课程对于逆变器装置方面也做减法，重点放在新能源并网控制技术上。“电力电子装置”减少了新能源和输电领域课程介绍，聚焦点在装置的工程设计方面。

2 研究生创新能力培养方法

研究生教学不同于本科教学，教学内容不再全堂灌输，需要增加研讨、实验和参观等诸多教学环节。三门课程教师在讨论教学时迫切感受到研究生创新能力薄弱，特别关注如何通过课程学习体会到前人研究的方法，而不是单纯追求结论的灌输。教师对研究生们进行了访谈，了解其对当下研究生课程的看法。研究生们表示选修课程要有实用性，课程的内容与研究方向要有关系，至少要为二年级的研究打个基础。研究生课程考核不能单单评估考试成绩，更要考核学生的创新能力。为此教师在教学方法上做了些调整，引入了案例教学和团队教学方法。

1)案例教学法

教学内容模块化设计完成后，教学方法的改进体现在教学课件和仿真工具上。教学课件充分体现现代化多媒体的优势，在课件设计上以教学模块为依据，将最新的科研和工程成果充实教学内容。教师选择了代表性示范工程，从系统设计、装置基本参数、控制方法到试验结果一一展现电力电子在电力系统应用中的进展。学生从这些具体工程实例明白理论到现实之间需作的努力以及工程需求不断提出的新的课题。

图2 案例教学方法

以“柔性输电技术”课程为例，仿真工具PSCAD是研究柔性输电的很好仿真手段。PSCAD有友好的用户界面，使得用户能更方便地使用EMTDC进行电力系统分析，而且软件可以作为实时数字仿真器的前置端，可模拟任意大小的交直流系统。笔者介绍装置基本理论后，用PSCAD搭建装置模型，设计控制策略，直接观察装置仿真波形。课程设计案例中利用Matlab工具，对永磁同步风力发电系统及并网控制系统进行仿真研究。所研究的仿真系统由永磁同步风力发电机、不可控整流器、升压斩波、DC-AC并网逆变器等部分组成。学生可以把该风力发电仿真模型分成同步发电机仿真模块、斩波变流器仿真模块和逆变仿真模块，就每个模块运用理论知识进行仿真，最后将各模块结合起来实现对整个案例体系的研究。同时结合启发式教学：从工程实际问题引入，到问题的分析、归类、解决，再回到实际工程中，每个环节都让学生真正理解和领会各种新能源发电系统变换装置的来龙去脉，使学生形成一条脉络清晰的主线。

2)团队教学法

传统教学方法以灌输为主，往往是教师讲得天花乱坠，学生听得想睡，教学效果不是很好。文献[5-6]介绍了团队教学方法在“控制理论”课程中的应用。我们的FACTS课程也引入了团队教学方法。团队教学牵涉两方面内容，教师要设计好教学内容，学生要分工明确。团队教学组织见表2。在研究内容上以应用为主进行划分，按照发输配环节，给学生布置若干个任务。如针对可控串补装置在电力系统的应用可以组建一个3人的团队。1人研究可控串补提高系统输送能力，侧重于电力系统；1人研究可控串补的控制算法；1人研究可控串补的装置设计。可控串补的理论从机电暂态到电磁暂态各个层面均有涉及，学生任务各有侧重。考核环节上，学生的成绩由团队学习质量和论文质量综合评分。团队学习质量和论文质量各占50%。

表2 团队教学组织安排

3)积极开展工程实践教育

以工程应用为特色的课程团队建设应从各个方面加强工程实践教育。利用中央与地方共建高等学校专项基金建设的风力发电并网实验室和085工程专项基金建设的微电网实验室，开设双馈感应风力发电机/永磁同步风力发电系统、单晶硅/多晶硅/非晶硅薄膜光伏发电系统、储能装置与分布式控制系统、新能源发电与电力电子系统仿真等教学实验，为学生课程学习、课题研究以及科技创新活动提供必要的硬件支持，引导学生参加教师的科研工作或开展自主性创造发明活动。FACTS课程结合上海南桥直流输电工程和南汇轻型直流输电工程，现场参观实习；“新能源”和“电力电子装置”课程结合学校微网实验室，开展教学实验。课堂教学与实验同步进行，不仅包括基础性原理知识与验证性实验，还提供了综合设计和综合测试内容，与理论教材相得益彰，并将理论和实践教学部分相对分离，相互配合，单独考核，从而达到强调实践的效果，也大大改善了理论教学效果。

3 教学效果反馈

通过一年来的教学改革与探索，课程群教学取得了丰硕的成果。“柔性输电技术”课程对研究生课程论文进行了跟踪评价如图3所示。课程论文评价指标有5项，综合成绩指标为5项叠加。2015年论文水平整体上升10%，其中文献调研和工作量增长显著。提高的原因正是采用了团队教学法和案例教学法。“电力电子装置”和“新能源”以课程表现、主题宣讲情况作为学生平时成绩的打分依据，平时成绩占总分的30%；期末闭卷考试成绩占总分的70%。但实际操作下来，感觉还不能精确反映学生的知识水平，所以后期打算将平时成绩的占比提高到50%左右。通过教学实践发现现有教学内容、方法还需要进一步改进。教学内容需要更加重点突出，如UPS装置需全面深入介绍，应延伸模块化及串并联冗余技术；学生交流的主题需加强审核，强调与电力电子装置及系统的相关性。

图3 研究生课程论文评价指标

4 结语

通过对课程体系的梳理，“电力电子在电力系统中应用”课程群教学内容得到优化；在研究生创新能力培养方面，教学方法多元化，使得学生得到良好的训练。教学反馈表明，所属的三门课程的满意度均得到提升，研究生反映课程改革强度大，考核环节设计合理，从中学习到了新知识。团队课程教学改革将在日后的教学实践中不断总结和完善，为全校教学体系改革积累经验。

[1] 张文亮,汤广福,查鲲鹏,贺之渊. 先进电力电子技术在智能电网中的应用[J]. 北京：中国电机工程学报,2010,30(4):1-6．

[2] 王仲鸿，沈裴，吴铁铮．FACTS技术研究现状及其在中国的应用与发展[J]．北京：电力系统自动化，2000，24(23)：1-5．

[3] 徐颖秦,邵华杰,王小龙. 工厂供电课程多元化教学设计与实践[J]. 天津：电力系统及其自动化学报，2010(12)：157-160.

[4] 刘文定，陈锋军. 探索非线性系统实践教学的新模式[J]. 北京：中国电力教育，2011(19)：126-127.

[5] 陈一君,田北平,刘益. 工程管理专业平台系列课程的教学团队建设[J]. 济南：中国成人教育,2012,(2)：59-62.

[6] 冯林,于丽英. 电气信息类创新教育系列课程教学团队的建设与实践[J]. 北京：中国电力教育,2011,(12)：159-160.

本刊已在《中国学术期刊评价研究报告(武大版)》中被评为“RCCSE中国核心学术期刊A”

Construction of The Educational Team on The Power Electronics Application in Power System

WANG Hua-xin, WAN Yu-fei, XUE Hua

(CollegeofElectricalEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,shanghai200090,China)

Courses team of Power Electronics Application in Power System′ uses three elective courses as the core of the curriculum to carry out connotation development.Industry application feature is the key to the development ,from the device to the system access,to the core areas gradually.Through the combing of curriculum system,teaching contents are optimized.The teaching method uses multiplication method,including case teaching and group teaching method.Teaching feedback is good.

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