節(jié)能減排背景下高校新能源發(fā)電與智能微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)中心的建設(shè)與探索

吳慶干

（無(wú)錫學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214000）

秉持人類(lèi)命運(yùn)共同體的理念，為提高國(guó)家貢獻(xiàn)度，習(xí)近平總書(shū)記在聯(lián)大會(huì)議期間莊嚴(yán)承諾“2030 年前實(shí)現(xiàn)碳排放達(dá)到峰值，2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和，實(shí)現(xiàn)應(yīng)對(duì)氣候變化《巴黎協(xié)定》確定的目標(biāo)”，到2030 年，中國(guó)單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放量將比2005年減少65%以上[1]。距離2030 年還有不到10 年時(shí)間，中國(guó)要加快優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，大力發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)，減少燃煤等傳統(tǒng)發(fā)電所占比例。

隨著中國(guó)新能源行業(yè)快速發(fā)展，光伏發(fā)電、風(fēng)電等裝機(jī)容量不斷增加，行業(yè)人才需求量增加，對(duì)行業(yè)人才的產(chǎn)品研發(fā)能力、設(shè)備操作能力、場(chǎng)站運(yùn)行管理能力等要求不斷提升，作為人才培養(yǎng)前沿陣地的高等院校承擔(dān)著人才培養(yǎng)的重任，新能源發(fā)電實(shí)驗(yàn)室在行業(yè)人才培養(yǎng)過(guò)程中起著不可替代的作用。

1 新能源發(fā)電實(shí)驗(yàn)室概述

中國(guó)風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電在裝備生產(chǎn)量和裝機(jī)容量方面都已穩(wěn)居世界第一[2]。然而，在電氣工程領(lǐng)域，教學(xué)、科研居于前列的高等院校國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中以新能源發(fā)電作為研究方向的相對(duì)較少，高校教學(xué)、研究的主流方向仍以傳統(tǒng)電力系統(tǒng)為主。建設(shè)新能源實(shí)驗(yàn)室的高等院校相對(duì)較少，新能源發(fā)電技術(shù)技能人才數(shù)量和人才培養(yǎng)規(guī)格與行業(yè)用人需求有較大差距[2]。新能源發(fā)電行業(yè)人才培養(yǎng)不僅要在數(shù)量上滿足國(guó)家發(fā)展需求，還應(yīng)做到知識(shí)與能力并重、面向人才市場(chǎng)，提升人才質(zhì)量，為國(guó)家長(zhǎng)期穩(wěn)定的輸送高質(zhì)量人才。

培養(yǎng)新能源發(fā)電行業(yè)人才，保障行業(yè)人才的培養(yǎng)質(zhì)量，新能源實(shí)驗(yàn)室建設(shè)目標(biāo)應(yīng)包括：①通用性。對(duì)電氣工程及其自動(dòng)化、自動(dòng)化、新能源發(fā)電工程技術(shù)等多專業(yè)學(xué)生均可通用。②實(shí)用性。不同階段的學(xué)生實(shí)驗(yàn)室均可完成教學(xué)任務(wù)。③仿真性。實(shí)驗(yàn)室能夠模擬新能源發(fā)電真實(shí)場(chǎng)景，加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)。④先進(jìn)性。讓學(xué)生了解最前沿的發(fā)電技術(shù)，為教師提供更加先進(jìn)的科研平臺(tái)。⑤開(kāi)放性。實(shí)驗(yàn)室除面向本科生開(kāi)展教學(xué)，還可作為研究生學(xué)術(shù)研究、教師科研的支撐，同時(shí)可面向社會(huì)企業(yè)實(shí)現(xiàn)校企合作等。⑥可擴(kuò)展性。實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)計(jì)需預(yù)留通信接口等，硬件設(shè)備采用國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)，便于后期增加設(shè)備及維護(hù)，軟件程序應(yīng)利于后期更新和漏洞修復(fù)[3]。基于此設(shè)計(jì)思想及新能源行業(yè)人才的培養(yǎng)目標(biāo)，最終完成新能源實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)、建設(shè)任務(wù)。

2 新能源實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的實(shí)施

新能源發(fā)電與智能微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)中心定位于滿足電氣工程、電氣工程及其自動(dòng)化等專業(yè)的“新能源發(fā)電”等課程教學(xué)，為研究生及相關(guān)教師提供科研平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)認(rèn)知、實(shí)習(xí)實(shí)踐、科研試驗(yàn)等多種功能。實(shí)驗(yàn)室框架如圖1 所示。

2.1 硬件建設(shè)

新能源發(fā)電與智能微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)中心室內(nèi)設(shè)備包括控制系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、負(fù)載、顯示模塊等。根據(jù)能量轉(zhuǎn)換順序依次排布，實(shí)驗(yàn)中心前門(mén)旁設(shè)置總控臺(tái)，總控臺(tái)連接實(shí)驗(yàn)中心主顯示屏，做到數(shù)據(jù)投屏、實(shí)時(shí)監(jiān)控。實(shí)驗(yàn)中心設(shè)置服務(wù)器，采集存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析對(duì)設(shè)備控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，助力教學(xué)和科研。根據(jù)新能源發(fā)電與智能微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)中心現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備種類(lèi)及數(shù)量，對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行合理化布局，如圖2 所示。

圖1 新能源發(fā)電實(shí)驗(yàn)室框架

圖2 新能源發(fā)電實(shí)驗(yàn)室教學(xué)設(shè)施布局

室外發(fā)電設(shè)備包括光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、小型氣象站等。光伏發(fā)電總功率為30 kW，分為6 組。風(fēng)力發(fā)電機(jī)為小型風(fēng)機(jī)，功率為5 kW，風(fēng)力發(fā)電機(jī)總體高度約12 m，為保證整體穩(wěn)定性，在樓體頂部架設(shè)風(fēng)機(jī)基座，基座底部安裝于樓體主承重柱上，該設(shè)計(jì)方法有效地減少了樓層面的受力，同時(shí)增加了風(fēng)力發(fā)電機(jī)基座的穩(wěn)定性。新能源發(fā)電與智能微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)中心硬件實(shí)物如圖3 所示。

圖3 硬件實(shí)物圖

2.2 軟件建設(shè)

新能源發(fā)電與智能微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)中心軟件部分由各分控單元和PLC 主控制系統(tǒng)構(gòu)成。分控單元包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)、光伏發(fā)電控制系統(tǒng)、PCS 等。用戶可根據(jù)實(shí)際需求更改控制系統(tǒng)程序、控制策略、采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理等信息，完成對(duì)各分控單元的控制優(yōu)化、數(shù)據(jù)采集等操作。PLC 主控系統(tǒng)可以完成新能源發(fā)電系統(tǒng)各分控單元的協(xié)調(diào)控制和數(shù)據(jù)采集、處理等功能。自主設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，在主顯示器上顯示新能源發(fā)電系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，可通過(guò)交互界面實(shí)時(shí)調(diào)用采集獲得的數(shù)據(jù)曲線圖。

新能源發(fā)電與智能微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)中心配套建設(shè)智能微網(wǎng)仿真系統(tǒng)，仿真系統(tǒng)可完成電力系統(tǒng)、新能源發(fā)電等實(shí)驗(yàn)仿真，仿真完成后可在實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行部分實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)目標(biāo)。

2.3 課程建設(shè)

課程建設(shè)是實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)目標(biāo)的基本單元，課程的設(shè)置必須支撐培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)與核心能力的獲得[4]。課程建設(shè)注重將知識(shí)面的深度和廣度相結(jié)合、理論和實(shí)踐相結(jié)合[5]。以此為目標(biāo)導(dǎo)向，新能源發(fā)電與智能電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)中心構(gòu)建了包括認(rèn)知實(shí)習(xí)、理論學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、工程訓(xùn)練等多層次的教學(xué)體系。

3 新能源發(fā)電實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成效

新能源發(fā)電與智能微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)中心的服務(wù)包括電氣工程及其自動(dòng)化等專業(yè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)、專任教師及研究生科研、工程認(rèn)證、企業(yè)人員培訓(xùn)等，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、使用可達(dá)到以下成效。

3.1 提升學(xué)生的認(rèn)知能力

新能源發(fā)電與智能微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)中心采用工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，與教學(xué)緊密結(jié)合，配合導(dǎo)論課程理論教學(xué)，使學(xué)生切身理解并掌握新能源發(fā)電的基本原理，了解儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作方式，了解微電網(wǎng)系統(tǒng)的最新進(jìn)展與發(fā)展動(dòng)態(tài)。

3.2 提升學(xué)生的實(shí)際操作能力和協(xié)作能力

通過(guò)開(kāi)展新能源發(fā)電相關(guān)實(shí)訓(xùn)，提升了學(xué)生操作與運(yùn)行新能源設(shè)備和管理新能源工程技術(shù)的基本能力，提升了微電網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行與維護(hù)和現(xiàn)場(chǎng)事故分析及處理的能力，具備應(yīng)用新系統(tǒng)、新技術(shù)的初步技能。

3.3 為教師及學(xué)生科研提供有力支撐

教師可對(duì)智能感知系統(tǒng)采集獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化，平衡發(fā)電、儲(chǔ)能、用電負(fù)荷之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)綜合能源管理，探索儲(chǔ)能、節(jié)能新模式。

4 結(jié)語(yǔ)

節(jié)能減排背景下新能源發(fā)電與智能微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)中心的建設(shè)，是對(duì)現(xiàn)有電力系統(tǒng)綜合自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)很好的補(bǔ)充，對(duì)教學(xué)實(shí)訓(xùn)模式進(jìn)行了進(jìn)一步完善和提升。在實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)過(guò)程中，學(xué)生在理論知識(shí)、操作能力、故障排查能力、科研能力等諸多方面得到了全面提升。為培養(yǎng)新能源發(fā)電相關(guān)人才提供了可靠平臺(tái)，為探索人才培養(yǎng)方式提供了有利條件。實(shí)驗(yàn)中心還可在此基礎(chǔ)上拓展新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，開(kāi)發(fā)線上教學(xué)課程，采用線上、線下教學(xué)全方位發(fā)展的新模式。