新能源發電實踐教學改革探索與實踐

劉 杰 梅建偉 方勝利

(湖北汽車工業學院 電氣與信息工程學院 湖北十堰 442002)

引言

隨著國家關于“雙碳”等關于節能減排綠色發展等一系列重磅文件的出臺，新能源發電市場升溫明顯，社會對新能源發電專業的人才需求旺盛。新能源發電與新能源汽車行業的發展，使得傳統電力系統面臨復雜挑戰，對電氣工程及其自動化專業的要求發生了變化。

湖北汽車工業學院電氣工程及其自動化專業創辦多年以來,畢業生主要分布于汽車、電氣以及自動化等行業，具體方向有電力系統、電力電子應用、工業自動化等三個主要方向。學校根據市場需求和專業發展，重點在這三個方向進行教學資源投入，支持電氣專業培養從事電氣設備設計制造和運行維護、電動汽車功率變換和能量管理等方面的高級工程技術人才[1]。

新能源發電專業與傳統發電有許多地方不同，在人才培養上也有明顯的區別。新能源發電與應用專業方向一直是電氣學科重點研究和發展的方向，經過多年的發展該學科理論發展成熟。為適應社會的發展，主要專業課程開設有電力系統保護與運行管理、電力電子功率變換、自動控制系統與嵌入式開發等。電氣專業的實踐課程是對理論課程的加強，專業課程具有系統理論性強，實踐操作困難等特點。每門專業課程實踐教學內容都是本課程的知識內容，專業知識點單一，綜合能力不強，不便于學生系統性構建專業體系[2]。

經過市場調研和企業走訪，為適應社會發展的需求，新能源發電技術方向在2021年前后開設《電氣新能源互聯網綜合實訓》，作為電氣工程專業在新能源方向的一門綜合性課程。該課程內容主要包括主要新能源（光伏、風力、燃料電池）發電、風光互補以及新能源發電電網并/離網運行控制等內容。通過理論分析與實踐過程結合緊密，將該學科特點與湖北汽車工業學院辦學特色相結合，全方位鍛煉學生的綜合實踐動手能力。

一、課程教學改革背景

1.課程目標改革

《電氣新能源互聯網綜合實訓》是電氣工程自動化專業必修實訓課程，實訓課主要讓學生參與到新能源發電的實踐中，通過動手實踐的方式了解新能源發電與傳統水電/火電發電的原理不同之處，了解新能源發電技術在具體項目中的應用范圍和獲取方式。傳統的實踐課程開展方式形式單一，知識點的結構不系統，通過改革使學生通過實訓課程的學習會對學生的綜合實踐能力有所提高，在理解新能源發電技術的前提下，提升學生對電力系統發電環節的認識。

目前課程的教學目標主要有：（1）通過實訓環節的方案論證環節，讓學生自主查閱大量文獻資料，了解國內外新能源的發展歷程，重點了解我國的能源分布特點和新能源發電行業的發展現狀與前景。通過參與新能源發電基礎實驗，掌握光伏發電、風力發電以及燃料電池發電的基本原理及系統的主要結構。加深對風力發電基本原理和風力發電調度系統的認識，深化理解儲能電池的行業現狀，把握儲能管理與使用基本原理。（2）通過實踐實驗環節，使學生親自動手進行風力發電、太陽能發電、燃料電池發電等的并網操作，從而更好地掌握風力、太陽能、燃料電池等新能源發電的過程以及控制方式方法。（3）通過對風力、光伏、燃料電池發電的試驗后，能夠合理地評價新能源發電技術在對整個電力系統、經濟社會、和環境方面的作用[3]。

2.課程內容改革

《電氣新能源互聯網綜合實訓》是電氣專業大四學生的必修實訓課程，主要是讓學生參與到新能源發電的實踐中，了解新能源發電和傳統發電的不同，掌握新能源發電技術的應用范圍，以及新能源獲取方式。通過實訓課程的學習會對學生的綜合實踐能力有所提高，在理解新能源發電技術的前提下，提升學生對電力系統發電環節的認識。為滿足課程目標，本課程內容環節主要由基礎試驗驗證、仿真模型搭建和優化、新能源發電控制器硬件設計、軟件設計、總結答辯構成。

綜合實訓的教學需要有務實的教學理念，通過設置合理的教學目標，實驗室進行相應的配套準備，為學生提供一個可以全方位動手實踐的場所，建設的重點在于構建一個注重理論課程知識應用、以實際系統工程為主線的實踐教學平臺。

3.課程教學方式改革

《電氣新能源互聯網綜合實訓》課程以實訓為主要內容，突破傳統的課程設計模式，引入項目制的教學方式，讓學生提前學習項目組開發的模式。實訓課程開展過程中，教師主要負責過程管控以及最后的總結分析，同時全程跟蹤學生實訓過程中所遇到的問題，并給予針對性的指導。重視實訓過程中暴露出來的問題，以及結束后學生反應的問題和建議，并持續改進。

教學過程中通過定期開展小組答辯，采取讓學生主持課堂指導教師旁聽的方式開展交流活動。每個小組匯報當天的工程任務進展以及實際實施過程中遇到的困難和問題，其他小組進行提問。通過項目組會來促進學生互相交流，激發學生興趣。

二、課程特色

1.教學理念

結合電氣專業核心專業課程，在學生掌握電力系統發輸電，以及配電和用電等環節基本特性的基礎上，以新能源發電控制技術為突破口，通過《電氣新能源互聯網綜合實訓》實踐項目，系統性的掌握新能源發電所涉及各個環節。主要包括完成新能源發電技術基本原理驗證、系統仿真模型搭建、新能源發電控制器設計與開發等任務。利用本專業知識分析實際工程問題，激發學生學習該課程的興趣，構建完成的知識體系，提高學生的綜合素質[4]。

本實踐課程的教學理念是以電氣學科建設為目標引領課程建設，融合OBE教學理念，以成果導向的方式不斷持續改進教學內容和教學方式方法，培養學生工程能力和動手實踐能力以及創新意識，堅持產學研緊密結合，全面提高教學質量，培養學生主動學習能力和創新能力。通過新能源互聯網綜合實訓課程的開展，以光伏發電控制器項目的開發為平臺，對電氣工程及其自動化的多門專業課程進行綜合，全面掌握新能源發電技術的原理，培養學生的系統工程意識，提高學生的知識應用能力和動手實踐能力。

課程改革過程中要注重教學過程，充分發揮專業特色和學校特色優勢，瞄準人才培養計劃中畢業設計指標的具體要求，在有限的教學時間內充實教學內容，讓學生對課程感興趣、愛學習，從被動學習變為主動學習，教學理念框圖如圖1所示。

圖1 教學理念

2.課程思政

在實踐課程的開展過程中，不同于理論課程的嚴肅，可以適當介紹新能源發電行業的國內外形勢以及發展歷程。通過引入大國工匠以及科研成果的介紹，培養學生的科研精神和工匠精神，鼓勵學生努力鉆研，不斷突破自我。

具體案例有中國國家電網發展歷程、中國五大發電集團新能源發電裝機規模和技術特點、特高壓直流輸電典型工程案例以及張北新能源電網建設情況。通過我國典型新能源發電項目和技術的介紹，樹立學生自強自立的信心、培養學生熱愛祖國、為人民服務的責任感和使命感，讓每個學生都學習懷匠心、鑄匠魂、守匠情、踐匠行的工匠精神[5]。

3.考核評價

課程的考核方式形式多樣，教學評價注重實踐過程。在教學過程中，以因材施教思路為主導，實行具體教學評價。評價內容主要包含資料查找、實驗操作、模型搭建、控制器硬件設計、軟件設計、系統調試以及綜合答辯構成。通過課程講授、學生分組討論、創新思考、實驗仿真引導學生線上查找資料、閱讀大量文獻并完成實訓報告撰寫、新能源發電控制器軟硬件設計與開發。使學生能夠實際了解新能源并網發電原理以及電力電子技術、嵌入式系統等在電力系統的應用，達到實際應用與理論學習相互印證的效果[6]。

三、教學效果與總結

1.教學案例

在開展實際教學過程中，以光伏逆變器設計作為其中一個案例題目。學生分組后開展光伏發電控制器模型仿真分析、原理圖設計、PCB文件設計、程序編寫以及焊接調試等環節。

仿真教學是傳統的教學手段，通過MATLAB軟件來完成模型的搭建與分析。仿真模型設計過程中要培養學生的整體設計感，對功能進行劃分，按數據流和控制進行區分，做到模型設計合理、控制邏輯清晰，輸出結果分析對比正確。

學生在實驗室中通過開展光伏電池特性實驗，與小組完成的光伏電源模型仿真進行對比分析，實現虛實結合，理解算法的目的和實現的具體方法。這種教學方式相較傳統的純仿真模式，讓學生可以更加地貼近實際，不再拘泥于仿真波形，通過實際測試的數據可以對仿真模型進一步完善，學生設計光伏發電控制器模型。

在原理圖和PCB設計階段，按照仿真模型的結構和具體實現功能進行劃分，將系統進行分解，主要分成輔助電源部分、升壓斬波部分、逆變部分以及主控部分，方便學生調試。充分利用實驗室現有資源以及市場上各種資源，鼓勵完全學生自己動手設計，在PCB廠家獨立下單。在設計過程中注重方案合理性，培養學生的工程意思，了解工程師應該具備的知識體系，讓學生認識到作為一名工程師的責任和應該具體地良知。把每一個產品都認真對待，設計的每一個步驟要仔細完成，謹小慎微，以最終實現量產的精神開發產品。學生制作的光伏逆變器原理。

設計開發過程中引入成本的控制機制，引導學生大膽探索和實踐，注重項目設計質量，結合電子產品硬件設計要求，對軟件編程架構進行合理性設計。推行軟硬件結合，項目負責人把控整體進度合理安排小組成員分工的方式，通過這種方式，引導學生和社會接觸，熟悉項目開發實際過程，提前了解公司內部項目開發的流程。調試過程中充分發揮小組的作用，每個人分工明確，將整個體統調試任務分解到每個學生，同時開展焊接與調試工作，每個部分測試沒問題后再接在一起聯合調試。為拓展學生的學習能力，該實訓課程不指定控制器型號和類型，每個小組可以根據自己的小組的情況，選擇合適的MCU控制器進行程序設計，整體設計電路。

在驗收階段，采用小組公開答辯的方式進行，小組首先演示整體的電路并測試實際功能，然后進行針對性的匯報，項目小組最終輸出波形如圖5所示。學生在完成該項目的過程中，會遇到各種問題，指導教師通過全程的跟蹤，及時了解學生的問題并給予指導，鼓勵小組內部討論以及學生之間傳幫帶，讓每個學生都能走上講臺，和其他學生分享個人的經驗。學生普遍反映該教學方式，對學生的設計能力、動手能力、開發經驗都有很大的提升。通過理論分析、仿真驗證、實物制作幾個環節，使每一個學生都對電力電子及電力變換、嵌入式開發以及新能源發電并網等技術得更加熟悉，讓理論知識從課本上應用實際項目中，對學生今后就業也有很大的幫助。

結語

《電氣新能源互聯網綜合實訓》實踐項目開發成果可滿足本校電氣工程及其自動化專業學生的專業實訓課程需求，從新能源互聯網實驗室的現有條件出發，解決電氣工程專業實驗平臺的臺套數不足以及硬件設施投資較大的問題。通過實訓實踐類課程，增加學生參與實際工程設計的機會，提高學生的專業技術綜合應用和實際動手能力，為今后工作打下堅實專業基礎。在教學開展過程中不斷優化教學內容，通過生動有趣的教學案例設計，利用仿真軟件演示和驗證控制算法。分組開展教學的過程更加強調學生自學能力的培養和團隊合作意識，淡化考核要求，注重學生的獲得感。通過持續改進教學方法，不斷增加實際項目案例，堅持產學研緊密結合，全面提高教學質量。