新能源發(fā)展背景下的電氣工程專業(yè)實踐教學改革

方勝利 侯貿(mào)軍 馬春艷 葉金鳳

摘? 要? 新能源發(fā)展深刻改變了電力系統(tǒng)格局，極大豐富了電氣工程的專業(yè)內(nèi)涵。針對當前電氣工程專業(yè)實踐教學僅面向傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的局限性，以專業(yè)各知識點為核心要素，以計算機仿真為手段，在集成新能源微電網(wǎng)與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的基礎上搭建新型電力系統(tǒng)實踐教學平臺，實施實踐教學改革，提高學生的電氣工程專業(yè)素養(yǎng)。

關鍵詞? 電氣工程；新能源發(fā)展；實踐教學改革；實踐教學仿真平臺

中圖分類號：G642.0? ?文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）21-0124-04

0? 引言

隨著我國“雙碳”目標下各項碳減排政策的落地實施，電力能源正逐步實現(xiàn)綠色轉(zhuǎn)型，而作為電力轉(zhuǎn)型中的重要部分，新能源發(fā)展將具有清潔環(huán)保、地理位置分布式、能量時域波動性、電能就近消納且柔性交互等特性的新型微電網(wǎng)融入傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，不僅深刻改變了當前電力系統(tǒng)的結構，而且豐富了電力系統(tǒng)專業(yè)內(nèi)涵[1-2]。而當前電氣工程專業(yè)的實踐教學已無法滿足新能源發(fā)展背景下電力系統(tǒng)變革對電氣人才專業(yè)素質(zhì)的需求。

面對該狀況，目前部分高校已對電氣工程專業(yè)進行實踐教學改革，主要包括新技術的應用、教學內(nèi)容的調(diào)整、教學模式的創(chuàng)新等[3-5]，在一定程度上增強了電氣工程專業(yè)實踐教學效果，但基本上仍采用課程實驗的方法開展實踐教學，沒有體現(xiàn)電氣工程各專業(yè)知識點間相互關聯(lián)的系統(tǒng)屬性，且缺乏新能源與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)之間能量柔性傳輸、協(xié)同運行的實踐內(nèi)容。此外，實踐教學改革過程不夠具體，可操作性較差，無法從根本上全面解決新能源發(fā)展背景下電氣工程人才的培養(yǎng)問題。

基于此，本文在梳理、整合核心知識點的基礎上，采用計算機仿真技術，搭建包含新能源微電網(wǎng)的新型電力系統(tǒng)模型，以該模型為實踐平臺開展綜合性實踐教學，提高學生新能源技術與傳統(tǒng)電氣工程技術的綜合應用能力。

1? 搭建實踐教學仿真平臺

融合新能源的電氣工程涉及發(fā)電、變電、輸電、配電及用電各環(huán)節(jié)，結合專業(yè)實踐課程在學生專業(yè)培養(yǎng)方面承擔的任務及在畢業(yè)要求矩陣中對應的指標點，主要鍛煉學生在發(fā)電機組功率調(diào)控、電力系統(tǒng)分析及設計、輸電系統(tǒng)繼電保護等方面的專業(yè)能力，對應的核心知識點主要包括新能源發(fā)電調(diào)節(jié)、發(fā)電機組并網(wǎng)控制、系統(tǒng)頻率與發(fā)電機有功功率、系統(tǒng)電壓與發(fā)電機勵磁之間的相互影響關系及調(diào)節(jié)、電力系統(tǒng)潮流計算及分析、電氣設備的機械穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性校驗、電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析、三段式繼電保護整定及分析驗證等，涉及專業(yè)課程主要包含新能源發(fā)電技術、電力技術、電力系統(tǒng)自動裝置、電機學、電力系統(tǒng)分析、繼電保護原理等。且實踐核心要素相互關聯(lián)、協(xié)同運行，為了真實地再現(xiàn)電力系統(tǒng)內(nèi)部復雜的作用機理，傳統(tǒng)實踐需要購置大量電氣設備，不僅實踐成本高、效率低、安全風險大，而且難以再現(xiàn)部分核心要素的整個變化過程，導致實踐效果差。

基于此，本次實踐教學改革摒棄以往傳統(tǒng)的分離性實體實驗方式，充分借用計算機仿真技術，以仿真手段開展基于完整電力工程的綜合實踐教學，促進學生系統(tǒng)性、全局性思維的培養(yǎng)，幫助學生提高實際工程能力。

結合電氣工程專業(yè)核心知識點，在典型的三機九節(jié)點電力系統(tǒng)中加入光伏微電網(wǎng)，構建綜合實踐平臺，其電氣主接線如圖1所示。

2? 設置實踐教學內(nèi)容

基于圖1所示的電氣工程專業(yè)綜合實踐平臺，學生需在掌握相關專業(yè)知識、熟練應用相關專業(yè)工具的基礎上開展實踐教學。因此，設置實踐內(nèi)容須與專業(yè)知識、專業(yè)能力相適應，一方面要囊括本專業(yè)核心知識點，引導學生將實踐內(nèi)容與相應理論課程進行關聯(lián)，深化學生對各專業(yè)知識點的理解，達到學以致用的目的；另一方面要突出學生的系統(tǒng)性思維在解決工程問題中的重要性，引導學生從系統(tǒng)大局入手，通過相關特征變量的變化趨勢，分析電力系統(tǒng)特性，并在各知識點的關聯(lián)作用下找出核心調(diào)節(jié)因素，最終達到系統(tǒng)性解決工程問題的目的?；诖耍敬谓虒W改革的實踐內(nèi)容分為以下三大模塊。

2.1? 專業(yè)工具的應用

由于電氣工程專業(yè)研究對象的特殊性，學生必須熟練應用一定的仿真工具，因絕大多數(shù)電氣工程專業(yè)學生前期已修讀MATLAB電力系統(tǒng)仿真技術課程，故需要在綜合實踐中按照已知系統(tǒng)參數(shù)在仿真軟件中搭建正確的仿真模型，包括電氣一次側主回路模型及系統(tǒng)二次側控制模型（如光伏發(fā)電MPPT、光伏逆變并網(wǎng)、水力/火力發(fā)電機勵磁及調(diào)速等），并利用軟件中的可視化控件對相關特征電氣參數(shù)進行實時顯示，以便進行分析。

2.2? 理論計算

在電力系統(tǒng)前期規(guī)劃設計過程中，需要按照給定條件進行電氣量的標定，以便進行設備選型及系統(tǒng)優(yōu)化。因?qū)W生前期已修讀電力電子技術、電力系統(tǒng)分析、電力系統(tǒng)繼電保護等課程，故需要根據(jù)相關課程中的知識點進行理論分析、計算，包括光伏板逆變電氣參數(shù)、輸電線路參數(shù)、系統(tǒng)短路電流、繼電保護裝置整定值等。在此過程中，要求學生給出詳細的理論計算過程及依據(jù)。

2.3? 驗證及優(yōu)化

為驗證系統(tǒng)設計的合理性，學生需將理論計算結果載入仿真模型中，通過示波器等可視化控件進行數(shù)據(jù)觀測，并將觀測結果與系統(tǒng)要求進行對比、分析，如光伏陣列是否完成MPPT、并網(wǎng)電流諧波是否滿足要求、線路不同位置發(fā)生故障時繼電保護裝置動作是否正確、系統(tǒng)是否具有靜態(tài)及動態(tài)穩(wěn)定性、系統(tǒng)潮流分布是否合理等。若分析結果滿足要求，則完成實踐任務；否則進行系統(tǒng)優(yōu)化，包括對系統(tǒng)模型的修正及對理論計算結果的驗算。

3? 開展實踐教學

為方便進行過程性考核，本次實踐教學摒棄以往傳統(tǒng)的教學模式，改用任務與成果同步進行的方式開展，即根據(jù)學生需要完成的實踐內(nèi)容，按序依次開展各實踐教學環(huán)節(jié)，在每個環(huán)節(jié)根據(jù)內(nèi)容設置任務要求，并要求學生提交相應的成果文件，實踐教師對各成果進行階段性驗收。這樣不僅可以保證學生實踐活動有序、高效開展，有利于倡導學生重視實踐過程，引導學生積極參與實踐活動，而且便于形成過程性實踐記錄，教師可根據(jù)各成果文件客觀、公正地對學生的實踐能力進行評價。實踐過程如圖2所示。

4? 實踐教學綜合考核

為有效引導學生積極參與實踐、客觀評價學生的工程實踐能力，該專業(yè)實踐摒棄以往“總結報告定成績”的考核方式，而以“過程為主、結果為輔；能力為主、知識為輔”為考核綱領，將總評成績分為實踐操作成績和實踐報告成績兩部分，占比分別為70%和30%。其中，在實踐操作成績中，結合各實驗環(huán)節(jié)難易程度，設置不同的權重系數(shù)，在每一個實踐環(huán)節(jié)建立基于實踐項目完成時效性、實踐過程成果完整性、實踐結果及分析合理性的多維度綜合評價體系，結合學生的實踐表現(xiàn)，最終給出加權后的實踐操作成績。

而在實驗報告成績中主要關注學生報告的完整性、實踐過程闡述的有序性、實踐分析的科學性、實踐總結的全面性、實踐感性的深刻性等五方面內(nèi)容，從而在深化專業(yè)認知、總結實踐經(jīng)驗的同時提高學生的文學素養(yǎng)。同時，為了體現(xiàn)各方面對學生專業(yè)能力支撐度的不同，設置不同的權重比例，最終通過加權平均獲得實踐報告成績。最終將實踐操作成績與實踐報告成績按照設定的比重進行加權計算，給出實踐總評成績，以保證總評成績的科學性和合理性。

5? 實踐評教及后期改進

實踐教學作為學生專業(yè)課程學習及專業(yè)能力培養(yǎng)的重要組成部分，出發(fā)點及落腳點均為“以學生為中心”，因此，實踐教學效果的重要評判標準應為學生的產(chǎn)出，其一方面通過具體量化的學生考核成績直接反映，另一方面則通過學生在實踐過程中的獲得感和滿意度間接反映，其中后者通常以學生評教的方式呈現(xiàn)?；趯W生實踐結束后的評教結果，針對性地進行后期的教學優(yōu)化及改進，以形成“開發(fā)實踐項目→開展實踐教學→評價實踐效果→改進實踐教學→開展實踐教學→……”的閉環(huán)，從而達到持續(xù)改進的目的。

此外，由于新技術、新理論、新方法的不斷涌現(xiàn)以及電氣工程專業(yè)內(nèi)涵的不斷豐富，培養(yǎng)電氣工程人才的實踐類課程需要不斷豐富實踐教學素材，導入順應專業(yè)發(fā)展的新案例，并以完整電力工程的形式將其整合，一方面幫助學生構建完整的專業(yè)體系，為今后的專業(yè)發(fā)展打下基礎；另一方面使學生了解當前本專業(yè)的發(fā)展趨勢及研究熱點，明確未來的研究方向。

6? 結束語

本文以新能源發(fā)展背景下的電氣工程專業(yè)實踐教學為研究對象，指出當前實踐教學在人才培養(yǎng)方面存在的諸多不足，并在梳理新能源技術及電氣工程專業(yè)核心知識點的基礎上，采用計算機仿真工具，搭建包含新能源微電網(wǎng)的新型電力系統(tǒng)仿真實踐平臺，設計基于該實踐平臺的教學內(nèi)容、教學過程及考核方式，并闡述基于學生評教與專業(yè)發(fā)展的教學改進，旨在幫助學生將新能源技術與傳統(tǒng)電氣工程專業(yè)相結合，提高學生當前電力大系統(tǒng)格局下的電氣工程專業(yè)能力，為國家能源行業(yè)培養(yǎng)高素質(zhì)的工程專業(yè)人才。

參考文獻

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*項目來源：湖北汽車工業(yè)學院2022年度教學研究與改革項目“基于應用型人才培養(yǎng)的電氣工程專業(yè)‘1+n模式實踐教學研究與實施”（項目編號：JY2022019）。

作者：方勝利，湖北汽車工業(yè)學院電氣與信息工程學院，講師，研究方向為電力系統(tǒng)設計及自動化監(jiān)控；侯貿(mào)軍，湖北汽車工業(yè)學院電氣與信息工程學院，副教授，研究方向為電力系統(tǒng)調(diào)度；馬春艷，湖北汽車工業(yè)學院電氣與信息工程學院，副教授，研究方向為電力系統(tǒng)故障診斷與保護；葉金鳳，湖北汽車工業(yè)學院電氣與信息工程學院，講師，研究方向為發(fā)電廠系統(tǒng)自動監(jiān)控（442002）。