“新能源与并网”课程特色教学改革探究

张 巍

（上海理工大学机械工程学院 上海 200093）

0 引言

随着2030年碳达峰和2060年碳中和的总体战略目标的提出，如何逐步过渡到低碳社会成为当今能源行业最重要的课题之一。而在整个能源行业中首当其冲的就是电力行业，特别是新能源能发电领域[1]。通过加快新能源发电以及配套的电力系统建设，才能够破解从高耗能的传统能源消费结构向低碳清洁的能源消费结构转型的制约。而电气工程专业需要顺应这一大的趋势，积极转变教学目标和教学理念，在相关课程中全面普及这一理念，才能在电气工程专业教育中推动“双碳目标”的全覆盖。

“新能源与并网”是面向电气工程及其自动专业学生的一门新的专业课程，本课程的任务是使学生获得有关能源的基本理论和基本知识；掌握对二次能源及新能源的开发、转换与利用，了解主流新能源发电并网方式并安全运行，使学生获得较宽广的新能源发电科学技术知识。课程涵盖了目前国际上主流的新能源发电模式，并兼顾到与新能源直接相关的储能和微电网等知识点，使学生掌握新能源发电与并网的基本内容及其分析方法。

该课程以自然界中可再生能源输入的配网运行方向为主要内容，但是目前与本学科其它课程的关联度一般，教学内容相对陈旧。该课程实际上是一门偏重应用的课程，单纯的理论教学显得过于抽象、乏味，无法调动学生的学习兴趣和自主学习的动力。学生无法感受到新能源发电技术在现实生产、生活中的重要性；导致学习只是为了拿到学分，为了考试通过而采取死记硬背的方法。并且该课程与本学科的其它课程具有较强的联系，尤其是在发电机并网部分，与电力系统分析课程具有直接的联系。因此需要对“新能源与并网”进行有针对性的特色教学改革。

本文将从教学内容优化、实践环节加强、教学方法改革三个方面来分别阐述“新能源与并网”课程特色教学改革的策略，以期推动高校电气工程专业新能源类课程的健康发展。

1 课程背景与开设情况

“新能源与并网”课程的设置主要用于支撑毕业要求中“能够理解和评价针对电气工程领域中复杂工程问题的工程实践对环境、社会可持续发展的影响”的要求，主要的课程目标包括：（1）掌握世界和中国新能源的发展现状，掌握新能源发电中的电力电子技术；（2）掌握风力发电和太阳能发电的基本原理；（3）掌握多种储能方式的基本原理及微电网的组成。

在知识点的设置上，包含了新能源与可再生能源概述、风力发电及并网技术、太阳能发电及并网技术、新能源发电中的电力电子技术、电能存储技术、分布式电源并网及微电网运行技术等主要的内容。

在学习本课程之前，学生应该先掌握“电气工程学导论”“电力电子技术”“电力系统分析”等相关课程的基础知识。通过进一步学习本课程，学生应该将“电力电子技术”中学习的变流器相关知识点与本课程中的风力发电结构、储能系统结构以及微电网控制部分相联系；同时还应该将“电力系统分析”中学习的电力系统的基本结构、电力系统的调频和调压等知识点与本课程中涉及的新能源并网控制相联系，并明确新能源发电的主要特点以及困难。因此不难看出，本课程具有与电气工程专业其他前置课程之间联系比较紧密、知识点紧密结合实际、综合性非常强的特点。如果在课程教学中面面俱到，事无巨细，很容易导致学生无法形成清晰的脉络，从而收不到良好的教学效果。

从目前的课程开设情况来看，如果不做调整，直接采用通行的教材进行教学，在学生的反馈中存在较多的问题，如风力发电的机械原理部分，涉及部分力学知识，但是电气工程专业的学生并没有这一部分知识的储备，因此在消化相关的知识点时比较难以接受，同时，因为缺乏真实的风力发电机模型，仅靠图片的介绍也很难建立对风力发电机转矩控制的具体印象。

同时，在部分高校还有专门的新能源科学与工程专业开设类似的课程[2-4]，在能源与动力专业也会涉及类似的课程，如何在电气工程专业中体现本课程的特点，并紧密与电气工程专业的其他课程形成良好的衔接，形成面向电气工程专业学生的特色性课程，是非常值得探究的问题。

2 课程特色教学改革探究

2.1 更新并优化教学内容，加强低碳内涵延伸

上海理工大学所选用的教材是王曼、杨素琴编写的《新能源发电与并网技术》，2017由中国电力出版社出版，该教材是“十三五”普通高等教育规划教材，其结合新能源发电技术的最新发展，系统介绍了多种新能源发电技术的原理和模型；分析了新能源发电并网对系统的影响；阐述了新能源电源并网关键技术的新近发展、新能源发电中应用的电力电子技术；最后对分布式电源并网和微网技术做了介绍。

如果直接按照教材进行讲解，存在与“电气工程学导论”“电力电子技术”“电力系统分析”等相关课程知识点联系不紧密的情况，同时低碳的理念还没有深入融合到课程教学中，因此需要对教材的内容进行一定程度的调整和更新，从而加强本课程的内涵延伸。

例如，为了进一步强调本课程与“电力系统分析”的联系，在课堂上增加目前新能源发电与火力发电、水力发电在中国的分布情况，以及简要介绍新能源发电在电力系统调度过程中与火力发电、水力发电的不同之处，使学生通过回忆在“电力系统分析”中学习到的火力发电的调度过程，来对比新能源发电在电力系统调度过程中面临的不确定性和波动性，并进一步理解为何新能源发电存在渗透率限制的问题，最后得出我国在大力发展新能源发电所面临的实际问题。由此学生将进一步思考在电力系统调度中，新能源发电如果要逐步替代火力发电，如何用在“电力系统分析”的相关理论知识来分析该问题。

为了进一步强调本课程与前置课程“电力电子技术”的联系，在内容设置上，将储能系统、风力发电系统、光伏发电系统中均涉及的变流器知识点进行了适当的调整。由于“电力电子技术”对相关的知识点已经进行了详细的学习，因此本课程主要着眼于变流器应用于储能系统、风力发电系统、光伏发电系统的原因、系统结构、控制方式，分析各种结构的优缺点，并联系目前工程实际，引导学生讨论为何选择某种变流器作为主流的结构，从而将“电力电子技术”所学习到的知识点应用到本课程的具体环境中来。

同时引入实际的电网工程应用案例，特别是我国在新能源开发与应用领域的最新成果，例如太阳能和风力发电技术，微电网和智能电网的建设，储能、电动汽车和高速铁路中的应用，激发学生的学习兴趣和自主学习的热情，大量增加与电力系统分析课程有关的新能源并网后对电力系统运行的影响分析等内容，引发学生对新能源发电更全面的认识。对于一些老旧、重复的内容需进行适当删减，重构知识架构，侧重应用，尽量避免过多的复杂理论推导。

通过以上教学内容的优化，一方面，学生将全面梳理电力系统中的能源利用的总体趋势，明确能源利用多样化，新发电方式层出不穷，朝着可持续能源利用方向发展的总体印象，从而将本课程的内涵延伸到低碳这一概念上。另一方面，明确了采用洁净或可再生能源面临电力系统的客观规律的限制的问题。

2.2 加强实践环节，树立直观印象

以实际工程案例为素材，以问题为线索，通过flash动画、视频等资源展示课程内容，丰富课堂教学环节。特别通过高质量的纪录片使学生更直观的感受到新能源在中国的高速发展。提供相关的课外学习资料，并对部分热点、难点问题进行课堂讨论。我校已经建立了新能源发电、智能微电网相关的风光储一体化微电网实验平台，在此基础上通过配套的实验课程开展部分实践教学环节，让学生有机会感受到所学知识具体应用的一面。充分利用国家虚拟仿真实验教学项目共享服务平台的功能，采用工程虚拟仿真系统教学，例如采用风力发电原理虚拟仿真教学软件，以风力发电机组为对象，真实模拟风力发电的三维场景，通过整流、储能、逆变等装置将风力发电机组输出的电能转化为稳定的交流电输出。

例如，在学习“新能源与可再生能源概述”这一章节时，不仅仅局限于课本上的内容，在课堂上观看《创新中国能源篇》等新能源视频节选，在视频中全面展示了我国在新能源领域取得的创新性成果，如亚洲最大鸡粪发电厂、世界上效率最高的发电厂、龙羊峡大坝“水光互补”项目、核聚变“东方超环”、纳米发电、河北张北光伏能源基地项目、熔盐塔式太阳能光热电站、大同熊猫光伏电站等具有较强震撼力的内容。学生可以通过屏幕直接感受到中国能源革新的变化，从而树立最为直观的印象。为后面进一步具体学习相关的知识打下坚实的基础，并提升兴趣。

2.3 改进教学方法，授课兼具模块化与整体化

将整门课程切割为四个部分，风力发电、光伏发电、储能以及微电网，相互独立又相互联系。其中，由于每种新能源技术各自独立、自成系统，授课过程中比较适合采用专题讲解的方式。

以新能源技术中的风能为例，教师采用启发式教学，深入剖析风能发电技术的发展现状、工作原理、利用方式、研究现状及开发过程中存在的问题，并在课堂上向学生展示文献调研、PPT制作及工程实例分析等教学方法和技巧，并着重分析风力发电带来的新的问题。在讲述风力发电的过程中，通过强调其不确定性给电网带来的危害，留下后续进一步讲解储能系统的引子。

在储能系统讲解的过程中，首先通过讲解一个典型的风光储系统的运行特点，引导学生思考风光储系统的运行过程中，如何更加有效的控制整个系统的控制，从而引出微电网的概念。

而在微电网教学阶段，充分结合前面所介绍的风力发电、光伏发电带来的新的问题，强调其产生的原因与发展的趋势，使学生对新能源并网产生更全面的认识，并理解微电网产生的必然性。

通过以上内容相互独立又彼此串联的教学安排，使本课程形成兼具模块化与整体化的教学风格，学生在授课过程中不会有明显的跳跃的感觉，更加容易融会贯通，但是教学重点彼此独立，线索清晰，有利于教学和学生的复习。

3 特色改革效果及反思

本课程在上海理工大学机械工程学院已经连续开设了三年，从现场的教学效果以及期末考试的分数分布结果来看，本课程逐步形成了一定的特点，并取得了一定的成效。期末考试成绩平均分较调整前有了较大的提升，甚至有部分毕业生在完成本课程的学习后，选择了新能源相关行业就业，充分说明通过前述改革，激发了学生的兴趣，而不是填鸭式教学。通过对本课程的学习，引导学生认识到大力发展可再生能源不仅是出于生存的原因，更是为了获得可持续的发展，树立学生的可持续发展世界观；并且通过介绍我国发展新能源发电的宏伟蓝图，激发学生的爱国热情和参与激情，并且初步的掌握了新能源领域最主要的发电形式的基本原理。对“新能源与并网”课程进行的特色教学改革，形成了一门内涵延伸更全面、教学方法更生动、内容展示更灵活的电气工程类特色课程。

当然，本课程的特色改革还有较大的余地，在目前众多课程采取线上线下混合式教学的趋势下，如何进一步的充分利用线上教学平台，保证课堂上的黄金教学时间，又可以给予学生足够的时间自行消化吸收，是值得进一步探索的问题，特别是在线上教学中，需要引导学生观看与课堂内容相关的新闻、视频、图片等，这都需要教师提前进行相关的设计。同时如何进一步加强本课程的思政教育环节，帮助学生更好的理解专业知识，开阔学生科研视野，正成为学生感兴趣和有解决愿望的好课程，是需要进一步加以改进的。

4 总结

基于上海理工大学机械工程学院所开设的面向电气工程专业的“新能源与并网”课程的实际情况，本文从更新并优化教学内容、加强实践环节、改进教学方法等三个方面分析了“新能源与并网”课程的特色教学改革方案。加强了“新能源与并网”课程与电气工程其他前置课程之间的关系、排除了学生学习的难点、强化了本课程与国家低碳战略的紧密联系，本课程的尝试可以为面向电气工程专业的新能源类课程教学改革提供一定的参考价值和有益的借鉴。