节能减排背景下高校新能源发电与智能微网实验中心的建设与探索

吴庆干

（无锡学院自动化学院，江苏 无锡 214000）

秉持人类命运共同体的理念，为提高国家贡献度，习近平总书记在联大会议期间庄严承诺“2030 年前实现碳排放达到峰值，2060 年前实现碳中和，实现应对气候变化《巴黎协定》确定的目标”，到2030 年，中国单位国内生产总值二氧化碳排放量将比2005年减少65%以上[1]。距离2030 年还有不到10 年时间，中国要加快优化产业结构、调整能源结构，大力发展新能源产业，减少燃煤等传统发电所占比例。

随着中国新能源行业快速发展，光伏发电、风电等装机容量不断增加，行业人才需求量增加，对行业人才的产品研发能力、设备操作能力、场站运行管理能力等要求不断提升，作为人才培养前沿阵地的高等院校承担着人才培养的重任，新能源发电实验室在行业人才培养过程中起着不可替代的作用。

1 新能源发电实验室概述

中国风力发电和光伏发电在装备生产量和装机容量方面都已稳居世界第一[2]。然而，在电气工程领域，教学、科研居于前列的高等院校国家重点实验室中以新能源发电作为研究方向的相对较少，高校教学、研究的主流方向仍以传统电力系统为主。建设新能源实验室的高等院校相对较少，新能源发电技术技能人才数量和人才培养规格与行业用人需求有较大差距[2]。新能源发电行业人才培养不仅要在数量上满足国家发展需求，还应做到知识与能力并重、面向人才市场，提升人才质量，为国家长期稳定的输送高质量人才。

培养新能源发电行业人才，保障行业人才的培养质量，新能源实验室建设目标应包括：①通用性。对电气工程及其自动化、自动化、新能源发电工程技术等多专业学生均可通用。②实用性。不同阶段的学生实验室均可完成教学任务。③仿真性。实验室能够模拟新能源发电真实场景，加强学生实践能力培养。④先进性。让学生了解最前沿的发电技术，为教师提供更加先进的科研平台。⑤开放性。实验室除面向本科生开展教学，还可作为研究生学术研究、教师科研的支撑，同时可面向社会企业实现校企合作等。⑥可扩展性。实验室硬件设计需预留通信接口等，硬件设备采用国际通用标准，便于后期增加设备及维护，软件程序应利于后期更新和漏洞修复[3]。基于此设计思想及新能源行业人才的培养目标，最终完成新能源实验室的设计、建设任务。

2 新能源实验室建设的实施

新能源发电与智能微网实验中心定位于满足电气工程、电气工程及其自动化等专业的“新能源发电”等课程教学，为研究生及相关教师提供科研平台，实现教学认知、实习实践、科研试验等多种功能。实验室框架如图1 所示。

2.1 硬件建设

新能源发电与智能微网实验中心室内设备包括控制系统、储能系统、负载、显示模块等。根据能量转换顺序依次排布，实验中心前门旁设置总控台，总控台连接实验中心主显示屏，做到数据投屏、实时监控。实验中心设置服务器，采集存储实验数据，通过实验数据分析对设备控制系统、监控系统进行优化，助力教学和科研。根据新能源发电与智能微网实验中心现有实验设备种类及数量，对实验设备进行合理化布局，如图2 所示。

图1 新能源发电实验室框架

图2 新能源发电实验室教学设施布局

室外发电设备包括光伏发电系统、风力发电系统、小型气象站等。光伏发电总功率为30 kW，分为6 组。风力发电机为小型风机，功率为5 kW，风力发电机总体高度约12 m，为保证整体稳定性，在楼体顶部架设风机基座，基座底部安装于楼体主承重柱上，该设计方法有效地减少了楼层面的受力，同时增加了风力发电机基座的稳定性。新能源发电与智能微网实验中心硬件实物如图3 所示。

图3 硬件实物图

2.2 软件建设

新能源发电与智能微网实验中心软件部分由各分控单元和PLC 主控制系统构成。分控单元包括风力发电机控制系统、光伏发电控制系统、PCS 等。用户可根据实际需求更改控制系统程序、控制策略、采集数据、数据处理等信息，完成对各分控单元的控制优化、数据采集等操作。PLC 主控系统可以完成新能源发电系统各分控单元的协调控制和数据采集、处理等功能。自主设计人机交互界面，在主显示器上显示新能源发电系统实时数据及系统运行状态，可通过交互界面实时调用采集获得的数据曲线图。

新能源发电与智能微网实验中心配套建设智能微网仿真系统，仿真系统可完成电力系统、新能源发电等实验仿真，仿真完成后可在实验中心进行部分实验验证，实现理论与实践相结合的教学目标。

2.3 课程建设

课程建设是实现培养目标的基本单元，课程的设置必须支撑培养目标的实现与核心能力的获得[4]。课程建设注重将知识面的深度和广度相结合、理论和实践相结合[5]。以此为目标导向，新能源发电与智能电网实验中心构建了包括认知实习、理论学习、实验教学、工程训练等多层次的教学体系。

3 新能源发电实验室建设成效

新能源发电与智能微网实验中心的服务包括电气工程及其自动化等专业学生实验教学、专任教师及研究生科研、工程认证、企业人员培训等，实验室建设、使用可达到以下成效。

3.1 提升学生的认知能力

新能源发电与智能微网实验中心采用工业级产品，与教学紧密结合，配合导论课程理论教学，使学生切身理解并掌握新能源发电的基本原理，了解储能系统的工作方式，了解微电网系统的最新进展与发展动态。

3.2 提升学生的实际操作能力和协作能力

通过开展新能源发电相关实训，提升了学生操作与运行新能源设备和管理新能源工程技术的基本能力，提升了微电网发电系统运行与维护和现场事故分析及处理的能力，具备应用新系统、新技术的初步技能。

3.3 为教师及学生科研提供有力支撑

教师可对智能感知系统采集获得的数据进行分析处理，实现系统优化，平衡发电、储能、用电负荷之间的关系，实现综合能源管理，探索储能、节能新模式。

4 结语

节能减排背景下新能源发电与智能微网实验中心的建设，是对现有电力系统综合自动化实验系统很好的补充，对教学实训模式进行了进一步完善和提升。在实验实训过程中，学生在理论知识、操作能力、故障排查能力、科研能力等诸多方面得到了全面提升。为培养新能源发电相关人才提供了可靠平台，为探索人才培养方式提供了有利条件。实验中心还可在此基础上拓展新的实验教学方式，开发线上教学课程，采用线上、线下教学全方位发展的新模式。