時間：2023-03-23 15:19:48
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為了適應電力系統及其自動化專業學生的教學，在課程改革過程中，根據新能源發電行業現狀和電氣工程對新能源發電技術課程知識體系的需求，結合電力工程及其自動化專業的特點，精選教學內容，重新構建了新的課程知識體系，加強與電力系統及其自動化專業之間的聯系。根據新能源發電站接入電網的影響不同，將這些新能源技術分為兩類：穩定性能源發電技術和間歇性能源發電技術。
一些新能源技術（如生物質能、地熱能和常規水電）在接入電力系統方面和常規電力技術一樣容易，除了一次能源的形式不同，轉換成電能環節基本相同，都采用同步發電機進行發電，對電網的安全和穩定不會造成影響。因此，這部分新能源知識重點講解各種新能源發電技術的基本原理，最新的發電技術的現狀和動向，及在利用過程中對改善環境帶來的好處，培養學生新的能源觀念和意識。同時結合電網發展的最近進展，這些發電技術作為分布式電源接入電網時，如何規劃電網，接入電網對電網的影響等方面進行適當的講解，加強與電力系統知識的聯系，提高學生學習的積極性，由于受到季節、氣象和地域等條件的影響，另一些新能源技術具有隨機性、波動性和間歇性的特點，如風能和太陽能發電等新能源發電技術，在接入電力系統方面需要克服更多的挑戰，其電力大規模并入常規電網會對電網調峰和系統安全運行帶來顯著影響。這部分內容重點講解與電力系統相關的技術，涉及到電機學、電力電子技術和電力系統相關的知識點。在間歇性能源并網過程中，電力儲能技術可以補償負荷波動，解決風能和太陽能等間歇式新能源發電直接并網對電網的沖擊，調節電能質量，使大規模風力發電和太陽能發電能夠方便可靠地并入常規電網。隨著可再生新能源發電技術的快速發展，電力儲能技術也是電力系統及其自動化專業學生必須掌握的知識，所以儲能技術也是該課程知識體系的重要部分。
本文提出的課程知識體系目前還沒有相關教材，為此，筆者較為系統地構建并編寫適合電力系統及其自動化專業的“新能源發電技術”課程講義，使之更符合電力系統及其自動化專業的教學。從兩學期的試用情況來看，學生認同感增強，明確該課程是本專業不可或缺的重要選修課，重視程度顯著提升，在教學過程中取得了良好的效果。
二、教學模式改革
選擇合適的教學方法，能夠提高課堂效率。教學內容的不同，授課的教學方法也需要相應的改進，為此筆者對教學方法也進行了改革，使之與課程知識體系相適應。
1.采用學術專題講座的教學方式“新能源發電技術”課程知識體系要求運用新的教學方法。每種新能源發電技術各自成章，自成系統，各部分內容均有很多前沿的技術，僅靠書本知識已經不能適應科技的進步。因此需要任課教師補充相關發展的新動向和新技術，以學術講座的形式進行講授與課程相關知識點。講解過程中，以具體的行業問題為背景，采取啟發式的講解方式，層層剖析問題，可以讓學生在有限的學時內，掌握發電技術的發展現狀、發電原理、利用方式、開發存在的問題和研究現狀及動向。如地熱發電、海洋能發電、生物質能發電、太陽能熱發電技術，都可以采用講座的方式進行講解。同時在講座過程中，增加學生提問環節，讓學生可以積極參與，引導學生自主思考。為了強化實踐，在每一個專題授課結束后，教師通過布置與該專題相關的設計題目，讓學生學以致用。比如讓學生設計太陽能熱電站，利用波浪能發電原理設計相應的波浪能電站，設計新農村綜合利用生物質能的方案，設計垃圾發電站工藝流程等，作為分布式電源接入電網時，結合不同能源開發利用的特點對該地區新能源開發和電網結構做出合理規劃，并給出理由。通過這些綜合性設計作業，可以增強大家的創新意識和實踐能力，激發了學生的學習興趣和主動性，訓練了學生分析問題、解決問題的綜合能力，起到了非常好的效果。
2.基于問題的探究式教學方式傳統的講授方式，可以系統地講解，課堂容量大。風力發電和光伏發電技術涉及知識點多，知識點零散，因此需要教師合理組織教學內容，使其與所學專業知識相結合。為此筆者精心設計每一個教學環節，精講多練。但傳統的授課方式，學生被動接受，學習積極性不高。為此，筆者采用基于問題的探究式教學方式，在教學的過程中，教師起引導作用，對課程中的知識點進行分析，提出基于問題的討論題目；并分析學生需要掌握的知識要點，為學生提供必要的參考文獻，讓學生課后自己查閱資料，引導他們學會自己總結知識點，利用所學知識分析實際問題。而學生在課后根據自己的興趣自愿選題，并分小組進行研討，研討后，該小組總結討論結果。在課堂討論中，每個小組推薦一名學生做交流發言，將自己的研究內容做簡要匯報。學生互相提問展開討論，老師進行有針對性的點評，肯定了學生們取得的成績，對錯誤的地方進行了補充和糾正。為了達到分組討論學習預期效果，要求每個小組在上交的文獻報告中，明確每個學生所做的工作和參加小組討論的發言內容，督促每個學生都參與討論學習。通過這種教學方式，充分調動了學生的積極性和主動性，也很好地完成了教學目標，促進了教學質量的提高，達到“授人以漁”的目的。
3.改進多媒體教學方式由于該課程設計的專業知識具有跨學科的特點，有些知識點學生難以掌握，有些原理較為抽象。如風機的偏航過程、變槳過程、風機的失速原理、斯特林發動機的發電過程等都比較抽象，在沒有實物演示的前提下，學生經常不容易理解。因此在講這些課程內容時，采用多媒體動畫演示的方法，幫助學生理解基本概念和知識，讓學生更快更易地理解和掌握這些內容。
三、考試方法的改革
雖然在教學內容和方法上進行了改革，提高了學生的學習興趣，激發學生的學習熱情，但仍有不少學生選課和學習動機不端正。他們不是為了完善自己的知識結構，提高自己的綜合素質，只是為了湊滿學分，對選修課缺乏足夠的重視。傳統的閉卷考核方式不能全面地反映真實的教學情況。撰寫課程論文，成績只與論文寫得好不好有關，有的同學東拼西湊，也能獲得一個理想的成績。這些方式都難以督促學生平常的學習，因此仍需完善課程的考核方式。根據“新能源發電技術”課程的特點，筆者對該課程的考試方式做了合理的改革，促進學生學習，公正地反映了學生的成績。主要采取了以下一些措施：
1.注重對學生平時的考查增加課堂隨機考查的次數。通過提問、課堂測驗等方式，讓學生在上課時能集中精力聽講，防止學生上課“開小差”。回答問題和課堂測驗計入平時成績。
2.增加撰寫文獻報告和大作業基于問題的探究式教學方式中，撰寫文獻報告和小組討論環節能夠有效培養了學生查閱文獻、撰寫論文、發現問題、解決問題、獨立思考的能力，因此能夠較為科學評價學生平時的努力程度。因此，課堂討論和小組討論中，根據學生在該環節中的貢獻不同給學生不同成績，這樣能起到督促學生學習和檢驗學生學習效果的作用。作業是課堂教學的有效補充和延伸，是教學中必不可少的環節。大作業一般具有綜合性的特點，能夠有效鍛煉學生的綜合能力，鞏固平時所學的知識，是反饋教學效果的有效手段。因此增加大作業和撰寫文獻報告在平時成績中的比重也是考查學生平時學習的有效手段。
3.增加平時成績的權重平時考核成績權重由原來的30%提高到目前的50%，有效地避免了學生平時不學習，考試時突擊學習也能取得不錯成績的弊端，提高學生學習的積極性和自覺性。通過上述措施的實施，經調查表明多數學生都認可這種成績考核方法較合理、公正，能夠真實反映學生的成績，受到了多數學生的歡迎。
四、結束語
論文摘要：“電力生產概論”是高校非電氣專業開設的全校性選修課。課程的授課目的是讓上述專業的學生對電力生產過程有一個大致的了解，為以后有可能服務于電力行業做準備。由于學生在數學、物理以及電氣方面的基礎薄弱，因此本課程的教學方法與電氣工程及其自動化專業的課程教學法有所不同，重點是要激發學生的學習興趣，讓他們克服畏難情緒主動學習，在重點講述常規發電原理的基礎上把自主教學法成功應用于課堂教學過程中。通過課堂教學效果的驗證，本方法是行之有效的。
論文關鍵詞：電力生產；自主教學法；學習興趣；教學效果
“電力生產概論”是高校非電氣專業開設的一門全校性選修課。它是為了讓工商管理、市場營銷及會計學等專業的學生了解一定的電力生產方面的知識，為以后在電力系統從事相關工作做準備。但是經濟與管理學院的學生大多是文科類學生，數學、物理基礎不扎實，而且大學期間又沒有開設電氣專業基礎課（如“電路”、“電機”、“發電廠電氣部分”等），所以學習起來有難度，而且很多學生認為這門課與他們的專業不相關，學習的積極性也不高。針對課程的特點和學生的學習心理，筆者在經過兩三年的“電力生產概論”教學后，在重點講述常規發電、電力生產原理等的基礎上，把學生自主教學法成功應用到教學過程中。通過課堂教學效果的驗證，本方法是行之有效的。
一、教材內容及教學方法介紹
長沙理工大學選定的“電力生產概論”教材是普通高等教育“十一五”規劃教材，李光輝主編。該教材內容全面、難度適中，是一本非常適合非電氣類學生學習電力生產方面知識的通用教材。全書共九章，教材前四章先介紹了電力系統與電力生產方面的知識，然后重點講述了三大常規能源發電：火力發電、水力發電和核能發電。第五章為未來能源發電技術，依次介紹了風力發電、地熱發電、太陽能發電、海洋能發電、生物質發電、氫能發電等相關知識。后面四章分別介紹了變電站、電力線路、直流輸電以及計算機在電力行業中的應用等與電力生產密切相關的一些專業知識。教材內容安排合理，難度適中。只要學生跟著老師系統地把教材學完，對電力系統及電力生產應該有一個比較全面、系統的了解，收獲是很大的。
針對學生數學、物理及電氣方面基礎不扎實的特點，要在開始就使學生對這門課程的學習感興趣，并做好心理準備。第一節課在介紹了教材內容后，講述該課程要采用的教學方法，即采用教師課堂講述為主、學生自主講述為輔的創新教學法。前四章常規能源發電等電力生產方面的知識由教師重點在課堂上講述，讓學生切實掌握電力生產過程的特點以及每一種常規能源發電的原理。后面第五章的未來能源發電技術的發電原理與常規能源發電基本是一樣的，只是所使用的一次能源不同而已，而且新能源發電技術是現在研究的熱點。所以針對教材上所提供的五種新能源發電，可讓每個班商量討論選定一類大家感興趣的新能源發電技術作為自主講述的內容。這門課一般是兩個或三個行政班級組成，如果是兩個行政班級則每班可分兩組各選一種新能源發電技術講述；如果是三個行政班級，則以班為單位各選一種新能源發電技術自主講述。學生自主講述的出力情況及講課效果直接影響學生課程期末考核成績。
在讓每個學生詳細了解教學方法之后，又提醒學生，如果前四章的基礎內容沒學好，要想在自主講述的內容上面取得好成績是很困難的。所以第一堂課下來，學生對這門課的學習興趣就被激發起來了。課間休息時班干部就召集全班同學討論選擇自主講述的新能源發電方式，最后把選定的結果向全體同學公布，并告訴他們，只有發揮全班同學的合力，共同參與、合理分配任務才能在自主講述環節取得良好的效果。在時間安排上，為了使學生有充分的時間準備課件，在學生授課前2～3周提前通知他們。 "
二、常規能源發電原理講述
通過第一節課教學內容、方法的介紹，學生都心中有數，對這門課程的學習也做好了充分的思想準備。因此，在講述電力系統及電力生產方面基礎知識以及三大常規能源發電原理時，首先講述什么是一次能源、什么是二次能源。怎樣把一次能源轉換為電能就是學習的重點。電能已成為工業、農業、國防、交通等國民經濟各部門不可缺少的動力，所以作為當代大學生，了解電力生產方面的知識以及電力系統的發展方向和動態是完全有必要的。
了解了這門課程的重要性和學習了該課程的必要性之后，學生對后續的授課內容興趣明顯提高了。電磁感應定律是發電的基本原理，這在初中物理課程里面已經學過。1831年法拉第發現了電磁感應定律之后，很快出現了原始的交流發電機、直流發電機和交、直流電動機，為了給用戶輸送電能，慢慢發展了高壓直流和交流輸電。以至于到現在的特高壓交流、直流輸電技術。另外，重點講述我國的電力發展現狀以及在特高壓輸電領域的一些世界領先技術。學生對該課程的學習興趣明顯提高了。
電力生產就是要把自然界的一次能源轉換為電能。火力發電的原理就是把煤、石油、天然氣等一次能源中的化學能經過燃燒轉化為高溫高壓水蒸氣的內能，然后通過水蒸氣膨脹做功推動汽輪機旋轉，汽輪機帶動發電機轉子磁極旋轉，在固定不動的定子繞組周圍形成變化的磁場，從而在繞組內感應出電動勢。若定子中的繞組按一定的繞線規律，與外電路形成回路，則繞組中就會產生相應的電流。在一定的電壓下，電流沿輸電線路將電能送往用戶。水力發電是在水電站中水輪機將水的勢能和動能轉換為推動水輪機旋轉的機械能，水輪機轉輪旋轉帶動發電機發電。而核能發電的原理與火力發電很相似，也就是說核電廠只是以核反應堆及蒸汽發生器來代替火力發電的鍋爐，以核裂變能代替礦物燃料的化學能，其能量轉換過程是：核能水和水蒸氣的內能發電機轉子的機械能電能。
三、新能源發電學生自主講述
關鍵詞：可再生能源；發電技術；教學模式；考核
當今人類面臨著能源短缺和環境污染的嚴重挑戰，傳統的煤、石油、天然氣等化石燃料資源的有限性與社會的巨大需求形成了尖銳的矛盾，同時受開采條件和資源枯竭等因素影響，人類將會面臨資源危機，而且化石類能源所排出的廢氣給生態環境帶來很大影響，社會影響巨大。因此研究開發無污染的、可持續的可再生能源與能源轉換技術成了當前科學和技術發展的重要研究方向，也是工程技術應用中的熱點問題，而且已經上升到經濟、社會和戰略安全的范疇。工科高校擔負培養合格的工程技術人員的重任，因此，為了適應科技和社會的發展，滿足工程實際對人才的要求，可再生能源發電方面的人才培養已經成為當務之急和重中之重的工作。[1，2]因此在新的能源形勢及人才需求下，上海電力學院（以下簡稱“我校”）在高年級熱能與動力工程專業（熱力發電方向）開設了“可再生能源發電技術”的課程，讓學生在全面掌握常規火力發電的基礎上，掌握可再生能源利用基礎知識、能源利用形式及其相關技術，了解可再生能源發電的前沿技術，從而擴大學生的知識面，適應社會需求。[3，4]
本文通過分析“可再生能源發電技術”的課程特點和存在的問題，探討了該課程的教學方法和教學模式的改革，內容包括教學內容、教學方法、考核方式等，從而達到激勵學生自主學習的意愿，培養學生勇于創新的精神，孕育學生科學的素養，提高學生分析與解決實際問題的能力，實現學生對“可再生能源發電技術”課程的全面了解。
一、“可再生能源發電技術”課程教學的特點
1.教學內容多學科交叉
“可再生能源發電技術”課程主要包括水力發電、太陽能發電、生物質能發電、風能發電和海洋能發電等內容，課程的主體是分別對上述發電形式進行較為系統的解析，重點介紹各種可再生能源發電技術的基本原理和開發利用的基本方式，以及目前國內外該發電形式利用的現狀和最新進展。所有以上內容涉及工程熱力學、傳熱學、流體力學、半導體物理、空氣動力學、力學等基礎理論和相關知識，因此教學內容涉及領域廣、研究對象較多，知識結構復雜多樣、學科交叉非常突出、知識點集成度高等特點，這將給講授帶來挑戰，即如何將這些知識點，尤其是跨學科的內容傳授給學生，并讓學生能夠較容易地掌握是該課程需要解決的重點問題之一。
2.教學方式亟待改革
由于“可再生能源發電技術”課程的多學科交叉，一般而言，在短時間內掌握非本專業理論知識較困難，因為沒有該專業的理論基礎知識，經常會很難理解有關知識點，這將嚴重影響學生的積極性，甚至部分學生會產生抵觸情緒。因此，以教師講授為主的教學方式，學生沒有參與進來，不能充分調動學生的積極性，可能導致學生無法理解所講授的內容；同時該教學方式忽略了學生的創新能力培養。因此如何將教師的“教”轉化為學生的“學”，將多學科交叉課程的課堂組織好是該課程教學需要解決的問題之一。
二、教學內容的設計
可再生能源發電技術的研究屬于當今研究的前沿問題。隨著科學技術的快速發展，新技術、新方法和新工藝等不斷涌現，教學內容需要與時俱進，不斷更新，現有的教材顯然不能很快地響應這樣的變化，以教材為教學內容難以滿足教學要求。在筆者的教學實踐中，教學內容上通過參考權威書籍、資料和自身的研究成果，同時對國內外期刊文章、學術專著及網絡平臺知識進行學習，掌握當前研究的動向，并整合所有材料作為課堂教學內容及課外拓展閱讀資料。廣泛獲取信息，動態更新與拓展教學內容，把握最新的專業前沿，有助于引導學生去探索新知識，培養創新精神。另一方面，由于課程涉及多學科的交叉，在有些學科領域上，學生缺乏知識儲備，課堂教學較難獲取有效的效果，因此，摒棄一些晦澀難懂的理論知識是非常必要的。[5，6]以太陽能熱發電為例，太陽能熱發電涉及流體力學、傳熱學、自動控制等多學科，當整合最新的科技發展成果作為案例講解時，主要向學生闡述太陽能熱發電的基本原理、關鍵技術、發展趨勢及政策激勵等，讓學生充分接觸各種知識，拓寬視野，了解科技前沿的最新動態，目的是給學生專業素養的形成提供一個有利、有效的平臺。課程內容應深入淺出、科普性與前沿性并重，當學生的興趣被調動起來后，再進行該學科的基本理論的講授或學生自學就非常容易切入，這樣就可達到較為理想的教學效果。
三、新型的教學模式
根據“可再生能源發電技術”課程的特點，本文提出新型教學模式的設計，使得教師成為課堂的組織者，通過設定教學內容，明確教學任務，課堂教學以學生為本，體現學生的認知主體作用，使學生在學習過程進行積極思考，自主學習，從而在培養學生的創新能力和增強其科學素養等方面發揮作用。
1.專題講授
可再生能源利用形式多樣，涉及本學科各個分支學科，具有多學科交叉與耦合的特點。為了避免各分支學科相互之間影響導致學生難以理解的問題，提出采用專題講座的授課形式，集中時間講授某一類型的可再生能源發電形式。此外，爭取請相關領域的專家或工程技術人員每學期做1～2次課堂報告，將工程中碰到的問題簡化并整合成案例，在教學中根據需要選擇案例進行剖析，激發學生的學習興趣，強化學生的工程實踐意識。
2.互動教學
在教學過程中，教師做幾次完整的典型研究報告，包括幾種可再生能源的發電原理、設備組成、科研前沿等，目的是讓學生掌握宏觀現狀背景和如何從微觀把握問題與分析問題；引導學生充分利用圖書館資源，掌握歸納分析的方法；指導學生進行撰寫科技或科普論文，提高學生的科學素養，在此基礎上安排學生參與課堂中來。具體做法是學生以小組為單位，各小組自主選擇相關研討課題，通過查閱文獻和小組研討，形成專題研究報告，并由小組成員在課堂進行匯報，根據其匯報內容，接受老師和同學的提問，并進行解答，教師及時進行指導并對其評分。形成教師指導，學生主講，教師與學生，學生與學生互動討論的方法，教學實踐表明，該方法大大提高了學生的主動性。學生經歷查閱文獻、分析問題、報告寫作和報告陳述的全過程，顯著增強了創新能力、科研精神和團隊合作意識。利用對多個相關課題的討論，學生對可再生能源特點、可再生能源發電的前沿技術等有了更深入的認識。
3.虛實結合
在學科平臺及自建教學平臺的基礎上，通過實物參觀、模型演示，多媒體教學等虛實結合、多位一體的教學模式，提高學生的感性認識。
（1）可再生能源發電技術模型的利用。熱能與動力工程專業的學生以往大部分接觸的是火力發電方面的知識內容，對可再生能源發電技術認知較少，特別缺乏針對可再生能源發電原理和發電設備等進行系統的學習，如果直接進行理論的學習，學生會感到很枯燥，對一些基礎理論知識和發電設備結構很難理解。為了提高學生的感性認識，筆者所在課程組建立了可再生能源發電技術教學平臺。在學習課程的理論知識之前，學生首先了解小型模型的實物結構，內部構成，基本組成和基本原理，使得學生具有整體的感性認識，然后再學習本課程，同時結合模型進行講解。
（2）健全的多媒體素材。“可再生能源發電技術”課程內容較多，課時有限。相比較傳統的教學方式，多媒體信息量大，采用靈活的圖形、視頻和動畫等表現形式，能夠直觀、形象地再現客觀事物。筆者在教學實踐中采用多種多媒體教學手段。例如：選用《國家地理》節目里的《偉大工程巡禮——太陽引擎》視頻作為太陽能熱發電原理及形式的教學內容，直觀地介紹了槽式、塔式、菲涅爾等形式的太陽能熱發電原理，以及聚光器的制造工藝等。選用GE的水輪機設備，采用Flash方式制作水力發電中反擊式水輪機設備的教學內容，直觀且易于理解。通過多媒體的應用，展示現場實際設備，簡化教學中的難點，增加了課程的信息量。
四、小組式考核方式
“可再生能源發電技術”作為高年級的課程，課時有限，知識點多，內容模塊化強，科普性和專業性并存，采用常規的卷面考試方式難以準確考核。筆者在該課程教學實踐中，進行了小組式考核機制的嘗試，即以小組為單位，制作課程學習的整體報告，選派一名代表在課堂上進行答辯，匯報內容結束后，其他組成員和教師針對報告內容進行提問，組內成員均可就相關問題進行回答。其他組同學根據該小組的匯報情況進行打分，打分表如表1所示。除此以外，在考核中增加動態考核，每個小組選出組內最佳貢獻成員，給予動態加分；同時為了增加考核上互動，鼓勵學生思考問題，對于提問積極的學生在成績上給予加分。該考核方式，對課程的教學實行了動態的考查與過程管理，實現了以考核促學習，有效地調動了學生學習的積極性，推進學生協作能力培養，增強了“教師與學生”、“學生與學生”的互動，提高較整體的教學效果。
表1 考核打分表
小組名稱 選題創新性（共20分） 查閱文獻情況（共20分） 分析問題能力（共20分） 報告質量 （共20分） 表達能力 （共20分） 總分
（100分）
五、結語
隨著可再生能源發電技術的發展，“可再生能源發電技術”已經成為熱能與動力工程專業學科重要的專業課程。本課程具有典型的多學科交叉的特點，同時該領域的研究成果日新月異，因此無論是在教學內容還是在教學方法都需要進行改革和創新。本文通過緊跟前沿的研究熱點，設計深入淺出的教學內容；采取以學生為主體，通過引入工程案例，專題研究與課堂討論等模式，并輔以教學模型與多媒體動畫演示等多種靈活多樣教學手段的改革，讓學生在了解可再生能源發電技術的理論知識的基礎上，培養了學生挖掘問題，解決問題，理論與實踐相結合的能力，鍛煉了學生查閱文獻和團隊協作的技能，提高了學生的科研素養與工程實踐本領。
參考文獻：
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從“離網”向“并網”的跨越
光伏并網發電是當今世界光伏發電的主要發展方向，是光伏技術步入大規模發電階段，成為電力工業組成部分之一的重大技術步驟。許多統計資料表明，近幾年來世界光伏并網發電市場發展迅速，光伏并網發電的裝機容量從1 996年的7MWp上升到2000年的140MWp，光伏并網發電在光伏行業中的市場比例也從1 996年的10％上升到2000年的50％，2007年光伏并網發電的市場比例已達到80％。而在中國，光伏發電也將在未來的電力供應中扮演重要的角色，其累計裝機容量預計至201 0年將達600MWp，2020年將達到30GWp，2050年將達到100GWp。根據電力科學院預測，到2050年，中國可再生能源發電將占到全國總電力裝機的25％，其中光伏發電則占到5％。顯而易見，光伏并網發電已經是大規模光伏發電的主要趨勢。
早在上世紀80年代，合肥工業大學已經開展起太陽能光伏與風力發電技術的研究，張興就是在那個時候走入合肥工業大學校門的。在這所留下他半生印記的學校里，不僅走過了從學士到博士的求學之路，而且也撇下了攻關，探索的辛勤汗水。他對太陽能光伏發電技術的研究，源于1 997年新疆新能源研究所原所長王國華研究員在合肥工業大學的一次講學。在那次講學中，張興對歐美日等發達國家正在興起的光伏并網技術產生了濃厚的興趣，當時，我國的光伏發電技術與產業還是針對技術相對落后的光伏離網系統，很少有人關注技術新穎且有一定難度的光伏并網技術。盡管深知其中的挑戰，張興卻從未想過低頭，他抓住光伏并網系統中的并網逆變器這一核心技術，開始了潛心的研究。經過一年多的努力，他終于成功研制了500W光伏并網樣機。在1 998年的全國光伏年會上，該樣機一經展出即引起了同行的高度關注。在此基礎上，1999年，張興教授又與新疆新能源研究所開展了技術合作，共同承擔起自治區的科技攻關項目。當時，逆變電源專家曹仁賢創辦的合肥陽光電源有限公司起步不久，雖然主打產品主要是離網型光伏逆變器，但他還是給予了這一項目充分的肯定和支持。在共同的努力下，該項目組于2000年成功開發出3kW工程化樣機，并在新疆鄯善縣成功地進行了應用測試，取得了預期性能。隨之，在經過一年多的試運行之后，2001年，該項目順利通過了新疆維吾爾自治區組織的專家鑒定，得到了一致的好評。
而正是這個項目的成功，拉開了張興教授與合肥陽光電源有限公司產學研合作的帷幕。此后，國家“十五”科技攻關項目“并網光伏發電用系列逆變器的產業化開發”、科技部新能源行動計劃項目等諸多科技攻關項目在他們的攜手并進下，得以產業化實踐，同時建造了多個并網光伏示范電站，其中，科技部新能源行動計劃項目“60kW光伏并網系統的應用與研究”項目獲得新疆維吾爾自治區科技進步二等獎。
與“陽光”同行
“陽光”，一個聽起來倍感明媚的詞語。而在電源領域，這一個詞語則讓人聯想起我國知名的新能源發電電源專業制造商――合肥陽光電源有限公司(以下簡稱“陽光電源”)。
自1 997年成立以來，陽光電源專注于可再生能源發電產品的研發與生產，囊括了光伏發電電源、風力發電電源、回饋式節能負載、電力系統電源等系列產品，曾成功參與北京奧運鳥巢、上海世博會、三峽工程，全球環境基金可再生能源項目、西班牙MaIaga 5MW大型光伏電站，英國和法國小型風力并網發電項目、青藏鐵路等重大工程，獲得了國內外業界的一致好評。多年來，陽光電源先后獲得“安徽省優秀民營科技企業”、“安徽名牌產品”、“優秀創新企業”，“安徽省‘115’產業創新團隊”、國家發改委REDP項目“技術進步優秀項目獎”，“太陽能光伏產品金太陽認證”等榮譽，是安徽省可再生資源電源工程技術研究中心依托單位、安徽省研究生產學研示范基地。
同樣，經過二十余年的努力，合肥工業大學在太陽能光伏與風力發電技術等可再生能源發電技術方面也取得了長足的進展，如今，不僅擁有電力電子與電力傳動國家級重點學科、教育部光伏工程研究中心，還進入了國家培育優勢重點學科的“111計劃”，成為“可再生能源并網發電國家級創新引智基地”。而在可再生能源并網發電技術的科學研究中，張興教授與陽光電源的產學研合作尤其值得稱道。
從1 999年共同開展新疆維吾爾自治區的科技攻關項目開始，他們的產學研合作已經整整十年。十年間，他們聯手創造了不少成績，近年來更是成果選出。
“上海電力局奉賢10kW光伏屋頂示范工程項目”屬于上海電力局新能源發展計劃項目，工程于2003年3月建成并投入運行，2004年7月通過專家鑒定，是上海首個全部采用國產化技術的光伏屋頂并網示范系統，該系統所用的1臺10kW三相并網逆變器即由張興課題組與陽光電源聯合研制。
他們合作的“并網光伏發電用系列逆變器的產業化”項目是國家科技部“十五”科技攻關項目，該項目于2005年2月通過科技部的專家鑒定。其成功研發解決了并網光伏系統的關鍵部件逆變器的產業化難點，推進了我國并網光伏發電產業的發展，如今，該項目系列產品已在陽光電源實現了產業化，并定型了多種規格的并網逆變器產品。
隨即，在國家科技部新能源行動計劃項目“新疆烏魯木齊大型光伏并網工程”研發中，張興課題組承擔起72臺60kW并網逆變器的系統及控制設計任務，而陽光電源則對逆變系統的制造，現場安裝與調試工作進行了全權負責。2004年12月，該工程完滿建成并投入運行，2006年3月，通過科技部驗收及專家鑒定。經鑒定，該項目采用可調度型并網發電結構，并具有并網發電、蓄電池充放電和獨立逆變三重運行功能，省略了常規的充電控制器，簡化了系統結構，大大提高了光伏并網發電系統的性價比，是當時新疆地區最大且功能最為先進的光伏并網示范工程，其成果被授予新疆維吾爾自治區科技進步二等獎。
此外，在“上海生態示范園光伏屋頂工程”、安徽省科技攻關項目“合肥陽光電源30kW光伏屋頂示范工程項目”以及
科技部科技攻關推廣項目“上海崇明30kW光伏屋頂示范工程”研發中，他們的表現也不負眾望。
“非常”追求
電力電子與新能源應用技術的多年研發、與陽光電源十年的產學研合作，點點滴滴的付出，張興教授用自己的智慧和汗水寫出了一個不一般的科研生涯。
在風力發電研究方面，其MW級變流器作為核心技術一直被外國壟斷，其國產化的路途極其艱辛和富有挑戰性，2004年，張興教授與陽光電源再度聯手進行科技攻關，他們首先完成了安徽省“十五”科技攻關項目“風力發電用交直交并網變流器”，并獲得安徽省2006年度科技進步二等獎。接著，作為課題負責人之一，張興教授與陽光電源聯合申報并獲得了“十一五”國家科技支撐計劃“大功率風電機組研制與示范”的兩個重大項目的資助――“1 5MW以上直驅式風電機組控制系統及變流器的研制與產業化”與“1，5MW以上雙饋式風電機組控制系統及變流器的研制與產業化”。經過大家不懈的努力，目前，MW級雙饋型與直驅型風機變流器基本實現了產業化，部分機型已經批量向整機廠商供貨。
在柔性直流輸電變流與控制研究方面，張興教授著眼于柔性直流輸電技術與風力發電相結合，對安徽省自然基金項目“電網異常條件下風場柔性直流輸電網側變流器控制策略研究”進行了攻關研究。與此同時，在合肥工業大學本科評建項目的支持下，他自主研發成功了一套1 5kW柔性直流輸電變流及控制系統研究平臺。
在PWM整流器技術研究方面，張興教授完成了包括HT--7u超導托卡馬克等離子移快控電源、蓄電池雙向饋電電源、背靠背雙向變流器等多項研究成果，并在其博士學位論文基礎上，由“電氣自動化新技術叢書”編委會資助并由機械工業出版社出版了《PWM整流器及控制》學術專著，該學術專著在新能源并網發電的逆變器研究與應用領域得到了學術界專家學者的肯定并被廣泛引用。
在積極進行科研攻關的同時，張興教授還將大量精力投入到特色實驗室建設中。2006年，他主持完成了“合肥工業大學風力發電變流器及其控制實驗室”的建設，其主要包括“250kW中低壓雙饋、交流異步全功率風力發電驅動平臺”、“永磁同步直驅風力發電驅動平臺”，以及分布式發電系統中的“風力發電模擬平臺”，“柔性直流輸電變流及控制系統研究平臺”等。而他與陽光電源合作，還為該公司建成了“2MW雙饋型風力發電變流器試驗平臺”、“2MW同步直驅風力發電變流器試驗平臺”。這些實驗研究平臺基本上涵蓋了張興教授及其團隊近年來的大部分成果，在這些成果的基礎上，經過深入地自主研制，這些平臺已經開始發揮各自的功用，不僅大大促進了合肥工業大學新能源應用及其電力電子研究技術的發展，使其成為全國高校風力發電變流器研究條件一流的單位，也為國家支撐項目的取得與完成提供了良好的研究條件與基礎。
經過多年的拼搏，張興教授不僅在風力、太陽能并網發電的變流器技術的研究和工程應用方面取得眾多的成果，積累了大量研究與工程經驗，同時也為陽光電源以及電力電子行業輸送了一批高素質人才。從當年初次涉足光伏并網發電技術，到如今的MW級風電變流器的研制成功，在太陽能光伏并網、風力發電變流控制與驅動領域的多年研究，使他和團隊得到了錘煉和成長，逐漸發展為一支擁有2名教授、2名副教授、3名博士畢業的青年科研骨干教師以及近30名博士、碩士研究生的優秀團隊，在一起，他們總是能形成一股強大的科研力量。而與陽光電源長期的優勢互補合作，其科研水平經受了考驗，更是得到了升華。
生物質能不但會搶奪人類賴以生存的土地資源，更將會導致社會不健康發展；地熱能的大規模開發將導致區域地面表層土壤環境遭到破壞，將引起再一次生態環境變化；而風能和太陽能對于地球來講是取之不盡、用之不竭的健康能源，它們必將成為今后替代能源主流。
風力發電
目前，我國已超過美國，成為全球風電裝機容量最大的國家，同時也成為風能設備最大的生產國。隨著國內風電產業鏈日臻完善、研究規模不斷擴大，成本下降非常顯著，競爭力也逐漸增強，但是在產業鏈最上游的新型材料及半導體器件（控制芯片、電力電子器件等）研究方面仍較落后，主要研究工作集中在中下游的風電整機制造、關鍵零部件配套（發電機、電控、傳動系統等）以及并網技術領域。
沈陽工業大學在風電整機制造方面具有很強的實力，是我國最早從事風力發電技術研究的少數高校之一，設置有風能技術研究所，師資力量完善，先后承擔過多項大型橫、縱向課題，成果顯著。其設計的具有自主知識產權的1.5MW風電機組實現了產業化，占據一定的市場地位，產學研結合能力很強。
華北電力大學作為教育部直屬高校中唯一的以電力為學科特色的大學，成立了國內首家“可再生能源學院”，下設風能與動力工程專業，未來還將籌備生物質發電和太陽能利用專業。研究內容以大容量風力發電接入，對電力系統安全、穩定運行的影響為主，主要研究包括：風電場建模與仿真、風能資源測量與評估、風力發電機組狀態監測與故障診斷、風力發電機組只能控制與優化運行、低速風能利用策略與先進風力發電理論，充分發揮了其在電力系統方面的優勢。
重慶大學機械傳動國家重點實驗室，借助其在機械傳動領域的優勢，在風電機組齒輪箱設計、動態特性研究、工作模態測量及制造工藝方面有深入的研究，并且產學研結合。
汕頭大學新能源研究所在大型風電機組空氣動力學、結構強度及結構動力學研究方面頗有作為，自行開發了大型風力機優化設計系列軟件。
浙江大學流體傳動及控制國家重點實驗室對風力發電系統中的液壓技術有深入研究，包括風機制動系統、定槳距控制和變槳距控制等。
同濟大學機械工程學院在風電機組葉片動力學分析、結構優化設計、剛柔耦合系統模型分析方面經驗豐富。
東南大學在風力發電機研究、設計方面走在前列。近期又集合學校優勢學科，建立了風力發電研究中心，致力于以風力發電為核心的可再生能源發電及應用技術的基礎研究。
電控方面，清華大學、北京交通大學、中科院電工所都有很強的實力。清華大學電機工程與應用電子技術系原名電機工程系，歷史悠悠，師資力量雄厚，在風電接入對電力系統影響、風電機組建模仿真、風電變流器設計及控制等方面有深入研究。北京交通大學電氣工程學院早期隸屬于鐵道部，主要服務于我國軌道交通電傳動裝備產業，在大功率電力電子技術領域積累了豐富經驗，研究實力在國內高校處于領先地位。新能源研究所成立后從事大功率風電機組（直驅或雙饋）并網變流器、中大功率光伏發電逆變器、風電機組仿真及主控系統、微網技術研究，產學研結合能力很強。中科院電工所新能源發電技術研究組是國內最早研究風力發電、太陽光伏發電的單位之一，其大型并網風電機組控制及變流技術、變槳距控制技術以及風電場集中和遠程監控技術等較成熟，還有一些特色研究工作包括：風/光互補、風/柴系統及其控制逆變技術、控制逆變技術等。
光伏發電
光伏發電具有系統簡單以及維護方便等特點，應用面較廣，現在全球裝機總容量已經開始追趕傳統風力發電。太陽能發電主要分為并網電源系統和離網電源系統，目前大規模使用的主要是并網系統，一般包括光伏電池組件、光伏逆變器、配電柜、監控系統等。其中光伏電池組件將太陽能轉化成電能，光伏逆變器與風能變流器類似，可以將光伏電池組件產生的不穩定電能變成穩定的電能并入電網。
我國光伏業正處在爆發式增長期，中國大陸和臺灣的光伏電池廠商占全球總電池產量59%的份額。與風電產業鏈類似，除了最上游的化合物、硅片提純、加工外，我國已形成了較完整的光伏產業鏈，包括晶體硅、薄膜電池片及組件加工、光伏逆變器、系統集成、能源投資商等。
國內高校對于光伏系統研究主要集中于工程應用方面，合肥工業大學教育部光伏系統工程研究中心是我國迄今為止唯一的專門從事光伏系統技術研究的國家重要的科學研究基地，掛靠合肥工業大學電氣與自動化工程學院，主要從事光伏組件建模及仿真、光伏逆變器設計及控制、工程化應用等研究工作，產學研結合較好，承擔多個大型光伏電站設計工作。
海外院校
由于新能源行業涉及領域多、范圍廣，以及我國新能源行業開始起步，人才的缺乏已經成為極為突出的問題，國家、社會、高校、企業都在積極努力培養這方面的人才，學生的擇校就業也因此變得十分靈活。同時，也因為剛剛起步，目前面臨的多是工程應用技術類問題，因此我們的相關研究工作主要分布在中下游，從前面的介紹也可以看出，在新能源上游高端領域，由于技術壁壘很高，國內的研究工作相對較少，但是可以選擇留學歐美高校，得到更進一步的提高。
澳大利亞新南威爾士大學光伏研究中心，由有著“太陽能之父”之稱的馬丁·格林教授領導，專注光伏電池的研究，自上世紀80年代起，30年間畢業于新南威爾士大學光伏中心的中國留學生已經撐起了中國光伏產業的半壁江山。如今，在屈指可數的幾大領頭光伏企業中——尚德、中電光伏、英利、賽維LDK都有新南威爾士大學畢業生的身影，其科研實力可見一斑。
在歐洲，各國都十分重視新能源的開發利用。作為生態村理念的首創國，丹麥是能源問題解決得最好的國家之一。早在2006年，我國就與丹麥簽署了“可再生能源”合作項目，國內許多高校分別與丹麥高校開展聯系。丹麥奧爾堡大學能源技術學院在風力發電、分布式發電、電力系統、電力電子及控制技術等領域有深入研究經驗，并且與許多國家和組織開展合作，產學研實力很強。特別是在風力發電領域優勢突出，核心研究領域包括：風力發電機組及風電場的控制與監測、仿真、設計、優化。
隨著新能源技術發展以及各項政策效應的逐步顯現，開發利用新能源的成本將明顯下降，為人類清潔能源利用和產業結構升級帶來歷史性機遇，新能源終將成為今后世界上的主要能源之一。
Tips：新能源材料與器件專業優勢院校
文/南京航空航天大學 郭棟梁
該專業重點是研究與開發新一代高性能綠色能源材料、技術和器件（如通訊、汽車、醫療領域的動力電源），發展“新能源材料”(新型鋰離子電池材料、新型燃料電池材料和新型太陽能電池材料)的學術研究方向。
新能源材料與器件專業設置，主要依托化學化工學院，跨能源科學、材料科學、化學等多個學科，擬培養能掌握新能源材料專業基本理論、基本知識和工程技術技能，掌握新能源材料組成、結構、性能的測試技術與分析方法，了解新能源材料科學的發展方向，具備開發新能源材料、研究新工藝、提高和改善材料性能的基本能力的新能源材料專門人才。畢業生可在化學能源、太陽能及儲能材料等新能源材料領域從事科學研究與教學、技術開發、工藝設計等方面工作，也可繼續攻讀新能源材料及相關學科高層次專業學位。
新能源技術是21世紀世界經濟發展中最具有決定性影響的五個技術領域之一，新能源材料與器件是實現新能源的轉化和利用以及發展新能源技術的關鍵。新能源材料與器件本科專業是適應我國新能源、新材料、新能源汽車、節能環保、高端裝備制造等國家戰略性新興產業發展需要而設立的，是由材料、物理、化學、電子、機械等多學科交叉，以能量轉換與存儲材料及其器件設計、制備工程技術為培養特色的戰略性新興專業。
高校特色：
華東理工大學
以半導體材料技術、化學電源技術、太陽電池技術等為特色。未來就業集中在光伏太陽能、新能源開發和利用以及半導體材料器件的設計、化學電池開發等。
東南大學
依托電子科學與技術大類專業背景，專業內容側重光電子材料及其應用方面，主要針對太陽能材料制備、檢測和應用，可以拓展到生物能等其他新能源。
四川大學
光電功能材料與器件方向，在新型能源材料與技術、化合物半導體晶體材料與制備技術、介電功能材料與制備技術、固體波譜學等方面的研究取得了國內外同行公認的成就。光電信息功能晶體碘化汞和硒鎵銀的研制兩項成果分別獲得（1992年度和2000年度）國家發明二等獎和兩項部省級科技進步二等獎；鐵電薄膜研究獲得一項四川省科技進步一等獎，還獲得兩項部省級科技進步二等獎；薄膜太陽電池研究獲得一項中國高校發明二等獎。每年發表在國內外著名學術刊物和學術會議上的為《SCI》、《EI》所收錄的高水平論文40余篇次。
中圖分類號:TN919-34文獻標識碼:A
文章編號:1004-373X(2010)16-0195-03
Influence of Distributed Power Generation on Relay Protection
HANG Yang1,2, HUANG Wei1
(1.North China Electric Power University, Beijing 102206, China; 2.Beijing Electric Power Academy, Beijing 100075, China)
Abstract: With the development of renewable energy, the high efficiency and energy conservation of the distributed power generation can remit the requirement intensity of non-renewable energy, but it results in many new problems, such as power quality, power-network control and especially the relay protection. The influence of the distributed power generation on relay protection is introduced, and then the solutions are introduced. At last, some viable solutions are offered to the problems. The setting calculation with the adaptive relay protection for the distribution network that contains one or more distributed generations is analyzed.Keywords: new energy; distributed power generation; relay protection; power-network control; adaptive protection
0 引 言
由于近幾十年一次能源緊縮、環境污染等問題,世界各國加快了對可再生能源的開發與利用,分布式發電技術在電力系統中迅速發展起來。分布式發電(Distributed Generation,DG)技術指發電在數kW到50 mW,小型模塊化且分散地布置在用戶附近的高效、可靠的發電技術,發電設施主要包括:以液體或氣體為燃料的內燃機、微型燃氣輪機、光伏電池、風力發電、生物質發電等等。
原有的配電網絡加入分布式電源以后,潮流將發生改變,系統發生短路時的各線路或母線的短路電流也發生了改變,這可能導致原繼電保護的失效、保護誤動作及配合保護不適用等問題[1-3]。同時加入分布式電源的故障水平會發生改變,故障水平提高還是降低取決于運行的分布式電源數量和種類,故障水平的提高要求開關設備的升級,故障水平的降低可能會給過電流保護帶來問題。因此,對于關系電力系統安全穩定運行的繼電保護問題亟待解決,如提高其斷路器的容量和升級保護裝置[4],確定新的保護方案或采用新的繼電保護裝置等。
本文首先介紹分布式發電對繼電保護的幾點影響,然后總結了文獻中的一些解決方法,論文最討論了一些可行的方法,并分析了用自適應繼電保護對含有分布式電源的配電網進行整定計算的方法。
1 分布式發電對繼電保護的影響
分布式電源接入配電網絡最重要的一點是改變原來配電網絡的潮流方向,很多分布式電源,如光伏電池等發出的是直流電,需通過電力電子轉換設備將其轉換成交流電,這些電力電子裝置具有非線性、低慣性等特點,另外就是基于分布式發電的微型電網有多種運行方式,微網運行方式的改變無疑會影響繼電保護方案及整定計算的數值。下面從上述幾方面解釋分布式發電對繼電保護產生的影響。
(1) 在一定的電壓水平下, 電力系統功率可以雙向的流動,但是一般來說功率是從高電壓流向低電壓的。也就是從輸電網到配電網。分布式發電比例的增加可能使功率從低電壓電網流向中壓電網。因此這┝礁霆電壓等級可能需要不同的保護方案。
如圖1所示[5]的有五條饋線的分布式發電系統,如果短路發生在F2或F3,短路電流由G1、G2相鄰支路上的分布式發電(G3)單元及大網提供。與大網及其他支路的電源相比,如果G1或G2引起的短路電流比較大,通過斷路器及保險絲CB1的電流可能過低而斷路器不會動作切斷短路支路。如果在臨近饋線上的電源所提供的短路電流更顯著的話,CB4有可能誤動切除正常支路。按照技術標準(如IEEE 1547),當DG單元故障或非正常運行時,DG必須自動解裂,且一定要滿足保護的選擇性,以保證人身和設備的安全。將來分布式發電系統會越來越多,而上述要求降低了我們應用分布式發電的效益,因此,應該避免DG不必要的解裂來最大效益地使用DG,且DG系統應該有克服小擾動的能力,即在小擾動的情況下,配網仍能安全穩定的運行。
圖1 加入分布式電源的配電網絡
(2) 由于微網中含有大量的電力電子功率元件,故障時的短路電流比較小,常規的保護可能會不啟動,以至不能切除故障支路。
(3) 要想最充分有利的應用分布式發電,由分布式發電組成的微網必須與公共電網聯網。在大電網終止供電的孤島方式下運行必須考慮重要的技術要求(例如有能力提供自身輔助)和安全因素,當分布式電網重新并網運行時,DG單元必須與主網電壓同步,需采用安全可靠的并網保護裝置。
(4) 微網有3種運行方式:孤島運行方式、與大網聯網運行,大網與分布式電源同時供電的混合運行方式,各種運行方式下潮流的分布是不同的,電流的流向也會發生改變。所以,微網原有的保護定值和配合方法在運行模式變化后就會出現問題。怎樣解決各種運行模式下繼電保護都能滿足可靠性、選擇性、靈敏性和速動性是值得思考的問題。
2 文獻中提出的解決方法
[關鍵詞]太陽能 光伏發電 逆變 并網
中圖分類號：TK511 文獻標識碼：B 文章編號：1009-914X（2014）33-0363-01
1 概述
2013年年初，京津冀地區遭遇嚴重霧霾天氣； 10月份以后，大范圍霧霾污染又蔓延至哈爾濱、蘇州、上海、甚至三亞等地，全國范圍從北到南無一幸免。
據相關部門統計， 2013年的霧霾天數是中國近52年來的最多，創下歷史紀錄。
環保專家指出，導致空氣質量下降的污染物有二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、可吸入顆粒物、臭氧等。在一些地區，尤其是大城市，工業生產、機動車尾氣、建筑施工、冬季取暖燒煤等排放的有害物質難以擴散，導致空氣質量顯著下降。面對越來越嚴峻空氣污染形勢，尋找新能源成為當前面臨的迫切課題。照射在地球上的太陽能非常巨大，而且太陽能發電絕對干凈，不產生污染。所以太陽能被譽為是理想的能源。隨著太陽能光伏發電技術的發展，光伏發電已經不再只是作為偏遠無電地區的能源供應，而是向逐漸取代常規能源的方向發展。
本文主要討論太陽能光伏發電系統中電力電子技術的應用；介紹并網系統的組成特點；根據不同的電路拓撲，討論太陽能最大功率點跟蹤技術的實現方法。
2 太陽能光伏系統的組成
太陽能光伏發電系統是利用太陽能電池半導體材料的光伏效應，將太陽光輻射能直接轉換為電能的一種新型發電系統，有獨立運行和并網運行兩種方式。
與獨立供電的光伏系統相比，并網系統一般都沒有儲能環節，直接由并網逆變器接太陽能電池和電網。并網逆變器的基本功能是相同的。那就是，在太陽能電池輸出較大范圍內變化時，能始終以盡可能高的效率將太陽能電池輸出的低壓直流電轉化成與電網匹配的交流電流送入電網。
3 太陽能光伏系統的最大功率點跟蹤技術
實現太陽能光伏陣列的最大功率點跟蹤，實質上是一個自尋優過程。通過對光伏陣列當前時刻輸出電壓與電流的檢測，得到當前時刻光伏陣列輸出功率，再與已存儲的前一時刻光伏陣列功率值比較，舍小存大，再檢測，再相比較，如此不停地周而復始，便可使光伏陣列動態地工作在最大功率點上。
在一定溫度時，不同光照強度下太陽能電池的輸出特性曲線不同。每條曲線都存在著一個最大功率輸出點，并且這個點在當前的光照條件下是唯一的。在太陽能光伏系統中采用較多的一階MPPT正是利用了最大功率點的dp/dv為零的特性。先對太陽能電池的輸出電壓和電流進行連續的采樣，并將每次采樣的一組電壓電流數據相乘折合成功率值，然后減掉上一次采樣得到的功率值，即為功率差分值。當功率達到最大值時滿足式（1），同時還可以推得式（2）。
dP/dU=dUI/dU=UdI/dU+IdU/dI=0 （1）
UdI+IdU=0 （2）
令
ΔI=UdI （3）
ΔU=-IdU （4）
則當ΔU=ΔI時，即可近似認為達到最大功率點，這樣就構成了最經典的一階差分算法。
4 并網供電的太陽能光伏系統中的逆變器
光伏陣列所發的電能為直流電能，然而許多負載需要交流電能，如變壓器和電機等。直流供電系統有很大的局限性，不便于變換電壓，負載應用范圍也有限。除特殊用電負荷外，均需要使用逆變器將直流電變換為交流電。現在常用的逆變器有以下幾種。
1）方波逆變器
此逆變器輸出的電壓波形為方波，逆變器線路簡單，價格便宜，實現較為容易。缺點是方波電壓中含有大量的高次諧波成分，在負載中會產生附加的損耗，并對通信等設備產生較大的干擾，需要外加額外的濾波器。此類逆變器多見于早期，設計功率不超過幾百瓦的小容量逆交器。
2）階梯波逆變器
階梯波逆變器輸出的電壓波形為階梯波形，階梯波逆變器的優點是輸出波形接近正弦波，比方波有明顯的改善，高次諧波含量減少。但此逆變器往往需要多組直流電源供電，需要的功率開關管也較多，給光伏陣列分組和蓄電池分組帶來不便。
3）正弦波PWM逆變器
正弦波逆變器的優點是輸出波形基本為正弦波，在負載中只有很少的諧波損耗，對通信設備干擾小，整機效率高。缺點是設備復雜、價格高。
5 雙模式逆變器
為了方便應用，可以設計一種既可獨立運行，又可并網運行的光伏發電系統。該系統中的逆變器可以自由切換并網運行和獨立運行，并且保證在切換過程中對負載和逆變器無沖擊，實現平滑切換。可以采用了快速檢測并網開關和抑制電流突變的過渡算法，以實現三相系統并網/獨立的平滑切換。這種系統稱為三相雙模式逆變器發電系統。此系統中太陽能電池板組成光伏陣列，輸出不穩定的直流電。DC/DC 充電控制器連接電池板和蓄電池組，實現最大功率向蓄電池充電。 蓄電池可以在太陽輻照度變化和無太陽光時持續向逆變器供給直流電。三相逆變器的輸入級連接到蓄電池的直流母線上， 輸出接在帶有中心抽頭的變壓器上。這樣可以帶三相或單相負載運行。并網開關可以實現電網與負載、 逆變器的連接和斷開。當電網無電時，并網開關斷開，逆變器給負載供電。當電網有電時，并網開關閉合，負載由電網和逆變器共同供電，逆變器還可以將太陽能電池板發出的多余電能輸入到電網中，也可以利用電網給蓄電池充電。
6 結論
本文對太陽能光伏系統中的最大功率點跟蹤和逆變技術進行了討論。通過對并網光伏系統進行系統組成分析，比較其構成特點和電路拓撲，討論得出了各自適用的控制方法。文章最后介紹了一種可實現獨立運行與并網運行實時切換的雙模逆變器。從上述分析可以看到：太陽能光伏發電作為新能源的應用技術正在得到迅速發展，而電力電子技術作為其中的關鍵技術，對太陽能光伏發電應用的發展起著決定性作用。
參考文獻
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[3] 王長貴.新能源和可再生能源的現狀和展望.太陽能光伏產業發展論壇論文集，2003，9：4～17.
專業建設概況
專業定位。新能源科學與工程專業圍繞浙江大學“以人為本、整合培養、求是創新、追求卓越”的教育理念，以“培養知識、能力、素質俱佳，具有國際視野的新能源科學與工程專業拔尖創新人才和未來行業領導者”為宗旨，以新能源的開發、儲運、利用為特征，緊密結合學科前沿和行業發展需要，積極培養滿足國家戰略性新興產業的創新型人才。
培養目標。培養具備熱學、力學、電學、機械、自動控制、能源科學、系統工程等寬厚理論基礎，掌握可再生能源和新能源專業知識，能從事清潔能源生產、可再生能源開發利用、能源環境保護、新能源開發、工程設計、優化運行與生產管理的跨學科復合型高級人才。
課程設置。專業課程設置按照浙江大學“通識課程+大類課程+專業課程”體系進行構建，其中專業課程包含專業基礎課、專業核心課和專業實驗實踐課。專業基礎課的安排上，設置了如工程流體力學、工程熱力學、傳熱學、能源與環境系統工程概論等基礎課程，使學生具有熱學、力學、機械、能源科學和系統工程等寬厚理論基礎。專業核心課程開設了包括生物質能源、太陽能、風能、氫氣大規模制取的原理和方法、新型液體燃料能源等課程，旨在讓學生掌握新能源領域相關科學原理、工藝以及新技術研究發展趨勢方面的知識。在專業實驗實踐課程上，安排了新能源實驗、認識實習、風電風機課程設計、生物質發電系統課程設計等，使學生掌握新能源的有關實驗，掌握現場運行，工程設計和生產管理等知識，為今后從事新能源開發利用工作打下基礎。
專業建設特色
依托動力工程及工程熱物理國家重點一級學科平臺，浙江大學新能源科學與工程專業建設體現出鮮明的科研與教學相長的教學特色。
強大的學科平臺。能源系擁有國內一流的學科與科研優勢，具備國際競爭的實力。現有國家重點一級學科1個，一級學科博士點1個，國家重點實驗室1個，國家工程研究中心2個。設博士點8個、碩士點8個、博士后流動站1個。連續5年科研經費超過億元。依托強大的學科與科研優勢，以及不斷在學科交叉領域取得的創新型研究進展，為學生直接參與項目研究、在實踐中培養創新精神創造了條件；同時為優秀大學生繼續深造提供了寬廣的平臺。能源系在新能源領域已有大量的研究積累，開展了大量新能源的研究方向，如太陽能熱利用發電技術，生物燃料電池，微藻制油等，并已承擔了新能源方向的973項目2項，863項目多項。
一流的師資力量。能源系擁有一批在國際上具有競爭力的中青年人才，其中院士1人，“973計劃”項目首席科學家3人，長江學者獎勵計劃特聘教授6人，國家杰出青年基金獲得者5人，浙江省特級專家2人，國家百千萬人才工程人選7人，教育部跨世紀和新世紀優秀人才5人。全系教師隊伍具有博士學位比率達93.1%，已形成了一支知識結構、學歷結構和學緣結構優化、年齡結構合理、教育教學能力和研究能力突出、具有國際競爭力的教學團隊。在新能源專業方向上，已形成了由院士牽頭，5位長江學者和一大批教授為核心的新能源研究隊伍。
先進的教學模式。專業建設以拓寬專業基礎、專業知識面為宗旨，制訂與國家發展需求相適應的本科教學計劃和課程體系。科研成果通過教學改革、課堂教學、大學生科技創新活動、畢業論文（設計）等途徑，轉化為教學資源，實現教學科研互動，為學生創新能力的培養提供了平臺。能源系積極開展本科教學改革，“結合國家重大需求，創建能源與環境復合型人才培養新體系”獲2009年國家級教學成果二等獎；《工程熱力學》、《熱工實驗》課程獲國家級精品課程稱號；“國家級能源與動力實驗教學示范中心”2012年通過專家驗收。
開放的實踐體系。經過多年的建設，能源系建立和發展了與學科前沿及行業發展緊密結合的能源與動力創新型人才培養實驗實踐教學體系。依托動力工程及工程熱物理國家重點一級學科、能源清潔利用國家重點實驗室，以能源與動力國家級實驗教學示范中心建設為契機，通過實驗課程精品化、建設學生創新實驗室和節能減排實踐基地、開展以全國大學生節能減排競賽為代表的各類學生科技創新活動、與行業領軍企業共建創新實踐教學基地等形式，構建了多層次訓練、多學科交叉、全方位輻射的立體創新實踐平臺。
專業建設成效
學科資源與科學研究成果及時、有效地引入本科教學建設中，為本科教育提供了大量優質資源，有效地提升了教學質量。本科生對該專業的認同度高，目前該專業已經成為最受學生歡迎的熱門專業之一，學生主修專業確認平均績點在4以上，在工科專業中排名第三。
核心課程精品化建設。專業依托教師在新能源領域的前沿研究方向，將科研方法、體驗與成果引入課程，推進核心課程精品化建設。2013級培養方案修訂中，確定《太陽能》、《生物質能源》2門專業核心課程建設，并增設了《非常規天然氣和合成氣開發與發電技術》、《生物質直燃發電技術》、《新型液體燃料能源》等課程，優化了課程結構，體現了專業特色。
專業教材高質量建設。近年來，教師總結多年科研和教學經驗，出版了《能源與環境系統工程概論》、《能源工程管理》等2部“十一五”國家級規劃教材。出版了《熱學基礎》、《核電與核能》、《熱能專業英語閱讀與寫作》、《燃燒理論與污染控制》、《多孔介質燃燒理論與技術》、《二氧化碳捕集封存和利用技術》、《生物質液化原理及技術應用》等專業課程指導教材。
實驗教學創新性建設。教師結合新能源領域的科研項目研究成果和科研項目實驗臺開展新開實驗課程項目的建設與研究，開設了“硫碘熱化學循環制氫”、“流動和霧化的激光測量”、“生物能源實驗”等實驗項目，同時充分利用學科實驗室的設備為學生提供優質的實驗環境。
實習基地全面性建設。在校外實踐教學基地建設中，與東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司、上海鍋爐廠、浙能集團等9家企業簽訂了校企合作協議，并根據行業面向與專業培養目標，對校企合作的課程進行了合理的規劃，注重實習企業的交叉互補。如東方鍋爐、上海鍋爐廠等企業提供熱能轉化設備的實踐實習；深圳東方鍋爐控制有限公司提供熱能設備控制方面的實習；藍天環保等提供燃燒污染控制方面的實習；華電電力科學研究院提供測試方面的實習；廣州瑞明電力股份有限公司提供電廠整體的實習。上海鍋爐廠有限公司、東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司成為首批國家級工程實踐教育中心。
學生科技創新活動開展。能源工程學系打破教學、科研、學科實驗室界限，學生通過自主立項或參加教師的科研項目，自定實驗方案、自主完成大學生科研訓練計劃、節能減排競賽等課外科技創新活動。目前，新能源科學與工程專業本科生已獲得SRTP立項31項，浙江省大學生科技創新活動計劃項目3項，全國大學生創新創業訓練計劃項目1項；獲校級大學生節能減排學科競賽獎項15項，獲國家級大學生節能減排競賽三等獎1項。
未來專業建設的方向
形成特色鮮明的專業課程體系。順應國內外新能源產業發展趨勢，結合學科研究特色，進一步梳理現有課程設置，完善“重基礎、強實踐”的課程體系；進一步凸顯新能源科學與工程專業的建設特色，形成以力學、熱學為專業基礎教學內容，太陽能、生物質能、風能等新能源的開發、儲運、利用技術為專業核心教學內容，課內外實驗實踐環節相結合的專業課程體系。
關鍵詞：風光熱儲；新能源；電氣二次設計
中圖分類號：TM7 文獻識別碼：A 文章編號：1001-828X（2016）009-000-02
引言
作為能源戰略調整、轉變電力發展方式的重要內容，近年來，以風電、太陽能為代表的可再生能源發電技術在中國得到了快速發展。目前主流的太陽能發電技術主要有光熱發電與光伏發電兩種形式，其中太陽能光熱發電是通過光學聚焦原理，將太陽光通過拋物形鏡面聚集起來產生高溫，加熱傳熱介質，最后通過工作介質驅動熱動力裝置并帶動同步發電機發電。相對于光伏發電，光熱發電能實現電網大容量供電，是太陽能大規模利用的有效途徑之一，當前投資成本過高是限制光熱電站發展的主要障礙。風能利用的主流形式是采用風力發電機組（如雙饋風機、直驅永磁風機等）將風能轉換為50Hz的工頻交流電，并接入電網。與常規能源電站相比，風功率的可預測性和可控性均較差，其大量接入會顯著影響電能質量和電網穩定運行。將光伏、光熱與風能聯合構成發電系統，可顯著改善總體的有功輸出特性，提高電網運行的安全性和穩定性。本文依托風光熱儲智能互補綜合示范項目工程，介紹了太陽能光伏發電、太陽能光熱發電和風能發電三種型式聯合發電的電氣二次部分功能、電氣二次設計的方案。
一、項目總體介紹
深圳中科藍天包頭達茂旗600MW風光熱儲智能互補綜合示范項目立足于新能源，借助達茂旗地區豐富的太陽能資源與風能資源，通過風光熱儲智能互補，實現負荷平穩輸出。項目總規模600MW，建設發電形式為太陽能光伏發電、太陽能光熱發電和風能發電三種，其中光熱工程采用塔式集熱方式。
二、項目太陽能光伏、風能發電部分
1.逆變器選型
光伏并網逆變器按容量大小劃分主要有20kW、28kW、40kW、100kW、250kW、500kW、750kW、1000kW等幾種容量等級，一般大容量逆變器效率要高于小容量逆變器。但逆變器容量過大，一旦故障，電量損失較大。綜合以上兩因素，本項目采用單臺容量為500kW的逆變器。目前國內500kW逆變器技術已經成熟，廣泛應用到光伏發電系統中，性價比高，用戶反映良好。
逆變器按結構分為有隔離變和無隔離變兩種。從造價考慮無隔離變逆變器要優于有隔離變逆變器，且能減少每個逆變器室占地面積。因此，本項目選用無隔離變逆變器。
2.匯流箱接線方式及逆變器單元接線方案
本項目206MWp的光伏陣列可分為206個1MWp的光伏方陣，組成206個1MWp并網發電單元，每1MWp的并網發電單元的光伏組件都通過直流匯流裝置分別接至2臺500kW的逆變器。每個1MW光伏發電單元共安裝4032件260Wp光伏組件，每21件光伏組件串聯為一個支路，共192個支路，各支路平均分配接入14個PVC-16直流匯流箱，1至7號PVC-16直流匯線箱接入1面直流防雷配電柜，8至14號直流匯線箱接入1面直流防雷配電柜，共2面直流柜；每面直流防雷配電柜出線接入1面500kW逆變器柜，共2面逆變器柜。
3.光伏、風能發電部分升壓站UPS電源及直流電源
光伏、風能發電部分升壓站設置2套交流不停電電源（UPS），容量為10kVA。
升壓站采用控制負荷與動力負荷混合供電的220V直流電源系統，共裝設兩組220V閥控鉛酸蓄電池組，設置兩組充電裝置，充電裝置選用高頻開關型。每組蓄電池容量為400Ah。
4.光伏、風能發電部分二次線、繼電保護及自動裝置
（1）升壓站部分
光伏、風能發電部分升壓站電氣設備監控采用計算機監控系統，設置網絡監控系統，通過遠動工作站與中調、地調進行信息傳送和遠程監控。網絡監控系統采用分層分布式結構。主變壓器保護采用雙重化配置，非電量保護單套配置，保護裝置采用微機型、35kV配電裝置配置微機型綜合保護測控裝置。35kV線路及220kV線路側設置電能質量監測裝置。為防止升壓站電氣設備誤操作，設置一套微機五防閉鎖系統。本升壓站配置GPS/北斗星時間同步系統各1套，為保護和自動裝置提供時間同步信號。
（2）光伏區部分
光伏發電系統設備監控采用計算機監控系統，和升壓站監控系統共用上位機，由升壓站監控上位機統一進行管理。光伏監控系統通過光纖環網將光伏通信設備與升壓站監控系統站控層通信設備互聯。每個逆變器房設2臺直流配電柜測控單元用來采集每路直流回路的電流、直流母線電壓及直流空開的跳閘信號以及煙霧報警信號，并將其上傳給光伏發電計算機監控系統。箱式變壓器的運行狀態信號由就地設置的箱變智能測控單元采集，通過光纖網絡上傳給升壓站光伏監控系統。
匯流箱里的每組電池串配熔斷器作為整個電池串的保護，出線設直流空氣開關用來保護匯流箱至直流配電柜之間的電纜。逆變器設過流、單相接地、過載、過壓、欠壓、孤島保護、電網異常等保護。箱式變壓器高壓側設熔斷器作為變壓器內部的短路保護；低壓側設空氣開關，帶智能脫扣器，作為箱式變壓器至逆變器之間電纜的保護，同時兼做逆變器的后備保護。
（3）風電場部分
風電機組采用微機監控系統。微機監控系統分就地監控系統、遠程中央監控系統、遠程監測系統三部分。箱式變壓器的低壓側開關采用就地和遠方控制方式。
風力發電機設有過載、堵轉、短路、缺相、三相不平衡、過壓、失壓、溫度過高、振動超時、過速、電纜纏繞等保護。風電機組需監測電網的電壓、頻率，發電機的電流、功率、轉速、功率因數和風速，風向，葉輪轉速，液壓系統狀況，偏航系統狀況，系統狀況、齒輪箱狀況、軟啟動狀況，風力發電機組關鍵設備的溫度及戶外溫度等。
箱式變壓器的非電量信號及高壓熔斷器、刀閘、低壓開關的狀態、箱變內火災報警等信號由箱變智能監控單元采集，箱變智能監控單元通過光纖環網與變電站內監控系統的以太網交換機連接，箱式變壓器的控制及信號監視由升壓站監控系統來完成。
三、項目太陽能光熱發電部分
1.發電機及勵磁系統
光熱發電部分發電機采用交流勵磁機帶旋轉整流器的無刷勵磁系統，或機端自并勵靜態勵磁系統。自動電壓調節裝置（AVR）采用微機型，且為雙通道冗余配置，隨發電機成套供貨。
2.光熱發電機組UPS及直流系統
光熱發電部分每臺機組設置一套靜態型交流不間斷電源裝置（UPS），UPS容量為60kVA。UPS系統包括主機柜（靜態轉換開關、整流器、逆變器、輸入/輸出隔離變壓器、手動旁路開關）、旁路柜、饋線柜等。
本光熱發電機組采用控制負荷與動力負荷混合供電的220V直流電源系統，兩臺機組共裝設兩組220V閥控鉛酸蓄電池組，設置兩組充電裝置，充電裝置選用高頻開關型。UPS屏及直流屏布置在主廠房UPS及直流屏室內。
3.光熱發電機組二次線、繼電保護及自動裝置
光熱發電機組及廠用電源系統采用DCS集中控制方式，僅在LCD操作臺上留有發電機斷路器、滅磁開關的緊急跳閘按鈕。發變組及廠用電源操作員站布置在主廠房集控室內。
光熱工程220kV升壓站設備采用微機監控方式，設置網絡監控系統，通過遠動工作站與中調、地調進行信息傳送和遠程監控。網絡監控系統操作員站布置在主廠房集控室內。
光熱工程發電機變壓器組、高壓廠用電源、啟動/備用變壓器保護裝置采用微機型，保護采用雙重化配置，非電量保護單套配置，保護屏布置在主廠房電子設備間內。6kV廠用設備保護采用綜合測控保護裝置，380V廠用電動機保護采用智能馬達控制器。
每臺光熱發電機組設置1套自動準同期裝置和1面發變組故障錄波裝置柜。6kV工作段每段裝設1套微機型快速切換裝置。機組測量及自動裝置柜布置在主廠房電子設備間。為防止升壓站電氣設備誤操作，設置一套微機五防閉鎖系統。光熱機組配置GPS/北斗星時間同步系統各1套，為保護和自動裝置提供時間同步信號。
四、總結
本論文的內容主要是風光熱儲電廠項目的電氣二次設計特點及方案。本設計首先對項目概況及規模進行總體分析，其次是介紹該項目太陽能光伏、風能發電部分的主要設計方案，下一步就是介紹該項目太陽能光熱發電部分的主要設計方案。在設計過程中還要對相關圖紙（主接線圖、保護配置、監控系統、自動裝置） 進行選擇和繪制，希望本論文能夠使我們對風光熱儲電廠項目結構和設計理論有進一步的理解和認識，對新能源電力系統有更深的了解。
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