鲁 江，程 航，何希萍

（1.甘肃开放大学 理工农医学院，甘肃 兰州 730050；
2.兰州工业学院 电气工程学院，甘肃 兰州 730050）

2020年9月22日，我国在联合国大会上提出：“提高国家自主贡献力度、采取更有力的的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取在2060年前实现碳中和。”要实现双碳目标，需要大力发展新能源。风能是重要的新能源，具有广阔的发展前景。风力发电工程技术是一门理论性和实践性很强的专业，对于培养更多具有风电技术的人才，推动风力发电技术的发展，促进风能的更好更快利用，具有重要意义。围绕这个专业进行所有实验的建设，需要很大的场地和投资，既不现实，也无必要。因此，建立虚拟仿真实验，客观上可以为教好学好该专业的理论和实践知识提供有效途径[1]。

风力发电工程技术由风能、风力机、定桨距风力发电机组、变桨距风力发电机组及控制系统等五部分内容组成。这些内容阐述了风能的产生及利用，风力机的结构及原理，风力机的种类及其异同，风力机的运行及控制，风能的储存等。应该说，风力发电工程技术专业课程的内容涉及物理学、气象学、机械、电气、化学及通信、计算机等方面的知识，具有内容多、跨度大、难度大的特点。这就决定了课程的学习有一定的难度，如果要学好的话，难度就更大了[2]。

风力发电工程技术专业涉及发电、机械、电气控制、电气设备、电力传输、风电场选址等多种学科，它包括风力发电存储、传输等相关的技术和设备及系统，又包括地物识别技术、智慧能源技术等，基础课程具有理论性强、知识面广、综合实践强的特点。专业特点决定了风力发电工程专业课程实验多，实验设备体积庞大、造价昂贵，一台风电机组都在百万，运行过程中还需要经常维护，经费和场地限制了实验内容的拓展。学生的时间和精力使实验时间的安排成为难题[3]，受时空限制，教师很难在有限的时间内细致地指导学生进行实验，理论课程与实验课程有脱节的现象。教材提供的实训项目多为固定的、按部就班的进行，缺乏灵活性，限制了学生的创新意识。虚拟仿真不受时空限制，通过模拟的操作环境达到现实的实验体验，灵活性高，虚拟仿真增加了学生操作的安全性，可以多次重复实验，增加学生的认知和领悟。

风力发电工程技术虚拟仿真实践平台框架如图1所示：

图1 风力发电工程技术虚拟仿真实践平台

虚拟仿真平台采用模块化设计，由基础实验模块和专业综合实训模块两部分组成，基础实验模块包括电工实验、电子学实验、交流电路仿真实验和电气识图四部分，专业仿真实验包括风能机械部件加工与检测试验、风电场综合实验、风力发电机组控制实验和风力发电机组运行与维护实验。风力发电工程技术虚拟仿真实践平台采用模块化建设可以实现多种课程实践内容的交叉融合，从而达到多种内容丰富的项目设计式综合性实践。基础实验模块以电路实验中常用电子元器件参数测试为例，通过实验达到以下的教学目的：

1.掌握电子电路实验中常用的电子仪器仪表的使用方法；

2.掌握二极管、三极管参数以及常用电子元器件参数的测量的方法；

3.掌握用利用示波器观察模拟或数字信号波形和绘制波形的方法。

实验内容：

1.示波器的使用；

2.函数信号发生器的使用；

3.双路直流稳压电源的使用；

4.电阻、电容数值的读取；

5.检测二极管、三极管的参数。

实验中要对各种电子仪器进行综合使用，可按照信号流向、调节容易、观察方便等原则进行合理布局，各仪器与被测实验装置之间的布局与连接如图2所示。虚拟仿真实验可以采用Saber仿真软件，学生可以从元件库中拖拽电阻、电容、电感、开关、电源等来组建完整的仿真线路以实现电路串并联、瞬态响应分析等，通过所学的理论知识进行推导分析一阶电路的响应特性，用实际电路仿真波形加以验证。

图2 电路实验中常用电子仪器布局图

在风力发电机组综合实训中，以风力发电技术这门专业课为例，为了学生更好地掌握专业知识，在认真总结教学内容的基础上，在风电场综合实验中可以建设风能功率预测预报仿真实验，风力发电仿真实验及储能仿真实验[4]。通过这三个虚拟仿真实验，除了加深对相关理论知识的理解和掌握以外，可以熟悉新能源功率预测技术模块操作使用方法及应用场景，掌握风能功率预测技术、风能功率预测方法和性能指标要求；
熟悉风力发电仿真系统的操作使用方法及应用场景，掌握风力发电技术、风力发电仿真系统的风向图的操作、风机成组控制操作和风机冷态启动；
了解储能在电力系统发-输-用等环节的重要作用、控制方法以及运行策略等，对于在有限的时间内，比较系统而又较好地掌握风力发电技术，起到事半功倍的作用。根据课程内容的不同，相应的虚拟仿真实验的建设也是不同的[5]。对于风能预测预报虚拟仿真实验，按照图3所示的流程进行建设：

图3 风能预测预报虚拟仿真实验建设流程

通过图3所示的仿真实验，可完成风能方面的理论学习，会进行风电场实际风速、预测风速、实际功率、预测功率的查询，风电场风能数据的储存、对比以及风能的预测展示（可通过图像或列表的方式）。

对于风力发电仿真实验及储能仿真实验，按照图4所示的流程进行建设：

图4 风力发电仿真实验建设流程

通过图4可完成风力机的结构学习与运行前的检查以及风力机在各种可能情况下的模拟运行。其中的冷态启动，主要是检验风机的工作性能，即通过厂用母线送电和设定微风，风机处于停机模式两个方面的仿真，可以判断风机运行是不是处于正常工作状态[6]。

（1）厂用母线送电（2）设定微风，风机处于停机模式

开机是模拟风电场不同风力机的可能不同实际工作状态，进行仿真实验。共有以下几种可能情况。

（1）风机投入单机控制模式，人工开机

（2）风机投入成组控制模式开机

（3）设定额定风速，风机额定负荷运行

（4）设定大于额定风速的风速，风机额定负荷运行

（5）设风机处于风暴下，停止运行

（6）定不同风向的风速，风机额定负荷运行

新能源风力发电技术将储量巨大的风能转化为电能，对现有能源消费体系形成有力的补充。风力发电和储能仿真系统如图5所示。

图5 风力发电和储能仿真系统

风力发电和储能仿真实验计划完成储能移峰实验和风力平抑功能两个方面的仿真实验，其中储能移峰实验包括风力发电上网电量、储能电量及其控制及移峰功率控制三个方面的仿真实验，风力平抑功能包括平抑前后功率、储能荷电状态、平抑前后功率波动率三个仿真实验。

风力发电工程技术虚拟仿真实验综合平台是一项复杂的系统工程，单靠一所大学来建设不太现实，因为投入太大，也没有必要，可以采用校校、校企、学校与公司等多种联合方式共同建设，通过对外购买、合作研发、自主研发等形式进行开发，如西安理工大学建设的风电场漫游、风功率预测等仿真实验[7]都可以吸纳到此平台中。学生通过实验综合平台的实际操作，提升了对风力发电方面理论知识的理解，能够提高创造性和动手能力，在实践中创作出学生的毕业设计项目，对学生将来的工作也有极大的帮助，培养出具有创新性的风电急需人才。

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