《新能源發(fā)電與控制技術 第4版》-顏文旭 教學大綱

《新能源發(fā)電與控制技術》課程教學大綱課程名稱：新能源發(fā)電與控制課程編碼：學分：2.0總學時：32理論學時：32實驗學時：0上機學時：0實踐學時：0開設實驗（上機）項目總數0個，其中，必修（）個，選修（）個開課單位：適用專業(yè)：電氣工程及其自動化、自動化、電氣及信息類或能源與動力類相關專業(yè)一、課程的性質、目的本課程是電氣工程及其自動化專業(yè)的專業(yè)自主課程，屬于能力拓展課程性質。該課程綜合學生先修的自動控制原理、電力電子技術、電機及其拖動基礎等課程的知識，涉及新能源的形式、電力電子變換技術、新能源發(fā)電及其控制技術，包括風力發(fā)電、光伏發(fā)電、氫能及氫燃料電池發(fā)電、生物質發(fā)電、核能發(fā)電、海洋能發(fā)電、分布式能源與儲能技術，以及新能源應用技術等內容，具有理論聯系實際的突出特點，從系統(tǒng)的角度培養(yǎng)學生綜合應用知識進行系統(tǒng)分析與綜合的能力，對電氣信息類學生掌握新能源發(fā)電與控制領域的前沿專業(yè)知識和技能，提高理論聯系實際的能力，起著重要的作用。學習該課程后，使學生逐漸具有新能源發(fā)電與控制技術的系統(tǒng)觀念、工程觀念、創(chuàng)新觀念。二、課程培養(yǎng)目標1.立德樹人本課程面向電氣工程學科實際應用對象，系統(tǒng)地講述不同類型的新能源發(fā)電形式及其控制方法。課程本身不僅教授豐富的理論知識，同時也從實際應用的角度闡明風電、光伏、生物質能發(fā)電、核電等多種綠色可再生能源的發(fā)展及應用進程，可以培養(yǎng)學生重視客觀規(guī)律、遵循客觀規(guī)律的科學理念。此外，針對于同種發(fā)電形式，可以采取不同的能源轉換方法及控制方案，通過對控制方案進行不斷的改進與完善，能夠培養(yǎng)學生的辯證思維能力，幫助學生建立科學的思維方法，培養(yǎng)學生精益求精的大國工匠精神，以及勇于面對挑戰(zhàn)的科研精神。2.課程目標通過本課程的學習，學生所具備的素質、掌握的技能、知識和能力如下：課程目標1.能夠掌握新能源發(fā)電的常用方式、基本特征及不同發(fā)電形式的適用場合。掌握電能變換器的常用器件類型、器件特征及基本電能變換電路結構。具備器件選型能力，能夠根據使用場合設計電能變換功率的驅動及保護電路。課程目標2.能夠掌握風力發(fā)電系統(tǒng)構成及風力發(fā)電機的工作原理，熟悉風力發(fā)電機的定槳距調節(jié)、變槳距調節(jié)及偏航系統(tǒng)調節(jié)方法。掌握風力發(fā)電機組恒速恒頻和變速恒頻控制原理，并能夠根據不同發(fā)電機類型設計合理的并網策略。課程目標3.掌握太陽能光伏發(fā)電原理、太陽能發(fā)電系統(tǒng)構成、光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤控制技術、獨立式光伏系統(tǒng)原理及控制方法和并網式光伏系統(tǒng)工作原理及并網控制策略，且能夠利用Matlab軟件進行最大功率跟蹤控制技術的仿真，具備簡單光伏發(fā)電系統(tǒng)初步設計能力。課程目標4.掌握氫能及燃料電池發(fā)電與控制技術、其他形式新能源的發(fā)電技術，生物質能發(fā)電與控制技術、核能及其應用技術、水能與水力發(fā)電技術、海洋能利用與發(fā)電、地熱能發(fā)電與應用，熟悉氫能及燃料電池發(fā)電及其控制技術、沼氣發(fā)電技術基本原理與控制策略、垃圾燃燒發(fā)電技術及其控制策略、核能發(fā)電、水力發(fā)電、海洋能地熱能等發(fā)電的基本原理。課程目標5.掌握分布式能源特征及利用形式、分布式供電與儲能技術、直流微網關技術、交直流微網關鍵技術、功率因數校正方法、諧波治理與補償技術、三相交流電壓控制技術等。了解新能源應用技術，電動汽車技術、多電飛機、新能源空鐵技術、新能源船舶等的基本原理和形式特點。具備結合仿真結果或試運行結果進行分布式發(fā)電系統(tǒng)控制方案改進和實施的能力。3.課程目標對畢業(yè)要求的支撐本課程教學目標支撐的畢業(yè)要求主要體現在畢業(yè)要求指標點2-4H、3-3H、4-2L、6-2H、8-2M（參考），具體如下：課程目標對畢業(yè)要求的支撐課程目標畢業(yè)要求支撐畢業(yè)要求指標點及其內容教學內容支撐強度指標點畢業(yè)要求指標點內容12．工程知識：能夠將數學、自然科學、工程基礎和專業(yè)知識運用于解決電氣工程領域的復雜工程問題。指標點2-4具有電氣工程專業(yè)領域的核心專業(yè)知識，能夠用于電力電子與電力傳動系統(tǒng)設計、電能變換和運動控制等復雜工程問題的表述、建模和求解；第1、2章H6．使用現代工具：能夠針對電氣工程領域復雜工程問題，開發(fā)、選擇與使用恰當的技術、資源、現代工程工具和信息技術工具，以達到對復雜工程問題的模擬仿真與預測，并能夠理解其局限性。指標點6-2能夠將現代技術工具應用于復雜工程問題中，并能夠對其可行性進行分析預測；22．工程知識：能夠將數學、自然科學、工程基礎和專業(yè)知識運用于解決電氣工程領域的復雜工程問題。指標點2-4具有電氣工程專業(yè)領域的核心專業(yè)知識，能夠用于電力電子與電力傳動系統(tǒng)設計、電能變換和運動控制等復雜工程問題的表述、建模和求解；第3章H3．問題分析：能夠應用數學、自然科學和工程科學的基本原理，通過識別、表達和文獻研究對電氣工程領域復雜工程問題的特點或特征進行研究分析，并得到有效結論。指標點3-3能夠運用工程科學原理對電氣工程領域復雜工程問題進行識別和表達；H33．問題分析：能夠應用數學、自然科學和工程科學的基本原理，通過識別、表達和文獻研究對電氣工程領域復雜工程問題的特點或特征進行研究分析，并得到有效結論。指標點3-3能夠運用工程科學原理對電氣工程領域復雜工程問題進行識別和表達；第4章H6．使用現代工具：能夠針對電氣工程領域復雜工程問題，開發(fā)、選擇與使用恰當的技術、資源、現代工程工具和信息技術工具，以達到對復雜工程問題的模擬仿真與預測，并能夠理解其局限性。指標點6-2能夠將現代技術工具應用于復雜工程問題中，并能夠對其可行性進行分析預測；H42．工程知識：能夠將數學、自然科學、工程基礎和專業(yè)知識運用于解決電氣工程領域的復雜工程問題。指標點2-4具有電氣工程專業(yè)領域的核心專業(yè)知識，能夠用于電力電子與電力傳動系統(tǒng)設計、電能變換和運動控制等復雜工程問題的表述、建模和求解；第5、6章H3．問題分析：能夠應用數學、自然科學和工程科學的基本原理，通過識別、表達和文獻研究對電氣工程領域復雜工程問題的特點或特征進行研究分析，并得到有效結論。指標點3-3能夠運用工程科學原理對電氣工程領域復雜工程問題進行識別和表達；H52．工程知識：能夠將數學、自然科學、工程基礎和專業(yè)知識運用于解決電氣工程領域的復雜工程問題。指標點2-4具有電氣工程專業(yè)領域的核心專業(yè)知識，能夠用于電力電子與電力傳動系統(tǒng)設計、電能變換和運動控制等復雜工程問題的表述、建模和求解；第7、8章H8．環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展：能夠理解和評價電氣工程領域復雜工程問題的工程實踐對環(huán)境、社會可持續(xù)發(fā)展的影響。指標點8-2熟悉環(huán)境保護的相關法律法規(guī)，理解電氣工程領域復雜工程問題的工程實踐過程對環(huán)境與社會可持續(xù)發(fā)展可能產生的影響；H三、課程教學基本內容第1章新能源發(fā)電與控制技術導論(支撐課程目標第1條)1.1能源儲備與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略1.2能源的分類與基本特征1.3新能源發(fā)電與儲能及應用技術1.4新能源發(fā)電的主要控制技術1.5新能源技術的主要應用概要教學要求：通過課堂教學、課外閱讀和課后作業(yè)，要求學生了解世界能源儲備及可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要性、能源分類的方式及其基本特征。掌握新能源發(fā)電的基本類型和不同類型發(fā)電形式過程中能源變換方式及新能源發(fā)電控制技術。能夠根據不同的發(fā)電形式對其當前發(fā)展狀態(tài)、使用需求及未來發(fā)展?jié)摿ψ龀稣_的評價。教學重點：能源分類及其基本特征、能源轉換基本形式、新能源發(fā)電的主要控制技術的講解教學難點：能源轉換基本形式、新能源發(fā)電主要控制技術的講解第2章電力變換和控制技術基礎知識2.1電力電子器件2.2電力電子器件的使用2.3電力變換電路基礎2.4新能源電力變換常用拓撲2.5電力變換調制技術2.6電力變換常用控制技術教學要求：通過課堂教學和課后作業(yè)，要求學生了解常用電力電子器件及其使用，并能根據使用場合進行器件的初選。掌握電力變換電路的基本原理，能夠對電力電子器件驅動電路及保護電路進行簡單設計；熟悉新能源電力變換常用拓撲，理解軟開關直流變換器、三電平DC/DC變換器及多電平變換器的基本工作原理；熟悉電力變換的空間矢量PWM調制技術及載波比較PWM技術；熟悉電力變換的基于經典控制理論、基于狀態(tài)空間理論、重復控制、無差拍控制等控制的基本原理。通過本章知識的學習初步具備新能源電力電子、電力變換及控制技術的分析及設計能力。教學重點：功率電路驅動及保護設計、電力變換拓撲及常用控制技術講解教學難點：電力變換電路、調制技術及控制技術講解第3章風能、風力發(fā)電與控制技術3.1風的特性及風能利用3.2風力發(fā)電及其工作原理3.3風力機的調節(jié)與控制3.4風力發(fā)電機組的控制3.5風力發(fā)電機組的并網與安全運行3.6風力發(fā)電機組監(jiān)控與運維系統(tǒng)教學要求：通過課堂教學和課后作業(yè)，要求學生熟悉風力發(fā)電機組的組成及基本工作原理，了解定槳距和變槳距調節(jié)的原理和特點。掌握風力發(fā)電機組恒速恒頻和變速恒頻控制方式的基本工作原理和系統(tǒng)控制特性。理解異步風力發(fā)電機和同步風力發(fā)電機的工作方式，并掌握并網控制的基本原理。具備風力發(fā)電系統(tǒng)結構組成、發(fā)電控制、并網控制及安全運行與監(jiān)控的基本知識。教學重點：風力發(fā)電機組槳距控制方式、風力發(fā)電機組頻率及并網控制教學難點：風力發(fā)電機組變速恒頻和恒速恒頻基本原理第4章太陽能、光伏發(fā)電與控制技術4.1太陽輻射及太陽能利用4.2光伏發(fā)電原理與太陽能電池4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制技術4.4光伏發(fā)電系統(tǒng)的結構及原理4.5光伏發(fā)電組網技術4.6光伏發(fā)電的其他技術問題教學要求：通過課堂教學和課后作業(yè)，要求學生能夠理解太陽能發(fā)電基本原理和特點，熟練掌握光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制技術，并能夠利用Matlab對最大功率跟蹤策略進行初步仿真研究。掌握光伏發(fā)電系統(tǒng)與控制技術基本原理，理解光伏發(fā)電系統(tǒng)的結構及原理作用。掌握光伏發(fā)電組網技術，理解頻率跟蹤技術、鎖相技術在系統(tǒng)中的作用及原理。教學重點：光伏發(fā)電系統(tǒng)原理、光伏發(fā)電控制技術及組網技術原理教學難點：光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT技術，光伏發(fā)電的組網技術第5章氫能及燃料電池發(fā)電與控制技術5.1氫能5.2氫燃料電池5.3氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)5.4氫能發(fā)電控制技術教學要求：通過課堂教學和課后作業(yè)，要求學生掌握氫能及氫燃料電池的基本概念；掌握氫燃料電池及其發(fā)電系統(tǒng)的結構與工作原理；熟悉氫能發(fā)電系統(tǒng)的控制技術。教學重點：氫燃料電池及其發(fā)電控制技術教學難點：氫燃料電池及其發(fā)電控制技術準第6章其他形式新能源的發(fā)電技術6.1生物質能發(fā)電與控制技術6.2核能及其應用技術6.3水能與水力發(fā)電技術6.4海洋能利用與發(fā)電6.5地熱能發(fā)電與應用教學要求：通過課堂教學和課后作業(yè)，要求學生了解生物質能發(fā)電與控制技術，了解核能發(fā)電的基本形式和核能和平利用的必要性，了解核反應堆的基本工作原理和核反應堆裝置的基本結構。了解水能及水力發(fā)電技術、海洋能利用與發(fā)電、地熱能發(fā)電與應用的基本原理。教學重點：生物質能發(fā)電與控制技術、核反應堆的工作原理教學難點：生物質能發(fā)電與控制技術、核能及其發(fā)電技術第7章分布式能源與儲能技術6.1分布式能源的特征及其應用6.2儲能技術種類及其應用6.3微電網與儲能系統(tǒng)混合組網技術6.4微網中的儲能系統(tǒng)控制技術6.5分布式能源及儲能技術的綜合利用教學要求：通過課堂教學和課后作業(yè)，要求學生理解分布式能源及儲能技術的特征及應用。了解分布式供電與儲能技術在分布式微網中的作用，并能夠根據應用場合描述出不同分布式能源的角色劃分。掌握直流微網和交直流微網的多單元混合組網技術，并能夠針對電網存在的諧波、功率不平衡等問題，提出相應解決方案。教學重點：分布式供電技術、微網與儲能系統(tǒng)混合組網技術教學難點：微網電能質量治理方法第8章新能源應用技術8.1電動汽車技術8.2多電飛機8.3新能源空鐵技術8.4新能源船舶技術8.5新能源助力電力行業(yè)碳中和實現教學要求：通過課堂教學和課后作業(yè)，要求學生了解新能源應用技術，主要包括電動汽車技術、多電飛機、新能源空鐵技術、新能源船舶技術。熟悉新能源應用的電動汽車、多電飛機、空鐵、船舶等的基本原理及其控制方法，了解新能源助力電力行業(yè)碳中和實現的方式。教學重點：電動汽車技術、多電飛機、新能源空鐵、新能源船舶教學難點：電動汽車、飛機、空鐵、船舶的新能源應用方式四、學時分配表教學內容思政融入點講課時數實驗時數實踐學時上機時數自學時數習題課討論時數第1章新能源發(fā)電與控制技術導論通過介紹新能源發(fā)電的方式、應用及意義培養(yǎng)學生建立可持續(xù)能源發(fā)展理念。2第2章電力變換和控制技術基礎知識通過學習電力變換的基本方法，培養(yǎng)學生重視客觀規(guī)律、遵循客觀規(guī)律的科學理念。8第3章風能、風力發(fā)電與控制技術通過風力發(fā)電知識的學習，培養(yǎng)學生的綠色能源使用理念。5第4章太陽能、光伏發(fā)電與控制技術通過太陽能發(fā)電知識的學習，培養(yǎng)學生建立應用綠色能源意識。5第5章氫能及燃料電池發(fā)電與控制技術通過氫能及燃料電池發(fā)電知識的學習，培養(yǎng)學生的環(huán)保觀念。2第6章其他形式新能源的發(fā)電技術通過生物質能、核能、海洋能、地熱能發(fā)電知識講解，讓學生了解當前我國生物質能、核能技術的發(fā)展，培養(yǎng)學生的愛國情懷和榮譽感。2第7章分布式能源與儲能技術通過分布式能源與儲能系統(tǒng)混合組網技術的學習，加深學生對實踐是檢驗真理唯一標準的理解。6第8章新能源應用技術通過新能源應用技術的學習，增強學生的新技術發(fā)展創(chuàng)新意識與時代緊迫感和民族自豪感。2合計320總計32五、實驗（上機）項目無實驗上機項目。六、教學方法本課程以課堂教學為主，輔以課后作業(yè)幫助學生學習新能源發(fā)電相關知識及應用發(fā)展情況。授課過程能夠靈活運用多媒體教學，并借助于線上線下教學平臺加強師生互動。對于重要知識點，采用啟發(fā)式教學，通過提出問題、分析問題、解決問題的思路進行授課,潛移默化地培養(yǎng)學生利用所學電氣工程專業(yè)知識解決新能源發(fā)電與應用工程問題的能力，強調對于所學知識的靈活應用，引導學生建立工程應用意識，加深對于理論知識的理解和掌握，并提高工程實踐能力。七、課程考核及成績評定考核方式：考查考試形式：平時+期末大作業(yè)評定方式：優(yōu)秀、良好、中等、及格、不及格五級制該課程為考查課，考核方式以課堂聽講、平時作業(yè)和大作業(yè)，成績評定中平時成績40%、大作業(yè)60%，最后考核成績采用優(yōu)秀、良好、中等、及格、不及格五級制。課程考核內容、考核形式及支撐課程目標課程目標（指標點）考核內容考核形式及占比（％）成績課堂提問作業(yè)測評平時測試實驗報告課程報告課程論文期中考試期末考試總比(％)課程目標