韓平平， 張　宇， 陳凌琦， 吳紅斌， 王　磊

(合肥工業(yè)大學(xué) 安徽省新能源利用與節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 安徽 合肥 230009)

0　引言

“電力系統(tǒng)分析”課程包含兩部分:電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析和電力系統(tǒng)暫態(tài)分析[1，2]，筆者在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)：由于課程所研究的對象是規(guī)模龐大的電力系統(tǒng)，涉及到多個單位、多臺設(shè)備，用實(shí)際運(yùn)行的具象來驗(yàn)證課堂中學(xué)習(xí)的理論知識實(shí)屬不可能，只能通過對電力系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，以此分析電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。專業(yè)知識過于抽象，學(xué)生興趣不高，導(dǎo)致教學(xué)效果一直不是特別理想。

再則，能源危機(jī)與環(huán)境污染促使以清潔能源(如風(fēng)能、太陽能)為原材料的新能源發(fā)電迅速發(fā)展，和傳統(tǒng)火電、水電不同，新能源發(fā)電具有隨機(jī)性、分布式等特點(diǎn)。新能源發(fā)電的大量接入對電力系統(tǒng)的發(fā)展帶來了巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)[3,4]。在此大背景下，作為電力系統(tǒng)專業(yè)的主要課程，“電力系統(tǒng)分析”課程的教學(xué)方法也應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)，在基礎(chǔ)知識講解、案例教學(xué)以及能力提升環(huán)節(jié)等方面加以引導(dǎo)和改進(jìn)，提高課程教學(xué)質(zhì)量，以適應(yīng)培養(yǎng)更多創(chuàng)新型電氣工程類人才的需要。

1　前沿知識講解，擴(kuò)充知識廣度

一般地，課程概述的內(nèi)容不會特別受學(xué)生重視，如果在概述中融入前沿知識的介紹及其與社會發(fā)展、課程內(nèi)容、未來生活方式等的聯(lián)系，這一知識的擴(kuò)充將有助于加深學(xué)生印象，引導(dǎo)學(xué)生思考，提升學(xué)生興趣。

在電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析的第一章中，根據(jù)現(xiàn)代電力系統(tǒng)發(fā)生的變化，擴(kuò)充一些新知識內(nèi)容。比如電源的構(gòu)成，增加風(fēng)能、太陽能、潮汐能等新能源發(fā)電方式，負(fù)荷的構(gòu)成，從原來的電動機(jī)和電燈為主的內(nèi)容里，增加整流裝置、電熱裝置和電動汽車等。

在引入這些擴(kuò)充的知識時(shí)，筆者首先引導(dǎo)學(xué)生思考能源和負(fù)荷構(gòu)成的變化可能會導(dǎo)致電力系統(tǒng)發(fā)生哪些變化，然后從以下3個方面對涉及的知識進(jìn)行了講解。

首先，從電源來講，新能源的引入是能源發(fā)展的必然趨勢，但新增的可再生能源發(fā)電和傳統(tǒng)火電、水電、核電有很大不同，由于可再生能源發(fā)電的清潔性、隨機(jī)性、不可控性，對電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整、負(fù)荷的功率分配等都將產(chǎn)生影響，在對含新能源發(fā)電的系統(tǒng)進(jìn)行建模和頻率調(diào)整分析時(shí)，必須要考慮新能源的資源條件，發(fā)電設(shè)備的出力規(guī)律等。

其次，可再生能源發(fā)電，往往需要經(jīng)過濾波、直流變交流等環(huán)節(jié)從而引入大量整流裝置，這些裝置在推動新能源并網(wǎng)的同時(shí)，也成為電力系統(tǒng)新的重要無功負(fù)荷，因?yàn)樗鼈冊谶\(yùn)行時(shí)需要消耗大量的無功，對電力系統(tǒng)的無功補(bǔ)償?shù)呐渲?、電壓管理等也提出了新的要求?/p>

再次，這些新能源發(fā)電的引入，也將影響到我們未來的生活方式。筆者在制作第一章教案時(shí)，特意準(zhǔn)備了含風(fēng)能、太陽能等多種新能源的smart grid(智能電網(wǎng))的視頻，學(xué)生看完后產(chǎn)生了許多感悟，明白了智能電網(wǎng)不只是單純的開燈、關(guān)燈那么簡單，自己家里也可以裝上可再生能源發(fā)電裝置，自己可以支配、控制家里的用電設(shè)備，甚至，家中的電動汽車不僅是用電設(shè)備，還有可能成為電能存儲設(shè)備，自家的發(fā)電裝置在高電價(jià)時(shí)還可以向電網(wǎng)賣電賺取收入，學(xué)習(xí)興致一下子就被提起來了。smart grid視頻截圖如圖1所示。

圖1　smart grid視頻截圖

從教學(xué)效果來看，通過對前沿知識的擴(kuò)充，將電力系統(tǒng)中新能源的接入和課程后續(xù)章節(jié)內(nèi)容聯(lián)系起來，和未來社會發(fā)展聯(lián)系起來，增加了學(xué)生的使命感，有助于端正學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度，提高學(xué)習(xí)興趣。

2　開發(fā)教學(xué)案例，加深知識理解

“電力系統(tǒng)分析”課程偏重于對實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模并進(jìn)行理論分析，理論推導(dǎo)和分析是這門課的難點(diǎn)之一。尤其是電力系統(tǒng)暫態(tài)分析，它涉及系統(tǒng)的一個動態(tài)演化過程，用數(shù)學(xué)公式來表示這個過程，顯然不能給學(xué)生直觀的感受。教材中雖然有部分實(shí)測波形，但數(shù)量很少，而且教師本人也不能依據(jù)運(yùn)行條件的變化對其進(jìn)行改變，學(xué)生對這些理論的推導(dǎo)似懂非懂，教學(xué)效果不理想。

實(shí)際上，電力系統(tǒng)行業(yè)已開發(fā)出許多專業(yè)的軟件，用于電力系統(tǒng)的研究和運(yùn)行，借助這些軟件，開發(fā)教學(xué)案例，給學(xué)生演示電力系統(tǒng)中各變量的動態(tài)演化過程，將有助于加深學(xué)生對知識的理解。

例如，在電力系統(tǒng)暫態(tài)分析第二章，同步發(fā)電機(jī)SG(Synchronous Generator)空載情況下突然短路的物理過程分析中，教材(參考文獻(xiàn)2)上給出的短路波形如圖2所示。

圖中，橫坐標(biāo)是時(shí)間，但沒有具體的標(biāo)注，中間省略了很長一段波形，學(xué)生理解起來很費(fèi)勁。特別地，當(dāng)發(fā)電機(jī)參數(shù)改變時(shí)，短路電流波形會發(fā)生哪些變化？沒有動態(tài)波形圖印證，學(xué)生對這個問題的認(rèn)識很模糊。

圖2　SG短路后電流實(shí)測波形

圖3　單機(jī)無窮大系統(tǒng)圖

圖4　仿真模型中的短路電流波形

對比圖4-6，不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)次暫態(tài)電抗減小時(shí)，短路電流的初始幅值有明顯提高。另一方面，改變短路時(shí)刻，次暫態(tài)電流的大小、電流最大值發(fā)生的相位也各不相同。這和文獻(xiàn)[4]中推導(dǎo)的理論公式(1)完全對應(yīng)。

圖5 仿真模型中的短路電流波形

圖6　改變短路時(shí)刻，次暫態(tài)電流波形變化圖

(1)

類似的，在穩(wěn)態(tài)分析的潮流計(jì)算、無功功率的最優(yōu)分配、暫態(tài)分析的不對稱短路分析計(jì)算、功角穩(wěn)定等部分的知識，都可以借助電力系統(tǒng)仿真軟件，如PowerWorld、Matlab、PSD-BPA、PSCAD等制作案例，作為教案的重要補(bǔ)充部分[7-9]。學(xué)生在課堂上認(rèn)識了這些軟件，在后續(xù)的學(xué)習(xí)或工作中，也可以自己動手制作案例或解決新的問題，動手能力和創(chuàng)新能力都將有所提高。

3　能力提升環(huán)節(jié)，延伸知識深度

“電力系統(tǒng)分析”課程一般用課后作業(yè)和期末考試衡量學(xué)生掌握知識的水平，這種教學(xué)考查過于強(qiáng)調(diào)學(xué)生接受知識的能力，對學(xué)生創(chuàng)新能力的考察和培養(yǎng)不足，因此，需要在考查中加入能力提升環(huán)節(jié)，以延伸所學(xué)知識的深度。

2015年3月份，筆者所在學(xué)院開展了本科生進(jìn)科研團(tuán)隊(duì)開展創(chuàng)新項(xiàng)目的活動，從科研項(xiàng)目“分布式能源在節(jié)約型校園建設(shè)中的應(yīng)用研究”(校內(nèi)資助項(xiàng)目)中，選出“光伏發(fā)電在合肥工業(yè)大學(xué)中的應(yīng)用研究”作為課題，交給學(xué)生來做。該課題旨在通過應(yīng)用電力系統(tǒng)分析的基本計(jì)算—潮流計(jì)算，得到新能源接入我校后對校內(nèi)電網(wǎng)各主要節(jié)點(diǎn)的電壓質(zhì)量的影響。

學(xué)生在完成這個課題的過程中，既需要將新能源發(fā)電和學(xué)校的實(shí)際供電系統(tǒng)結(jié)合起來為系統(tǒng)建模，還需要學(xué)習(xí)新的知識，補(bǔ)充將新能源發(fā)電的出力特性，并應(yīng)用所學(xué)知識對新能源接入前后的電壓質(zhì)量進(jìn)行分析，對學(xué)生的創(chuàng)新能力要求較高。但由于題目和課程結(jié)合較緊密又順應(yīng)當(dāng)前發(fā)展趨勢，學(xué)生學(xué)習(xí)的欲望很強(qiáng)烈。筆者在實(shí)際指導(dǎo)學(xué)生做這些項(xiàng)目時(shí)發(fā)現(xiàn),雖然學(xué)生開始接觸課題時(shí)非常被動，但在自己查閱資料以及和教師的溝通過程中，學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和解決問題能力均迅速得到提升；另一方面教師在指導(dǎo)學(xué)生的過程中，增加了和學(xué)生交流的時(shí)間，對學(xué)生學(xué)習(xí)的優(yōu)勢點(diǎn)、薄弱點(diǎn)等把握會更加精準(zhǔn)，有助于提高教學(xué)質(zhì)量。

圖7為學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)施過程中利用DIgSILENT/Powerfactory軟件繪制的光伏接入合肥工業(yè)大學(xué)配電系統(tǒng)的示意圖。

4　結(jié)語

新能源發(fā)電快速發(fā)展背景下電力系統(tǒng)改革過程中對電力系統(tǒng)專業(yè)人才的需求必將有更高的要求，本文從基礎(chǔ)知識講解、案例設(shè)計(jì)、能力提升等幾個環(huán)節(jié)出發(fā)，提出了新能源接入背景下“電力系統(tǒng)分析”課程教學(xué)方法的改進(jìn)，有助于推動課程教學(xué)方法與時(shí)俱進(jìn)，提高學(xué)習(xí)效果，培養(yǎng)和提升學(xué)生的創(chuàng)新能力。

圖7　光伏接入合肥工業(yè)大學(xué)配電系統(tǒng)圖

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