呼夢穎　段建東　姬軍鵬　王建華　李潔

摘 要：作者針對《電力系統(tǒng)綜合實踐》課程中高電壓、高危險、故障不可逆的新能源發(fā)電并網系統(tǒng)實體實驗難以開展的問題，在采集分散式風電場現(xiàn)場數據和場景的基礎上，構建了現(xiàn)場數據與場景驅動的分散式風電并網運行控制虛擬仿真實驗。將此實驗引入電力系統(tǒng)綜合實踐的實驗教學中，不但能彌補實體實驗的不足，有助于學生感性直觀地理解和掌握新能源電力系統(tǒng)的控制原理，同時加強學生的綜合設計分析能力和自主創(chuàng)新能力，提高了教學效果，具有良好的推廣性。

關鍵詞：電力系統(tǒng)綜合實踐;實驗教學;虛擬仿真實驗;分散式風電

中圖分類號：G434? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1673-8454（2020）10-0038-04

一、引言

《電力系統(tǒng)綜合實踐》是西安理工大學電氣工程及其自動化和智能電網信息工程專業(yè)開設的一門重要的專業(yè)實踐課，該課程內容主要包括電力系統(tǒng)的組成結構、運行原理、潮流計算及仿真分析，使學生更好地掌握電力系統(tǒng)基本知識，掌握潮流計算、故障計算和穩(wěn)定計算方法，提高學生的綜合設計能力。

目前大部分高校的相關課程實踐一般以PSS/E軟件對傳統(tǒng)電力系統(tǒng)進行潮流計算，利用Matlab軟件進行仿真分析或傳統(tǒng)教學儀器實驗為主[1]。一些高校引入了新能源發(fā)電并網相關內容，但由于發(fā)電系統(tǒng)高電壓、高危險特征和實驗室條件限制，難以開展實體實驗，學生只能進行Matlab仿真[2][3]，不能進行新能源發(fā)電整體系統(tǒng)級的實踐學習，與當前發(fā)展迅速的新能源發(fā)電產業(yè)實際脫節(jié)，學生很難掌握行業(yè)前沿技術，難以培養(yǎng)滿足新能源產業(yè)發(fā)展需求的創(chuàng)新型電氣工程人才。

虛擬仿真實驗教學是新時代教育背景下的新型教學模式[4][5]，借助3D虛擬技術和專業(yè)仿真分析，可解決高電壓、高危險、大功率、故障不可逆的新能源發(fā)電系統(tǒng)實體實驗難以開展的問題，實現(xiàn)校內外實驗教學資源共享。將風電場與配電網現(xiàn)場采集的穩(wěn)態(tài)運行數據和故障暫態(tài)場景融合，在電力系統(tǒng)綜合實踐的教學中構建了風電分散式并入配電網漫游認知、風電場穩(wěn)態(tài)運行中并網功率預測、風電機組故障暫態(tài)中低電壓穿越控制三位一體的虛擬仿真實驗，實施了基于虛擬仿真實驗的教學方法。教學結果表明，該教學方法有助于學生感性直觀地理解和掌握新能源發(fā)電系統(tǒng)的運行原理，培養(yǎng)學生的綜合分析設計能力和解決復雜工程問題能力，具有良好的教學效果。

二、虛擬仿真實驗建設需求

1.提升實驗教學質量需求

2017年7月，教育部辦公廳印發(fā)《教育部辦公廳關于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》[6]，提出虛擬仿真實驗教學項目是拓展實驗教學內容的廣度和深度、延伸實驗教學時間和空間、提升實驗教學質量和水平而采取的重要舉措。開展電氣專業(yè)的虛擬仿真實驗教學，順應教育信息化發(fā)展需求，解決傳統(tǒng)實驗教學中“做不到”“做不好”“做不了”“做不上”的問題，將高電壓、高危險、大功率等實驗“搬”進本科實驗課堂，對于提高實驗教學質量，培養(yǎng)學生的實踐、創(chuàng)新能力具有重要意義。

2.新能源革命帶來的沖擊較大

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)受新能源發(fā)電、全球能源互聯(lián)網、泛在電力物聯(lián)網等技術的影響越來越明顯，新能源技術的變革是傳統(tǒng)電力行業(yè)轉型的必然趨勢[7][8]，其中風力發(fā)電因其清潔性和可再生利用等優(yōu)勢已成為新能源發(fā)電的重要部分，我國2018年開啟了風電分散接入配網的建設新高潮。

傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)綜合實踐教學模式已不能滿足新能源產業(yè)革命對人才的需求。改革教學模式，采用網絡版虛擬仿真實驗進行教學可更感性、直觀地展示新能源發(fā)電并網系統(tǒng)的新技術和新方法，有助于學生掌握前沿技術，為新能源產業(yè)發(fā)展輸送人才。

3.高危高壓的風電系統(tǒng)難以開展實體實驗

風力發(fā)電系統(tǒng)電壓等級通常在10kV以上，塔筒高度為50m以上，機艙狹窄，變流器具備故障不可逆性，所以這類實驗平臺構建成本高，傳統(tǒng)實驗室不具備實驗條件;風電場現(xiàn)場實習危險系數大，學生可以查看風電機并網穩(wěn)態(tài)運行和暫態(tài)控制的效果，但是無法看到其中的運行方法和控制策略。虛擬仿真實驗系統(tǒng)可復現(xiàn)風力發(fā)電系統(tǒng)的工作原理和控制策略，并將涉及課程的理論知識結合起來，形成綜合性的實踐平臺。

三、虛擬仿真實驗系統(tǒng)及實踐教學示例

分散式風電是位于負荷中心附近，不以大規(guī)模遠距離輸送電力為目的，所產生的電力就近接入當地電網進行消納的風電項目[9]，因此分散式風電是當前風力發(fā)電的主要發(fā)展方向。分散式風電并網運行與控制系統(tǒng)是保障風電安全、穩(wěn)定、可靠運行的關鍵技術和核心裝備。筆者選取分散式風電場作為實驗對象，將3D虛擬技術和專業(yè)仿真軟件的定量仿真分析結合，構建分散式風電并網運行控制虛擬仿真實驗系統(tǒng)，結合電力系統(tǒng)綜合實踐課程需求，設計了風電分散式并入配電網漫游認知、風電場穩(wěn)態(tài)運行中并網功率預測、風電機組故障暫態(tài)中低電壓穿越控制的實驗內容。

1.風電分散式并入配電網漫游認知

學生根據線路或箭頭提示，身臨其境地在風電虛擬仿真實驗系統(tǒng)中進行各設備自主巡游，學習路線包括塔筒底部、機艙內部、主控室以及從透視角度觀看風機，塔筒底部漫游界面如圖1所示。

實驗系統(tǒng)穿插某風電場現(xiàn)場采集的場景（見圖2），并配備知識講解，學生的學習內容不僅有虛擬內容，還包括風電場現(xiàn)場場景及理論知識，這種學習方式可以幫助學生加深對理論知識的理解，并可以感性、直觀地掌握分散式風電場的組成結構和運行控制原理。

2.風電穩(wěn)態(tài)運行中并網功率預測

風電穩(wěn)態(tài)運行并網功率預測實驗融合了風電場現(xiàn)場采集的2012—2019年穩(wěn)態(tài)運行數據，包括發(fā)電機功率、發(fā)電機轉速、風向實時值、風速和機艙外溫度等，這些數據為學生后續(xù)進行風電功率預測課題研究提供數據支撐。該模塊風電功率預測算法包括時間序列法、神經網絡法、支持向量機法和極限學習機法，這4種方法涵蓋了傳統(tǒng)方法和新型方法。學生自主選擇4種功率預測算法，首先學習預測原理及預測流程，在每種算法中完成答題，考察學生對預測算法的掌握程度，鞏固學生對理論知識的理解。學生自行設計預測參數，如隱含層節(jié)點數、參數尋優(yōu)步長等，觀測不同參數對預測精度的影響，并記錄于圖3的表中。通過學習該實驗模塊，學生對比不同預測方法的優(yōu)缺點，培養(yǎng)學生的自主學習能力和綜合設計能力。

3.風電機組故障暫態(tài)中低電壓穿越控制

考慮到變流器的安全性和暫態(tài)故障不可逆性，風電場現(xiàn)場無法進行實際極端短路故障模擬。虛擬仿真實驗系統(tǒng)融合了風電場現(xiàn)場的極端故障暫態(tài)場景，如風機著火、塔筒倒塌等，通過3D虛擬技術和低電壓穿越控制仿真的定量化分析，為學生提供風電機組短路故障模擬實驗條件。

引導學生學習低電壓穿越控制仿真模型、勵磁控制和Crowbar電路控制原理并設計參數，幫助學生掌握低電壓穿越控制算法。學生自主選擇不同的電壓跌落工況，對比雷擊引起電壓不同程度跌落下風電并網點電壓、電流、有功功率和無功功率波形，提示學生觀測風機轉速、Crowbar裝置和變流器電流變化。在每個工況實驗完成后，學生完成答題，考察學生對該工況下控制原理和控制策略的掌握程度，實驗結果及答題如圖4所示。

該實驗采集了近三年某示范性工程的風電機組低電壓穿越控制現(xiàn)場試驗數據，學生可以自主選擇不同年份的典型案例，將現(xiàn)場數據和仿真數據對比分析，總結真實分散式風電場的低電壓穿越控制方法，培養(yǎng)學生的綜合設計和分析能力。

四、實驗教學方法的創(chuàng)新性

1.情景式教學——融合風場真實場景

在電力系統(tǒng)綜合實踐教學中引入現(xiàn)場數據與場景驅動的風電虛擬仿真實驗，打破了以潮流計算和仿真分析為主的教學模式。實驗中涉及到的風輪、發(fā)電機等與真實風電場一致，并穿插以某風力發(fā)電場現(xiàn)場實際運行圖片和視頻，學生置身于虛擬場景和真實場景之中，體驗設備巡游和實際操作，實現(xiàn)情景式的教與學。

2.互動式教學——學生交互操作答題

在實驗過程中，學生以第一視角漫游風電場，參與到風電場并網運行和故障處理中，同時學生在深入學習之后回答實驗系統(tǒng)中設置的問題，實現(xiàn)深度互動式教學，鞏固對理論知識的理解，幫助學生掌握控制算法，提升教學效果。

3.案例式教學——大量真實案例應用

低電壓穿越控制模塊中的現(xiàn)場故障數據還原采用典型案例方式，故障及低電壓控制參數取自風電場現(xiàn)場真實數據。在教師指導下，學生自主選擇不同年份的典型案例，對比仿真結果與真實數據，分析風電場現(xiàn)場并網系統(tǒng)采取的控制方法，展開討論、對比分析、歸納總結，同時修改仿真參數，觀察和分析實驗現(xiàn)象，使學生掌握低電壓穿越控制方法，培養(yǎng)學生的綜合應用能力。

4.開放式教學——鼓勵學生探索創(chuàng)新

風電并網功率預測實驗模塊中，編程窗口和4種風電功率預測算法的代碼完全開放，學生能夠自主編寫或改進預測程序;低電壓穿越控制的仿真模型完全開放，學生能夠改進模型，優(yōu)化控制策略，研究低電壓穿越的控制方法。通過開放式教學，激發(fā)學生探索熱情，增強學生的自主創(chuàng)新能力。

5.科研反哺式教學——學生掌握前沿技術

實驗系統(tǒng)中風電并網功率預測和低電壓穿越控制模塊緊密結合風電科研項目，由科研成果轉化而來，體現(xiàn)了科研反哺教學。這種教學方法能夠使學生了解風電行業(yè)的研究熱點和難點，掌握行業(yè)前沿研究技術，為行業(yè)發(fā)展輸送人才。同時持續(xù)完善虛擬仿真實驗，不斷融入新的科研成果，促進教學深入改革。

五、結語

針對《電力系統(tǒng)綜合實踐》課程中高電壓、高危險、故障不可逆的新能源發(fā)電并網系統(tǒng)實體實驗難以開展的問題，筆者緊密結合風電科研項目，構建了現(xiàn)場數據與場景驅動的分散式風電并網運行控制虛擬仿真實驗，實施了基于虛擬仿真實驗的電力系統(tǒng)綜合實踐創(chuàng)新性教學方法。這種教學模式有助于學生感性直觀地掌握新能源發(fā)電系統(tǒng)的運行原理，培養(yǎng)學生的綜合設計能力和探索創(chuàng)新能力，學生可以學習新能源行業(yè)前沿技術，為全球能源互聯(lián)網、泛在電力物聯(lián)網產業(yè)發(fā)展培養(yǎng)高科技人才。實踐表明，基于虛擬仿真實驗的新型教學方法具有較強的推廣性和示范性，對高校新能源發(fā)電類虛擬仿真資源建設和難以開展實體實驗的課程實踐教學改革具有借鑒意義。

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[9]劉嘉超，劉建偉，王明等.典型分散式風電工程電力系統(tǒng)接入優(yōu)化設計[J].電網與清潔能源，2019，35（6）：60-68. （編輯：魯利瑞）