面向獨(dú)立有限容量的“電力系統(tǒng)分析”教材建設(shè)研究

摘要：為滿足新增電力工程及其自動(dòng)化專業(yè)建設(shè)需求，對(duì)以裝備電力系統(tǒng)為對(duì)象的“電力系統(tǒng)分析”課程教材建設(shè)展開研究，首先分析指出國(guó)內(nèi)現(xiàn)有教材存在的針對(duì)性不強(qiáng)和部分內(nèi)容缺失的問(wèn)題；然后從裝備電力系統(tǒng)構(gòu)成角度出發(fā)，構(gòu)建了涵蓋發(fā)電、輸電、變電、配電、用電、儲(chǔ)電和管電七個(gè)部分的課程體系；最后，提出了涵蓋原理級(jí)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)功能、仿真級(jí)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)功能、工程級(jí)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)功能于一體的教研一體化仿真資源平臺(tái)，經(jīng)課堂教學(xué)實(shí)踐檢驗(yàn)，收效良好。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)分析；獨(dú)立；有限容量；仿真

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）23-0021-02

一、教學(xué)內(nèi)容改革的必要性

目前軍械工程學(xué)院（以下簡(jiǎn)稱“我院”）“電力系統(tǒng)分析”課程采用由孟祥萍主編、高等教育出版社出版的《電力系統(tǒng)分析》。[1]該教材基于電力院校的“電力系統(tǒng)分析”課程教學(xué)內(nèi)容，為了滿足學(xué)時(shí)減少的教學(xué)要求，精簡(jiǎn)后編寫而成；以公用電網(wǎng)無(wú)限大容量電力系統(tǒng)為對(duì)象，圍繞著潮流計(jì)算、系統(tǒng)有功和無(wú)功功率最優(yōu)分布和系統(tǒng)受到干擾后能否維持穩(wěn)定運(yùn)行等方面展開，著重于輸電網(wǎng)絡(luò)的分析與計(jì)算。[2]

我院的電力工程及其自動(dòng)化專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)是為大型復(fù)雜武器裝備培養(yǎng)電力保障人才，面向的是獨(dú)立、有限容量電源供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)特征決定了“電力系統(tǒng)分析”課程的教學(xué)內(nèi)容以系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估、電源與武器裝備動(dòng)態(tài)過(guò)程的關(guān)聯(lián)特性分析為重點(diǎn)，具體體現(xiàn)于系統(tǒng)電磁量和機(jī)械量的振蕩調(diào)整分析等方面。現(xiàn)有出版教材存在針對(duì)性不強(qiáng)和部分內(nèi)容缺失的問(wèn)題，亟需開展教材建設(shè)研究，以滿足專業(yè)人才培養(yǎng)需求。[3]

二、教材建設(shè)研究

1.定位課程教學(xué)內(nèi)容

以某裝備電力系統(tǒng)構(gòu)成為例，如圖1所示。

該系統(tǒng)主要是以交流中頻220V/400Hz為基礎(chǔ)的供電體制，除向相關(guān)系統(tǒng)供電外還可由電源變換器、靜止變流器轉(zhuǎn)換成直流27.5V、單相115V/400Hz和單相220V/50Hz的交流電，用以滿足多種用電設(shè)備的需要。可見其屬于獨(dú)立、有限容量電源供電系統(tǒng)，同樣具有發(fā)電、輸電、變電、配電、用電五個(gè)環(huán)節(jié)，考慮到勵(lì)磁系統(tǒng)在電能調(diào)整中的重要作用，需要新增包括勵(lì)磁系統(tǒng)的管電環(huán)節(jié)，為了使得電能質(zhì)量在系統(tǒng)的頻繁振蕩調(diào)整中得到保證，還需新增儲(chǔ)電環(huán)節(jié)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征明顯區(qū)別于民用電力系統(tǒng)。

綜上所述，構(gòu)建“電力系統(tǒng)分析”課程體系，需要正確處理繼承與更新之間的關(guān)系，一方面保留以往教材的發(fā)電、輸電、變電、配電、用電部分的共性內(nèi)容并加以改造，另一方面遵循“教學(xué)與科研結(jié)合，科研服務(wù)教學(xué)”的教研相長(zhǎng)理念，開展科學(xué)研究并適時(shí)將科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源增補(bǔ)管電、儲(chǔ)電兩部分內(nèi)容，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行更新；最終形成涵蓋發(fā)電、輸電、變電、配電、用電、管電、儲(chǔ)電七個(gè)組成部分的課程體系。重新定位系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的教學(xué)內(nèi)容如下。

（1）元件建模內(nèi)容

1）發(fā)電、管電環(huán)節(jié)：裝備電力系統(tǒng)電源采用的是內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)形式以凸極式為主，因此教學(xué)內(nèi)容包括abc坐標(biāo)下同步電機(jī)有名值方程、派克變換、dq0坐標(biāo)下同步電機(jī)有名值方程、d軸和q軸等值電路、運(yùn)算電抗及實(shí)用參數(shù)和同步電機(jī)實(shí)用模型，[4]其中，由于有限容量電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、容量小，一般采用有名值計(jì)算，對(duì)標(biāo)幺制弱化處理，對(duì)凸極式發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型予以重點(diǎn)講解，運(yùn)算電抗及實(shí)用參數(shù)作為新增重點(diǎn)內(nèi)容。新增勵(lì)磁系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型[5]作為管電環(huán)節(jié)的主要組成部分。

2）輸電環(huán)節(jié)：裝備電力系統(tǒng)各個(gè)組成部分之間主要采用電纜連接，結(jié)合電力系統(tǒng)仿真軟件PSCAD中的電纜模型說(shuō)明其結(jié)構(gòu)與建模方法，刪除架空輸電線路模型的相關(guān)內(nèi)容。

3）變電、配電環(huán)節(jié)：由于系統(tǒng)用電設(shè)備種類多、電壓制式多樣，因此配備了較多的電能變換裝置，變壓器的數(shù)學(xué)模型以小容量變壓器為主，電能變換裝置包含整流器、逆變器工作原理和數(shù)學(xué)模型的建立方法。[4]

4）儲(chǔ)電環(huán)節(jié)：介紹超級(jí)電容器、飛輪儲(chǔ)能等新型儲(chǔ)能裝置。[6]

5）用電環(huán)節(jié)：感應(yīng)電動(dòng)機(jī)作為主要的用電設(shè)備，包含感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程、恒速投入系統(tǒng)時(shí)三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)電磁暫態(tài)、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程動(dòng)態(tài)分析、突加負(fù)載時(shí)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)過(guò)程和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)瞬間斷電重新投入系統(tǒng)時(shí)的動(dòng)態(tài)過(guò)程分析。[7]

（2）系統(tǒng)建模內(nèi)容。結(jié)合裝備電力系統(tǒng)存在較多電能變換裝置的特點(diǎn)，以變頻器供電時(shí)交流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行分析作為系統(tǒng)分析側(cè)重點(diǎn)，包含變頻器供電的特點(diǎn)、方波變頻器供電時(shí)三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行分析和脈寬調(diào)制變頻器供電時(shí)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行分析等；[7]同時(shí)，本著“教學(xué)出題目、科研做文章、成果進(jìn)課堂”[8，9]的教研相長(zhǎng)理念，將科研成果引入課堂，靈活應(yīng)用MATLAB/Simulink、PSCAD/EMTDC等多種仿真軟件開展案例教學(xué)，改進(jìn)教學(xué)方法。

1）案例教學(xué)一：柔性配電技術(shù)在軍用供電系統(tǒng)中的應(yīng)用仿真研究。[10]

提出問(wèn)題：野戰(zhàn)條件下的武器裝備強(qiáng)調(diào)可靠性、機(jī)動(dòng)性、維修性等指標(biāo)，我國(guó)軍用配套移動(dòng)電站在設(shè)計(jì)時(shí)形成了“重發(fā)輕供”的思想。隨著高技術(shù)化、大型復(fù)雜武器系統(tǒng)電氣化、信息化程度的不斷提高，基于計(jì)算機(jī)、微處理器控制的信息設(shè)備和電力電子設(shè)備在武器系統(tǒng)中大量投入使用，它們對(duì)系統(tǒng)干擾比傳統(tǒng)的機(jī)電設(shè)備更加敏感；同時(shí)，畸變電壓、諧波等電能質(zhì)量指標(biāo)惡化會(huì)使得燃油損耗增加，機(jī)組壽命降低。系統(tǒng)作戰(zhàn)效能對(duì)其供電平臺(tái)—電站的依賴作用不斷增大，為此類裝備提供優(yōu)質(zhì)電力支持成為配套軍用電站面對(duì)的新課題。

分析問(wèn)題：柔性配電技術(shù)（D-FACTS）是改善低壓電網(wǎng)運(yùn)行特性的有力工具，將其應(yīng)用于軍用供電系統(tǒng)，可以改善電能質(zhì)量，保證用電裝備的特殊要求，提高電力保障水平。

解決問(wèn)題：利用Mannitoba HVDC研究中心的PSCAD/EMTDC軟件建立系統(tǒng)仿真模型并演示。運(yùn)行系統(tǒng)模型，從仿真運(yùn)行結(jié)果曲線上對(duì)比分析有無(wú)DSTATCOM裝置時(shí)系統(tǒng)側(cè)電壓和電流的變化情況，主要從野戰(zhàn)電力支持環(huán)境下需要滿足的軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 235A-97中的瞬態(tài)電壓調(diào)整率、電壓穩(wěn)定時(shí)間的瞬態(tài)性能指標(biāo)兩個(gè)方面進(jìn)行比較分析。從仿真運(yùn)行曲線可以明顯看出，配置DTATCOM裝置后，在維持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，減小諧波電流方面效果明顯。

展望：在軍用移動(dòng)電站供電的場(chǎng)合，DSTATCOM裝置配合作為獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)模塊的異步發(fā)電機(jī)取代發(fā)電機(jī)的方案在可維護(hù)性等方面具有較大優(yōu)勢(shì)，可以通過(guò)進(jìn)一步完善DSTATCOM裝置的控制系統(tǒng)以適應(yīng)新需求。

2）案例教學(xué)二：內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的自激異步發(fā)電系統(tǒng)建模仿真研究。[11]從學(xué)科專業(yè)方向之一的自激異步發(fā)電出發(fā)，引入內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)自激異步發(fā)電系統(tǒng)建模仿真研究成果，使得學(xué)生了解學(xué)科前沿。

提出問(wèn)題：籠型異步發(fā)電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固、價(jià)廉、易維護(hù)等突出優(yōu)點(diǎn)，在風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源發(fā)電過(guò)程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。尤其在飛機(jī)、艦艇、野戰(zhàn)電力支持等獨(dú)立供電系統(tǒng)中的作用日益突出。軍用移動(dòng)電源多采用內(nèi)燃機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，不同于風(fēng)能、太陽(yáng)能等能源形式。太陽(yáng)能、風(fēng)能受自然條件影響較大，能量密度小，不便于野戰(zhàn)條件下的快速展開和撤收。因此只適用于特定條件和地點(diǎn)，普適性較差。內(nèi)燃機(jī)作為原動(dòng)機(jī)是我軍常備的軍用電源，不存在風(fēng)能、太陽(yáng)能等使用條件的限制，裝備范圍廣，具有豐富的使用經(jīng)驗(yàn)。過(guò)去，對(duì)軍用電站偏重于保養(yǎng)、維修，在理論分析和決策支持方面有所欠缺，因此，采用界面友好，功能強(qiáng)大的MATLAB軟件建立內(nèi)燃機(jī)電站仿真模型以滿足進(jìn)一步科學(xué)研究進(jìn)行決策支持的需要。

分析問(wèn)題：基于MATLAB/SIMULINK軟件對(duì)小型內(nèi)燃機(jī)、異步發(fā)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行建模，構(gòu)建內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的自激異步發(fā)電系統(tǒng)，對(duì)其運(yùn)行特性進(jìn)行了仿真研究。

解決問(wèn)題：基于MATLAB/SIMULINK軟件建立異步發(fā)電動(dòng)機(jī)仿真模型，針對(duì)采用的籠型異步電動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)，確定了M文件中異步發(fā)電機(jī)模型中的相關(guān)參數(shù)；詳細(xì)說(shuō)明四沖程內(nèi)燃機(jī)在MATLAB軟件下的建模實(shí)現(xiàn)過(guò)程和原理；建立以內(nèi)燃機(jī)為原動(dòng)機(jī)的自激異步發(fā)電系統(tǒng)。運(yùn)行系統(tǒng)模型，對(duì)投入阻性變化負(fù)荷時(shí)的原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和異步發(fā)電動(dòng)機(jī)的電壓、電流和功率的變化情況進(jìn)行分析，從仿真運(yùn)行結(jié)果曲線上可以看出，接入負(fù)載時(shí)，系統(tǒng)有明顯調(diào)整過(guò)程，并對(duì)比分析有無(wú)原動(dòng)機(jī)時(shí)電壓的變化情況，驗(yàn)證模型正確性。

展望：該項(xiàng)研究為實(shí)際內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的自激異步發(fā)電系統(tǒng)研制提供了強(qiáng)有力理論依據(jù)。

3）實(shí)驗(yàn)條件建設(shè)：電能補(bǔ)償與控制動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)構(gòu)建。[12]依托于實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目，構(gòu)建了市電、混合能源供電的單母分段三級(jí)動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了負(fù)載形式的典型、多樣化，兼顧了實(shí)驗(yàn)和科研的需要；通過(guò)靈活調(diào)整配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，模擬了不同地區(qū)環(huán)境下系統(tǒng)特性變化情況，并且為系統(tǒng)特性分析提供了實(shí)物模擬手段；適應(yīng)了新形式下裝備供電保障的發(fā)展趨勢(shì)，使實(shí)驗(yàn)條件更加先進(jìn)；為仿真理論研究轉(zhuǎn)化為裝備研制提供了實(shí)驗(yàn)條件平臺(tái)，為本科學(xué)員的專業(yè)課程學(xué)習(xí)提供了實(shí)驗(yàn)條件，為碩士研究生的培養(yǎng)提供了科研環(huán)境手段。

2.開發(fā)構(gòu)建教研一體化仿真資源平臺(tái)，豐富教學(xué)手段，提高教學(xué)質(zhì)量

以新增“電力工程及其自動(dòng)化”專業(yè)建設(shè)為背景，在有效利用現(xiàn)有軟件資源的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵元件開展建模仿真研究，實(shí)現(xiàn)原理級(jí)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)功能、仿真級(jí)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)功能、工程級(jí)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)功能的教、研創(chuàng)新平臺(tái)綜合實(shí)驗(yàn)體系，內(nèi)容涵蓋理論驗(yàn)證、關(guān)鍵技術(shù)仿真、系統(tǒng)設(shè)計(jì)等，以能力培養(yǎng)為核心，以“原理—技術(shù)—系統(tǒng)”為主線，構(gòu)建多層次、多模塊的創(chuàng)新教、研體系。仿真資源平臺(tái)功能實(shí)現(xiàn)如圖2所示。

三、結(jié)論

“電力系統(tǒng)分析”課程教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法經(jīng)上述改革實(shí)踐后，達(dá)到了緊貼裝備教學(xué)的目的，滿足了裝備電源人才培養(yǎng)需求，豐富了電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)科專業(yè)建設(shè)內(nèi)涵，裝備電力系統(tǒng)教研一體化仿真資源平臺(tái)經(jīng)教學(xué)實(shí)踐檢驗(yàn)，學(xué)生對(duì)課程中的抽象理論及其應(yīng)用加深了理解，收效良好。

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（責(zé)任編輯：王意琴）