“電力系統(tǒng)分析”課程研究性教學(xué)設(shè)計

趙為光， 楊 瑩， 呂 品， 楊立新

(黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

電氣工程專業(yè)在高技術(shù)產(chǎn)業(yè)中起著舉足輕重的關(guān)鍵作用，電氣工程的技術(shù)水平是一個國家科技發(fā)展程度的有力體現(xiàn)[1]。所以，在世界發(fā)達國家的大學(xué)教育和科研中，電氣工程學(xué)科占據(jù)極為重要的地位[2]。

當(dāng)前，專業(yè)崗位需求是電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)人才培養(yǎng)模式的導(dǎo)向。通過跟蹤調(diào)查用人單位、教師和學(xué)生發(fā)現(xiàn)：畢業(yè)學(xué)生進入任職崗位后有相當(dāng)比例出現(xiàn)“水土不服”，解決現(xiàn)場復(fù)雜實際問題的能力不足，較難勝任入職崗位[3]。同時，電氣工程專業(yè)課教師反映相當(dāng)一部分學(xué)生理論基礎(chǔ)不夠扎實，“很多已學(xué)過的知識需要再次教”。概而言之，“學(xué)生學(xué)的只是知識，卻不懂得如何應(yīng)用”是電氣工程專業(yè)課程教學(xué)面臨的主要困境。究其實質(zhì)，傳統(tǒng)的“灌輸式”教學(xué)方式，即教師講、學(xué)生聽，體現(xiàn)的是教師對知識的掌握和應(yīng)用，忽略了教學(xué)過程中學(xué)生在的主體存在，特別是學(xué)生積極思考知識應(yīng)用、研究和實踐的能力[4]。

“電力系統(tǒng)分析”課程知識體系具有一定的廣度和深度，是電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)科的一門專業(yè)核心學(xué)位課程，在專業(yè)教學(xué)過程中及高質(zhì)量專業(yè)人才培養(yǎng)計劃中具有重要的地位[5]。本文應(yīng)對“電力系統(tǒng)分析”專業(yè)課程在教學(xué)過程中的困境問題，以“電力系統(tǒng)分析”課程“無功補償”部分內(nèi)容為例，應(yīng)用研究性教學(xué)理念設(shè)計教學(xué)過程，將知識的傳授綜合于問題的提出、分析、研究與實踐中，學(xué)生在參與科學(xué)研究中高效積極完成知識的構(gòu)建，提升知識應(yīng)用能力。促進電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)學(xué)生解決現(xiàn)場實際問題和入職后的崗位適應(yīng)能力。

1 研究性教學(xué)模式

研究性教學(xué)模式將學(xué)生“學(xué)”視為教學(xué)過程中心，同時強調(diào)科學(xué)研究活動中知識建構(gòu)過程的核心作用。研究性教學(xué)模式立足于學(xué)生問題意識、科學(xué)探索能力和創(chuàng)造思維的培養(yǎng)，注重學(xué)習(xí)過程中學(xué)生的情感體驗，強調(diào)教學(xué)活動中學(xué)生的參與性、互動性，關(guān)注學(xué)生對知識的積極構(gòu)建過程和創(chuàng)新能力的提高[6]。

在“電力系統(tǒng)分析”課程研究性教學(xué)實踐中，根據(jù)教學(xué)進度和課程重點難點內(nèi)容，總結(jié)凝練課程知識點的重點范例，結(jié)合電力系統(tǒng)的各種實際課題場景，設(shè)計專題問題供學(xué)生課下分析研究，促使學(xué)生在問題研究過程中積極掌握課程理論知識和技術(shù)方法，重點設(shè)置新能源電力系統(tǒng)最優(yōu)潮流計算、電壓優(yōu)化控制、需求響應(yīng)調(diào)頻和電力系統(tǒng)低碳經(jīng)濟運行評價等專題。在形式上，重點依托現(xiàn)有電力系統(tǒng)專業(yè)仿真軟件，綜合運用理論知識建模分析，給出問題解決方案。也提倡利用基本編程方式結(jié)合數(shù)值分析基本知識進行基礎(chǔ)全面編程分析。通過“課題進課堂”研究性教學(xué)方式促進教學(xué)和科研融合相長，提升學(xué)生學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)新意識。

2 研究性教學(xué)載體設(shè)計

教師綜合考慮課程知識特點和專業(yè)工程背景設(shè)置研究性學(xué)習(xí)內(nèi)容，開展研究性教學(xué)載體設(shè)計[7]。作為載體的核心，工程背景和研究內(nèi)容的設(shè)計效果對研究性教學(xué)質(zhì)量具有重要影響[8]。下面的研究性教學(xué)載體針對“電力系統(tǒng)分析”課程中“無功補償”內(nèi)容進行詳細設(shè)計。

2.1 工程背景

研究性教學(xué)載體的工程背景體現(xiàn)的是應(yīng)用課程知識要點解決工程實際問題，是有利于學(xué)生深入理解靈活應(yīng)用課程理論知識的現(xiàn)場工程實例。根據(jù)課程教師科研方向，工程背景可以在選取前沿的、在研的科研課題，通過設(shè)計與課程知識要點匹配的工程背景，讓學(xué)生直接面對科研問題參與到科研中來，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)熱情的同時，激發(fā)學(xué)生解決科研問題的創(chuàng)新意識，真正實現(xiàn)教學(xué)與科研相融合。

高質(zhì)量的電能供應(yīng)是社會經(jīng)濟高速發(fā)展、生活水平快速提升的重要保障。配電網(wǎng)作為直接面向廣大電力用戶的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，有效解決配電網(wǎng)動態(tài)無功調(diào)節(jié)問題是電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟運行，保障對用戶穩(wěn)定供電的必要條件。因此，從實際應(yīng)用角度出發(fā)選擇將“配電網(wǎng)動態(tài)無功補償”這一科研問題作為研究性教學(xué)載體的工程背景。

1)無功功率平衡

電力系統(tǒng)要求系統(tǒng)源、網(wǎng)、荷所發(fā)無功功率保持平衡，目的是在各種運行方式下維持電網(wǎng)各節(jié)點電壓平衡。根據(jù)電壓靜態(tài)特性，電壓降低時，負(fù)荷的無功功率同時減少。因此，只有向負(fù)荷側(cè)提供無功功率才能維持負(fù)荷側(cè)電壓穩(wěn)定?？紤]系統(tǒng)損耗因素，保持電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定必須使電源側(cè)發(fā)出的無功功率與負(fù)荷側(cè)無功功率及無功損耗之和維持平衡[9]。在電力系統(tǒng)建設(shè)階段，根據(jù)區(qū)域發(fā)展規(guī)劃，需要平衡計算源、網(wǎng)、荷無功功率，確定補償裝置容量。

2)補償設(shè)備調(diào)壓

電壓波動是衡量電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的重要指標(biāo)，通過調(diào)節(jié)無功功率控制系統(tǒng)電壓。在負(fù)荷側(cè)，系統(tǒng)中存在一些內(nèi)阻抗具有感性特征的設(shè)備，主要包括發(fā)電機、變壓器和輸電線路等，系統(tǒng)運行時感性設(shè)備會使無功功率產(chǎn)生波動，如果電網(wǎng)電源發(fā)出的無功功率及其分布不能及時跟蹤用電負(fù)荷無功需求的波動，線路節(jié)點電壓就會超出極限值，影響電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運行[9]。

電力系統(tǒng)中一般在配電網(wǎng)節(jié)點上配置各種補償設(shè)備進行調(diào)壓。作為常用的補償設(shè)備，電容器、電抗器或電容電抗的組合器件可以利用機械開關(guān)控制進行投切，向系統(tǒng)注入或吸收無功功率。隨著電力電子技術(shù)快速發(fā)展，靜止無功補償裝置(Static Var Compensation, SVC)采用電力電子器件進行自動操控，使得連續(xù)、快速、平滑的無功調(diào)節(jié)成為可能[10]。理想的SVC具有良好的動態(tài)、靜態(tài)特性，可以使得補償節(jié)點電壓保持常值，應(yīng)用較為廣泛。具有并聯(lián)補償設(shè)備的簡單系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 具有并聯(lián)補償設(shè)備的簡單系統(tǒng)

2.2 具有高階性、挑戰(zhàn)度的研究內(nèi)容

研究內(nèi)容需要具備一定的高階性和挑戰(zhàn)度，是研究性教學(xué)的具體實施環(huán)節(jié)。在研究內(nèi)容設(shè)計過程，強調(diào)在解決實際問題中，將理論與實踐素質(zhì)目標(biāo)有機融合，加深課程知識點的理解，實現(xiàn)高階性指標(biāo)要求。以高階性目標(biāo)為指導(dǎo)，依托“配電網(wǎng)動態(tài)無功補償”課題為工程背景，研究內(nèi)容的設(shè)計目標(biāo)包括：①強化對“SVC基本結(jié)構(gòu)和原理”本質(zhì)的理解；②掌握補償設(shè)備容量計算方法；③SVC模塊控制系統(tǒng)設(shè)計；④培養(yǎng)學(xué)生理論與實踐結(jié)合解決工程實際問題的能力，同時提升學(xué)生的創(chuàng)新應(yīng)用能力。

采用由淺入深的方法逐步加大研內(nèi)容的強度和難度，遵循由易到難、由理論到實踐、由知識融繪貫通到創(chuàng)新應(yīng)用的原則設(shè)計研究內(nèi)容，充分調(diào)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，積極在文獻中發(fā)掘，使學(xué)生合理投入時間和經(jīng)歷開展研究性學(xué)習(xí)。根據(jù)以上指導(dǎo)思想，按著理論分析、工程實踐和創(chuàng)新應(yīng)用的階梯路線設(shè)計“配電網(wǎng)動態(tài)無功補償”研究內(nèi)容。

1)動態(tài)補償理論分析

理論分析停留在理論層面，目的是強化理解知識點，屬于知識點的初步應(yīng)用。研究內(nèi)容設(shè)計中，對所學(xué)知識點采取逐步回顧和理解的方式，引導(dǎo)學(xué)生由淺入深地進行理論分析。理論分析的結(jié)論是后續(xù)進行實踐實施的依據(jù)，因此，設(shè)計的研究內(nèi)容應(yīng)與工程實踐相呼應(yīng)，使學(xué)生體驗到理論分析是研究工作的必要基礎(chǔ)，理論對實踐具有重要的指導(dǎo)意義。具體研究內(nèi)容設(shè)計如下：

(1) 強化對“SVC基本結(jié)構(gòu)和原理”本質(zhì)的理解。SVC的結(jié)構(gòu)如圖2所示，建立晶閘管導(dǎo)通角β、觸發(fā)角ɑ和支路的等值基波電抗的函數(shù)表達關(guān)系，通過β和ɑ的調(diào)整，實現(xiàn)對系統(tǒng)中并聯(lián)等值電抗的平滑控制。

圖2 SVC原理圖

(2) 掌握補償設(shè)備容量計算過程。簡單系統(tǒng)結(jié)線如圖1，降壓變電所低壓母線要求常壓保持10.5KV，采用電容器作為補償設(shè)備，要求確定無功補償設(shè)備的容量。按常調(diào)壓要求確定最小負(fù)荷時補償設(shè)備全部退出運行條件下應(yīng)選用的分接頭電壓，選用110±2.5%的分接頭，按最大負(fù)荷時的高壓要求確定Qc。驗算電壓偏移。

(3)SVC模塊控制系統(tǒng)設(shè)計。SVC控制系統(tǒng)主要包括測量模塊、電壓調(diào)節(jié)模塊、同步單元觸發(fā)脈沖發(fā)生模塊等，結(jié)構(gòu)如圖3所示。通過電壓調(diào)節(jié)模塊測量被控變量并與參考信號比較，誤差信號經(jīng)過控制器計算輸出控制量電納標(biāo)幺值，進而經(jīng)過電壓同步和觸發(fā)脈沖發(fā)生模塊作用產(chǎn)生脈沖信號實現(xiàn)對支路晶閘管控制?？刂葡到y(tǒng)經(jīng)閉環(huán)反饋循環(huán)最終使被控量穩(wěn)態(tài)誤差趨于零[10]。

圖3 SVC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2)無功補償工程實踐

工程實踐是將理論知識應(yīng)用到工程實際，通過理論聯(lián)系實際，提高學(xué)生分析解決問題的能力?！半娏ο到y(tǒng)分析”課程通常采用兩種實踐教學(xué)方式，即利用實驗儀器設(shè)備開展實驗室實踐驗證，和利用Matlab仿真軟件進行建模仿真驗證。限于專業(yè)設(shè)備成本等因素，目前大部分電力系統(tǒng)實踐教學(xué)采用建模仿真方式。以理論分析結(jié)論為指導(dǎo)，本文利用Matlab軟件的SimPowerSystems工具包設(shè)計實踐研究內(nèi)容。

針對“配電網(wǎng)動態(tài)無功補償”的工程實踐，建立圖1系統(tǒng)110 kV的SVC仿真模型。系統(tǒng)電源電壓為110 kV，頻率50 Hz，采用可編程電壓源，線路長度50 km，r0=0.21 Ω/km，x0=0.4 Ω/km，系統(tǒng)負(fù)荷為10 MW。在Matlab的SIMULINK仿真環(huán)境下，利用SimPowerSystems工具包，建立仿真模型如圖4所示。Matlab電力系統(tǒng)庫中SVC模塊可以仿真任何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無功補償裝置，并聯(lián)合Powergui模塊實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的動態(tài)模擬。

圖4 SVC仿真系統(tǒng)

分析系統(tǒng)無功補償動態(tài)調(diào)節(jié)過程。設(shè)置電壓源幅值為1.0 p.u.(t=0～0.2 )，0.94 p.u.(t=0.2～0.5 s)，1.06 p.u.(t=0.5～0.8 s)，1.0 p.u.(t=0.5～1.0 s)。無功功率區(qū)間為[-40 Mvar～+40 Mvar]。觀察SVC動態(tài)調(diào)節(jié)過程如圖5所示，電壓調(diào)整效果如圖6所示，分析SVC調(diào)節(jié)的正確性和節(jié)點電壓的動態(tài)調(diào)節(jié)過程。

圖5 SVC動態(tài)調(diào)節(jié)過程

圖6 節(jié)點電壓動態(tài)調(diào)節(jié)過程

3)創(chuàng)新應(yīng)用

創(chuàng)新應(yīng)用研究內(nèi)容的設(shè)計要符合挑戰(zhàn)度要求，要求學(xué)生發(fā)揮自主學(xué)習(xí)能力，綜合應(yīng)用相關(guān)知識解決具有一定難度的實際問題。提高學(xué)生解決復(fù)雜問題能力，同時注重培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。設(shè)計的研究內(nèi)容要綜合應(yīng)用本專業(yè)多課程知識點，但注意以本課程知識范圍為主。

針對“配電網(wǎng)動態(tài)無功補償”內(nèi)容的創(chuàng)新應(yīng)用設(shè)計，可以讓學(xué)生探索改進設(shè)計SVC控制方案，目的是提高SVC裝置對母線電壓的控制精度。SimPowerSystems庫中SVC模塊中的控制器采用的是PID形式。PID調(diào)節(jié)器在系統(tǒng)快速性和準(zhǔn)確性方面的缺陷限制了SVC裝置對母線電壓的控制精度。為了解決這個問題，在掌握“動態(tài)無功補償”本質(zhì)的基礎(chǔ)上，還需要結(jié)合另外兩個知識點，即“PID控制器”與“合理整定PID控制器參數(shù)”。在掌握基本PID控制器原理基礎(chǔ)上，提出改進PID設(shè)計方案，提高系統(tǒng)電壓控制精度。

(1) 根據(jù)教材中的相關(guān)知識，了解SVC調(diào)節(jié)系統(tǒng)單輸入單輸出閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，掌握PID調(diào)節(jié)器基本原理，能夠利用Matlab程序的S函數(shù)設(shè)計數(shù)字PID控制器。

(2) 查閱相關(guān)文獻，要求學(xué)生提出合理的PID參數(shù)尋優(yōu)方案，得到優(yōu)化的kp、ki、kd，實現(xiàn)PID的整定，提高SVC對系統(tǒng)電壓的控制精度。

3 研究性教學(xué)體系

根據(jù)“電力系統(tǒng)分析”課程涵蓋內(nèi)容多、難度大、應(yīng)用廣的特點，教學(xué)實踐中，研究性教學(xué)載體應(yīng)體現(xiàn)專業(yè)方向的熱點問題，在教師的科研課題中提煉出代表性問題，作為教學(xué)實踐專題。研究內(nèi)容以高階性目標(biāo)為指導(dǎo)，采用由知識融繪貫通到創(chuàng)新應(yīng)用的設(shè)計原則，強調(diào)在解決實際問題中加深課程知識點的理解。依托專業(yè)仿真軟件，進行仿真分析，給出解決方案，提高實踐認(rèn)識。

通過“電力系統(tǒng)分析”課程的研究性教學(xué)，使學(xué)生構(gòu)建整體的電力系統(tǒng)普遍問題的知識架構(gòu)，提升解決新一代電力系統(tǒng)復(fù)雜問題的能力，在具有載體支撐的教學(xué)模式中，掌握工程問題科學(xué)思維方法，獲得重要工程思想和工程方法的熏陶。

4 結(jié)語

為實現(xiàn)國家新工科人才培養(yǎng)目標(biāo)，將研究性教學(xué)理念落實在“電力系統(tǒng)分析”課程研究性教學(xué)載體設(shè)計中，同時將“學(xué)”為中心的教學(xué)思想滲透到課程設(shè)計的各個階段。通過“電力系統(tǒng)分析”課程研究性教學(xué)載體設(shè)計，提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、綜合運用知識解決復(fù)雜問題的能力和創(chuàng)新能力，有效提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。