研究生柔性輸電技術課程教學模式改革與探究*

羅振鵬 楊寶峰 賈海媛

（內蒙古工業(yè)大學電力學院 內蒙古呼和浩特 010051）

柔性輸電技術需要對電力電子技術各種電能變換有深入理解，對電能變換控制有很好的把握，同時需要對電力系統(tǒng)潮流及電網(wǎng)動態(tài)和穩(wěn)態(tài)調控技術手段需要深層次掌握，最終需要把三部分知識能夠很好地融會貫通，才能理解《柔性輸電技術》本門課程內容，電力電子技術對電網(wǎng)的調控目標及如何通過電力電子技術手段自動控制實現(xiàn)電網(wǎng)快速的潮流控制。一般存在這樣矛盾：學電力系統(tǒng)的學生大部分對電力電子技術和自動控制技術欠缺，學電力電子技術的學生又對電力系統(tǒng)理解比較欠缺。如何能夠把兩部分知識深入把握，實現(xiàn)本課程教學是目前本門課程研究生教學中難點，特別是柔性交流輸電技術中針對電網(wǎng)不同指標和參數(shù)控制，有很多種類電力電子變換裝置，如何能夠很好理解和掌握本部分知識也是關鍵[1-3]。在多年研究生課程教學中，逐漸摸索出一套采用四步層層遞進教學模式：首先采用提出問題，啟發(fā)式思考和探索，提升理論知識；其次采用仿真技術，通過自動控制技術直觀地圖形化理解不同裝置工作特性，控制模式，參數(shù)設置等多層次和多方位把握[4]；再次利用電能傳輸與控制的自治區(qū)重點實驗室，實驗風力發(fā)電、光伏發(fā)電、儲能電池、柴油發(fā)電機、大電網(wǎng)，線路模擬阻抗一體化實驗，深入掌握新能源并網(wǎng)發(fā)電，儲能調節(jié)技術，電能傳輸一體化調控策略，更進一步加深理解和掌握本課程；最后每位研究生查閱一個本課程相關前沿課題，通過查閱相關文獻書寫報告，講解并一起討論，達到短時間內共享成果，每位同學收獲最大化。

一、問題引入，啟發(fā)式教學探究模式

本課程按照設計內容分為器件，常規(guī)直流輸電，柔性交流輸電，柔性直流輸電，柔性配電系統(tǒng)5大版塊，每個版塊內分若干個模塊，每個模塊設計若干個問題，通過工程案例引入發(fā)現(xiàn)問題，分析問題關鍵所在，涉及問題在本課程中是如何解決，最后得到理論提升。

從圖1可知：本課程涉及電力電子技術在電網(wǎng)中應用拓撲結構較多，為了方便掌握歸類成5大版塊教學內容，從拓撲結構，工作原理，電網(wǎng)調控，控制模式，工程案例幾個方面入手，采用引入問題，探究解決方案，對比相關電網(wǎng)調控拓撲，突出各自特征。

圖1 課程五大部分教學內容

1.提出問題深入思考，解決問題，提升高度

如在引入輸電理論中，首先提出如下若干問題：為什么采用特高壓直流輸電或特高壓交流輸電技術？應用這兩種輸電技術解決什么技術難題？新能源發(fā)電為什么會出現(xiàn)棄風棄光現(xiàn)象？為什么全國連接成一張大電網(wǎng)？其目的和意義是什么？而且不同區(qū)域聯(lián)網(wǎng)采用直流背靠背的結構而不采用交流并聯(lián)入網(wǎng)原因是什么？我國能源戰(zhàn)略是西電東送，疆電外送，全國聯(lián)網(wǎng)的意義是什么？如何才能實現(xiàn)我國能源優(yōu)化資源互補，提高清潔能源的占比？這些問題首先讓學生思考，查閱資料，然后分小組討論，最后匯總給出合理的結論。

從圖2可知：我國西部能源產(chǎn)地，東部能源消耗地，將西部電能輸送到東部必須實現(xiàn)遠距離，大功率輸電，這樣必須采用高壓輸電技術。解決遠距離高電壓大功率輸電技術兩種技術方案：高壓直流輸電和高壓交流輸電。只有將全國電網(wǎng)連成一張網(wǎng)，才能實現(xiàn)資源優(yōu)化配置，夏季和秋季豐水期讓水力發(fā)電多發(fā)，減少火力發(fā)電，減小環(huán)境污染，達到節(jié)能減排，冬季和春季枯水期，讓新能源和火力多發(fā)。由于新能源間歇性特征，維持一定比例火力發(fā)電，達到資源優(yōu)化配置，推進節(jié)能減排目標實現(xiàn)，促進不同地區(qū)能源合理利用，達到區(qū)域協(xié)調發(fā)展。兩個交流電網(wǎng)區(qū)域聯(lián)網(wǎng)采用直流背靠背，而不采用交流并網(wǎng)，目的是提高區(qū)域電網(wǎng)穩(wěn)定性，達到聯(lián)網(wǎng)后整體電網(wǎng)可靠性提高[5-6]。

圖2 國家能源戰(zhàn)略

通過這種啟發(fā)式教學引導，能夠逐級式引導到課程核心知識點，提升學生理論水平和課程興趣，達到學生學有所獲的目的，本課程采用這種教學方式獲得了一致教學好評。

2.對比式教學，突出重難點，深入理解各自特征和工程應用場景

為了講明白大容量遠距離高壓輸電的4種方案，設計了圖3不同方案對比，從圖中對比說明每種輸電核心所在，每種方案區(qū)別于其他幾種的特征，工程應用場景，每種內拓撲結構，在輸電技術中優(yōu)劣點，這樣能夠很好地理解柔性輸電技術涉及4種輸電技術。

圖3 大容量高電壓輸電四種方案

FACTS技術是一個龐大的集合，涉及很多電力電子裝置，每種都能對電力系統(tǒng)進行相應的電網(wǎng)參數(shù)調控，而有些在調控上效果相同，但是特性不同，工程中性價比相差較大，將容易混淆的列表，如表一，幾種逐一進行對比工作特性，拓撲結構，工作原理，優(yōu)缺點，達到對本部分知識的消化吸收。

如表1中SVC和STATCOM，兩者都能夠進行動態(tài)無功補償，但是兩者在補償無功時外特性和無功電壓特性不同，通過圖4 U-I和U-Q工作特性對比，逐一理解兩者工作區(qū)間，無功動態(tài)補償能力，工程上性價比，這樣能夠很好地理解在電力系統(tǒng)中兩者如何在電力系統(tǒng)中根據(jù)實際情況進行配置，培養(yǎng)理論指導實踐的能力。

表1 重點對比電能調控裝置

圖4 SVC與STATCOM無功補償特性對比工作特性圖

3.每一種FACTS技術都從共性出發(fā)，把握個性特征

對于FACTS技術，每一種具體裝置分別從拓撲結構、工作原理、工作特性、控制模式、工程應用，案例分析多個方面理解裝置共性的問題，掌握裝置獨有的特性。突出理論分析，把握對電網(wǎng)調控的關鍵參數(shù)與控制動穩(wěn)態(tài)特性，深入理解其應用環(huán)境及局限性。如STATCOM和SVC無功補償不同；UPFC，BESS，SMES，SVG功率控制型裝置對電網(wǎng)潮流控制的不同；高壓串聯(lián)補償和高壓并聯(lián)補償對電網(wǎng)控制不同；從電網(wǎng)送端和受端輸送有功和無功傳輸原理出發(fā)，對潮流達到快速控制需求深入理解功率控制型裝置的控制模式。

二、計算機仿真技術在本課程仿真中應用

第一步已經(jīng)打好理論基礎上，通過仿真模型搭建，在理論基礎上更深入進行仿真分析各裝置工作機理，控制特性，邏輯關系，時序觸發(fā)，外特性。進一步從仿真角度直觀地分析，深入理解開環(huán)下工作機理，閉環(huán)下自動控制，實現(xiàn)獨特的各裝置功能。由于本課程涉及各種FACTS裝置和各種輸電技術比較多，每個都是一個比較龐大的系統(tǒng)，學生在上課期間短時間內很難搭建完成；有的甚至是研究生的研究課題，在上課期間很難深入理解；而且涉及很多交叉知識，學生難以貫通。針對這一情況，課程組通過多年課下模型搭建和調試，已經(jīng)搭建出了大部分的本課程仿真模型，進行了適當?shù)姆庋b，學生只需改變局部參數(shù)就能進行相關仿真運行，能夠分析工作特性、波形特征、控制模式，能夠更深入地把握本課程的內容。

針對不同研究生應用仿真軟件不同，課程組在matlab，pscad，RTDS仿真工具下，搭建了每種仿真軟件下仿真模型，通過更改相關工作特性參數(shù)來深入領會工作原理，理解在輸配電技術中良好的電能控制特性，通過仿真波形分析，直觀深入地分析相關原理，進一步提高理論水平，為后續(xù)課題研究打下堅實的基礎。

通過動模實驗，理論聯(lián)系實際，能力達到升華，進一步提升認識水平

學院擁有2000多萬的一整套自治區(qū)電能傳輸與控制動模實驗室，在該實驗室可以進行風力發(fā)電、光伏發(fā)電、儲能系統(tǒng)、柴油機發(fā)電、大電網(wǎng)系統(tǒng)、線路阻抗模擬系統(tǒng)，可以進行現(xiàn)代電網(wǎng)，新能源并網(wǎng)傳輸電能輸電系統(tǒng)的相關各種潮流控制實驗。

圖5為電力系統(tǒng)新能源發(fā)電動模實驗主接線圖，從圖上可以看到，可以進行若干種類靈活的電源組合來實現(xiàn)電能的傳輸與控制，特別是各種新能源與儲能動模實驗，對課程中涉及理論知識進行相關的實驗驗證，提升理論與實踐的能力，促進分析問題與解決問題的工程實踐能力。

圖5 電力系統(tǒng)新能源發(fā)電動模實驗圖

圖6為電力系統(tǒng)輸電動模實驗主接線圖，可以模擬多組無窮大電源和汽輪發(fā)電機及風力發(fā)電機的并網(wǎng)及電能的傳輸與控制，靈活模擬500KV和220KV線路的電能傳輸與控制，可以進行多電源并網(wǎng)的交流輸電系統(tǒng)實驗，達到學生理論聯(lián)系實際，理論指導實際，通過實驗深入體會課程中涉及相關知識，提升能力。

圖6 電力系統(tǒng)輸電動模實驗圖

三、文獻查閱，把握前沿動態(tài)，夯實課題應用

針對每位研究生研究課題，給每位研究生設定前沿課題，通過幾周查閱文獻，做成PPT，在規(guī)定時間內進行講解，師生間互相質疑與問答。通過翻轉課堂形式，學生間互相交換想法，使每位同學既研究自己相關課題，又能學到多方面知識，將PPT和閱讀文獻共享，學生可以下載感興趣的知識，短時間內消化吸收，達到每個人集中精力查閱自己相關部分，又能通過共享獲得他人的成果，達到很好的教學效果。

表2就是列舉部分相關課題，每年都會精選若干個前沿題目，從開始上課布置給學生，在課程進度到每一個相關知識點時，進行反轉課堂教學，學生真正參與到本課程教學活動中，得到很好的教學效果。

表2 前沿課題布置題目

結語

為了能夠把本課程內容由書本理論轉化到研究生可掌握知識，最后升華到研究生分析問題、解決問題能力，采用了啟發(fā)式探究教學，引導學生進行思考，提升分析問題和解決問題能力；通過采用搭建模型仿真與動模實驗，引導學生由理論到實踐，將書本知識轉化成為自己能力；采用對比式教學，加強知識點的邏輯體系，使知識點內沿與外涵進行很好掌握。打亂教材章節(jié)安排，將課程知識點分成大功率器件理論，現(xiàn)代電網(wǎng)新型發(fā)電技術（新能源發(fā)電與常規(guī)發(fā)電），大功率高電壓大容量輸電技術（高壓交流輸電，高壓直流輸電，柔性交流輸電技術，柔性直流輸電技術）和柔性配網(wǎng)技術版塊，每一版塊包含電力電子技術在電力系統(tǒng)中應用的拓撲與裝置，從多角度、多方面提升學生知識與能力，得到良好的教學效果。