“雙碳”目標(biāo)下“電力工程基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革探索

來文豪 李平 李梅 胡鋒

摘要 隨著“雙碳”目標(biāo)的逐步實現(xiàn)，越來越多帶有隨機(jī)性和波動特性的新能源并入了電網(wǎng)，使得電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生深刻廣泛的改變，對創(chuàng)新型和專業(yè)型人才的需求和要求進(jìn)一步提高?！半娏こ袒A(chǔ)”作為電氣工程及其自動化專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程之一，不僅為該專業(yè)后期專業(yè)課的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)，而且對新型電力系統(tǒng)人才的培養(yǎng)具有重要意義。文章從新型電力系統(tǒng)特點入手，分析當(dāng)前“電力工程基礎(chǔ)”教學(xué)中存在的不足，從課程思政、教學(xué)內(nèi)容和課程考評體系構(gòu)建這三個方面提出教學(xué)改革措施，旨在為“雙碳”背景下“電力工程基礎(chǔ)”課程的改革提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞 “雙碳”目標(biāo)；“電力工程基礎(chǔ)”；課程改革

中圖分類號：G424文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.15.031

近70年以來，大氣中CO2濃度的增長速度約為末次冰期末期的100倍，2021年全球能源領(lǐng)域CO2排放量高達(dá)363億噸，創(chuàng)下歷史最高紀(jì)錄。全球氣候變暖已經(jīng)毋庸置疑，如果不加以遏制，氣候變化對人類生存和生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重和不可逆轉(zhuǎn)的后果的可能性將進(jìn)一步增加。大多數(shù)國家已加入《巴黎氣候協(xié)定》，歐盟、加拿大等29個國家和地區(qū)在立法、協(xié)議提交、政策宣示等方面提出了碳中和倡議。作為全球負(fù)責(zé)任的大國，中國以堅定的戰(zhàn)略雄心、信心和決心應(yīng)對全球性氣候變化，并制定碳減排計劃——在2030年前碳排放達(dá)到峰值，并爭取在2060年碳排放為凈零[1]。電力行業(yè)是全球范圍內(nèi)碳排放最主要的行業(yè)之一。在中國，碳排放量占總量的40%之多[2]。

“雙碳”目標(biāo)下，電力行業(yè)建設(shè)目標(biāo)為以可再生能源為主體的新型電力系統(tǒng)。未來，為了實現(xiàn)電力行業(yè)的凈零排放，風(fēng)力和光伏等具有隨機(jī)性、波動性的新能源會大規(guī)模并網(wǎng)[3]。電力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量會持續(xù)下降，并且其調(diào)壓和調(diào)頻能力都有所不足。同時，電力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量不斷下降，調(diào)壓調(diào)頻能力乏力，這些都使得電力系統(tǒng)在系統(tǒng)調(diào)節(jié)、供需平衡和配網(wǎng)運行等方面都將會發(fā)生巨大的變化[4]。伴隨著“雙碳”目標(biāo)的逐步實現(xiàn)，電力系統(tǒng)也將發(fā)生顯著變化。為適應(yīng)新型電力系統(tǒng)的建設(shè)和運維，培養(yǎng)面向新型電力系統(tǒng)的專業(yè)人才顯得十分必要。

“電力工程基礎(chǔ)”[5-6]課程是電氣工程及自動化專業(yè)的一門必修的專業(yè)基礎(chǔ)課，不僅為后續(xù)電力類課程的學(xué)習(xí)奠定必要的專業(yè)基礎(chǔ)，也為學(xué)生今后進(jìn)入社會從事電力系統(tǒng)的設(shè)計、建設(shè)、生產(chǎn)和運行服務(wù)等相關(guān)工作培養(yǎng)堅實的專業(yè)素養(yǎng)。因此，在“雙碳”目標(biāo)下“電力工程基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革對電網(wǎng)人才培養(yǎng)、電網(wǎng)穩(wěn)定運行和能源安全都具有重要意義。

1“雙碳”背景下電力系統(tǒng)的特點

據(jù)國際能源署統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2020年全球碳排放主要來自三個領(lǐng)域，分別是制造業(yè)與建筑業(yè)、能源發(fā)電與供熱和交通運輸，它們的占比分別為百分之十七、四十三和二十六。2021年，能源燃燒產(chǎn)生的CO2高達(dá)三百六十三億噸，相比前一年增長6%[7]。大氣中CO2的排放主要來源是不可再生能源的燃燒，而電力行業(yè)的排放量又占據(jù)主導(dǎo)。在“減排”背景下，中國電力行業(yè)的發(fā)展正面臨多重環(huán)境的挑戰(zhàn)，低碳轉(zhuǎn)型是我國電力系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的核心。

在2021年中國的電力結(jié)構(gòu)中，火力發(fā)電占比超70%，而清潔能源風(fēng)力和太陽能的發(fā)電占比小于10%。伴隨著“雙碳”目標(biāo)的逐步推進(jìn)，未來風(fēng)力和太陽能發(fā)電將大幅增加。2022年5月份，國家發(fā)改委和國家能源局發(fā)布《關(guān)于促進(jìn)新時代新能源高質(zhì)量發(fā)展的實施方案》，要求到2030年我國太陽能和風(fēng)能的總裝機(jī)容量達(dá)到12億千瓦。由于風(fēng)力和光伏發(fā)電具有隨機(jī)和不確定性，其大規(guī)模并入網(wǎng)絡(luò)后，會引起現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生深刻而廣泛的變化。

不確定性新能源的大規(guī)模并網(wǎng)后，現(xiàn)有的“確定性發(fā)電跟蹤不確定負(fù)荷”的電力平衡機(jī)制已難以應(yīng)對未來“不確定發(fā)電與不確定負(fù)荷雙向匹配”的問題。此外，大規(guī)模分布式電源的并網(wǎng)，使得電力網(wǎng)絡(luò)的功率分布和潮流計算也會發(fā)生巨大變化。隨著新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建，電壓暫降已不可避免地成為最嚴(yán)重的電能質(zhì)量問題之一[8]。這些深刻的變化，使得電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行需要大量具備扎實新型電力系統(tǒng)知識的高素質(zhì)人才。

2“雙碳”目標(biāo)下“電力工程基礎(chǔ)”課程教學(xué)存在的不足

“電力工程基礎(chǔ)”課程是電氣工程及自動化專業(yè)一門必修的專業(yè)基礎(chǔ)課，課程涉及電氣設(shè)備的原理、輸變電系統(tǒng)、設(shè)備工作接地和保護(hù)接地、潮流計算、短路故障分析、電氣設(shè)備的保護(hù)、過電壓及其防護(hù)等知識。課程不僅專業(yè)面寬、理論性強(qiáng)，而且具有非常強(qiáng)的實踐性。學(xué)好“電力工程基礎(chǔ)”，不僅可以為高年級開設(shè)的電力類課程學(xué)習(xí)打下堅實的理論基礎(chǔ)，也可以為學(xué)生畢業(yè)后從事電力領(lǐng)域的設(shè)計、開發(fā)或建設(shè)和服務(wù)等工作培養(yǎng)專業(yè)素養(yǎng)。然而，新能源的大規(guī)模入網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將發(fā)生巨大變化，使得在“雙碳”目標(biāo)下現(xiàn)有的“電力工程基礎(chǔ)”課程教學(xué)存在明顯不足，主要體現(xiàn)在：

2.1教材內(nèi)容滯后于新技術(shù)的發(fā)展

現(xiàn)有的“電力工程基礎(chǔ)”培養(yǎng)方案仍然是基于傳統(tǒng)電力網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計的，不確定和隨機(jī)性新能源并網(wǎng)后，電力網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、功率分布等都將發(fā)生巨大變化。傳統(tǒng)的輸變電系統(tǒng)、潮流計算、電氣設(shè)備的保護(hù)等難以適應(yīng)新型電力系統(tǒng)的發(fā)展。如：在傳統(tǒng)電力網(wǎng)絡(luò)中很少考慮電力電子等變換器的阻抗特性，在含高比例可再生能源的新型電力系統(tǒng)中，如果不考慮電力電子變換器的阻抗特性，潮流計算的精度會被降低。

2.2教材內(nèi)容中對學(xué)生在新型電力系統(tǒng)方面的創(chuàng)新啟發(fā)不足

隨著“雙碳”目標(biāo)的逐步實現(xiàn)，中國新能源裝機(jī)容量也在逐步增加，并且將達(dá)到總裝機(jī)容量的80%以上，電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型升級面臨許多新挑戰(zhàn)和重大技術(shù)難題，使得國家電網(wǎng)比以往任何時候都迫切需要適應(yīng)當(dāng)下形勢的高質(zhì)量發(fā)展人才?！半娏こ袒A(chǔ)”課程的主要目的和任務(wù)是讓學(xué)生了解電力系統(tǒng)的主要組成及基本運行情況，并知道電力系統(tǒng)中主要元器件的物理特性和數(shù)學(xué)模型，以及它們間的相互關(guān)系等。不過，其培養(yǎng)的仍是面向傳統(tǒng)電力系統(tǒng)建設(shè)和運行的人才，并且缺乏新型電力系統(tǒng)創(chuàng)新能力。保障新型電力系統(tǒng)的高質(zhì)量建設(shè)和安全運行，既要求電力系統(tǒng)人才具有批判性思維，也需要具有創(chuàng)新能力?！半娏こ袒A(chǔ)”作為一門專業(yè)先行基礎(chǔ)課，必須啟發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生在新型電力系統(tǒng)領(lǐng)域的創(chuàng)新能力。

3“電力工程基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革內(nèi)容

3.1加強(qiáng)綠色低碳教育，有機(jī)融入課程思政

辦好新時代思政課，就要做到顯性教育與隱性教育相互補充，在專業(yè)課程中引入思政元素，進(jìn)行思政教育?！半p碳”目標(biāo)下的元素新型電力系統(tǒng)建設(shè)要牢牢把握培養(yǎng)創(chuàng)新人才的根本任務(wù)。將綠色低碳理念納入教學(xué)體系，把思政元素融入教學(xué)中，并指導(dǎo)教育教學(xué)的改革。以該課為依托，深入挖掘綠色低碳的思政內(nèi)涵，開展綠色低碳教育。利用數(shù)字孿生技術(shù)在課堂情境教學(xué)中的應(yīng)用，構(gòu)建課堂情境，教育并引導(dǎo)學(xué)生，深刻認(rèn)識生態(tài)文明建設(shè)在中國特色社會主義事業(yè)中的重要地位和意義，不斷強(qiáng)化對生態(tài)保護(hù)工作的認(rèn)識，切實肩負(fù)起時代賦予的責(zé)任和使命。從我國電力系統(tǒng)的發(fā)展、建設(shè)和運營過程中挖掘典型人物和事跡，探索有深度的思政元素。在課堂教學(xué)中，把握好教學(xué)流程，突出“電力工程基礎(chǔ)”的課程重點和難點，有機(jī)融入思政元素，并將教學(xué)重點由傳統(tǒng)電網(wǎng)轉(zhuǎn)向“碳達(dá)峰、碳中和”和清潔能源方面，積極地向?qū)W生傳達(dá)綠色低碳、“綠水青山就是金山銀山”的觀念。

3.2探索“雙碳”背景下的教學(xué)內(nèi)容改革

落實課程改革實踐的重點環(huán)節(jié)，及時評估學(xué)生互動和反饋情況，動態(tài)調(diào)整教學(xué)方式方法。在“雙碳”目標(biāo)下，定制“電力工程基礎(chǔ)”課程的新大綱、新教案和新課件，增加新型電力系統(tǒng)的課程內(nèi)容。在“電力工程基礎(chǔ)”教學(xué)中，教師通過引入仿真實驗教學(xué)來豐富課堂內(nèi)容形式，增強(qiáng)課堂的吸引力，進(jìn)而達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量和效果的目的。通過信息化資源，設(shè)置學(xué)科課程問題，引導(dǎo)學(xué)生自主思考，在思考的過程中檢視自己的知識短板和盲點，進(jìn)行查漏補缺。在現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容中，特別是電力系統(tǒng)建模、穩(wěn)定控制和頻率控制內(nèi)容的教學(xué)中，結(jié)合新能源電網(wǎng)的運行特點，增加新能源模型、新能源參與電網(wǎng)穩(wěn)定控制等相關(guān)內(nèi)容，以二次能源高效轉(zhuǎn)換為重點，加強(qiáng)重型燃?xì)廨啓C(jī)、火電靈活調(diào)峰、智能發(fā)電、分布式能源和多能互補等新能源相關(guān)的內(nèi)容，有助于夯實“雙碳”目標(biāo)下“電力系統(tǒng)暫態(tài)分析”課程知識的理解，使得教學(xué)內(nèi)容更好地服務(wù)于新形勢下電力系統(tǒng)的建設(shè)，貼合高比例可再生能源與高比例電力電子裝備的新型電力系統(tǒng)的工程實際，為學(xué)生走上工作崗位打下堅實的基礎(chǔ)。

3.3綠色低碳課程考評體系構(gòu)建

針對“雙碳”目標(biāo)下“電力工程基礎(chǔ)”課程教學(xué)存在的不足，積極探索適用于新型電力系統(tǒng)的“電力工程基礎(chǔ)”課程考評體系構(gòu)建策略。將綠色低碳理念納入考核體系，推進(jìn)綠色課程考評體系的建立，并持續(xù)改進(jìn)綠色低碳教學(xué)全過程，以強(qiáng)化課程改革成效。針對現(xiàn)有考核制度缺少綠色課程考評體系的問題，提出將綠色低碳理念納入“電力工程基礎(chǔ)”教學(xué)考核的方式，減少期末考試分?jǐn)?shù)所占比重，相應(yīng)增加其他項目考核的比重，比如平時課堂上的小組討論中綠色低碳和課程實踐部分；在課后作業(yè)中增加開放性題目，引導(dǎo)學(xué)生主動掌握“雙碳”目標(biāo)下新型電力系統(tǒng)的特點和建設(shè)情況，積極參與課程的綠色低碳實踐活動。探索綠色低碳教育中“學(xué)”的評價機(jī)制，創(chuàng)新構(gòu)建以“評”促“學(xué)”的綠色低碳教育模式，推動學(xué)生更好地“學(xué)”。此外，人工智能正在深刻地改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)和生活方式，“雙碳”目標(biāo)下的新型電力系統(tǒng)還具有高度數(shù)字化智能化的特點。因此，綠色低碳課程考評體系還包括課程的數(shù)字化和智能化的建設(shè)。抓好實驗教學(xué)和科普活動，開展人工智能教育，拓寬學(xué)生的眼界視野，激發(fā)科學(xué)興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新精神，增強(qiáng)實踐能力。

4結(jié)語

隨著“雙碳”目標(biāo)的逐步實現(xiàn)，不確定特性的新能源的大規(guī)模并網(wǎng)，中國電力系統(tǒng)將發(fā)生廣泛而深刻的變化，亟須與時俱進(jìn)、具有創(chuàng)新能力的高質(zhì)量電力系統(tǒng)專業(yè)人才。作為電氣工程及其自動化專業(yè)基礎(chǔ)且重要的課程，學(xué)好課程知識是后續(xù)專業(yè)課的必要條件。本文首先討論“雙碳”背景下新型電力系統(tǒng)特點，通過分析“電力工程基礎(chǔ)”課程教學(xué)中存在的不足，提出“雙碳”背景下“電力工程基礎(chǔ)”課程教學(xué)改革內(nèi)容和方法，從而提升學(xué)生走上工作崗位后服務(wù)新型電力系統(tǒng)建設(shè)和運營的專業(yè)能力。

基金項目：2020安徽省級質(zhì)量工程項目（2020JYXM1930）；2021安徽省級質(zhì)量工程項目（2021JYXM0365）；2022年度安徽省新時代育人質(zhì)量工程項目（2022ZYXWJXALK101）。

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