仿真技术在电力系统分析课程教学中的应用

张新闻 李学生

摘 要：電力系统分析是电气工程及其自动化专业的一门专业基础课，是基础理论课和专业课的连接纽带，学好该课程具有重要意义，但现代电力工业技术发展不断要求补充和更新该课程的教学内容。为了在有限的学时内提高学生学习效率、开拓学生视野，文章以无功补偿技术调整母线电压为例，介绍电力系统仿真技术在教学过程的具体应用方法，对目前课程教学方法和手段进行改进。最后，通过两届学生的课堂教学实践，证实该方法能够有效调动学生学习积极性，提高教学效果。

关键词：电力系统分析；仿真；教学改革

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2017）12-0050-03

Abstract： Power system analysis is a professional basic course of electric engineering and automation， and it's also the connecting link between basic theory courses and specialized courses. So this course is of great importance. However， course content needs to be constantly supplemented and updated with the technology development of modern power industry. In order to improve students' study efficiency and expand their horizons， taking reactive power compensation technology， which can adjust bus voltage， as an example， this paper mainly introduces specific application of power system simulation technology in class teaching， to improve present teaching methods and means. Finally， through classroom teaching practice of two grades' students， it is confirmed that this method can effectively arouse students' learning enthusiasm and improve teaching effect.

Keywords： power system analysis； simulation； teaching reform

电力系统分析作为电气工程及其自动化专业重要的专业基础课程，是一门理论性、实践性和专业技术性很强的课程[1]，其主要教学内容主要有三部分构成：1.电力系统稳态分析，主要包括电力系统元件参数计算和等值电路、电力系统潮流计算、以及电力系统功率平衡与调整；2.电力系统故常分析与计算，主要包括三相短路电流计算和非对称故障电流计算；3.电力系统稳定性分析，主要包括电力系统静态稳定性分析和暂态稳定性分析[2]。这些经典内容没能将当代电力发展的一些新技术融入其中，特别是深刻地改变电力系统的行为的现代电力电子电能变换技术[3]。电力系统分析课程的另一特点是计算量大且较为复杂，要求学生对电路理论和电机学两门课程有较为深入的理解和掌握。由于新教学大纲对理论课课时较大幅度的压缩，以及课下一些学生没有及时巩固复习，相关知识点掌握不好时容易产生畏难情绪。此外，即使部分同学理论知识掌握较好，但抽象复杂的，对某些知识持怀疑态度[4]。为此，需要对目前电力系统分析课程的教学手段和方法进行改进，提高该课程的教学效果。

本课题通过制作电力系统分析课程主要知识点的电路仿真视频，将参数计算与具体应用结合，做到理论联系实际，使教材中冗长枯燥的数学计算变得鲜活和亲切。同时，将电力系统实际应用的一些新技术引入课堂教学中，与教材讲授的传统技术手段进行对比，以求开拓学生视野，激发学习兴趣，提高学习效率。本文具体以电力系统配电母线电压调整为例，对仿真技术在电力传统分析课程教学中的应用进行说明。

一、配电母线电压调整原理

图1给出了简单电力系统的示意图。图中，us为系统源端电压，u为配电母线电压，T1 和T2分别表示升压和降压变压器，k1、k2分别为T1 、T2的变比，L表示输电线路的长度。R+jX表示系统输电线路的等值阻抗，P+jQ为负载等值功率。

近似略去系统阻抗元件的功率损耗和电压降落的横分量，则由源端电压开始推算，可得配电母线电压为

（1）

由式（1）可知，为维持配电母线电压满足用户要求，可以改变源端电压Us、变压器变比k1和k2、输电线路等值阻抗R+jX和就地补偿负荷无功功率Q。从调压手段对整个系统的影响和经济成本比较，就地无功补偿手段无疑是最优的。

设就地无功补偿功率为Qc，补偿后配电母线电压为UL （c），则可得

（2）

综合式（1）和（2），解得无功补偿功率Qc为

（3）

可见，确定变压器变比后，配电母线电压偏差与Qc大小密切相关，调整Qc便可实现配电母线电压的调整，使其保持在合格范围内。实际应用中，负载无功绝大部分为感性，一般直接将负载无功功率作为无功补偿设备的目标功率，即Qc 等于Q。

（一）静电电容器

教材中普遍介绍的传统无功就地补偿设备主要有同步调相机和静电电容器。考虑到成本因素，实际应用中普遍采用并联电容器的技术措施，为此可得并联电容器容量为

（4）

式中，ω为系统基波角频率，UL（N）表示配电线路额定电压。一般情况下，负载无功引起的配电母线电压偏差经并联电容器补偿后，UL （c）大小与UL （N）基本相等。

由于电容器容量确定后便不可调整，一旦投入，便是全部无功功率，不能根据负载无功功率动态变化自动调节其输出，负载较轻时可能会造成过补，负载较重时可能会造成欠补，特别是负荷无功功率变化幅度较频繁时会使并联电容器重复投切，对配电网稳定运行造成较大的冲击，工程应用中将电容器分组，也只是一定程度的改善，不能够从根本上解决此问题。此外，并联电容器充电时間较长，投入时动态响应速度较慢，且易于系统阻感性元件发生谐振。

（二）静止同步补偿器

静止同步补偿器（STATCOM）具有控制灵活、调节连续、响应速度快、运行范围宽等优点，对维持节点电压稳定、阻尼系统振荡以及提高系统暂态稳定性发挥着重要的作用，现已大量应用于实际工程中。图2给出了基于静止同步补偿器的无功补偿系统示意图。

图中，静止同步补偿器由电压源换流器（VSC）和滤波电感器Lp构成，根据Q的大小，控制VSC逆变输出的基波电压uc，使无功补偿电流ic跟随Q。

（5）

理论上它可以使网侧功率因数为“1”，且具无功功率有双向补偿功能，不足之处是控制器技术复杂，成本较高，目前还无法全面替代静电电容器。作为目前无功补偿及电压电压调整的主流技术，静止同步补偿器主要涉及的理论知识已在前期先修课程电力电子技术和自动控制原理中已讲授，在电力系统分析电压调整知识点对其进行介绍，易于学生理解，但目前大部分教材没有提及。

二、仿真验证

以单相为例，设配电母线处输电线路等效阻抗近似为R+jX=（0.0121+j0.03673）Ω，负载等值功率为P+jQ=（82.7+j117.3）kVA。根据以上参数分别搭建基于并联电容器和静止同步补偿器的无功补偿及配电母线电压调整系统。

给出了并联电容器在0.2ms投入系统时相关参数的时域波形，其中（a）为完全补偿工况，（b）和（c）分别为过补偿和欠补偿工况。由图可知，经补偿后，负载无功引起的母线电压降落基本恢复正常，无功补偿电流动态响应时间较长，约2个周波，具体与并联电容器支路阻尼有关。

（a）完全补偿

（b）过补偿

（c）欠补偿

图4给出了静止同步补偿器在0.2ms投入系统时相关参数的时域波形。由图可知，经补偿后，负载无功引起的母线电压降落基本恢复正常，无功补偿电流动态响应时间非常快，不到半个周波即可达到稳定状态。

三、结束语

针对电气工程及其自动化本科专业理论课课时压缩，培养目标并未改变的现实情况，本课题充分利用软件仿真技术，将电力系统分析课程传统教材的一些内容，以及实际工程中与之相关的新技术，在教学过程中通过录制的电路仿真视频，给学生作一介绍，做到理论联系实际，使教材中冗长枯燥的数学计算变得鲜活和亲切，激发学习兴趣，提高学习效率。通过两届学生的教学试验，结果证实此项教学改革效果不错。

参考文献

[1]任红卫，刘美.慕课背景下的教学模式变革——以“电力系统分析”为例[J].中国电力教育，2014（31）.

[2]柳晶晶.基于工程教育认证的《电力系统分析》课程教学探索[J].教育教学论坛，2016（19）：102-103.

[3]袁小明，程时杰，胡家兵.电力电子化电力系统多尺度电压功角动态稳定问题[J].中国电机工程学报，2016，36（19）：5145-5154.

[4]鲁明芳.电气工程虚拟仿真实验在电力系统分析课程中的应用[J].课程教育研究，2015（25）：228-228.