新能源背景下“电力系统分析”教学方法改进

韩平平， 张　宇， 陈凌琦， 吴红斌， 王　磊

(合肥工业大学 安徽省新能源利用与节能重点实验室， 安徽 合肥 230009)

0　引言

“电力系统分析”课程包含两部分:电力系统稳态分析和电力系统暂态分析[1，2]，笔者在教学过程中发现：由于课程所研究的对象是规模庞大的电力系统，涉及到多个单位、多台设备，用实际运行的具象来验证课堂中学习的理论知识实属不可能，只能通过对电力系统的各个环节进行数学建模，以此分析电力系统的运行状态。专业知识过于抽象，学生兴趣不高，导致教学效果一直不是特别理想。

再则，能源危机与环境污染促使以清洁能源(如风能、太阳能)为原材料的新能源发电迅速发展，和传统火电、水电不同，新能源发电具有随机性、分布式等特点。新能源发电的大量接入对电力系统的发展带来了巨大的机遇和挑战[3,4]。在此大背景下，作为电力系统专业的主要课程，“电力系统分析”课程的教学方法也应与时俱进，在基础知识讲解、案例教学以及能力提升环节等方面加以引导和改进，提高课程教学质量，以适应培养更多创新型电气工程类人才的需要。

1　前沿知识讲解，扩充知识广度

一般地，课程概述的内容不会特别受学生重视，如果在概述中融入前沿知识的介绍及其与社会发展、课程内容、未来生活方式等的联系，这一知识的扩充将有助于加深学生印象，引导学生思考，提升学生兴趣。

在电力系统稳态分析的第一章中，根据现代电力系统发生的变化，扩充一些新知识内容。比如电源的构成，增加风能、太阳能、潮汐能等新能源发电方式，负荷的构成，从原来的电动机和电灯为主的内容里，增加整流装置、电热装置和电动汽车等。

在引入这些扩充的知识时，笔者首先引导学生思考能源和负荷构成的变化可能会导致电力系统发生哪些变化，然后从以下3个方面对涉及的知识进行了讲解。

首先，从电源来讲，新能源的引入是能源发展的必然趋势，但新增的可再生能源发电和传统火电、水电、核电有很大不同，由于可再生能源发电的清洁性、随机性、不可控性，对电力系统的频率调整、负荷的功率分配等都将产生影响，在对含新能源发电的系统进行建模和频率调整分析时，必须要考虑新能源的资源条件，发电设备的出力规律等。

其次，可再生能源发电，往往需要经过滤波、直流变交流等环节从而引入大量整流装置，这些装置在推动新能源并网的同时，也成为电力系统新的重要无功负荷，因为它们在运行时需要消耗大量的无功，对电力系统的无功补偿的配置、电压管理等也提出了新的要求。

再次，这些新能源发电的引入，也将影响到我们未来的生活方式。笔者在制作第一章教案时，特意准备了含风能、太阳能等多种新能源的smart grid(智能电网)的视频，学生看完后产生了许多感悟，明白了智能电网不只是单纯的开灯、关灯那么简单，自己家里也可以装上可再生能源发电装置，自己可以支配、控制家里的用电设备，甚至，家中的电动汽车不仅是用电设备，还有可能成为电能存储设备，自家的发电装置在高电价时还可以向电网卖电赚取收入，学习兴致一下子就被提起来了。smart grid视频截图如图1所示。

图1　smart grid视频截图

从教学效果来看，通过对前沿知识的扩充，将电力系统中新能源的接入和课程后续章节内容联系起来，和未来社会发展联系起来，增加了学生的使命感，有助于端正学生的学习态度，提高学习兴趣。

2　开发教学案例，加深知识理解

“电力系统分析”课程偏重于对实际系统进行数学建模并进行理论分析，理论推导和分析是这门课的难点之一。尤其是电力系统暂态分析，它涉及系统的一个动态演化过程，用数学公式来表示这个过程，显然不能给学生直观的感受。教材中虽然有部分实测波形，但数量很少，而且教师本人也不能依据运行条件的变化对其进行改变，学生对这些理论的推导似懂非懂，教学效果不理想。

实际上，电力系统行业已开发出许多专业的软件，用于电力系统的研究和运行，借助这些软件，开发教学案例，给学生演示电力系统中各变量的动态演化过程，将有助于加深学生对知识的理解。

例如，在电力系统暂态分析第二章，同步发电机SG(Synchronous Generator)空载情况下突然短路的物理过程分析中，教材(参考文献2)上给出的短路波形如图2所示。

图中，横坐标是时间，但没有具体的标注，中间省略了很长一段波形，学生理解起来很费劲。特别地，当发电机参数改变时，短路电流波形会发生哪些变化？没有动态波形图印证，学生对这个问题的认识很模糊。

图2　SG短路后电流实测波形

图3　单机无穷大系统图

图4　仿真模型中的短路电流波形

对比图4-6，不难发现，当次暂态电抗减小时，短路电流的初始幅值有明显提高。另一方面，改变短路时刻，次暂态电流的大小、电流最大值发生的相位也各不相同。这和文献[4]中推导的理论公式(1)完全对应。

图5 仿真模型中的短路电流波形

图6　改变短路时刻，次暂态电流波形变化图

(1)

类似的，在稳态分析的潮流计算、无功功率的最优分配、暂态分析的不对称短路分析计算、功角稳定等部分的知识，都可以借助电力系统仿真软件，如PowerWorld、Matlab、PSD-BPA、PSCAD等制作案例，作为教案的重要补充部分[7-9]。学生在课堂上认识了这些软件，在后续的学习或工作中，也可以自己动手制作案例或解决新的问题，动手能力和创新能力都将有所提高。

3　能力提升环节，延伸知识深度

“电力系统分析”课程一般用课后作业和期末考试衡量学生掌握知识的水平，这种教学考查过于强调学生接受知识的能力，对学生创新能力的考察和培养不足，因此，需要在考查中加入能力提升环节，以延伸所学知识的深度。

2015年3月份，笔者所在学院开展了本科生进科研团队开展创新项目的活动，从科研项目“分布式能源在节约型校园建设中的应用研究”(校内资助项目)中，选出“光伏发电在合肥工业大学中的应用研究”作为课题，交给学生来做。该课题旨在通过应用电力系统分析的基本计算—潮流计算，得到新能源接入我校后对校内电网各主要节点的电压质量的影响。

学生在完成这个课题的过程中，既需要将新能源发电和学校的实际供电系统结合起来为系统建模，还需要学习新的知识，补充将新能源发电的出力特性，并应用所学知识对新能源接入前后的电压质量进行分析，对学生的创新能力要求较高。但由于题目和课程结合较紧密又顺应当前发展趋势，学生学习的欲望很强烈。笔者在实际指导学生做这些项目时发现,虽然学生开始接触课题时非常被动，但在自己查阅资料以及和教师的沟通过程中，学生的学习能力和解决问题能力均迅速得到提升；另一方面教师在指导学生的过程中，增加了和学生交流的时间，对学生学习的优势点、薄弱点等把握会更加精准，有助于提高教学质量。

图7为学生在项目实施过程中利用DIgSILENT/Powerfactory软件绘制的光伏接入合肥工业大学配电系统的示意图。

4　结语

新能源发电快速发展背景下电力系统改革过程中对电力系统专业人才的需求必将有更高的要求，本文从基础知识讲解、案例设计、能力提升等几个环节出发，提出了新能源接入背景下“电力系统分析”课程教学方法的改进，有助于推动课程教学方法与时俱进，提高学习效果，培养和提升学生的创新能力。

图7　光伏接入合肥工业大学配电系统图

参考文献:

[1]陈珩．电力系统稳态分析[M]，北京：中国电力出版社，2010年．

[2]李光琦．电力系统暂态分析[M]，北京：中国电力出版社，2008年．

[3]刘俊．可再生能源发电并网关键技术的研究现状与趋势分析[J]．西安：陕西电力，2013，(4)：47-52.

[4]丁明，王敏．分布式发电技术[J]．南京：电力自动化设备，2004，24(7)：31-36.

[5]Haoran Zhao，Qiuwei WU．Implementation of IEC Generic Models of Type 1 Wind Turbine Generator in DIgSILENT PowerFactory[J]．Nanjing: Automation of Electric Power Systems ，2013，37(8)，26-33．

[6]吕涛，韩祯祥．电力系统仿真软件DIgSILENT介绍[J]．S上海：华东电力，2004，32(12)：37-40．

[7]郭嘉，闫素英，田瑞，等．太阳能PV/T系统电热输出性能及其Matlab仿真研究[J]．营口：可再生能源，2014，32(7)：916-921．

[8]罗彬， 刘汉伟，梅涛，等．基于PSD-BPA的电网潮流稳定计算分析平台开发与应用[J]．南京：电力系统自动化，2012，36(17)：119-123．

[9]Han Pingping．Study of Electric Power System Neutral Point Grounding Using PSCAD/EMTDC．web access: Advanced Materials Research．2011，vol2011：354-355.