电力系统分析课程教学模式设计与探索

张宏 张岭 鲁敏 赵咪 许伟奇

摘  要 以电力系统有功电源最优组合内容为例，对电力系统分析课程的教学方法展开设计和探索。首先以视频观看的方式引出本节课的主要内容，然后通过提问+互动讨论+分析归纳+剖析的方式对重难点内容展开讲解，最后以典例分析的方式归纳总结本节课的重难点，依次加深学生对这部分内容的理解和应用。

关键词 有功电源最优组合;教学方法;电力系统分析

中图分类号：G642.3    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2021）11-0073-03

0  前言

电力系统分析作为电气工程及其自动化专业的专业核心课程，与工程实际紧密联系。该课程具有专业概念复杂、抽象，且本身具有很强的综合性和实践性的特点。伴随现代电力系统的快速发展，出现了新能源发电、微电网、智能电网、交直流混联电网、柔性输电、综合能源系统等新现象及其对应的新技术[1]，原有固定教学模式与教学方法已不能适应新的变化，逐渐趋于淘汰。目前，全国各大高等院校对电力系统分析课程在教学上增加新的教学方法、教学手段和教学工具，不断完善、改进该课程的教学模式，同时为后续所开设专业课程如电力系统调度自动化、现代电力系统分析、电力系统继电保护、发电厂电气部分、高电压技术、电力系统自动装置等奠定基础。

电力系统分析课涉及知识面广，在学习这门课之前，要求学生具备扎实的高等数学、大学物理、电路、自动控制原理以及电机学等相关知识[2]，教学难度较大。学生在学习这门课的过程中，存在因基础知识不扎实、部分知识遗忘、畏难等原因而导致知识点无法串联起来、综合应用无法消化的情况。结合石河子大学机械电气工程学院对电气工程及其自动化专业的培养目标，电气工程系就电力系统分析课程从内容、方法、手段以及实践教学等方面进行大量探讨和探索。为此，本文展开电力系统分析课教学方法设计和探索。

本文内容属于电力系统三次调频的内容。传统的课堂教学以PPT演示+理论推导+板书辅助教学为主，该方法使得学生严重缺乏直观性，针对某些抽象的知识点理解起来也较为困难[3]。本文针对电力系统有功电源最优组合对电力系统分析课进行教学方法上的探索，采用视频导入+理论分析+典型例题的方式，让学生在掌握理论知识的基础上，通过典型例题分析，进一步掌握和理解电力系统有功电源的最优组合原则。

通过观看视频可以得知：全球环境恶化对当前人类生活带来巨大威胁和挑战，国家倡导的“可持续发展”观念受到严重阻碍。此外，伴随全球经济的迅速发展，能源危机和环境污染矛盾也日益突出，为应对经济发展和环境恶化对人类和社会带来的不利影响，全球各国政府和相关部门都积极制定相应措施，支持并大力发展可再生能源，探索发展低碳的新途径和新模式[4]。各领域专家、学者也都展开大量理论研究和工程实践，例如：为提高能源与能源之间的综合利用效率，提出综合能源系统概念，以降低风电、光伏发电的弃风弃光率;通过在火电厂安装碳捕集装置，以降低大气二氧化碳排放量。

2020年11月22日，国家主席习近平在二十国集团领导人利雅得峰会“守护地球”主题边会上致辞，提出三点主张：

“第一，加大应对气候变化力度。二十国集团要继续发挥引领作用，在《联合国气候变化框架公约》指导下，推动应对气候变化《巴黎协定》全面有效实施。不久前，我宣布中国将提高国家自主贡献力度，力争二氧化碳排放2030年前达到峰值，2060年前实现碳中和。中国言出必行，将坚定不移加以落实。

第二，深入推进清洁能源转型。中方赞赏沙特提出碳循环经济理念，支持后疫情时代能源低碳转型，实现人人享有可持续能源目标。中国建成了全球最大的清洁能源系统，……将推动能源清洁低碳安全高效利用，加快新能源、绿色环保等产业发展，促进经济社会发展全面绿色转型。

第三，构筑尊重自然的生态系统。中方支持二十国集团在减少土地退化、保护珊瑚礁、应对海洋塑料垃圾等领域深化合作，打造更牢固的全球生态安全屏障。……让我们携起手来，共同建设清洁美丽的世界！”

然而，目前我国能源发电结构仍以传统的火力发电为主，可再生能源发电量仅占全部发电量的27.9%，在多臺火力发电机组发电过程中，其启动数量、启动顺序、启停时间是发电侧必须考虑的因素之一。因此，研究最优组合有功电源至关重要，其对于电力系统经济运行产生巨大影响。至此，衍生出本节课的主要内容[5]：电力系统负荷侧的用电量是不稳定的，当负荷侧用电量增大（或减小）时，应该启动或增大（关闭或减小）哪一台火电机组或其出力？

1  电力系统有功电源最优组合

有功电源的最优组合指系统发电设备或发电厂的合理组合，即所谓的机组的合理启停，主要包括三个部分：机组的最优组合顺序、机组的最优组合数量和机组的最优启停时间。讲授该部分内容之前直接抛出知识点，让学生整体认识该部分知识。层层递进：在确定有功电源最优组合原则之前，首先让学生了解发电机组的耗量特性及其耗量特性曲线的性质。通过耗量特性曲线定义比耗量、耗量微增率、发电机组效率、最小比耗量，依次引出最优组合原则。

1.1  火电机组的耗量特性及其耗量特性曲线

定义：发电设备输入能量与输出有功功率之间的关系。数学表达式如公式（1）所示：

F=a+bPG+cP2G+…≈a+bPG+cP2G （1）

耗量特性曲线如图1所示，为方便后续解决问题的方便，假定曲线连续可导，事实上曲线可能既不连续，也不可导。

式中：F表示火电机组消耗的煤耗量，PG表示火电机组实际输出有功功率。

互动讨论：a、b、c三个系数的正负？

提问+分析归纳：a<0，PG=0时，F<0，不符合能量守恒原理，因此a>0;b<0，由高等数学中抛物线的知识可知，极小值落在纵轴右侧，即随着PG的增大，煤耗量先减小后增大，显然是错误的，煤耗量与输出功率之间是严格的单调递增过程;c<0，由高等数学中抛物线知识可知，抛物线开口向下，即随着PG的增大，煤耗量先增大后减小，显然是错误的。综上所述，a、b、c三个系数均为正值。

1.2  比耗量μ

耗量特性曲线上某一点纵坐标与横坐标的比值，即输入能量与输出功率之比。数学表达式如公式（2）所示：

μi=Fi/PGi                 （2）

1.3  发电机组效率η

耗量特性横纵坐标单位相同，其倒数即为发电机组的效率。数学表达式如公式（3）所示：

ηi=1/ηi                 （3）

提问：为什么耗量特性横纵坐标单位相同，其倒数就是效率？

分析推导：1/μi=PGi/Fi=P实/P理=η。

1.4  耗量微增率λ

单位时间内输入能量微增率与输出功率微增量的比值，即耗量特性曲线上某一点切线斜率。数学表达式如公式（4）所示：

λi=dFi/dPGi                （4）

互动讨论：比耗量和耗量微增率有何联系和区别？

分析归纳：比耗量和耗量微增率有相同的单位，却是两个完全不同的概念，数值一般也不相同，只有在耗量特性曲线上某一点（从原点作直线与耗量特性曲线相切的切点）才相等。

1.5  最小比耗量μmin

从原点作直线，刚好与耗量特性曲线相切的切点对应的比耗量，此时比耗量和耗量微增率相等。

1.6  火电机组的最优组合原则

1.6.1  机组的投切（针对未运行机组）  由比耗量确定：负荷增大时，比耗量小的机组先投入运行;负荷减小时，比耗量大的机组先切出运行。

1.6.2  机组的增减出力（针对运行机组）  由耗量微增率确定：负荷增大时，耗量微增率小的机组先投入运行;负荷减小时，耗量微增率大的机组先切出运行。

剖析：通过比耗量和耗量微增率的公式理解机组的投切和增减出力顺序的具体原因，最终还是归结于煤耗量，机组的最优组合原则体现出机组的最优组合顺序、最优组合数量和最优启停时间。

2  典型例题

如果某发电厂裝有四台火电机组，正常运行时四台机组都没有达到额定出力，且λ1>λ2>λ3>λ4，μ1>μ2>μ3>μ4，当发电厂有功负荷增大时，应首先增加出力的发电机组是4号机组;当发电厂有功负荷减小时，应首先减小出力的发电机组是1号机组;当发电厂有功负荷增大至需启动发电机组时，应启动4号机组;当发电厂有功负荷减小至需关闭发电机组时，应关闭1号机组。

分析：机组增加（或减小）出力应依据耗量微增率确定，机组启动（或关闭）应依据比耗量确定，有功负荷增大（或减小），耗量微增率小（或大）的机组先投入（或退出）运行，比耗量小（或大）的机组启动（或退出）。

3  结语

1）通过视频导入+理论分析+典例分析的方法，剖析电力系统有功电源最优组合的重难点内容，让学生在掌握理论知识的基础上进一步灵活运用有功电源的最优组合原则。

2）有功电源的最优组合是电力系统经济调度的基础和重要内容之一，为现代电力系统智能调度奠定基础。

3）通过本节内容的学习，让学生体会实际工程中制定的各种规则及操作规范导则所带来的电力系统经济效益，提高环保意识，培养专业素养及解决复杂工程问题的能力。

4）电力系统分析课程综合性很强，内容也很抽象，并非一朝一夕就可以上好。在教学过程中，教师需根据学生实际情况以及自己的教学方法及时地反馈校正，同时不断拓宽自己在电气工程领域的知识面，深入了解该课程前沿知识，逐渐提升教学能力和水平。

参考文献

[1]郝亮亮，吴俊勇，夏明超.“电力系统分析”实践教学模式的探索与改革[J].电气电子教学学报，2020（3）：144-147.

[2]张国栋，姚福强，蒲海涛，等.《电力系统分析》课程重难点教学方法探索：以不对称短路计算为例[J].教育现代化，2019（98）：201-202.

[3]黄媛，刘天琪，李华强，等.“电力系统分析”中的同步发电机教学[J].电气电子教学学报，2013（5）：50-52，56.

[4]罗魁.西非可再生能源发展现状及并网技术分析[J].全球能源互联网，2020（5）：526-536.

[5]王忠华，翟璟.人工智能+教育时代教师专业发展面临的挑战与对策[J].中国教育技术装备，2020（12）：13-15.