从工程仿真实践角度加强电气类课程教学改革的思考

刘子文 张 犁

（河海大学能源与电气学院 江苏·南京 211100）

当前，电气工程类本科教学通常以教师课堂集中教学为主，对于具有较强工程背景的专业选修课，学生很难对所学对象产生直观的印象和认知[1]。以选修课《高压直流输电》为例，通常会开展高压直流输电系统的基本背景、系统结构、关键设备、控制保护方式等方面的教学，但若只以传统PPT的方式进行知识点的单方向讲授，学生所能掌握的只是高压直流输电系统模糊认知下概念点的拼凑。而在电气工程实际专业领域，直流输电工程的建设其实为专业课的讲授提供了大量素材，借助直流输电工程的电磁暂态仿真，可以加深学生对直流输电系统的直观认识，强有力推进电气工程学科课程教育的改革探索。以下从高压直流输电系统的理论教学任务和工程仿真实践的对应关系展开阐述。

1 高压直流输电系统的理论教学任务

（1）教学目标：高压直流输电是利用电力电子技术对电能进行变换和传输的一门跨学科技术。高压直流输电系统由换流站和架空输电线路组成，通过送端换流站将三相交流电整流成直流电，然后通过架空输电线路送往另一端并转换成三相交流电。其经济性与技术性方面优点突出，主要应用于大功率远距离输电、海底电缆输电、非同步交流系统之间的联网等方面。

通过本课程的学习，理解直流输电技术的新发展，理解高压输电技术的基本概念、构成与分类，高压输电技术的特点及使用场合，了解高压输电技术在我国的发展与未来的发展规划；了解高压输电技术的主要电气设备，理解输电系统的构成及设备的分类、特点。了解常规电网换相高压直流输电的控制与保护措施。

（2）教学内容：①高压直流输电的构成、特点：高压直流输电的概念、分类、构成以及高压直流输电的特点及适用场合。主要知识要点包括：长距离直流输电、背靠背直流输电、直流单极输电、导体回流方式、主流双极输电、多端直流输电。②高压直流输电的发展：高压直流输电历史与国内、国外发展情况以及直流输电技术的新发展。主要知识要点包括高压直流输电技术的发展、国外高压直流输电的代表性案例、高压直流输电在我国的发展。③高压直流输电的系统的主要设备：高压直流输电的换流装置、换流变压器、平波电抗器的作用。主要知识要点包括：高压直流输电换流装置中的器件、换流阀、换流单元的接线方式；换流变压器的功能与特点、型式、接入阀庁的方式；平波电抗器的功能和型式。④高压直流输电的系统的谐波及其无功补偿：高压直流输电谐波的基本问题，特征谐波与费特征谐波，交、直流滤波器的设计、无功补偿装置和功率因素。高压直流输电的无功补偿装置、滤波器的特点和作用。主要知识要点包括：高压直流输电无功补偿装置的功能、类型，无功补偿容量的确定；滤波器的类型、交流与直流滤波器的特点；无功补偿装置以及无功补偿装置的控制。⑤高压直流输电线路：高压直流输电架空线路的运行特性、参数选择以及工程实例的讲解。主要知识要点包括：架空线路的运行特性和参数选择，直流输电线路的发展和应用。⑥高压直流系统的控制：高压直流系统的正常运行控制、故障控制、继电保护控制的原理和要求；高压直流系统的正常运行控制、故障控制、继电保护控制的原理和要求。主要知识要点包括：分层控制模式和基本控制要求，功率控制、频率控制等。基本的脉冲触发控制方式、极控系统、直流站控系统和交流站控系统。

图1：整流侧双12脉动换流系统串联单元之一

图2：双极运行整流侧和逆变侧仿真波形

2 高压直流输电系统的工程仿真实践

本文采用广泛使用的PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件为平台[2]进行仿真实践。该平台由曼尼托巴大学(University of Manitoba)开发扩展而成。其核心仿真算法程序是EMTDC，界面显示由PSCAD完成。通过EMTDC和PSCAD组合可以将仿真结果可视化显示，便于研究人员能够方便使用 EMTDC程序进行电力系统电磁暂态的相关仿真模拟并进行可视化结果显示，同时对结果进行分析和处理等。目前，PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件被广泛用于直流输电的相关工程建模、电磁暂态仿真、电能质量分析等领域。本文以从内蒙古到山东的扎鲁特-青州±800kV特高压直流输电工程[3]为例，搭建其电磁暂态仿真模型，从而说明采用直流输电工程电磁暂态仿真在加深学生对直流输电系统直观认识方面的有效性。

扎鲁特-青州±800kV 特高压直流输电工程是世界上首批电压等级±800千伏、额定输送功率1000万千瓦的特高压直流工程。根据扎鲁特-青州±800kV 特高压直流输电系统工程实际运行的参数，可以运用电力系统暂态仿真软件PSCAD/EMTDC建立相应的整流站、逆变站、滤波器、交流系统、输电线路等电磁仿真模型。该工程采用双极双12脉动换流器的运行方式，整流站和逆变站均采用了两个12脉动换流阀串联连接的方式，整流侧双12脉动换流系统串联单元之一见图1。

在该仿真模型，整流侧的换流器采用了定电流控制和最小整流角控制方式[4]，其中，定电流控制环节可以通过比例积分调节器使系统的直流电流快速跟踪其额定值，从而能够保证直流电流维持在给定的范围内。而逆变侧的换流器则采用定电流和定关断角控制的方式来维持直流电压的稳定运行，同时为了保证系统的运行安全性，一般会配置低压限流、过电压限制等环节。从整个系统的设备组成来看，其模型主要包括一次设备和二次控制系统。其中，一次设备包括整流站和逆变站、架空型直流输电线路、滤波器、平波电抗器和接地极等，而控制系统主要为了保证系统的安全稳定运行，对系统的电压和电流进行调节等。根据扎鲁特-青州直流工程的相关参数，利用PSCAD/EMTDC仿真平台对模型运行进行仿真，结果如图2所示，从上到下依次为整流侧和逆变侧交流电压，正负极直流电压，正负极直流电流和系统传输功率。从仿真结果可以看出，直流输电系统在双极运行时的交流系统电压可以稳定运行在500kV，直流电压实际值基本也维持在800kV，直流电流达到6.25kA，输送功率达到10000MW，可见本仿真在运行时的电压、电流值与扎鲁特-青州特高压直流输电工程双极运行的额定电压、额定电流的基本一致。

3 结论

从以上理论教学任务安排和工程仿真实践结果来看，《高压直流输电》是一门具有较强工程背景的专业选修课，结合直流输电工程的电磁暂态仿真模型和结果，可以有效提高学生在高压直流输电系统的基本背景、系统结构、关键设备、控制保护方式等方面的认知程度，克服传统PPT单方向授课形式的问题。因此，在类似的电气工程专业选修课中，可以借助专业工程建设案例作为专业课的讲授辅助演示素材，进一步加深学生对专业课相关知识点的直观认识程度，从而强有力推进电气工程学科课程教育的改革探索。