“电力系统分析”课程研究性教学设计

赵为光， 杨 莹， 吕 品， 杨立新

(黑龙江科技大学 电气与控制工程学院， 哈尔滨 150022)

电气工程专业在高技术产业中起着举足轻重的关键作用，电气工程的技术水平是一个国家科技发展程度的有力体现[1]。所以，在世界发达国家的大学教育和科研中，电气工程学科占据极为重要的地位[2]。

当前，专业岗位需求是电力系统及其自动化专业人才培养模式的导向。通过跟踪调查用人单位、教师和学生发现：毕业学生进入任职岗位后有相当比例出现“水土不服”，解决现场复杂实际问题的能力不足，较难胜任入职岗位[3]。同时，电气工程专业课教师反映相当一部分学生理论基础不够扎实，“很多已学过的知识需要再次教”。概而言之，“学生学的只是知识，却不懂得如何应用”是电气工程专业课程教学面临的主要困境。究其实质，传统的“灌输式”教学方式，即教师讲、学生听，体现的是教师对知识的掌握和应用，忽略了教学过程中学生在的主体存在，特别是学生积极思考知识应用、研究和实践的能力[4]。

“电力系统分析”课程知识体系具有一定的广度和深度，是电力系统及其自动化学科的一门专业核心学位课程，在专业教学过程中及高质量专业人才培养计划中具有重要的地位[5]。本文应对“电力系统分析”专业课程在教学过程中的困境问题，以“电力系统分析”课程“无功补偿”部分内容为例，应用研究性教学理念设计教学过程，将知识的传授综合于问题的提出、分析、研究与实践中，学生在参与科学研究中高效积极完成知识的构建，提升知识应用能力。促进电力系统及其自动化专业学生解决现场实际问题和入职后的岗位适应能力。

1 研究性教学模式

研究性教学模式将学生“学”视为教学过程中心，同时强调科学研究活动中知识建构过程的核心作用。研究性教学模式立足于学生问题意识、科学探索能力和创造思维的培养，注重学习过程中学生的情感体验，强调教学活动中学生的参与性、互动性，关注学生对知识的积极构建过程和创新能力的提高[6]。

在“电力系统分析”课程研究性教学实践中，根据教学进度和课程重点难点内容，总结凝练课程知识点的重点范例，结合电力系统的各种实际课题场景，设计专题问题供学生课下分析研究，促使学生在问题研究过程中积极掌握课程理论知识和技术方法，重点设置新能源电力系统最优潮流计算、电压优化控制、需求响应调频和电力系统低碳经济运行评价等专题。在形式上，重点依托现有电力系统专业仿真软件，综合运用理论知识建模分析，给出问题解决方案。也提倡利用基本编程方式结合数值分析基本知识进行基础全面编程分析。通过“课题进课堂”研究性教学方式促进教学和科研融合相长，提升学生学习热情和创新意识。

2 研究性教学载体设计

教师综合考虑课程知识特点和专业工程背景设置研究性学习内容，开展研究性教学载体设计[7]。作为载体的核心，工程背景和研究内容的设计效果对研究性教学质量具有重要影响[8]。下面的研究性教学载体针对“电力系统分析”课程中“无功补偿”内容进行详细设计。

2.1 工程背景

研究性教学载体的工程背景体现的是应用课程知识要点解决工程实际问题，是有利于学生深入理解灵活应用课程理论知识的现场工程实例。根据课程教师科研方向，工程背景可以在选取前沿的、在研的科研课题，通过设计与课程知识要点匹配的工程背景，让学生直接面对科研问题参与到科研中来，调动学生学习热情的同时，激发学生解决科研问题的创新意识，真正实现教学与科研相融合。

高质量的电能供应是社会经济高速发展、生活水平快速提升的重要保障。配电网作为直接面向广大电力用户的关键环节，有效解决配电网动态无功调节问题是电力系统安全、经济运行，保障对用户稳定供电的必要条件。因此，从实际应用角度出发选择将“配电网动态无功补偿”这一科研问题作为研究性教学载体的工程背景。

1)无功功率平衡

电力系统要求系统源、网、荷所发无功功率保持平衡，目的是在各种运行方式下维持电网各节点电压平衡。根据电压静态特性，电压降低时，负荷的无功功率同时减少。因此，只有向负荷侧提供无功功率才能维持负荷侧电压稳定。考虑系统损耗因素，保持电力系统电压稳定必须使电源侧发出的无功功率与负荷侧无功功率及无功损耗之和维持平衡[9]。在电力系统建设阶段，根据区域发展规划，需要平衡计算源、网、荷无功功率，确定补偿装置容量。

2)补偿设备调压

电压波动是衡量电力系统电能质量的重要指标，通过调节无功功率控制系统电压。在负荷侧，系统中存在一些内阻抗具有感性特征的设备，主要包括发电机、变压器和输电线路等，系统运行时感性设备会使无功功率产生波动，如果电网电源发出的无功功率及其分布不能及时跟踪用电负荷无功需求的波动，线路节点电压就会超出极限值，影响电网安全、稳定运行[9]。

电力系统中一般在配电网节点上配置各种补偿设备进行调压。作为常用的补偿设备，电容器、电抗器或电容电抗的组合器件可以利用机械开关控制进行投切，向系统注入或吸收无功功率。随着电力电子技术快速发展，静止无功补偿装置(Static Var Compensation, SVC)采用电力电子器件进行自动操控，使得连续、快速、平滑的无功调节成为可能[10]。理想的SVC具有良好的动态、静态特性，可以使得补偿节点电压保持常值，应用较为广泛。具有并联补偿设备的简单系统如图1所示。

图1 具有并联补偿设备的简单系统

2.2 具有高阶性、挑战度的研究内容

研究内容需要具备一定的高阶性和挑战度，是研究性教学的具体实施环节。在研究内容设计过程，强调在解决实际问题中，将理论与实践素质目标有机融合，加深课程知识点的理解，实现高阶性指标要求。以高阶性目标为指导，依托“配电网动态无功补偿”课题为工程背景，研究内容的设计目标包括：①强化对“SVC基本结构和原理”本质的理解；②掌握补偿设备容量计算方法；③SVC模块控制系统设计；④培养学生理论与实践结合解决工程实际问题的能力，同时提升学生的创新应用能力。

采用由浅入深的方法逐步加大研内容的强度和难度，遵循由易到难、由理论到实践、由知识融绘贯通到创新应用的原则设计研究内容，充分调动学生自主学习能力，积极在文献中发掘，使学生合理投入时间和经历开展研究性学习。根据以上指导思想，按着理论分析、工程实践和创新应用的阶梯路线设计“配电网动态无功补偿”研究内容。

1)动态补偿理论分析

理论分析停留在理论层面，目的是强化理解知识点，属于知识点的初步应用。研究内容设计中，对所学知识点采取逐步回顾和理解的方式，引导学生由浅入深地进行理论分析。理论分析的结论是后续进行实践实施的依据，因此，设计的研究内容应与工程实践相呼应，使学生体验到理论分析是研究工作的必要基础，理论对实践具有重要的指导意义。具体研究内容设计如下：

(1) 强化对“SVC基本结构和原理”本质的理解。SVC的结构如图2所示，建立晶闸管导通角β、触发角ɑ和支路的等值基波电抗的函数表达关系，通过β和ɑ的调整，实现对系统中并联等值电抗的平滑控制。

图2 SVC原理图

(2) 掌握补偿设备容量计算过程。简单系统结线如图1，降压变电所低压母线要求常压保持10.5KV，采用电容器作为补偿设备，要求确定无功补偿设备的容量。按常调压要求确定最小负荷时补偿设备全部退出运行条件下应选用的分接头电压，选用110±2.5%的分接头，按最大负荷时的高压要求确定Qc。验算电压偏移。

(3)SVC模块控制系统设计。SVC控制系统主要包括测量模块、电压调节模块、同步单元触发脉冲发生模块等，结构如图3所示。通过电压调节模块测量被控变量并与参考信号比较，误差信号经过控制器计算输出控制量电纳标幺值，进而经过电压同步和触发脉冲发生模块作用产生脉冲信号实现对支路晶闸管控制。控制系统经闭环反馈循环最终使被控量稳态误差趋于零[10]。

图3 SVC控制系统结构

2)无功补偿工程实践

工程实践是将理论知识应用到工程实际，通过理论联系实际，提高学生分析解决问题的能力。“电力系统分析”课程通常采用两种实践教学方式，即利用实验仪器设备开展实验室实践验证，和利用Matlab仿真软件进行建模仿真验证。限于专业设备成本等因素，目前大部分电力系统实践教学采用建模仿真方式。以理论分析结论为指导，本文利用Matlab软件的SimPowerSystems工具包设计实践研究内容。

针对“配电网动态无功补偿”的工程实践，建立图1系统110 kV的SVC仿真模型。系统电源电压为110 kV，频率50 Hz，采用可编程电压源，线路长度50 km，r0=0.21 Ω/km，x0=0.4 Ω/km，系统负荷为10 MW。在Matlab的SIMULINK仿真环境下，利用SimPowerSystems工具包，建立仿真模型如图4所示。Matlab电力系统库中SVC模块可以仿真任何拓扑结构的无功补偿装置，并联合Powergui模块实现对电力系统的动态模拟。

图4 SVC仿真系统

分析系统无功补偿动态调节过程。设置电压源幅值为1.0 p.u.(t=0～0.2 )，0.94 p.u.(t=0.2～0.5 s)，1.06 p.u.(t=0.5～0.8 s)，1.0 p.u.(t=0.5～1.0 s)。无功功率区间为[-40 Mvar～+40 Mvar]。观察SVC动态调节过程如图5所示，电压调整效果如图6所示，分析SVC调节的正确性和节点电压的动态调节过程。

图5 SVC动态调节过程

图6 节点电压动态调节过程

3)创新应用

创新应用研究内容的设计要符合挑战度要求，要求学生发挥自主学习能力，综合应用相关知识解决具有一定难度的实际问题。提高学生解决复杂问题能力，同时注重培养学生创新能力。设计的研究内容要综合应用本专业多课程知识点，但注意以本课程知识范围为主。

针对“配电网动态无功补偿”内容的创新应用设计，可以让学生探索改进设计SVC控制方案，目的是提高SVC装置对母线电压的控制精度。SimPowerSystems库中SVC模块中的控制器采用的是PID形式。PID调节器在系统快速性和准确性方面的缺陷限制了SVC装置对母线电压的控制精度。为了解决这个问题，在掌握“动态无功补偿”本质的基础上，还需要结合另外两个知识点，即“PID控制器”与“合理整定PID控制器参数”。在掌握基本PID控制器原理基础上，提出改进PID设计方案，提高系统电压控制精度。

(1) 根据教材中的相关知识，了解SVC调节系统单输入单输出闭环控制结构，掌握PID调节器基本原理，能够利用Matlab程序的S函数设计数字PID控制器。

(2) 查阅相关文献，要求学生提出合理的PID参数寻优方案，得到优化的kp、ki、kd，实现PID的整定，提高SVC对系统电压的控制精度。

3 研究性教学体系

根据“电力系统分析”课程涵盖内容多、难度大、应用广的特点，教学实践中，研究性教学载体应体现专业方向的热点问题，在教师的科研课题中提炼出代表性问题，作为教学实践专题。研究内容以高阶性目标为指导，采用由知识融绘贯通到创新应用的设计原则，强调在解决实际问题中加深课程知识点的理解。依托专业仿真软件，进行仿真分析，给出解决方案，提高实践认识。

通过“电力系统分析”课程的研究性教学，使学生构建整体的电力系统普遍问题的知识架构，提升解决新一代电力系统复杂问题的能力，在具有载体支撑的教学模式中，掌握工程问题科学思维方法，获得重要工程思想和工程方法的熏陶。

4 结语

为实现国家新工科人才培养目标，将研究性教学理念落实在“电力系统分析”课程研究性教学载体设计中，同时将“学”为中心的教学思想渗透到课程设计的各个阶段。通过“电力系统分析”课程研究性教学载体设计，提升学生的自主学习能力、综合运用知识解决复杂问题的能力和创新能力，有效提高人才培养质量。