張宏 張嶺 魯敏 趙咪 許偉奇

摘? 要 以電力系統(tǒng)有功電源最優(yōu)組合內(nèi)容為例，對(duì)電力系統(tǒng)分析課程的教學(xué)方法展開設(shè)計(jì)和探索。首先以視頻觀看的方式引出本節(jié)課的主要內(nèi)容，然后通過提問+互動(dòng)討論+分析歸納+剖析的方式對(duì)重難點(diǎn)內(nèi)容展開講解，最后以典例分析的方式歸納總結(jié)本節(jié)課的重難點(diǎn)，依次加深學(xué)生對(duì)這部分內(nèi)容的理解和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 有功電源最優(yōu)組合;教學(xué)方法;電力系統(tǒng)分析

中圖分類號(hào)：G642.3? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2021）11-0073-03

0? 前言

電力系統(tǒng)分析作為電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的專業(yè)核心課程，與工程實(shí)際緊密聯(lián)系。該課程具有專業(yè)概念復(fù)雜、抽象，且本身具有很強(qiáng)的綜合性和實(shí)踐性的特點(diǎn)。伴隨現(xiàn)代電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了新能源發(fā)電、微電網(wǎng)、智能電網(wǎng)、交直流混聯(lián)電網(wǎng)、柔性輸電、綜合能源系統(tǒng)等新現(xiàn)象及其對(duì)應(yīng)的新技術(shù)[1]，原有固定教學(xué)模式與教學(xué)方法已不能適應(yīng)新的變化，逐漸趨于淘汰。目前，全國(guó)各大高等院校對(duì)電力系統(tǒng)分析課程在教學(xué)上增加新的教學(xué)方法、教學(xué)手段和教學(xué)工具，不斷完善、改進(jìn)該課程的教學(xué)模式，同時(shí)為后續(xù)所開設(shè)專業(yè)課程如電力系統(tǒng)調(diào)度自動(dòng)化、現(xiàn)代電力系統(tǒng)分析、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)、發(fā)電廠電氣部分、高電壓技術(shù)、電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置等奠定基礎(chǔ)。

電力系統(tǒng)分析課涉及知識(shí)面廣，在學(xué)習(xí)這門課之前，要求學(xué)生具備扎實(shí)的高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、電路、自動(dòng)控制原理以及電機(jī)學(xué)等相關(guān)知識(shí)[2]，教學(xué)難度較大。學(xué)生在學(xué)習(xí)這門課的過程中，存在因基礎(chǔ)知識(shí)不扎實(shí)、部分知識(shí)遺忘、畏難等原因而導(dǎo)致知識(shí)點(diǎn)無法串聯(lián)起來、綜合應(yīng)用無法消化的情況。結(jié)合石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院對(duì)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，電氣工程系就電力系統(tǒng)分析課程從內(nèi)容、方法、手段以及實(shí)踐教學(xué)等方面進(jìn)行大量探討和探索。為此，本文展開電力系統(tǒng)分析課教學(xué)方法設(shè)計(jì)和探索。

本文內(nèi)容屬于電力系統(tǒng)三次調(diào)頻的內(nèi)容。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)以PPT演示+理論推導(dǎo)+板書輔助教學(xué)為主，該方法使得學(xué)生嚴(yán)重缺乏直觀性，針對(duì)某些抽象的知識(shí)點(diǎn)理解起來也較為困難[3]。本文針對(duì)電力系統(tǒng)有功電源最優(yōu)組合對(duì)電力系統(tǒng)分析課進(jìn)行教學(xué)方法上的探索，采用視頻導(dǎo)入+理論分析+典型例題的方式，讓學(xué)生在掌握理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，通過典型例題分析，進(jìn)一步掌握和理解電力系統(tǒng)有功電源的最優(yōu)組合原則。

通過觀看視頻可以得知：全球環(huán)境惡化對(duì)當(dāng)前人類生活帶來巨大威脅和挑戰(zhàn)，國(guó)家倡導(dǎo)的“可持續(xù)發(fā)展”觀念受到嚴(yán)重阻礙。此外，伴隨全球經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，能源危機(jī)和環(huán)境污染矛盾也日益突出，為應(yīng)對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境惡化對(duì)人類和社會(huì)帶來的不利影響，全球各國(guó)政府和相關(guān)部門都積極制定相應(yīng)措施，支持并大力發(fā)展可再生能源，探索發(fā)展低碳的新途徑和新模式[4]。各領(lǐng)域?qū)＜?、學(xué)者也都展開大量理論研究和工程實(shí)踐，例如：為提高能源與能源之間的綜合利用效率，提出綜合能源系統(tǒng)概念，以降低風(fēng)電、光伏發(fā)電的棄風(fēng)棄光率;通過在火電廠安裝碳捕集裝置，以降低大氣二氧化碳排放量。

2020年11月22日，國(guó)家主席習(xí)近平在二十國(guó)集團(tuán)領(lǐng)導(dǎo)人利雅得峰會(huì)“守護(hù)地球”主題邊會(huì)上致辭，提出三點(diǎn)主張：

“第一，加大應(yīng)對(duì)氣候變化力度。二十國(guó)集團(tuán)要繼續(xù)發(fā)揮引領(lǐng)作用，在《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》指導(dǎo)下，推動(dòng)應(yīng)對(duì)氣候變化《巴黎協(xié)定》全面有效實(shí)施。不久前，我宣布中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，力爭(zhēng)二氧化碳排放2030年前達(dá)到峰值，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。中國(guó)言出必行，將堅(jiān)定不移加以落實(shí)。

第二，深入推進(jìn)清潔能源轉(zhuǎn)型。中方贊賞沙特提出碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念，支持后疫情時(shí)代能源低碳轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)人人享有可持續(xù)能源目標(biāo)。中國(guó)建成了全球最大的清潔能源系統(tǒng)，……將推動(dòng)能源清潔低碳安全高效利用，加快新能源、綠色環(huán)保等產(chǎn)業(yè)發(fā)展，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型。

第三，構(gòu)筑尊重自然的生態(tài)系統(tǒng)。中方支持二十國(guó)集團(tuán)在減少土地退化、保護(hù)珊瑚礁、應(yīng)對(duì)海洋塑料垃圾等領(lǐng)域深化合作，打造更牢固的全球生態(tài)安全屏障。……讓我們攜起手來，共同建設(shè)清潔美麗的世界！”

然而，目前我國(guó)能源發(fā)電結(jié)構(gòu)仍以傳統(tǒng)的火力發(fā)電為主，可再生能源發(fā)電量?jī)H占全部發(fā)電量的27.9%，在多臺(tái)火力發(fā)電機(jī)組發(fā)電過程中，其啟動(dòng)數(shù)量、啟動(dòng)順序、啟停時(shí)間是發(fā)電側(cè)必須考慮的因素之一。因此，研究最優(yōu)組合有功電源至關(guān)重要，其對(duì)于電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行產(chǎn)生巨大影響。至此，衍生出本節(jié)課的主要內(nèi)容[5]：電力系統(tǒng)負(fù)荷側(cè)的用電量是不穩(wěn)定的，當(dāng)負(fù)荷側(cè)用電量增大（或減小）時(shí)，應(yīng)該啟動(dòng)或增大（關(guān)閉或減?。┠囊慌_(tái)火電機(jī)組或其出力？

1? 電力系統(tǒng)有功電源最優(yōu)組合

有功電源的最優(yōu)組合指系統(tǒng)發(fā)電設(shè)備或發(fā)電廠的合理組合，即所謂的機(jī)組的合理啟停，主要包括三個(gè)部分：機(jī)組的最優(yōu)組合順序、機(jī)組的最優(yōu)組合數(shù)量和機(jī)組的最優(yōu)啟停時(shí)間。講授該部分內(nèi)容之前直接拋出知識(shí)點(diǎn)，讓學(xué)生整體認(rèn)識(shí)該部分知識(shí)。層層遞進(jìn)：在確定有功電源最優(yōu)組合原則之前，首先讓學(xué)生了解發(fā)電機(jī)組的耗量特性及其耗量特性曲線的性質(zhì)。通過耗量特性曲線定義比耗量、耗量微增率、發(fā)電機(jī)組效率、最小比耗量，依次引出最優(yōu)組合原則。

1.1? 火電機(jī)組的耗量特性及其耗量特性曲線

定義：發(fā)電設(shè)備輸入能量與輸出有功功率之間的關(guān)系。數(shù)學(xué)表達(dá)式如公式（1）所示：

F=a+bPG+cP2G+…≈a+bPG+cP2G （1）

耗量特性曲線如圖1所示，為方便后續(xù)解決問題的方便，假定曲線連續(xù)可導(dǎo)，事實(shí)上曲線可能既不連續(xù)，也不可導(dǎo)。

式中：F表示火電機(jī)組消耗的煤耗量，PG表示火電機(jī)組實(shí)際輸出有功功率。

互動(dòng)討論：a、b、c三個(gè)系數(shù)的正負(fù)？

提問+分析歸納：a<0，PG=0時(shí)，F(xiàn)<0，不符合能量守恒原理，因此a>0;b<0，由高等數(shù)學(xué)中拋物線的知識(shí)可知，極小值落在縱軸右側(cè)，即隨著PG的增大，煤耗量先減小后增大，顯然是錯(cuò)誤的，煤耗量與輸出功率之間是嚴(yán)格的單調(diào)遞增過程;c<0，由高等數(shù)學(xué)中拋物線知識(shí)可知，拋物線開口向下，即隨著PG的增大，煤耗量先增大后減小，顯然是錯(cuò)誤的。綜上所述，a、b、c三個(gè)系數(shù)均為正值。

1.2? 比耗量μ

耗量特性曲線上某一點(diǎn)縱坐標(biāo)與橫坐標(biāo)的比值，即輸入能量與輸出功率之比。數(shù)學(xué)表達(dá)式如公式（2）所示：

μi=Fi/PGi? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

1.3? 發(fā)電機(jī)組效率η

耗量特性橫縱坐標(biāo)單位相同，其倒數(shù)即為發(fā)電機(jī)組的效率。數(shù)學(xué)表達(dá)式如公式（3）所示：

ηi=1/ηi? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

提問：為什么耗量特性橫縱坐標(biāo)單位相同，其倒數(shù)就是效率？

分析推導(dǎo)：1/μi=PGi/Fi=P實(shí)/P理=η。

1.4? 耗量微增率λ

單位時(shí)間內(nèi)輸入能量微增率與輸出功率微增量的比值，即耗量特性曲線上某一點(diǎn)切線斜率。數(shù)學(xué)表達(dá)式如公式（4）所示：

λi=dFi/dPGi? ? ? ? ? ? ? ? （4）

互動(dòng)討論：比耗量和耗量微增率有何聯(lián)系和區(qū)別？

分析歸納：比耗量和耗量微增率有相同的單位，卻是兩個(gè)完全不同的概念，數(shù)值一般也不相同，只有在耗量特性曲線上某一點(diǎn)（從原點(diǎn)作直線與耗量特性曲線相切的切點(diǎn)）才相等。

1.5? 最小比耗量μmin

從原點(diǎn)作直線，剛好與耗量特性曲線相切的切點(diǎn)對(duì)應(yīng)的比耗量，此時(shí)比耗量和耗量微增率相等。

1.6? 火電機(jī)組的最優(yōu)組合原則

1.6.1? 機(jī)組的投切（針對(duì)未運(yùn)行機(jī)組）? 由比耗量確定：負(fù)荷增大時(shí)，比耗量小的機(jī)組先投入運(yùn)行;負(fù)荷減小時(shí)，比耗量大的機(jī)組先切出運(yùn)行。

1.6.2? 機(jī)組的增減出力（針對(duì)運(yùn)行機(jī)組）? 由耗量微增率確定：負(fù)荷增大時(shí)，耗量微增率小的機(jī)組先投入運(yùn)行;負(fù)荷減小時(shí)，耗量微增率大的機(jī)組先切出運(yùn)行。

剖析：通過比耗量和耗量微增率的公式理解機(jī)組的投切和增減出力順序的具體原因，最終還是歸結(jié)于煤耗量，機(jī)組的最優(yōu)組合原則體現(xiàn)出機(jī)組的最優(yōu)組合順序、最優(yōu)組合數(shù)量和最優(yōu)啟停時(shí)間。

2? 典型例題

如果某發(fā)電廠裝有四臺(tái)火電機(jī)組，正常運(yùn)行時(shí)四臺(tái)機(jī)組都沒有達(dá)到額定出力，且λ1>λ2>λ3>λ4，μ1>μ2>μ3>μ4，當(dāng)發(fā)電廠有功負(fù)荷增大時(shí)，應(yīng)首先增加出力的發(fā)電機(jī)組是4號(hào)機(jī)組;當(dāng)發(fā)電廠有功負(fù)荷減小時(shí)，應(yīng)首先減小出力的發(fā)電機(jī)組是1號(hào)機(jī)組;當(dāng)發(fā)電廠有功負(fù)荷增大至需啟動(dòng)發(fā)電機(jī)組時(shí)，應(yīng)啟動(dòng)4號(hào)機(jī)組;當(dāng)發(fā)電廠有功負(fù)荷減小至需關(guān)閉發(fā)電機(jī)組時(shí)，應(yīng)關(guān)閉1號(hào)機(jī)組。

分析：機(jī)組增加（或減小）出力應(yīng)依據(jù)耗量微增率確定，機(jī)組啟動(dòng)（或關(guān)閉）應(yīng)依據(jù)比耗量確定，有功負(fù)荷增大（或減?。?，耗量微增率?。ɑ虼螅┑臋C(jī)組先投入（或退出）運(yùn)行，比耗量?。ɑ虼螅┑臋C(jī)組啟動(dòng)（或退出）。

3? 結(jié)語

1）通過視頻導(dǎo)入+理論分析+典例分析的方法，剖析電力系統(tǒng)有功電源最優(yōu)組合的重難點(diǎn)內(nèi)容，讓學(xué)生在掌握理論知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步靈活運(yùn)用有功電源的最優(yōu)組合原則。

2）有功電源的最優(yōu)組合是電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的基礎(chǔ)和重要內(nèi)容之一，為現(xiàn)代電力系統(tǒng)智能調(diào)度奠定基礎(chǔ)。

3）通過本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生體會(huì)實(shí)際工程中制定的各種規(guī)則及操作規(guī)范導(dǎo)則所帶來的電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益，提高環(huán)保意識(shí)，培養(yǎng)專業(yè)素養(yǎng)及解決復(fù)雜工程問題的能力。

4）電力系統(tǒng)分析課程綜合性很強(qiáng)，內(nèi)容也很抽象，并非一朝一夕就可以上好。在教學(xué)過程中，教師需根據(jù)學(xué)生實(shí)際情況以及自己的教學(xué)方法及時(shí)地反饋校正，同時(shí)不斷拓寬自己在電氣工程領(lǐng)域的知識(shí)面，深入了解該課程前沿知識(shí)，逐漸提升教學(xué)能力和水平。

參考文獻(xiàn)

[1]郝亮亮，吳俊勇，夏明超.“電力系統(tǒng)分析”實(shí)踐教學(xué)模式的探索與改革[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2020（3）：144-147.

[2]張國(guó)棟，姚福強(qiáng)，蒲海濤，等.《電力系統(tǒng)分析》課程重難點(diǎn)教學(xué)方法探索：以不對(duì)稱短路計(jì)算為例[J].教育現(xiàn)代化，2019（98）：201-202.

[3]黃媛，劉天琪，李華強(qiáng)，等.“電力系統(tǒng)分析”中的同步發(fā)電機(jī)教學(xué)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2013（5）：50-52，56.

[4]羅魁.西非可再生能源發(fā)展現(xiàn)狀及并網(wǎng)技術(shù)分析[J].全球能源互聯(lián)網(wǎng)，2020（5）：526-536.

[5]王忠華，翟璟.人工智能+教育時(shí)代教師專業(yè)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)與對(duì)策[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2020（12）：13-15.