周雪松 胡一凡 馬幼捷 李 微 趙浛宇

天津理工大學電氣工程與自動化學院 天津 300384

一、概述

2017年2月以來，在新一輪科技與產業(yè)變革的大背景下，為響應創(chuàng)新驅動發(fā)展的號召，教育部積極推進“新工科”建設。相較于傳統(tǒng)工科，“新工科”更加注重學科之間的實用交叉，特別是在信息通信領域、智能電網領域、5G+互聯(lián)網關鍵技術領域等新興技術與傳統(tǒng)優(yōu)勢性產業(yè)的緊密結合。

近年來，多所高校及教育機構在新工科建設背景下探索向既關注技術的創(chuàng)新，又以學生為中心、以成果為導向的教育模式轉變。文獻[3]闡述了汕頭大學探索發(fā)展OBE教學理念的原動力及采取的措施。文獻[4]闡述了以國際上先進的教學理念，結合我國高等教育的實際情況進行相關教育科學研究，并提出了具備指向性的實踐方式。文獻[5]主要闡述實驗教學、科研和企業(yè)需要導向結合，課程體系優(yōu)化，課程評價體系改革3個方面內容相互促進結合的一種理念。文獻[6]主要闡述我國教育模式存在的某些弊端，并提出厚基礎寬口徑教育理念，這種理念的特點是加強基礎，促進全面發(fā)展。

全面提高創(chuàng)新能力和實踐能力，將理論創(chuàng)新與學生的校內外社會實踐緊密結合起來，探索出一種產學研用一體化的教育培養(yǎng)模式在現(xiàn)如今是十分必要的。但是目前大多數學生受到“填鴨式”教學，導致“死記硬背”的學習模式根深蒂固，轉變學習方式，進行教學改革十分必要?；趯W習產出的教育模式最早出現(xiàn)于西方國家的教育模式改革，并且日益在我國產生深遠影響。本文基于OBE理念，旨在改變學生的學習方式，轉變學習思想，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新本領與創(chuàng)新意識，努力做到為創(chuàng)新而學習。通過數學、物理、仿真和實驗互動的模式，增進學生對于知識理論的深入理解，對于實踐能力的提升。

二、縱向關聯(lián)教學實施方案

“填鴨式”的教學方式無疑是失敗的，學生真正消化知識需要老師由淺入深引導，以及學生自己的獨立思考，老師要轉變舊的教學方式，引導學生為創(chuàng)新而學習。

本文以“無功電壓調整”為例，陳述改革思路，相關內容結束前，學生應能夠對以下問題有自己的思考和見解。

(一)什么是電壓偏移，為什么需要對電壓進行調整

電壓偏移是指某瞬間設備的端電壓與設備的額定電壓之差對額定電壓的百分比，另外由于負荷隨機性大，電網結構復雜、節(jié)點多等因素決定了電壓偏移不可避免。電壓過高過低都不好，因為電力設備是在額定電壓下設計出來的，在額定電壓下才能保證好的設備的性能和經濟性。以電力系統(tǒng)為例，電壓過低會導致?lián)p耗增大，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性；電壓過高會破壞電力系統(tǒng)絕緣，同樣不是我們想看到的，為此我們需要對電壓進行調整。那么電壓允許的范圍是什么呢？同學們可以查閱GB/T 12325-2008《電能質量供電電壓允許偏差》等相關文件進行課外補充。

(二)無功功率和電壓調整有何關系

無功功率電源發(fā)出的無功功率應與系統(tǒng)的無功負荷及網絡中的無功損耗相平衡，即無功電源的總容量=總無功負荷+網絡無功損耗。按照無功功率平衡原則確定電壓值：

圖1 不考慮變壓器時的等效電路圖Fig.1 Equivalent-Circuit diagram without transformer

可得：

當不變(即發(fā)電機勵磁不調節(jié))和不變(即發(fā)電機調速器不調節(jié))時，則與的關系曲線如下圖所示。

圖2 QG與U的關系曲線

(1)當無功負荷增加時，不變，則電壓從→’下降，達到新的無功平衡；(2)當無功負荷增加時，增加(增大勵磁電流)，則不變也可達到新的無功平衡。

(三)怎么對電壓進行調整，將電壓控制在允許范圍內

圖3 電力系統(tǒng)等效電路圖Fig.3 Equivalent circuit diagram of power system

前提條件：略去電力線路的導納支路和變壓器的導納支路，略去網絡阻抗的功率損耗以及電壓降落的橫分量。

可得：

依據上式，可以總結出對電壓調整的方法：

(1)改變發(fā)電機端電壓：通過調節(jié)勵磁電流，增減發(fā)出的無功，達到改變發(fā)電機端電壓的目的；(2)改變變壓器的變比(，)：系統(tǒng)無功功率充足時應用；(3)就地補償無功功率(即減小線路的傳輸功率)，即使Q下降；(4)改變輸電線路的電抗參數。

老師對學生的引導應以上述問題為根據，由淺入深，帶動學生獨立思考。

三、與“電能質量”課程縱向關聯(lián)

(一)關聯(lián)性分析

學科交叉是引領創(chuàng)新的重要抓手，概念互聯(lián)是學科學習的原生動力。電壓作為電力系統(tǒng)分析課程的基礎概念，是衡量電能質量的重要指標之一，保證用電設備的電壓偏移在允許范圍之內是進行電壓調整的主要目標。根據潮流計算中電壓損耗公式可知，電力系統(tǒng)的運行電壓水平取決于系統(tǒng)的無功功率平衡。無功過剩會導致電壓升高，而無功不足會導致電壓降低，甚至引起系統(tǒng)的電壓崩潰，所以通過補償無功功率，能提升運行電壓水平，保證良好的電能質量。有概念互聯(lián)上的深入理解，才會有創(chuàng)新思維上的破冰突圍。因此，以電壓和無功功率引導，提升學生概念互聯(lián)的基本能力，突破學生停滯的創(chuàng)新瓶頸。

(二)提出問題

依據現(xiàn)有國標，電壓質量的優(yōu)劣對各類用電設備的安全經濟運行有直接的影響，電壓過高或過低都會危及設備的正常運行或發(fā)生燒毀事故，并增加電能的損耗。

以電力企業(yè)生產運行為例：某供電局供電系統(tǒng)由1所110kV主變電站和4所35kV發(fā)電站組成。該供電系統(tǒng)在運行中多次發(fā)生負荷側電壓低于額定電壓，導致用電設備不能正常運行。調查研究后發(fā)現(xiàn)引起電壓降低的因素是系統(tǒng)中的無功不足，導致供電過程中電壓損耗大，從而引起負荷側的電壓降低，用電設備不能正常工作。

通過將實際出現(xiàn)的工程問題和課堂上所授的理論內容相交叉，增進學生對于知識理論的深入理解，對于動手能力的提升。

(三)解決問題

為提高系統(tǒng)的電壓水平，輸出穩(wěn)定且有質量的電能，需要進行無功補償。無功補償的措施有多種，其中以無功電源分配和無功負荷分布為主，且在負荷側加入無功補償裝置(靜電電容器、同步調相機等)以及進行改變變壓器分接頭調壓最為常見。

學生根據實際問題，選擇合適的調壓措施，改善電能質量，達到與“無功調壓”與“電能質量”關聯(lián)的目的。此過程中，充分調動學生的主觀能動性，達到培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題與解決問題能力的教學目標。

四、與“供配電技術”課程縱向關聯(lián)

電力系統(tǒng)無功補償和電壓調整表現(xiàn)為強耦合性，無功電壓調整對于維護電力系統(tǒng)供電質量和功率平衡起著十分重要的作用，無功電壓調整在電網的各個環(huán)節(jié)應用廣泛。為了降低由于電網長距離輸電而引起的線路損耗，并保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行高質量高可靠性供電，需要對無功電壓進行合理的調整，進而提高電網系統(tǒng)的功率效率、穩(wěn)定性、經濟性。

無功功率的平衡是電力系統(tǒng)正常運行的重要保障。系統(tǒng)無功出力不足會導致電壓水平低，關鍵在于設法對系統(tǒng)無功功率進行補償，保證系統(tǒng)的無功功率平衡，進而保證電力系統(tǒng)高質量高可靠性供電。傳統(tǒng)的無功補償的方法有很多，例如串并聯(lián)電容、串并聯(lián)電感等方法。串并聯(lián)電容器可以用于提供輸電線的運載能力和維護電壓的穩(wěn)定，在電力系統(tǒng)有充足的無功功率時，維護電壓的穩(wěn)定可以采用選取不同分接頭變壓器調整電壓的方法。串并聯(lián)電感器用于輕載和重載時提高和降低系統(tǒng)運行時的過電壓等問題，提高系統(tǒng)電壓的調整效率。當最大負荷和最小負荷兩種情況下的電壓變化幅度比較大或要求逆調壓時，宜采用帶負荷有載調壓的變壓器。當系統(tǒng)無功不足時，采用調整變壓器分接頭的措施可能并不適用，因為強制升高后，該地區(qū)所需的無功功率也增大了，會使得該地區(qū)電力系統(tǒng)的無功不足增大，進而影響該地區(qū)電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定不足與降低。

在實際供配電網絡的等效模型中，包含多種無功補償的典型情況，將無功電壓調整與“供配電”縱向關聯(lián)，學生可以更直觀形象且更深刻地理解無功電壓調整應按全面規(guī)劃、合理布局、就地平衡的原則確定最優(yōu)調整方式。學生對供配電網絡有一個較為完整的印象，激發(fā)學生思考，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新和探索精神，對課堂知識的理解和應用實際的依托，有利于牢固掌握所學的知識。

五、基于OBE理念的課程實驗設計

(一)實驗背景

為了踐行黨中央提出“強化課堂主陣地作用，切實提高課堂教學質量”的號召，同時為了提升學生理論聯(lián)系實際的能力，以成果為導向的OBE模式已成為現(xiàn)如今教育改革的主流理念。

本文為加深學生對于電力系統(tǒng)電壓調節(jié)方式的認識，使學生將電力系統(tǒng)集成與系統(tǒng)控制理論相結合，設計了基于QNET Energy Conversion實驗平臺(如圖4所示)的電力系統(tǒng)半實物。

圖4 QNET Energy Conversion實驗平臺實物圖Fig.4 Physical picture of the QNET Energy Conversion experi-mental platform

仿真模擬實際風力發(fā)電系統(tǒng)工作模式，并進行電壓調節(jié)和閉環(huán)控制的測試，使學生對知識點有直觀的認識。實驗中利用改變不同的參數設定值，進行實驗現(xiàn)象的記錄和對比分析，培養(yǎng)學生自主學習、獨立思考、綜合分析的能力。

該平臺通過LabVIEW與計算機通信，實驗過程中通過調整直流電源輸入電壓幅值、升壓變換器輸出給定值和逆變器輸出給定值，觀測電動機轉速、系統(tǒng)各變換器輸入輸出電壓和電流，對比分析不同工況下變換器的工作狀態(tài)及控制環(huán)路的控制效果，增進學生對于知識理論的深入理解。

(二)實驗設計

基于上述實驗平臺，指導學生完成了如下實驗，并記錄實驗數據、繪制保存實驗波形：

(1)完成QNET Energy Conversion實驗平臺風力發(fā)電系統(tǒng)中不同工況下電源電壓、發(fā)電機轉速、整流電壓、升壓電壓和逆變電壓實驗記錄以及原理分析。

(2)完成風力發(fā)電系統(tǒng)中升壓變壓器和逆變器的控制系統(tǒng)結構以及控制范圍分析。

(3)完成系統(tǒng)中發(fā)電機效率、逆變器效率以及總效率的分析。

學生通過實際計算以及計算設計控制器給定值，完成了實驗任務。這個以電力系統(tǒng)集成半實物仿真中的電壓調節(jié)實驗作為關聯(lián)教學的實施案例，一方面讓學生掌握了三相負荷平衡計算的原理與過程，另一方面令學生體會工程設計中的重要性及理論對實踐的重要支撐及指導作用。

結語

本文旨在新工科教改背景下建立一個爭創(chuàng)一流、注重成果導向教育的電力系統(tǒng)分析“無功電壓調整”課程教學模式，以學生為中心，對授課內容及方式進行革新，注重學科之間的互動，增進學生對于知識理論的深入理解，增進社會實踐能力，逐步培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神。但冰凍三尺非一日之寒，現(xiàn)今教育大多仍以應試為目的，學生缺乏動手實踐機會，創(chuàng)新能力亟待增強。相信通過學校及社會的不懈努力，教學模式的不斷革新，必定會迎來學生素質的顯著提高。