羅振鵬 楊寶峰 賈海媛

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院 內(nèi)蒙古呼和浩特 010051）

柔性輸電技術(shù)需要對(duì)電力電子技術(shù)各種電能變換有深入理解，對(duì)電能變換控制有很好的把握，同時(shí)需要對(duì)電力系統(tǒng)潮流及電網(wǎng)動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)調(diào)控技術(shù)手段需要深層次掌握，最終需要把三部分知識(shí)能夠很好地融會(huì)貫通，才能理解《柔性輸電技術(shù)》本門課程內(nèi)容，電力電子技術(shù)對(duì)電網(wǎng)的調(diào)控目標(biāo)及如何通過電力電子技術(shù)手段自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)快速的潮流控制。一般存在這樣矛盾：學(xué)電力系統(tǒng)的學(xué)生大部分對(duì)電力電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)欠缺，學(xué)電力電子技術(shù)的學(xué)生又對(duì)電力系統(tǒng)理解比較欠缺。如何能夠把兩部分知識(shí)深入把握，實(shí)現(xiàn)本課程教學(xué)是目前本門課程研究生教學(xué)中難點(diǎn)，特別是柔性交流輸電技術(shù)中針對(duì)電網(wǎng)不同指標(biāo)和參數(shù)控制，有很多種類電力電子變換裝置，如何能夠很好理解和掌握本部分知識(shí)也是關(guān)鍵[1-3]。在多年研究生課程教學(xué)中，逐漸摸索出一套采用四步層層遞進(jìn)教學(xué)模式：首先采用提出問題，啟發(fā)式思考和探索，提升理論知識(shí)；其次采用仿真技術(shù)，通過自動(dòng)控制技術(shù)直觀地圖形化理解不同裝置工作特性，控制模式，參數(shù)設(shè)置等多層次和多方位把握[4]；再次利用電能傳輸與控制的自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、儲(chǔ)能電池、柴油發(fā)電機(jī)、大電網(wǎng)，線路模擬阻抗一體化實(shí)驗(yàn)，深入掌握新能源并網(wǎng)發(fā)電，儲(chǔ)能調(diào)節(jié)技術(shù)，電能傳輸一體化調(diào)控策略，更進(jìn)一步加深理解和掌握本課程；最后每位研究生查閱一個(gè)本課程相關(guān)前沿課題，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)書寫報(bào)告，講解并一起討論，達(dá)到短時(shí)間內(nèi)共享成果，每位同學(xué)收獲最大化。

一、問題引入，啟發(fā)式教學(xué)探究模式

本課程按照設(shè)計(jì)內(nèi)容分為器件，常規(guī)直流輸電，柔性交流輸電，柔性直流輸電，柔性配電系統(tǒng)5大版塊，每個(gè)版塊內(nèi)分若干個(gè)模塊，每個(gè)模塊設(shè)計(jì)若干個(gè)問題，通過工程案例引入發(fā)現(xiàn)問題，分析問題關(guān)鍵所在，涉及問題在本課程中是如何解決，最后得到理論提升。

從圖1可知：本課程涉及電力電子技術(shù)在電網(wǎng)中應(yīng)用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較多，為了方便掌握歸類成5大版塊教學(xué)內(nèi)容，從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，工作原理，電網(wǎng)調(diào)控，控制模式，工程案例幾個(gè)方面入手，采用引入問題，探究解決方案，對(duì)比相關(guān)電網(wǎng)調(diào)控拓?fù)?，突出各自特征?/p>

圖1 課程五大部分教學(xué)內(nèi)容

1.提出問題深入思考，解決問題，提升高度

如在引入輸電理論中，首先提出如下若干問題：為什么采用特高壓直流輸電或特高壓交流輸電技術(shù)？應(yīng)用這兩種輸電技術(shù)解決什么技術(shù)難題？新能源發(fā)電為什么會(huì)出現(xiàn)棄風(fēng)棄光現(xiàn)象？為什么全國連接成一張大電網(wǎng)？其目的和意義是什么？而且不同區(qū)域聯(lián)網(wǎng)采用直流背靠背的結(jié)構(gòu)而不采用交流并聯(lián)入網(wǎng)原因是什么？我國能源戰(zhàn)略是西電東送，疆電外送，全國聯(lián)網(wǎng)的意義是什么？如何才能實(shí)現(xiàn)我國能源優(yōu)化資源互補(bǔ)，提高清潔能源的占比？這些問題首先讓學(xué)生思考，查閱資料，然后分小組討論，最后匯總給出合理的結(jié)論。

從圖2可知：我國西部能源產(chǎn)地，東部能源消耗地，將西部電能輸送到東部必須實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離，大功率輸電，這樣必須采用高壓輸電技術(shù)。解決遠(yuǎn)距離高電壓大功率輸電技術(shù)兩種技術(shù)方案：高壓直流輸電和高壓交流輸電。只有將全國電網(wǎng)連成一張網(wǎng)，才能實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置，夏季和秋季豐水期讓水力發(fā)電多發(fā)，減少火力發(fā)電，減小環(huán)境污染，達(dá)到節(jié)能減排，冬季和春季枯水期，讓新能源和火力多發(fā)。由于新能源間歇性特征，維持一定比例火力發(fā)電，達(dá)到資源優(yōu)化配置，推進(jìn)節(jié)能減排目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，促進(jìn)不同地區(qū)能源合理利用，達(dá)到區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展。兩個(gè)交流電網(wǎng)區(qū)域聯(lián)網(wǎng)采用直流背靠背，而不采用交流并網(wǎng)，目的是提高區(qū)域電網(wǎng)穩(wěn)定性，達(dá)到聯(lián)網(wǎng)后整體電網(wǎng)可靠性提高[5-6]。

圖2 國家能源戰(zhàn)略

通過這種啟發(fā)式教學(xué)引導(dǎo)，能夠逐級(jí)式引導(dǎo)到課程核心知識(shí)點(diǎn)，提升學(xué)生理論水平和課程興趣，達(dá)到學(xué)生學(xué)有所獲的目的，本課程采用這種教學(xué)方式獲得了一致教學(xué)好評(píng)。

2.對(duì)比式教學(xué)，突出重難點(diǎn)，深入理解各自特征和工程應(yīng)用場(chǎng)景

為了講明白大容量遠(yuǎn)距離高壓輸電的4種方案，設(shè)計(jì)了圖3不同方案對(duì)比，從圖中對(duì)比說明每種輸電核心所在，每種方案區(qū)別于其他幾種的特征，工程應(yīng)用場(chǎng)景，每種內(nèi)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在輸電技術(shù)中優(yōu)劣點(diǎn)，這樣能夠很好地理解柔性輸電技術(shù)涉及4種輸電技術(shù)。

圖3 大容量高電壓輸電四種方案

FACTS技術(shù)是一個(gè)龐大的集合，涉及很多電力電子裝置，每種都能對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的電網(wǎng)參數(shù)調(diào)控，而有些在調(diào)控上效果相同，但是特性不同，工程中性價(jià)比相差較大，將容易混淆的列表，如表一，幾種逐一進(jìn)行對(duì)比工作特性，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，工作原理，優(yōu)缺點(diǎn)，達(dá)到對(duì)本部分知識(shí)的消化吸收。

如表1中SVC和STATCOM，兩者都能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償，但是兩者在補(bǔ)償無功時(shí)外特性和無功電壓特性不同，通過圖4 U-I和U-Q工作特性對(duì)比，逐一理解兩者工作區(qū)間，無功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償能力，工程上性價(jià)比，這樣能夠很好地理解在電力系統(tǒng)中兩者如何在電力系統(tǒng)中根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行配置，培養(yǎng)理論指導(dǎo)實(shí)踐的能力。

表1 重點(diǎn)對(duì)比電能調(diào)控裝置

圖4 SVC與STATCOM無功補(bǔ)償特性對(duì)比工作特性圖

3.每一種FACTS技術(shù)都從共性出發(fā)，把握個(gè)性特征

對(duì)于FACTS技術(shù)，每一種具體裝置分別從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理、工作特性、控制模式、工程應(yīng)用，案例分析多個(gè)方面理解裝置共性的問題，掌握裝置獨(dú)有的特性。突出理論分析，把握對(duì)電網(wǎng)調(diào)控的關(guān)鍵參數(shù)與控制動(dòng)穩(wěn)態(tài)特性，深入理解其應(yīng)用環(huán)境及局限性。如STATCOM和SVC無功補(bǔ)償不同；UPFC，BESS，SMES，SVG功率控制型裝置對(duì)電網(wǎng)潮流控制的不同；高壓串聯(lián)補(bǔ)償和高壓并聯(lián)補(bǔ)償對(duì)電網(wǎng)控制不同；從電網(wǎng)送端和受端輸送有功和無功傳輸原理出發(fā)，對(duì)潮流達(dá)到快速控制需求深入理解功率控制型裝置的控制模式。

二、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在本課程仿真中應(yīng)用

第一步已經(jīng)打好理論基礎(chǔ)上，通過仿真模型搭建，在理論基礎(chǔ)上更深入進(jìn)行仿真分析各裝置工作機(jī)理，控制特性，邏輯關(guān)系，時(shí)序觸發(fā)，外特性。進(jìn)一步從仿真角度直觀地分析，深入理解開環(huán)下工作機(jī)理，閉環(huán)下自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的各裝置功能。由于本課程涉及各種FACTS裝置和各種輸電技術(shù)比較多，每個(gè)都是一個(gè)比較龐大的系統(tǒng)，學(xué)生在上課期間短時(shí)間內(nèi)很難搭建完成；有的甚至是研究生的研究課題，在上課期間很難深入理解；而且涉及很多交叉知識(shí)，學(xué)生難以貫通。針對(duì)這一情況，課程組通過多年課下模型搭建和調(diào)試，已經(jīng)搭建出了大部分的本課程仿真模型，進(jìn)行了適當(dāng)?shù)姆庋b，學(xué)生只需改變局部參數(shù)就能進(jìn)行相關(guān)仿真運(yùn)行，能夠分析工作特性、波形特征、控制模式，能夠更深入地把握本課程的內(nèi)容。

針對(duì)不同研究生應(yīng)用仿真軟件不同，課程組在matlab，pscad，RTDS仿真工具下，搭建了每種仿真軟件下仿真模型，通過更改相關(guān)工作特性參數(shù)來深入領(lǐng)會(huì)工作原理，理解在輸配電技術(shù)中良好的電能控制特性，通過仿真波形分析，直觀深入地分析相關(guān)原理，進(jìn)一步提高理論水平，為后續(xù)課題研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

通過動(dòng)模實(shí)驗(yàn)，理論聯(lián)系實(shí)際，能力達(dá)到升華，進(jìn)一步提升認(rèn)識(shí)水平

學(xué)院擁有2000多萬的一整套自治區(qū)電能傳輸與控制動(dòng)模實(shí)驗(yàn)室，在該實(shí)驗(yàn)室可以進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、儲(chǔ)能系統(tǒng)、柴油機(jī)發(fā)電、大電網(wǎng)系統(tǒng)、線路阻抗模擬系統(tǒng)，可以進(jìn)行現(xiàn)代電網(wǎng)，新能源并網(wǎng)傳輸電能輸電系統(tǒng)的相關(guān)各種潮流控制實(shí)驗(yàn)。

圖5為電力系統(tǒng)新能源發(fā)電動(dòng)模實(shí)驗(yàn)主接線圖，從圖上可以看到，可以進(jìn)行若干種類靈活的電源組合來實(shí)現(xiàn)電能的傳輸與控制，特別是各種新能源與儲(chǔ)能動(dòng)模實(shí)驗(yàn)，對(duì)課程中涉及理論知識(shí)進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，提升理論與實(shí)踐的能力，促進(jìn)分析問題與解決問題的工程實(shí)踐能力。

圖5 電力系統(tǒng)新能源發(fā)電動(dòng)模實(shí)驗(yàn)圖

圖6為電力系統(tǒng)輸電動(dòng)模實(shí)驗(yàn)主接線圖，可以模擬多組無窮大電源和汽輪發(fā)電機(jī)及風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)及電能的傳輸與控制，靈活模擬500KV和220KV線路的電能傳輸與控制，可以進(jìn)行多電源并網(wǎng)的交流輸電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，達(dá)到學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，理論指導(dǎo)實(shí)際，通過實(shí)驗(yàn)深入體會(huì)課程中涉及相關(guān)知識(shí)，提升能力。

圖6 電力系統(tǒng)輸電動(dòng)模實(shí)驗(yàn)圖

三、文獻(xiàn)查閱，把握前沿動(dòng)態(tài)，夯實(shí)課題應(yīng)用

針對(duì)每位研究生研究課題，給每位研究生設(shè)定前沿課題，通過幾周查閱文獻(xiàn)，做成PPT，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行講解，師生間互相質(zhì)疑與問答。通過翻轉(zhuǎn)課堂形式，學(xué)生間互相交換想法，使每位同學(xué)既研究自己相關(guān)課題，又能學(xué)到多方面知識(shí)，將PPT和閱讀文獻(xiàn)共享，學(xué)生可以下載感興趣的知識(shí)，短時(shí)間內(nèi)消化吸收，達(dá)到每個(gè)人集中精力查閱自己相關(guān)部分，又能通過共享獲得他人的成果，達(dá)到很好的教學(xué)效果。

表2就是列舉部分相關(guān)課題，每年都會(huì)精選若干個(gè)前沿題目，從開始上課布置給學(xué)生，在課程進(jìn)度到每一個(gè)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)時(shí)，進(jìn)行反轉(zhuǎn)課堂教學(xué)，學(xué)生真正參與到本課程教學(xué)活動(dòng)中，得到很好的教學(xué)效果。

表2 前沿課題布置題目

結(jié)語

為了能夠把本課程內(nèi)容由書本理論轉(zhuǎn)化到研究生可掌握知識(shí)，最后升華到研究生分析問題、解決問題能力，采用了啟發(fā)式探究教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考，提升分析問題和解決問題能力；通過采用搭建模型仿真與動(dòng)模實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生由理論到實(shí)踐，將書本知識(shí)轉(zhuǎn)化成為自己能力；采用對(duì)比式教學(xué)，加強(qiáng)知識(shí)點(diǎn)的邏輯體系，使知識(shí)點(diǎn)內(nèi)沿與外涵進(jìn)行很好掌握。打亂教材章節(jié)安排，將課程知識(shí)點(diǎn)分成大功率器件理論，現(xiàn)代電網(wǎng)新型發(fā)電技術(shù)（新能源發(fā)電與常規(guī)發(fā)電），大功率高電壓大容量輸電技術(shù)（高壓交流輸電，高壓直流輸電，柔性交流輸電技術(shù)，柔性直流輸電技術(shù)）和柔性配網(wǎng)技術(shù)版塊，每一版塊包含電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的拓?fù)渑c裝置，從多角度、多方面提升學(xué)生知識(shí)與能力，得到良好的教學(xué)效果。