電力系統(tǒng)分析課程教學(xué)模式設(shè)計與探索

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，對電力系統(tǒng)分析課程的教學(xué)方法展開設(shè)計和探索。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+互動討論+分析歸納+剖析的方式對重難點內(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，依次加深學(xué)生對這部分內(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：G642.3? ? 文獻標識碼：B

文章編號：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化專業(yè)的專業(yè)核心課程，與工程實際緊密聯(lián)系。該課程具有專業(yè)概念復(fù)雜、抽象，且本身具有很強的綜合性和實踐性的特點。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，全國各大高等院校對電力系統(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、改進該課程的教學(xué)模式，同時為后續(xù)所開設(shè)專業(yè)課程如電力系統(tǒng)調(diào)度自動化、現(xiàn)代電力系統(tǒng)分析、電力系統(tǒng)繼電保護、發(fā)電廠電氣部分、高電壓技術(shù)、電力系統(tǒng)自動裝置等奠定基礎(chǔ)。

電力系統(tǒng)分析課涉及知識面廣，在學(xué)習(xí)這門課之前，要求學(xué)生具備扎實的高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、電路、自動控制原理以及電機學(xué)等相關(guān)知識[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)知識不扎實、部分知識遺忘、畏難等原因而導(dǎo)致知識點無法串聯(lián)起來、綜合應(yīng)用無法消化的情況。結(jié)合石河子大學(xué)機械電氣工程學(xué)院對電氣工程及其自動化專業(yè)的培養(yǎng)目標，電氣工程系就電力系統(tǒng)分析課程從內(nèi)容、方法、手段以及實踐教學(xué)等方面進行大量探討和探索。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)生嚴重缺乏直觀性，針對某些抽象的知識點理解起來也較為困難[3]。本文針對電力系統(tǒng)有功電源最優(yōu)組合對電力系統(tǒng)分析課進行教學(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)生在掌握理論知識的基礎(chǔ)上，通過典型例題分析，進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)境惡化對當(dāng)前人類生活帶來巨大威脅和挑戰(zhàn)，國家倡導(dǎo)的“可持續(xù)發(fā)展”觀念受到嚴重阻礙。此外，伴隨全球經(jīng)濟的迅速發(fā)展，能源危機和環(huán)境污染矛盾也日益突出，為應(yīng)對經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境惡化對人類和社會帶來的不利影響，全球各國政府和相關(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，國家主席習(xí)近平在二十國集團領(lǐng)導(dǎo)人利雅得峰會“守護地球”主題邊會上致辭，提出三點主張：

“第一，加大應(yīng)對氣候變化力度。二十國集團要繼續(xù)發(fā)揮引領(lǐng)作用，在《聯(lián)合國氣候變化框架公約》指導(dǎo)下，推動應(yīng)對氣候變化《巴黎協(xié)定》全面有效實施。不久前，我宣布中國將提高國家自主貢獻力度，力爭二氧化碳排放2030年前達到峰值，2060年前實現(xiàn)碳中和。中國言出必行，將堅定不移加以落實。

第二，深入推進清潔能源轉(zhuǎn)型。中方贊賞沙特提出碳循環(huán)經(jīng)濟理念，支持后疫情時代能源低碳轉(zhuǎn)型，實現(xiàn)人人享有可持續(xù)能源目標。中國建成了全球最大的清潔能源系統(tǒng)，……將推動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，促進經(jīng)濟社會發(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)。中方支持二十國集團在減少土地退化、保護珊瑚礁、應(yīng)對海洋塑料垃圾等領(lǐng)域深化合作，打造更牢固的全球生態(tài)安全屏障?！屛覀償y起手來，共同建設(shè)清潔美麗的世界！”

然而，目前我國能源發(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)電量僅占全部發(fā)電量的27.9%，在多臺火力發(fā)電機組發(fā)電過程中，其啟動數(shù)量、啟動順序、啟停時間是發(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，其對于電力系統(tǒng)經(jīng)濟運行產(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)負荷側(cè)的用電量是不穩(wěn)定的，當(dāng)負荷側(cè)用電量增大（或減小）時，應(yīng)該啟動或增大（關(guān)閉或減?。┠囊慌_火電機組或其出力？

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，即所謂的機組的合理啟停，主要包括三個部分：機組的最優(yōu)組合順序、機組的最優(yōu)組合數(shù)量和機組的最優(yōu)啟停時間。講授該部分內(nèi)容之前直接拋出知識點，讓學(xué)生整體認識該部分知識。層層遞進：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)電機組效率、最小比耗量，依次引出最優(yōu)組合原則。

1.1? 火電機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)，事實上曲線可能既不連續(xù)，也不可導(dǎo)。

式中：F表示火電機組消耗的煤耗量，PG表示火電機組實際輸出有功功率。

互動討論：a、b、c三個系數(shù)的正負？

提問+分析歸納：a<0，PG=0時，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，顯然是錯誤的，煤耗量與輸出功率之間是嚴格的單調(diào)遞增過程;c<0，由高等數(shù)學(xué)中拋物線知識可知，拋物線開口向下，即隨著PG的增大，煤耗量先增大后減小，顯然是錯誤的。綜上所述，a、b、c三個系數(shù)均為正值。

1.2? 比耗量μ

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

μi=Fi/PGi? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

1.3? 發(fā)電機組效率η

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

ηi=1/ηi? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

提問：為什么耗量特性橫縱坐標單位相同，其倒數(shù)就是效率？

分析推導(dǎo)：1/μi=PGi/Fi=P實/P理=η。

1.4? 耗量微增率λ

單位時間內(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切線斜率。數(shù)學(xué)表達式如公式（4）所示：

λi=dFi/dPGi? ? ? ? ? ? ? ? （4）

互動討論：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（從原點作直線與耗量特性曲線相切的切點）才相等。

1.5? 最小比耗量μmin

從原點作直線，剛好與耗量特性曲線相切的切點對應(yīng)的比耗量，此時比耗量和耗量微增率相等。

1.6? 火電機組的最優(yōu)組合原則

1.6.1? 機組的投切（針對未運行機組）? 由比耗量確定：負荷增大時，比耗量小的機組先投入運行;負荷減小時，比耗量大的機組先切出運行。

1.6.2? 機組的增減出力（針對運行機組）? 由耗量微增率確定：負荷增大時，耗量微增率小的機組先投入運行;負荷減小時，耗量微增率大的機組先切出運行。

剖析：通過比耗量和耗量微增率的公式理解機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，機組的最優(yōu)組合原則體現(xiàn)出機組的最優(yōu)組合順序、最優(yōu)組合數(shù)量和最優(yōu)啟停時間。

2? 典型例題

如果某發(fā)電廠裝有四臺火電機組，正常運行時四臺機組都沒有達到額定出力，且λ1>λ2>λ3>λ4，μ1>μ2>μ3>μ4，當(dāng)發(fā)電廠有功負荷增大時，應(yīng)首先增加出力的發(fā)電機組是4號機組;當(dāng)發(fā)電廠有功負荷減小時，應(yīng)首先減小出力的發(fā)電機組是1號機組;當(dāng)發(fā)電廠有功負荷增大至需啟動發(fā)電機組時，應(yīng)啟動4號機組;當(dāng)發(fā)電廠有功負荷減小至需關(guān)閉發(fā)電機組時，應(yīng)關(guān)閉1號機組。

分析：機組增加（或減?。┏隽?yīng)依據(jù)耗量微增率確定，機組啟動（或關(guān)閉）應(yīng)依據(jù)比耗量確定，有功負荷增大（或減?。牧课⒃雎市。ɑ虼螅┑臋C組先投入（或退出）運行，比耗量?。ɑ虼螅┑臋C組啟動（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)組合的重難點內(nèi)容，讓學(xué)生在掌握理論知識的基礎(chǔ)上進一步靈活運用有功電源的最優(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)生體會實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)濟效益，提高環(huán)保意識，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，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)生實際情況以及自己的教學(xué)方法及時地反饋校正，同時不斷拓寬自己在電氣工程領(lǐng)域的知識面，深入了解該課程前沿知識，逐漸提升教學(xué)能力和水平。

參考文獻

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